DE4242164A1 - Sicherheitssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitssensor nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10.

In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik ist es zunehmend erforderlich, den elektrischen Zustand eines in einer Maschine eingesetzten Sensors zu über­ wachen und eindeutige Informationen darüber zu erhalten, ob die Funktion dieses Sensors gewährleistet ist oder nicht. Diese Informationen sind insbesondere dann wich­ tig, wenn bei einer mechanischen Beschädigung des Sensors sein elektrischer Schaltausgang in einen Zustand übergeht, der von einem funktional richtigen Schaltzu­ stand nicht zu unterscheiden ist. Um daher eindeutige Aussagen zu erhalten, gibt es verschiedene Lösungs­ möglichkeiten. Die einfachste Art, zu einer eindeutigen Aussage zu gelangen, besteht darin, gleichartigen Sensoren dieselbe Erfassungsfunktion zuzuordnen. Die Ausgangs­ signale dieser Sensoren werden miteinander verglichen. Ergibt sich hier ein Widerspruch, wobei von mindestens drei Sensoren auszugehen ist, muß auf einen Fehler ge­ schlossen werden. Solche technischen Lösungen sind in der Regel, insbesondere bei beengten Einbauverhältnissen, nicht realisierbar, so daß in den meisten Fällen auf ein anderes Verfahren zurückgegriffen wird.

Bei diesen Verfahren wird dem eigentlichen Detektions­ signal ein Code überlagert, der in einer kontinuierlichen Signalunterbrechung in Form einer Codierung besteht oder es wird dem eigentlichen Meßsignal ein Zusatzsignal überlagert. Auch sind Verfahren bekannt, die nach Aussen­ dung eines Primärsignales die zeitlich verschobene Ant­ wort des zu erfassenden Materials auswerten. In der Schrift DE 39 34 593 ist ein Verfahren aufgezeigt, in dem diese Aufgabe dadurch gelöst ist, daß in einer Spulenanordnung, die innerhalb des Initiatorgehäuses eingebaut ist, eine Signalwandlung zwischen einem Generatorsignal und dem eigentlichen Detektorsignal stattfindet. Durch elektronische Auswertung der Hüllkurve, die dem Generatorsignal eindeutig zugeord­ net ist, ist eine Identifizierung eines Fehlers in der Spulenanordnung und auch in dem nachfolgenden Verstärker eindeutig möglich, sofern der Hüllkurvendetektor hin­ reichend sicher ausgeführt ist. Alle bislang bekannten Anordnungen bedürfen einer aufwendigen elektronischen Auswertung und sind mit einfachen Mitteln nicht in einem Sensorgehäuse unterzubringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu entwerfen, der bei einer mechanischen Beschädigung des Sensor­ gehäuses und insbesondere seines stirnseitigen Teils, ein elektrisches Signal abgibt, aus dem die bevor­ stehende oder eingetretene Funktionsgefährdung des Sensors ableitbar ist.

Auf der Grundlage der Anmeldung DE 42 32 804.7 wird diese Aufgabe zunächst dadurch gelöst, daß um die zu schützen­ den elektrischen Teile innerhalb des Sensorgehäuses eine Leiterbahn herumgeführt ist, die die Funktion des Sensors nicht behindert, aber bei einer mechanischen Beschädigung, wie z. B. durch An- oder Abschleifen des Gehäuses eintreten kann, mit unterbrochen wird. Diese Unterbrechung tritt in der Regel ein, bevor der Sensor selbst durch solche Vorgänge beschädigt ist. Wird je­ doch der Sensor schlagartig, teilweise abgeschert, tritt die Nichtfunktion des Sensors und die Unter­ brechung der Leiterbahn zur gleichen Zeit ein. Wird diese Leiterbahn ohne Zwischenschaltung elektronisch auswertender Teile direkt an die Anschlüsse des Sensorgehäuses herausgeführt, so erübrigt sich jede Art von logischer Auswertung, um in eindeutiger Weise den Ausfall des Sensors zu signalisieren.

Diese überraschend einfache Lösung des Sicherheits­ problems für Näherungsinitiatoren weicht wesentlich von der üblichen Praxis zur Realisierung von Sicher­ heitssensoren ab. Die allgemeine Auffassung besteht darin, daß sensorische Sicherheitssysteme durch logi­ sche elektronische Verknüpfungen und Zusatzfunktionen zu überwachen sind. Elektromechanische, insbesondere mechanische Lösungen, wie hier aufgezeigt, gelten in diesem Bereich als unbrauchbar oder veraltet. Bei sicherheitstechnischer Betrachtung ergibt sich aber durchaus eine Äquivalenz, wenn nicht eine Überlegenheit der hier aufgezeigten Lösung. Insbe­ sondere können bereits bestehende Sensoren oder übliche Schaltungen nachträglich mit der erfindungs­ gemäßen Lösung ausgerüstet werden. Dieses spart nicht nur erhebliche Entwicklungskosten, sondern erlaubt es auch, einen äußerst kostengünstigen Sicherheitssensor zu realisieren, insbesondere dann, wenn kleine Bauformen gefordert sind oder wenn gefordert ist, daß der Sensor ohne zusätzlichen Verstärker betrieben werden muß. Die aufgezeigte Lösung entspricht im Prinzip der Funktion einer simplen Schmelzsicherung, die bei Überstrom durchbrennt und damit die elektrische Leitung unter­ bricht.

