DE4123828C2 - Berührungslos arbeitender Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter mit einem durch von außen herangeführte Gegenstände beeinflußbaren Schwingkreis, mit Auswerteein­ richtungen zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Ausgangsgröße des Schwingkreises, mit einem Anschluß zur Zuführung einer Versorgungsspannung und mindestens einem weiteren Anschluß zur Ausgabe des Ausgangssignals und mit digitalen Einstelleinrichtungen zum Einstellen eines einstellbaren Schaltungsparameters.

Ein derartiger Näherungsschalter, und zwar ein induktiver Näherungsschalter, ist aus der DE-OS 36 08 639 bekannt. Bei dem bekannten Näherungsschalter wird der Widerstands­ wert eines zu einer Oszillatorschaltung parallel geschalteten Widerstandes dadurch eingestellt, daß bei einem vorgegebenen Abstand zwischen einem Objekt und der aktiven Fläche des Sensorteils des Näherungsschalters die Dämpfung der Schwingung des Schwingkreises überwacht wird, wenn von mehreren parallel geschalteten Widerständen einer nach dem anderen durch Öffnen eines in Serie zu dem betreffenden Widerstand liegenden Schalters unwirksam gemacht wird. Die auf diese Weise ermittelte, aus ein oder mehreren Widerständen bestehende Widerstandskombination wird dann durch Durchbrennen von Sicherungen dauerhaft und irreversibel fixiert.

Es ist ein Nachteil des bekannten Näherungsschalters, daß eine Einstellung bzw. ein Abgleich des Widerstandswertes nur ein einziges Mal erfolgen kann und daß Fehler bei diesem einmaligen und ersten Einstellvorgang nie wieder korrigiert werden können.

Besonders gravierend ist bei dem bekannten Schalter gemäß DE-OS 36 08 639 der Nachteil, daß der Näherungsschalter einen besonderen zusätzlichen Anschluß aufweisen muß, über welchen dem Näherungsschalter ein Steuersignal zugeführt werden muß, wenn die Einstellung des Widerstandswertes vorgenommen werden soll.

Aus der US-PS 45 02 042 ist es ferner bekannt, bei einem Näherungsschalter die Empfindlichkeit bzw. den Ansprech­ abstand durch Zuschalten unterschiedlicher Widerstände zu verändern. Diese Maßnahme dient jedoch bei dem bekannten Näherungsschalter nicht dem Abgleich bzw. der Einstellung, sondern dazu, nach bereits erfolgtem Abgleich des Oszillators die Lage eines zu detektierenden Objektes innerhalb eines maximal erfaßbaren Meßbereichs zu bestimmen, wobei der Ansprechabstand durch das Anschalten der Widerstände zyklisch von größeren nach kleineren Werten oder umgekehrt durchlaufen wird, ohne daß im übrigen die Möglichkeit vorgesehen wäre, durch Anschalten einer bestimmten Widerstandskombination einen genau vorgegebenen Ansprechabstand zu erreichen.

Ausgehend vom Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß mindestens ein Schaltungsparameter der elektrischen Schaltung des Näherungsschalters, insbeson­ dere ein den Schaltabstand bestimmender Widerstandswert, zu einem beliebigen Zeitpunkt einstellbar ist, ohne daß hierzu an dem Näherungsschalter zusätzliche Anschlüsse vorgesehen werden müßten.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Näherungs­ schalter gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einstelleinrichtungen als frei programmierbare, einen Datenspeicher umfassende Einstelleinrichtungen ausgebildet sind und daß eine ausgangsseitig mit den Einstellein­ richtungen verbundene Demodulationsschaltung vorgesehen ist, welcher eingangsseitig über einen der für die Schalterfunktion des Näherungsschalters erforderlichen äußeren Anschlüsse Programmierdaten in Form von den Signalen und/oder Potentialen an dem betreffenden äußeren Anschluß überlagerter aufmodulierter Daten zuführbar sind.

