DE4032001A1

DE4032001A1 - Induktiver naeherungsschalter

Info

Publication number: DE4032001A1
Application number: DE19904032001
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Phys Dr Woelfle
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1992-05-27
Also published as: DE4032001C2

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, insbesondere ei nem Oszillator, mit einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schalt verstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltver stärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei zu dem Anwesenheitsindikator eine Indi katorimpedanz mit einer Indikatorspule und einem der Indikatorspule zuge ordneten Ferritkern gehört.

Wesentlicher Bestandteil eines induktiven Näherungsschalters ist in der Regel ein von außen beeinflußbarer Oszillator. Dabei gilt für den Oszil lator, solange ein Metallteil einen vorgegebenen Abstand noch nicht er reicht hat, K × V = 1 mit K = Rückkopplungsfaktor und V = Verstärkungsfak tor des Oszillators; d. h. der Oszillator schwingt. Erreicht das entspre chende Metallteil den vorgegebenen Abstand, so führt die zunehmende Be dämpfung des Oszillators zu einer Verringerung des Verstärkungsfaktors V, so daß V × V < 1 wird; d. h. der Oszillator hört auf zu schwingen. Ab hängig von den unterschiedlichen Zuständen des Oszillators wird ein zu dem induktiven Näherungsschalter gehörender elektronischer Schalter, z. B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac, gesteuert. Zum Stand der Technik in bezug auf induktive Näherungsschalter wird auf die DE-OSen 37 22 334 und 37 22 335 und auf die in diesen vorveröffentlichten Druckschriften aufgeführten deutschen Offenlegungsschriften, Auslegeschriften und Patent schriften verwiesen.

Treten in der Nähe eines induktiven Näherungsschalters der zuvor beschrie benen Art starke magnetische Felder auf, so treiben diese magnetischen Fel der den Ferritkern in die Sättigung, was die Induktivität der Indikatorim pedanz gravierend verändern und damit den Resonanzwiderstand als detektier te Größe erheblich verfälschen kann. Solche magnetischen Felder, im folgen den Fremdfelder genannt, entstehen z. B. beim Elektroschweißen nahe der stromführenden Teile.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den induktiven Nährungsschal ter, von dem die Erfindung ausgeht, möglichst fremdfeldunabhängig zu machen.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter, bei dem die zuvor herge leitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentli chen dadurch gekennzeichnet, daß gegensinnig in Reihe zu der Indikatorspule eine Kompensationsspule geschaltet ist und der Ferritkern auch der Kompen sationsspule zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme läßt sich erreichen, daß die Indikatorimpedanz eine luftspulenähnliche Induktivität mit luftspulen ähnlichem Verhalten hat, so daß sich Fremdfelder praktisch nicht auswirken.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfin dung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 das Ersatzschaltbild des Schwingkreises eines zu einem indukti ven Näherungsschalter gehörenden Oszillators,

Fig. 2 den mechanischen und elektrischen Aufbau einer Indikatorimpe danz eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters und

Fig. 3 das zu der Indikatorimpedanz nach Fig. 2 gehörende Schaltbild.

Gegenstand der Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltver stärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstär ker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thy ristor oder einem Triac. Das alles ist in den Figuren nicht dargestellt. Vielmehr wird insoweit auf die DE-OSen 37 22 334 und 37 22 335 und auf die in diesen vorveröffentlichten Druckschriften aufgeführten deutschen Offen legungsschriften, Auslegeschriften und Patentschriften verwiesen.

Zu dem im übrigen nicht dargestellten Anwesenheitsindikator des im übrigen nicht dargestellten induktiven Näherungsschalters gehört eine Indikatorim pedanz 1 mit einer Indikatorspule 2 und einem der Indikatorspule 2 zugeord neten Ferritkern 3.

