DE4330140A1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter, mit einem von außen beeinflußbaren, einen Sensorschwingkreis und einen Referenzschwing­ kreis aufweisenden Oszillator und mit einem von dem Oszillator steuerbaren elektronischen Schalter, wobei der Sensorschwingkreis eine Sensorschwing­ kreisinduktivität und eine Sensorschwingkreiskapazität sowie der Referenz­ schwingkreis eine Referenzschwingkreisinduktivität und eine Referenzschwing­ kreiskapazität aufweisen und wobei der Sensorschwingkreis und der Referenz­ schwingkreis parallel geschaltet und über einen in Reihe geschalteten Kopp­ lungswiderstand galvanisch gekoppelt sind. Ein solcher induktiver Näherungs­ schalter ist aus der DE-A-41 20 806 bekannt.

Die DE-A-41 20 806 und weitere, induktive Näherungsschalter betreffende Druckschriften - vgl. die deutschen Offenlegungs-, Auslege- bzw. Patentschrif­ ten 32 25 193, 37 14 433, 38 14 131, 38 40 532, 39 12 946, 39 19 916, 40 21 164 und 40 31 252 - befassen sich mit dem Problem, einen induktiven Näherungsschal­ ter so auszugestalten, daß er einen Korrekturfaktor mit dem Wert 1 aufweist. Ein Korrekturfaktor von 1 bedeutet, daß der Schaltabstand des induktiven Nähe­ rungsschalters unabhängig davon ist, ob ein den induktiven Näherungsschalter beeinflussender metallischer Ansprechkörper ferromagnetisch oder paramagnetisch ist.

Der normalerweise gegebene unterschiedliche Schaltabstand für ferromagnetische bzw. paramagnetische Metalle hängt damit zusammen, daß diese Metalle den Os­ zillator des Näherungsschalters unterschiedlich stark bedämpfen, wenn keine zu­ sätzlichen Maßnahmen ergriffen werden. Ferromagnetische Materialien bedämpfen den Näherungsschalter stärker, da bei ihnen zusätzlich zu den durch die Leit­ fähigkeit der Metalle verursachten Energieverlusten weitere Energieverluste durch die Umpolung des remanenten Magnetfeldes entstehen. Bei den paramagneti­ schen Metallen findet zwar keine solche starke Bedämpfung des Oszillators statt, es wird jedoch durch paramagnetische Metalle die Eigenfrequenz des Os­ zillators vergleichsweise stärker erhöht als durch ferromagnetische Metalle. Sowohl ferromagnetische als auch paramagnetische Metalle erhöhen die Eigen­ frequenz des Oszillators durch die Absenkung der Sensorschwingkreisinduktivi­ tät. Diese Absenkung findet ihre Ursache in den gemäß der Lenz′schen Regel erzeugten Kreisströmen innerhalb der Metalle, die ein Magnetfeld hervorrufen, welches dem Magnetfeld der Sensorschwingkreisinduktivität entgegengerichtet ist. Ein Teil der Absenkung der Sensorschwingkreisinduktivität wird bei ferro­ magnetischen Metallen dadurch kompensiert, daß ihre Permeabilität besonders groß ist.

Die Unterschiede in der Beeinflussung des Oszillators, abhängig davon, ob der Ansprechkörper ferromagnetisch oder paramagnetisch ist, werden bei dem aus der DE-A-41 20 806 bekannten Näherungsschalter derart genutzt, daß ein Korrek­ turfaktor von 1 gewährleistet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Refe­ renzschwingkreis eine Resonanzfrequenz abweichend von der des Sensorschwing­ kreises aufweist. Durch die Wahl der Resonanzfrequenz des Referenzschwing­ kreises wird die Resonanzfrequenz des gesamten Oszillators verschoben. Bei entsprechender Wahl der Resonanzfrequenz des Referenzschwingkreises wird somit gewährleistet, daß die erhöhte Frequenzverschiebung bei Näherung eines paramagnetischen Ansprechkörpers zu einer erhöhten Dämpfung und damit zu einem einheitlichen Schaltabstand führt. Voraussetzung hierfür ist, daß der Sensorschwingkreis und der Referenzschwingkreis nicht transformatorisch mit­ einander verkoppelt sind bzw. daß die Referenzschwingkreisinduktivität we­ der von dem sich nähernden metallischen Ansprechkörper noch vom Magnetfeld der Sensorschwingkreisinduktivität beeinflußt wird.