Es ist ein besonderer Vorteil des Näherungsschalters gemäß der Erfindung, daß auch für die Programmierung nur die "normalen" Anschlüsse des Näherungsschalters benötigt werden, so daß die Programmierung des mindestens einen einzustellenden Schaltungsparameters bei vollkommen fertiggestelltem und bereits vergossenem Näherungsschalter gegebenenfalls sogar erst nach dessen Montage an Ort und Stelle an einer Maschine oder dgl. erfolgen kann, so daß gegebenenfalls beispielsweise den Ansprechabstand beein­ flussende Umgebungsbedingungen bei der Programmierung und Einstellung mitberücksichtigt werden können.

Dabei hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung als besonders günstig erwiesen, wenn der Datenspeicher der Einstelleinrichtungen als umprogrammierbarer Speicher, beispielsweise in Form eines elektrisch löschbaren und programmierbaren Speichers, d. h. eines EEPROM, ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann nämlich vor der Auslie­ ferung eines Schalters zunächst eine Basisprogrammierung der gewünschten Schaltungsparameter entsprechend dem gewünschten Einsatzzweck vorgenommen werden und gegebenen­ falls später am Einsatzort eine Umprogrammierung des einen oder anderen Schaltungsparameters unter Berücksichtigung der Einbaubedingungen und zur Änderung von Schalterfunk­ tionen entsprechend einem zunächst nicht beabsichtigten Einsatzzweck.

Als besonders vorteilhaft hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung ferner erwiesen, wenn als einstellbarer bzw. programmierbarer Schaltungsparameter einer der folgenden Parameter vorgesehen ist:
ein durch eine Kombination von in unterschiedlicher Weise miteinander und mit den übrigen Schaltungskomponenten verbindbare Widerstände realisierbarer, den Schaltabstand bestimmender Widerstandswert,
eine elektrisch leitende Verbindung, durch welche das Arbeiten des Näherungsschalters als Öffner oder Schließer definierbar ist,
eine Referenzspannung, ein Verstärkungsfaktor und/oder ein Kopplungsfaktor zum Bestimmen einer Schaltschwelle einer einen Bestandteil der Auswerteeinrichtungen bildenden Triggerschaltung;
die Aktivierung, die Prüffrequenz und/oder die Prüfkri­ terien einer in den Näherungsschalter integrierten Prüfschaltung.

Die Vielzahl von programmierbaren Parametern verleiht dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung eines umprogrammierbaren Datenspeichers, eine hohe Flexibilität sowohl beim Hersteller wie auch beim Kunden, so daß die Lagerhaltung beim Hersteller vereinfacht wird und auf wenige Basistypen reduziert werden kann, die dann entsprechend dem ange­ strebten Einsatzzweck vor der Auslieferung programmiert werden, und daß auch beim Kunden bzw. beim Anwender eine geringe Anzahl von Reserve-Näherungsschaltern ausreicht, um einen der Reserve-Näherungsschalter bei Ausfall eines in der Produktion eingesetzten Näherungsschalters ent­ sprechend zu programmieren und dann einen Austausch des defekten Näherungsschalters vorzunehmen.

Dabei ist vorauszusehen, daß in Zukunft noch weitere spezifische Funktionen von Näherungsschaltern nach Wunsch des Kunden aktiviert werden sollen oder nicht, beispiels­ weise eine Justagehilfe zum Justieren des Schalters auf einen sicheren Arbeitsbereich, die Programmierung eines Selbsttests, Nullabgleich usw. Beispielsweise ist in der DE-OS 35 27 619 ein selbstprüfender Näherungsschalter beschrieben, bei dem dem Ausgangssignal des Näherungs­ schalters kontinuierlich Prüfimpulse überlagert werden. Eine entsprechende Prüfschaltung könnte in die IC-Schal­ tung integriert und durch Programmierung aktiviert oder desaktiviert werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines induktiven Näherungsschalters;