Bei der Herleitung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ausge führt worden, daß starke magnetische Felder den Ferritkern 3 der Indikator impedanz 1 in die Sättigung treiben können und daß dadurch die Induktivi tät der Indikatorimpedanz 1 gravierend verändert und damit der Resonanzwi derstand als detektierte Größe verfälscht werden kann. Das ergibt sich aus dem in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild des Schwingkreises eines als Oszillator ausgeführten Anwesenheitsindikators eines induktiven Näherungs schalters. Mit

L = Induktivität der Indikatorimpedanz 1,
R_s = Widerstand der Indikatorimpedanz 1,
C = Kapazität des Schwingkreiskondensators 4,
S = Schaltabstand,
ω = Kreisfrequenz,
B = Induktionsflußdichte,
R_p = Widerstand des Parallelersatzwiderstandes bei Resonanz,

gelten zunächst mit guter Näherung folgende Gleichungen:

R_p = L/C · 1/R_s (1)

Die Beeinflussung des Widerstandes R_p des Parallelersatzwiderstandes wird durch das totale Differential beschrieben:

dR_p = dR_p(S) + dR_p(L) + dR_p(ω) (3)

Die Summanden setzen sich aus den indikatorspezifischen Daten und den schwingkreisspezifischen restlichen Differentialquotienten zusammen:

wobei

Die restlichen Quotienten lassen sich mit Hilfe der abgeleiteten Glei chungen (1) und (2) explizit ausdrücken, so daß man mit den Gleichungen (3) bis (6) erhält:

Der rechte Summand in der Gleichung (7) definiert die magnetische Empfind lichkeit der Indikatorimpedanz 1 in dem in Fig. 1 dargestellten Parallel schwingkreis.

Induktive Näherungsschalter, die den Resonanzwiderstand, also den Parallel ersatzwiderstand des Schwingkreises bei Resonanz, auswerten, können nicht zwischen metallischer Bedämpfung, linker Term in der Gleichung (7), und ihrer Störung unterscheiden, die im Takt von Schwankungen des magneti schen Feldes auftritt. Die Lösung dieses Problems besteht daher erfindungs gemäß in der Unterdrückung der magnetischen Beeinflussung, nämlich dadurch, daß die magnetische Bedämpfung mit der zur Indikatorspule 2 gegensinnig be stromten Kompensationsspule 5 im Wickelraum des Ferritkerns 3 kompensiert wird. Die Fig. 2 zeigt, daß der Ferritkern 3 schalenförmig ausgeführt ist sowie die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 5 innerhalb des scha lenförmig ausgeführten Ferritkerns 3 angeordnet sind.

Bei der beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Realisierung der Indika torimpedanz 1 bilden sich zwei gegensinnig verlaufende magnetische Flüsse aus, nämlich der Indikationsfluß Φ_I und der Kompensationsfluß Φ _K. Der in der Indikatorimpedanz bleibende lokale Kompensationsfluß Φ_K ist im Gegensatz zum Indikationsfluß Φ_I nicht von außen durch metallische Be dämpfung beeinflußbar und vermindert daher die Empfindlichkeit des Nähe rungsschalters. Trotzdem kann mit der beschriebenen Konfiguration die mag netische Beeinflussung bei entsprechende Optimierung des Verhältnisses Kompensationsfluß Φ_K zu Indikationsfluß Φ_I entscheidend vermindert wer den. Wichtig ist hierzu das Dominieren des Indikationsflusses Φ_I gegen über dem Kompensationsfluß Φ_K.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist bei der Indikatorimpedanz 1 die Indikatorspule 2 an der offenen Seite des schalenförmigen Ferritkerns 3 und die Kompensations spule 5 unterhalb der Indikatorspule 2 angeordnet.