Der bekannte induktive Näherungsschalter gemäß der DE-A-41 20 806 ist mit dem Problem behaftet, daß er relativ stark temperaturanfällig ist, da die Sen­ sorschwingkreisinduktivität räumlich weit von der Referenzschwingkreisindukti­ vität entfernt ist. Somit wirken sich durch Temperaturschwankungen entstandene Temperaturgradienten stark auf die Reproduzierbarkeit der Messungen aus. Wei­ ter führt die Kopplung eines Referenzschwingkreises mit abweichender Reso­ nanzfrequenz zu einer erhöhten Energieaufnahme bzw. einer geringeren Schwin­ gungsamplitude, was wiederum zu einer Reduktion der Empfindlichkeit des induk­ tiven Näherungsschalters führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungs­ schalter zur Verfügung zu stellen, der unabhängig von Temperaturschwankungen eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter, bei dem die zuvor aufge­ zeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensorschwingkreis mit dem Referenzschwingkreis trans­ formatorisch gekoppelt ist.

Die erfindungsgemäße zumindest teilweise transformatorische Kupplung des Sensorschwingkreises mit dem Referenzschwingkreis führt dazu, daß sich die Referenzschwingkreisinduktivität in unmittelbarer Nähe der Sensorschwing­ kreisinduktivität im vorderen Teil des Sensors befindet, was dazu führt, daß sich evtl. auftretende Temperaturgradienten z. B. nicht in einer Verschiebung des Schaltabstandes oder einer Veränderung des Korrekturfaktors auswirken. Gleichzeitig ist die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen induktiven Nähe­ rungsschalters dadurch wesentlich erhöht, daß bedingt durch das der transfor­ matorischen Kopplung zugrundeliegende Prinzip die Eigenfrequenzen des Sensor­ schwingkreises und des Referenzschwingkreises nahezu übereinstimmen. Dieses der Erfindung zugrundeliegende Prinzip besteht darin, daß die Impedanz zweier transformatorisch gekoppelter LC-Schwingkreise im Bereich der losen transfor­ matorischen Kopplung bei Erhöhung der Kopplung absinkt. Insbesondere beruht also der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter darauf, daß ferromagne­ tische Metalle neben einer durch Wirbelströme bedingten Bedämpfung zu einer erhöhten Kopplung der Sensorschwingkreisinduktivität mit der Referenzschwing­ kreisinduktivität führen. Voraussetzung für das Besagte ist allerdings, daß der Sensorschwingkreis und der Referenzschwingkreis auf die nahezu gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgen­ de Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 stark schematisiert einen Schnitt durch den vorderen Teil eines Sensors einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen induk­ tiven Näherungsschalters,

Fig. 2 wiederum stark schematisiert einen Schnitt durch den vorderen Teil eines Sensors einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,

Fig. 3 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsge­ mäßen Näherungsschalters,

Fig. 4 den Verlauf des Korrekturfaktors des erfindungsgemäßen Näherungs­ schalters nach den Fig. 1 und 3,

Fig. 5 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen Näherungsschalters und

Fig. 6 den Verlauf des Korrekturfaktors des erfindungsgemäßen Näherungs­ schalters nach den Fig. 2 und 5.