Fig. 2 schematische Darstellungen zur Erläute­ rung des Schaltabstands und der Schalt­ hysterese sowie der Öffner-Schließer- Funktion eines induktiven Näherungsschal­ ters gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines induktiven Näherungsschalters gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild des Näherungs­ schalters gemäß Fig. 3 mit Einzelheiten der bei diesem Schalter vorgesehenen programmierbaren Einstelleinrichtungen;

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der Programmierung eines Näherungsschalters gemäß Fig. 3 und 4 mit Hilfe eines Programmiergeräts und

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Programmablaufs beim Abgleich des Widerstandswertes einer Widerstands­ kombination.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Näherungsschalter mit einem Schwingkreis aus einer Parallelschaltung einer Spule L und eines Kondensators C, wobei die Spule L normaler­ weise in einem Topfkern angeordnet ist, dessen offene Seite die aktive Fläche des Sensors bildet. Der Schwing­ kreis liegt einerseits am Bezugspotential und andererseits an einem Eingang einer integrierten Näherungsschalter­ schaltung ICN, die in konventioneller Weise folgende Schaltkreise umfaßt:
Einen Oszillator- und Demodulatorkreis, mit dem der Schwingkreis LC verbunden ist, der Bestandteil des Oszillators ist, einen Schwellwertschalterkreis, der mit dem Ausgang des Oszillator- und Demodulatorkreises verbunden ist, einen der Erzeugung der Schalthysterese dienenden Hysteresetransistor TH, der mit dem Ausgang des Schwellwertschalterkreises verbunden ist, welcher einen weiteren mit einer Ausgangsstufe verbundenen Ausgang besitzt, wobei die Ausgangsstufe die erforderliche Ausgangsleistung liefert und, wie dies in der schema­ tischen Darstellung gemäß Fig. 1 angedeutet ist, beispielsweise zwei Ausgangs-Leistungstransistoren umfaßt. Zusätzliche Schaltkreise der integrierten Näherungs­ schalterschaltung ICN sind ein Spannungsregler und Überwachungskreis, ein Verzögerungskreis zur Unterdrückung von Einschaltimpulsen und ein Kurzschlußdetektor, die in üblicher Weise angeschlossen sind. Die beiden Leistungs­ transistoren der Ausgangsstufe definieren Schaltungsaus­ gänge Q und , die über einen Schalter S wahlweise mit der Basis eines Schalttransistors T am Ausgang des Näherungs­ schalters verbunden sind, welcher drei Anschlüsse besitzt, die mit "+", "-", und "A" bezeichnet sind, wobei an dem Anschluß "+" die Versorgungsspannung Ub anliegt, während an dem Anschluß "-" Bezugspotential anliegt. Der dritte Anschluß "A" liefert das Ausgangssignal des Näherungs­ schalters.

In Fig. 1 sind mit gestrichelten Linien eine Last RL, eine Versorgungsspannungsquelle Ub und in Serie zum Ausgangs­ transistor T ein Fühlerwiderstand RS gezeigt, der mit dem Kurzschlußdetektor verbunden ist. Eine mit den Transi­ storen der Ausgangsstufe verbindbare Leuchtdiode LED dient der Funktionsanzeige. Ein mit dem Oszillator- und Demodu­ latorkreis verbundener externer Widerstand Ra dient dem Abgleich der Oszillatoramplitude. Bei leitendem Hysterese­ transistor TH ist dem Widerstand Ra ein Hysteresewider­ stand Rh parallel geschaltet.

Gemäß der Erfindung geht es nun darum, beispielsweise bei einem induktiven Näherungsschalter, wie er in Fig. 1 gezeigt ist und vorstehend beschrieben wurde, bei fertig montiertem und vergossenem Schalter gegebenenfalls nach der Installation dieses Schalters an einer Maschine einen Abgleich bzw. eine Einstellung des Widerstandes Ra durchzuführen und zusätzlich die Funktion des Schalters als Öffner oder Schließer durch entsprechende Wahl der über den Schalter S hergestellten Verbindung zu bestimmen.