In der technischen Ausgestaltung ergeben sich vielfältige Lösungen, die letztendlich auf dem Schmelzsicherungs­ prinzip und ihrer Kombination mit einer weiteren elek­ tronischen Auswertung beruhen. Das Prinzip ist gleicher­ maßen für induktive, kapazitive, optische, akustische oder wärmeleitende Wirkungsprinzipien anwendbar.

So ist es in Ausbildung der Erfindung möglich, die in Frage stehende Leiterbahn auf einen Träger aufzu­ bringen, der gleichsam als Schutzwicklung um die zu schützenden elektronischen Komponenten herumgewickelt ist. Diese Leiterbahn besteht in solchem Fall vorzugs­ weise aus einer Folie, z. B. einer Polyimidfolie, auf der mäanderförmig ausgebildete Leiterbahnenzüge aufge­ bracht sind. Diese können auch zwischen zwei Folien eingeschweißt sein. Der Werkstoff der Leiterbahn selbst kann metallischer oder halbleitender Art, z. B. Kohle, sein. Insbesondere im stirnseitigen Teil des Sensors können eine oder mehrere dünne Leiterbahnen geführt sein, die in der Weise über den stirnseitigen Teil des Sensors geführt sind, daß sie einerseits unterbrochen sind, bevor das eigentliche Sensorelement beschädigt ist, und daß sie andererseits die Funktion des Sensors nicht beeinträchtigen. Bei elektromagnetischen Feldern kann eine Leiterbahn z. B. in der Weise geführt sein, daß sie elektromagnetische Feldlinien senkrecht schneidet. Bei kapazitiven Näherungsschaltern kann z. B. die die Meßelektrode überdeckende Leiterbahn auf ein Potential gelegt sein, das demjenigen der erforderlichen Abschirmelektrode entspricht. Auf diese Weise tritt keine Beeinflussung der Empfindlichkeit eines solchen Sensors ein. Besteht die Gefahr, daß die im Sensorbereich ge­ führte Leiterbahn ein elektromagnetisches Feld stört, so kann die Leiterbahn als doppelte Bahn ausgeführt sein in der Weise, daß die Stromrichtungen in beiden Leiter­ bahnen einander entgegengesetzt sind, so daß äußerlich induzierte elektrische Spannungen sich gegenseitig aufheben. Durch Einfügung eines temperaturabhängigen Widerstandes, der in Serie zu der die Sicherheit überwachenden Leiterbahn geschaltet ist, kann eine zusätzliche Überwachungsfunktion, die Überhitzung des Sensors durch äußerliche Temperatureinflüsse, mit in die Leiterbahnfunktion integriert werden. In solcher Widerstand hat die Eigenschaft, bei Überschreitung seiner Grenztemperatur, plötzlich sehr hochohmig zu werden. Durch eine geeignete Auswertung an den Anschlüssen der Leiterbahnen kann daher diese Hochohmigkeit einer Leiterbahnunterbrechung gleichge­ setzt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter, der aus einem Gehäuse 1 besteht. Innerhalb dieses Gehäuses ist ein elektrisch isolierender Zylinder 2 eingebracht. Innerhalb dieses Zylinders befindet sich der eigent­ liche induktive Annäherungsschalter. Er besteht aus einer induktiven Spule 4, die an die elektrischen Bauelemente angeschlossen sind, die auf der Leiterplatte 3 aufgebracht sind. Die elektrischen Anschlüsse dieses aus der Spule und der Platine gebildeten Schalters sind an den elektrischen Anschlüssen 5 herausgeführt. Auf der Zylinder­ wandung des Zylinders 2 ist eine spiralförmig angeordnete 6 Leiterbahn aufgebracht, von der ein Anschluß zum Sensor­ gehäuse herausgeführt ist 7 und deren anderer Anschluß auf der Leiterplatte, vorzugsweise mit der Minusstrom­ versorgung, verbunden ist. Das gesamte Gehäuse 1 ist zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit Gießharz aufge­ füllt.