Gegenstand der Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren, einen Sensorschwingkreis 1 und einen Referenzschwing­ kreis 2 aufweisenden Oszillator 3. Von dem Oszillator 3 wird über die Aus­ wertung der Amplitude der Oszillation ein in den Figuren nicht dargestellter steuerbarer elektronischer Schalter betätigt. Hinsichtlich dieses elektroni­ schen Schalters wird insoweit auf die deutschen Offenlegungsschriften 37 22 334 und 37 22 335 sowie auf die in diesen vorveröffentlichten Druck­ schriften aufgeführten deutschen Offenlegungsschriften, Auslegeschriften und Patentschriften verwiesen.

Der Sensorschwingkreis 1 des Oszillators 3 weist eine Sensorschwingkreisinduk­ tivität 4 und eine Sensorschwingkreiskapazität 5 auf. Ebenso besteht der Re­ ferenzschwingkreis 2 des Oszillators 3 aus einer Referenzschwingkreisindukti­ vität 6 und einer Referenzschwingkreiskapazität 7. Weiter sind der Sensor­ schwingkreis 1 und der Referenzschwingkreis 2 parallelgeschaltet und über einen in Reihe geschalteten Kopplungswiderstand 8 galvanisch gekoppelt.

Erfindungsgemäß sind nun der Sensorschwingkreis 1 und der Referenzschwing­ kreis 2 transformatorisch gekoppelt. Dies wird dadurch gewährleistet, daß - wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt - die Sensorschwingkreisinduktivität 4 und die Referenzschwingkreisinduktivität 6 unmittelbar benachbart angeord­ net sind.

Wie den Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, ist die Sensorschwingkreisinduk­ tivität 4 in Beeinflussungsrichtung vor der Referenzschwingkreisinduktivität 6, also dem Ansprechkörper 9 zugewandt, angeordnet. Hierdurch wird insbesondere eine stärkere Bedämpfung des Oszillators 3 durch den Ansprechkörper 9 gewähr­ leistet.

In den Fig. 1 und 2 sind unterschiedliche Ausrichtungen der Sensorschwingkreis­ induktivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivität 6 zueinander darge­ stellt. Fig. 1 zeigt den vorderen Teil eines Sensors, in welchem die Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivi­ tät 6 parallel sind. Diese Anordnung gewährleistet es, bei gegebenem Abstand der Sensorschwingkreisinduktivität 4 von der Referenzschwingkreisinduktivität 6 eine maximale transformatorische Kopplung herzustellen. Da die transformato­ rische Kopplung einerseits den Schaltabstand und andererseits den Korrektur­ faktor beeinflußt, ist es je nach Auslegung des induktiven Näherungsschalters erwünscht, die transformatorische Kopplung zu reduzieren. Dies gelingt - wie in Fig. 2 dargestellt - dadurch, daß die Achsen der Sensorschwingkreisinduk­ tivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivität 6 einen Winkel größer als 0° - maximal von 90° - einschließen.

In Fig. 3 ist nunmehr die dem Oszillator 3 zugrundeliegende Schaltung in ihren erfindungswesentlichen Bauteilen dargestellt. Dabei werden die Schwingungen des Oszillators 3 nur auf der Seite des Sensorschwingkreises 1 aktiv rückge­ koppelt. Dies geschieht über bekannte Rückkopplungsschaltungen, wie sie üb­ licherweise in einem auch den größten Teil der restlichen Auswerteelektronik aufnehmenden integrierten Schaltkreis 10 integriert sind.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Korrekturfaktors K in Abhängigkeit von der Phasen­ differenz Δϕ zwischen dem Sensorschwingkreis 1 und dem Referenzschwingkreis 2. Einen solchen Verlauf des Korrekturfaktors K erhält man bei einer parallelen Ausrichtung der Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der Referenz­ schwingkreisinduktivität 6 beim Einsatz einer in Fig. 3 dargestellten Schal­ tung. Bei der hier gewählten Dimensionierung des Kopplungswiderstandes 8 ge­ langt man zu einem Arbeitspunkt für K = 1 mit ausreichendem Abstand zu dem schraffiert dargestellten Bereich, in dem ein zweiter Schaltabstand auftritt. Dieser zweite Schaltabstand tritt erst oberhalb von K = 1,1 auf. Weiter ist in Fig. 4 an verschiedenen Punkten des Verlaufs des Korrekturfaktors K die Emp­ findlichkeit des induktiven Annäherungsschalters angegeben. Außerdem ist auf einer zweiten X-Achse die relative Abweichung der Sensorschwingkreiskapazität 5 von der Referenzschwingkreiskapazität 7 angegeben.