Die besondere Bedeutung eines exakten Abgleichs des Widerstandes Ra ergibt sich aus den schematischen Diagrammen gemäß Fig. 2. In Fig. 2a ist ein Näherungs­ schalter NS (Sensor) angedeutet, mit dessen Hilfe ein Objekt OB erfaßt werden soll, wenn dieses sich dem Sensor NS bis auf einen Schaltabstand Sn nähert. Außerdem ist in einem zugehörigen Diagramm von Fig. 2a der Verlauf der Amplitude A des Oszillatorausgangssignals über dem Abstand (Weg) s zwischen Sensor NS und Objekt OB dargestellt. Bei großem Abstand des Objektes OB liegt die Amplitude A in der Nähe ihres Maximalwerts A_max. Wenn sich das Objekt OB von rechts näher in Richtung auf den Sensor NS bewegt, nimmt die Amplitude A ab und erreicht bei dem einge­ stellten Schaltabstand Sn eine Einschaltschwelle ES. Bei Erreichen dieser Einschaltschwelle liefert der Schwell­ wertschalterkreis ein Signal, durch welches der Hysterese­ transistor TH leitend gesteuert wird. Hierdurch wird der Hysteresewiderstand Rh zu dem Widerstand Ra parallel geschaltet, so daß sich ein Gesamtwiderstand RA ergibt. Der Verlauf des Gesamtwiderstandes RA über dem Abstand s ist in Fig. 2b angedeutet. Fig. 2c zeigt den zugehörigen Verlauf der Ausgangsspannung Uo über dem Abstand s. Gemäß Fig. 2a bewirkt das Zuschalten des Hysteresewiderstandes Rh eine Schalthysterese H und einen entsprechenden Abstand einer Ausschaltschwelle AS von der Einschaltschwelle ES und eines Einschaltpunkts EP von einem Ausschaltpunkt AP.

Schließlich ist in Fig. 2d der Zustand des Schalt­ transistors T über dem Weg s für einen Schließer dargestellt und in Fig. 2e für einen Öffner.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter, der ebenso aufgebaut ist wie der Näherungsschalter gemäß Fig. 1, wobei jedoch der Widerstand Ra durch einen Vorwiderstand R′a und einen in Serie dazu geschalteten digital abgleichbaren Widerstand Rx ersetzt ist, der Bestandteil einer integrierten Abgleichschaltung ICA ist. Außerdem sind die Ausgänge Q und der Ausgangsstufe und der Schalter S zum Umschalten von Öffner- auf Schließer-Funktion und umgekehrt in die integrierte Abgleichschaltung ICA verlegt, die über eine Programmierleitung P mit dem Versorgungsspannungsanschluß + verbunden ist.

Ein bevorzugter interner Aufbau der Abgleichschaltung ICA ist - teilweise in Form eines Blockschaltbilds - in Fig. 4 detaillierter dargestellt. Man erkennt, daß der Widerstand Rx eine beliebige Kombination von vier Widerständen R, 2R, 4R, 8R umfassen kann, denen jeweils ein Transistor T0, T1, T2, T3 parallel geschaltet ist. Die Steueranschlüsse dieser Transistoren T0 bis T3 sind mit den Ausgängen Q0 bis Q3 eines Datenspeichers SP verbunden, dessen Eingänge über jeweils eine UND-Schaltung mit den Ausgängen Z0 bis Z3 eines Zählers Z verbunden sind, der als Abwärtszähler ausgebildet ist und seine Zählimpulse von einer Steuer­ einheit SE empfängt, die eingangsseitig mit einem Taktgenerator TG verbunden ist. Die Steuereinheit SE besitzt dabei zusätzliche Ausgänge, über die der Taktgenerator TG eingeschaltet werden kann und über die die UND-Gatter für das Weiterschalten von Signalen des Zählers Z an den Speicher SP vorbereitet werden. Die Steuereinheit SE wird vom Ausgang einer Datenübertragungs­ schaltung DÜ angesteuert, die eingangsseitig mit der Programmierleitung P verbunden ist. Die Datenübertragungs­ schaltung demoduliert und prüft die über die Programmier­ leitung P eintreffenden, auf die Versorgungsspannung aufmodulierten Daten und dekodiert die in den Daten enthaltenen Befehle, die anschließend an die Steuereinheit SE weitergeleitet werden. Ein weiterer Ausgang der Datenübertragungsschaltung DÜ ist mit einem 1-bit-Speicher SP1 verbunden, welcher über seinen Ausgang Q einen Transistor TO direkt ansteuert und einen zweiten Transi­ stor TS über einen Inverter I, wobei die beiden Transi­ storen TO und TS und der Inverter I gemeinsam einen elektronischen Umschalter S bilden, und zwar den Schalter S, welcher der Umschaltung zwischen Öffner- und Schließer­ funktion des Näherungsschalters dient. Eine Rückstell­ schaltung RS dient der Erzeugung von Rückstellsignalen zum Zurückstellen des Zählers Z des Speichers SP1 und der Steuereinheit SE beispielsweise beim Einschalten der Speisespannung.