Die Induktivität einer mit einem Ferritkern versehenen Spule setzt sich be kanntlich zusammen aus dem Luftanteil und dem Ferritanteil.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Indikatorimpedanz 1 hat die Indikatorspu le 2 allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferrit kern 3 und ist die Kompensationsspule 5 als Flachspule ausgeführt und auf dem Boden 6 des schalenförmigen Ferritkerns 3 angeordnet. Mit

L₂ = Induktivität der Indikatorspule 2,
L_2,l = Luftanteil der Induktivität der Indikatorspule 2,
L_2,f = Ferritanteil der Induktivität der Indikatorspule 2,
L₅ = Induktivität der Kompensationsspule 5,
L_5,l = Luftanteil der Induktivität der Kompensationsspule 5,
L_5,f = Ferritanteil der Induktivität der Kompensationsspule 5,

gilt:

L₂ = L_2,l + L_2,f (8)

L₅ = L_5,l + L_5,f (9).

Dadurch, daß die Indikatorspule 2 allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferritkern 3 hat, gilt angenähert:

L_2,l = L_2,f (10).

Hinsichtlich der Kompensationsspule 5 kann durch eine entsprechende Spulen geometrie erreicht werden, daß gilt:

L₅ = 4 · L_5,l (11).

Mit der Gleichung (9) gilt dann:

3 · L_5,l = L_2,f (12)

bzw.

L_5,l = 1/3L_5,f (13).

Geht man in grober Näherung von der Additivität der Induktivitäten der In dikatorspule 2 und der Kompensationsspule 5 aus, so gilt für die Induktivi tät der Reihenschaltung aus der Indikatorspule 2 und der Kompensationsspu le 5:

L = L_2,l + L_2,f - L_5,l - L_2,f (14).

Macht man nun die Ferritanteile der Induktivität der Indikatorspule 2 und der Induktivität der Kompensationsspule 5 gleich groß, also

L_2,f = L_5,f (15),

so vereinfacht sich die Gleichung (14) zu:

L = L_2,l - L_5,l (16).

Mit den Gleichungen (10), (13) und (15) gewinnt man einen groben Anhaltspunkt dafür, wie die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 5 für eine opti male magnetische Kompensation ausgelegt sein müssen:

L = L_5,f - 1/3L_5,f = 2/3L_5,f (17)

bzw.

L = 2/3L_2,l (18).

Das Ergebnis ist also eine Indikatorimpedanz 1 und damit ein induktiver Näherungsschalter mit luftspulenähnlicher Induktivität und luftspulenähn lichem Verhalten; sieht man von den induzierten Spannungen ab, so bleiben magnetische Felder, also Fremdfelder, praktisch ohne Einfluß.

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren indukti ven Anwesenheitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem An wesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei zu dem Anwesenheitsindikator eine Indikatorimpedanz mit einer Indikator spulen und einem der Indikatorspule zugeordneten Ferritkern gehört, dadurch gekennzeichnet, daß gegensinnig in Reihe zu der Indikatorspule (2) eine Kompensationsspule (5) geschaltet ist und der Ferritkern (3) auch der Kom pensationsspule (5) zugeordnet ist.

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (3) schalenförmig ausgeführt ist sowie die Indikatorspu le (2) und die Kompensationsspule (5) innerhalb des schalenförmig ausgeführ ten Ferritkerns (3) angeordnet sind.

3. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorspule (2) an der offenen Seite des schalenförmigen Ferrit kerns (3) und die Kompensationsspule (5) unterhalb der Indikatorspule (2) angeordnet ist.

4. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorspule (2) allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferritkern (3) hat.

5. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die Kompensationsspule (5) als Flachspule ausgeführt und auf dem Boden (6) des schalenförmigen Ferritkerns (3) angeordnet ist.

6. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Kompensationsspule (5) so gewählt ist, daß sich die Induktivität der Kompensationsspule (5) zu einem Viertel aus dem Luftanteil und zu drei Vierteln aus dem Ferritanteil zusammensetzt.

7. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Ferritanteil resultierende "Ferritindika torinduktivität" der Indikatorspule (2) etwa so groß ist wie die aus dem Ferritanteil der Kompensationsspule (5) resultierende "Ferritkompensations induktivität".