Fig. 2 zeigt eine Leiterbahnführung, die auf eine 8 Polyimidfolie aufgebracht ist. Die Leiterbahn 9 ist metallisch und weist zwei Anschlüsse 10 und 11 auf. Für diese Leiterbahnen ist Dünnfilmtechnik verwendet. In Serie zu dieser Leiterbahn ist ein Widerstand 11 geschaltet, der die Eigenschaft aufweist, bei einer bestimmten Temperatur hochomig zu werden, was einer Leiterbahnunterbrechung gleichzusetzen ist. Eine solche auf einer Folie aufgebrachten oder zwischen zwei Folien eingeschweißten Leiterbahn kann z. B. auf den Zylinder 2 nach Fig. 1 aufgewickelt sein, was hier nicht gezeigt ist. In Fig. 3 ist schema­ tisch ein induktiver Näherungsschalter gezeigt, der aus einem Gehäuse 1, einer Leiterbahnplatte 3, einer Sensorspule 4, die in einen Ferritkern eingebracht ist 12, und aus die elektrischen Signale auswertenden elektronischen Komponenten 13 besteht. An die elektronischen Komponenten 13 ist die insbesondere hier der dem stirnseitigen Schutz des Sensors dienen­ de Leiterbahn 6 angeschlossen. Sie beeinflußt den Verstärker dieses Sensors in der Weise, daß bei einer Unterbrechung der Leiterbahn 6 zwei Schaltausgänge des Sensors 14, 15 denselben Schaltzustand einnehmen. Die Leiterbahn kann auch direkt in Randnähe dem platten­ förmigen Bauelementträgers weitergeführt sein.

Claims (11)

1. Sicherheitssensor nach der Anmeldung DE 42 32 804.7, der insbesondere als berührungslos arbeitender Sensor aufgebaut ist, mit einer in einem Sensor­ gehäuse stirnseitig eingebauten Sensoranordnung, an die ein nachfolgender Verstärker angeschlossen ist, mit Betätigungselementen, die den elektrischen Zustand der Sensoranordnung bei äußerlicher Näherung beeinflussen, mit elektrischen Anschlüssen, an de­ nen ein den Betätigungszustand des Verstärkers darstellender elektrischer Strom abgenommen wer­ den kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Leiterbahnen innerhalb des Sensorgehäuses so geführt sind, daß bei einer durch eine mechani­ sche Beschädigung des Sensorgehäuses hervorge­ rufenen Unterbrechung einer Leiterbahn an min­ destens einem elektrischen Anschluß des Verstärkers ein Signal anliegt, das eine Fehlfunktion des Sensors signalisiert.

2. Sicherheitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verstärker zwei Schaltausgänge aufweist, die bei der Unterbrechung einer oder mehrerer Leiterbahnen zugleich denselben Schalt­ zustand haben.

3. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Leiterbahnen in Serie geschaltet sind.

4. Sicherheitssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu einer Leiterbahn ein Temperaturschaltele­ ment, vorzugsweise ein PTC-Widerstand geschaltet ist.

5. Sicherheitssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen zusammen mit den Sensoranschlüssen aus dem Sensorgehäuse herausgeführt sind.

6. Sicherheitssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Sensorgehäuses ein elektrisch nicht leitender Zylinder eingebracht ist, der Betätigungs­ element und/oder Verstärker in seinem Inneren ent­ hält und der auf seinem äußeren Zylindermantel spiralförmig aufgebrachte Leiterbahnen aufweist.

7. Sicherheitssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen mit einem elektrisch isolierenden Träger fest verbunden sind, der vorzugsweise aus Plattenmaterial oder aus einem Polyimidfilm besteht.

8. Sicherheitssensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterbahn auf dem Träger als vorzugsweise mäanderförmig ausgeführte Zweileiter­ bahn ausgeführt ist, in der Weise, daß die Stromrichtungen in beiden Leiterbahnen entgegen­ gesetzt zueinander verlaufen.

9. Sicherheitssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein induktives kapazitives optisches oder akustisches Wirkungsprinzip aufweist.

10. Sicherheitssensor nach der Anmeldung DE 42 32 804.7, der insbesondere als ein in eine Strömung eintauchen­ der Sensor ausgebildet ist, mit einer in einem Sensorgehäuse stirnseitig eingebauten Sensoran­ ordnung, an die ein nachfolgender Verstärker ange­ schlossen ist, mit einer den Sensor beeinflussenden äußerlichen Strömung, die den elektrischen Zustand der Sensoranordnung beeinflußt, mit elektrischen Anschlüssen, an denen ein den Betätigungszustand des Verstärkers darstellender elektrischer Strom abgenommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Leiterbahnen um die Sensoran­ ordnung so herum geführt sind, daß bei einer durch eine mechanische Beschädigung des Sensorge­ häuses hervorgerufenen Unterbrechung einer Leiter­ bahn an mindestens einem elektrischen Anschluß des Verstärkers ein Signal anliegt, das eine Fehl­ funktion des Sensors darstellt.

11. Sicherheitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Merkmale eines oder mehrerer der Ansprüche 2-9, auf die technische Lösung nach Anspruch 10 übertragen sind.