Gemäß Fig. 5 der Zeichnung erfolgt die Erzeugung der aufmodulierten Daten für die Abgleichschaltung ICA mit Hilfe eines Programmiergeräts PG, welches einfach zwischen die Anschlüsse des Näherungsschalters einerseits und die Anschlüsse für Speisespannungsquelle und Last andererseits geschaltet wird. Mit Hilfe des Programmiergerätes PG können beim Ausführungsbeispiel modulierte Daten erzeugt werden, welche über die Abgleichschaltung ICA die Auswahl der Öffner/Schließer-Funktion und den Abgleich des Widerstandes Rx auf den gewünschten Wert und damit den Abgleich des Näherungsschalters auf einen gewünschten Schaltabstand herbeiführen.

Fig. 6 zeigt in Form eines Flußdiagramms, wie die Programmierung (vgl. Fig. 2a) bei einem programmierbaren Näherungsschalter gemäß dem oben beschriebenen Aus­ führungsbeispiel erfolgt: Gemäß Block 100 wird zu Beginn eines Abgleichvorgangs zunächst der gewünschte Schaltab­ stand zwischen dem Sensor NS und dem Objekt OB mechanisch eingestellt; d. h. der Sensor wird auf den Schaltabstand justiert. Anschließend - Block 102 - wird die Versorgungs­ spannung angelegt. Anschließend erfolgt ein Zurücksetzen des Zählers Z und der Speicher SP und SP1 sowie der Steuereinheit SE zum Herbeiführen eines definierten Ausgangszustands - Block 104. Nunmehr beginnt die eigentliche Programmierung gemäß Block 106. Dabei erfolgt zunächst gemäß Block 108 eine Entscheidung über die Öffner/Schließer-Funktion, wobei für den Fall, daß die Öffnerfunktion ausgewählt wird, der 1-bit-Speicher SP1 auf 1 gesetzt wird.

In einer zweiten Schrittfolge erfolgt dann gemäß Block 112 die Einleitung einer zweiten Sequenz zum Einstellen des Schaltabstands Sn (vgl. Fig. 2a), wobei die Ausgangs­ signale des schrittweise abwärts zählenden Zählers Z schrittweise in den Datenspeicher SP übernommen werden und die entsprechenden Transistoren T0 bis T3 leitend steuern, um eine bestimmte Kombination der Widerstände R, 2R, 4R, 8R auszuwählen und auf diese Weise den gewünschten Widerstandswert des Widerstandes Rx einzustellen. Nach jedem Schritt bzw. Takt wird gemäß Block 114 geprüft, ob der Schaltpunkt erreicht ist. Wenn nicht, zählt der Zähler Z um einen weiteren Schritt abwärts. Wenn ja, wird gemäß Block 116 die letzte binäre Ausgangssignalkombination des Zählers in dem Datenspeicher SP abgespeichert. Danach wird das Programm gemäß Block 118 beendet.

Gemäß der Erfindung können die Programmierdaten, die an einen der "normalen" Anschlüsse des Näherungsschalters angelegt werden - beim Ausführungsbeispiel an den Anschluß + - in beliebiger, geeigneter Weise aufmoduliert werden, beispielsweise durch Amplituden-, Frequenz- oder Puls-Code-Modulation, wobei für die Erzeugung der modu­ lierten Daten entsprechende Einrichtungen in dem Program­ miergerät vorgesehen sind, während die Demodulation der vom Schalteranschluß + über die Programmierleitung P zugeführten Daten durch entsprechende Demodulations­ einrichtungen in der Datenübertragungsschaltung DÜ durchgeführt wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß bei fertig konfektioniertem Näherungsschalter, d. h. bei einem verkaufsfertigen Näherungsschalter, der gegebenenfalls bereits am Einsatzort an einer Maschine montiert sein kann, gemäß der Erfindung die Möglichkeit besteht, beispielsweise die Öffner/Schließer-Funktion durch entsprechende Programmierung festzulegen und/oder den Schaltabstand durch Programmieren des Widerstandes Rx. Prinzipiell können auf diese Weise die verschiedensten Schaltungsparameter zu jedem gewünschten Zeitpunkt einprogrammiert und bei Verwendung programmierbarer Speicher umprogrammiert werden, was einen erheblichen Fortschritt für die Lagerhaltung, für den Austausch von defekten Näherungsschaltern und für die Anpassung von Näherungsschaltern an geänderte Einsatzbedingungen vor Ort mit sich bringt.

Claims (4)

1. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter mit einem durch von außen herangeführte Gegenstände beeinflußbaren Schwingkreis, mit Auswerteeinrichtungen zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Ausgangsgröße des Schwingkreises, mit einem äußeren elektrischen Anschluß zur Zuführung einer Versorgungsspannung und mindestens einem weiteren äußeren elektrischen Anschluß zur Ausgabe des Ausgangssignals und mit digitalen Einstelleinrichtungen zum Einstellen eines einstellbaren Schaltungsparameters, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen als frei programmierbare, einen Datenspeicher (SP, SP1) umfassende Einstelleinrichtungen (ICA) ausgebildet sind und daß eine ausgangsseitig mit den Einstelleinrichtungen verbundene Demodulationsschaltung (DÜ) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig über einen der für die Schalterfunktion des Näherungsschalters erforderlichen äußeren elektrischen Anschlüsse (+) Programmierdaten in Form von den Ausgangssignalen und/oder elektrischen Potentialen an dem betreffenden äußeren elektrischen Anschluß (+) überlagerter aufmodulierter Daten zuführbar sind.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als einstellbarer Schaltungsparameter mindestens einer der folgenden Parameter vorgesehen ist:
ein durch eine Kombination von in unterschiedlicher Weise miteinander und mit den übrigen Schaltungskom­ ponenten verbindbarer Widerstände realisierbarer, den Schaltabstand bestimmenden Widerstandswert (Rx),
eine elektrisch leitende Verbindung (S), durch welche das Arbeiten des Näherungsschalters als Öffner oder Schließer definierbar ist,
eine Referenzspannung, ein Verstärkungsfaktor und/oder ein Kopplungsfaktor zum Bestimmen einer Schaltschwelle einer einen Bestandteil der Auswerteeinrichtungen bildenden Triggerschaltung;
die Aktivierung, die Prüfzykluszeit und/oder die Prüfkriterien einer in den Näherungsschalter inte­ grierten Prüfschaltung.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenspeicher als elektrisch umprogrammierbarer Speicher (EEPROM) ausgebildet ist.

4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Programmierdaten nach einem der folgenden Verfahren erfolgt:
Amplituden-Modulation, Frequenz-Modulation, Puls-Code-Modulation.