Für den Fall, daß die Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivität 6 einen Winkel von 90° einschließen, sie also orthogonal zueinander sind, ist es notwendig, auch den Referenzschwing­ kreis 2 aktiv rückzukoppeln. Die entsprechende Schaltung ist in Fig. 5 dar­ gestellt. Die aktive Rückkopplung des Referenzschwingkreises 2 erfolgt in Fig. 5 über eine ebenfalls in dem integrierten Schaltkreis 10 angeordnete Rückkopplungsschaltung.

In Fig. 6 ist die Abhängigkeit des Korrekturfaktors K von der Phasendiffe­ renz Δϕ zwischen dem Sensorschwingkreis 1 und dem Referenzschwingkreis 2 für den Fall aufgetragen, daß die Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität 6 und der Referenzschwingkreisinduktivität 8 einen Winkel von 90° einschließen und daß der Referenzschwingkreis 2 aktiv rückgekoppelt ist. Wie man in Fig. 6 leicht erkennt, bildet sich, im Gegensatz zu dem Verlauf des Korrekturfaktors K in Fig. 4, ein Maximum des Korrekturfaktors K in Abhängigkeit von der Pha­ sendifferenz Δϕ im Bereich des Wertes K = 1 aus. Es existiert auch kein Bereich mit einem zweiten Schaltabstand. Die Empfindlichkeiten beider Aus­ führungsbeispiele liegen etwa in dem gleichen Bereich. Wie bereits in Fig. 4 zu erkennen war, befindet sich auch in Fig. 6 der Schnittpunkt des Verlaufs des Korrekturfaktors K mit dem Wert K = 1 im Bereich einer relativen Kapazi­ tätsdifferenz zwischen der Sensorschwingkreiskapazität 5 und der Referenz­ schwingkreiskapazität 7 um 0 aus.

Die beschriebene aktive Rückkopplung des Referenzschwingkreises 2 ist eben­ falls dann vorzusehen, wenn der induktive Näherungsschalter nichtbündig ein­ gebaut wird.

Zusätzlich zu der bereits durch die nichtparallele Ausrichtung der Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivi­ tät 6 reduzierten transformatorischen Kopplung kann die Kopplung zwischen dem Sensorschwingkreis 1 und dem Referenzschwingkreis 2 dadurch weiter reduziert werden, daß der Sensorschwingkreis 1 mit dem Referenzschwingkreis 2 über ei­ nen in Fig. 5 nur angedeuteten Kopplungskondensator 11 kapazitiv gekoppelt ist.

Um einen entsprechenden Einfluß eines ferromagnetischen Ansprechkörpers 9 auf die transformatorische Kopplung der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der Referenzschwingkreisinduktivtät 6 zu gewährleisten, sind sowohl die Sensor­ schwingkreisinduktivität 4 als auch die Referenzschwingkreisinduktivität 6 als Luftspulen ausgebildet; sie befinden sich nicht, wie sonst üblich, in ei­ nem ferromagnetischen Schalenkern. Diese Maßnahme führt weiter zu einer größe­ ren Temperaturunabhängigkeit des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschal­ ters.

Abschließend soll noch erwähnt werden, daß die Sensorschwingkreisinduktivi­ tät 4 und die Referenzschwingkreisinduktivität 6 gleichsinnig bestromt sind, da sonst ein Wert von K = 1 für den Korrekturfaktor nicht zu erreichen ist.

Claims (8)

1. Induktiver Näherungsschalter, mit einem von außen beeinflußbaren, einen Sensorschwingkreis (1) und einen Referenzschwingkreis (2) aufweisenden Os­ zillator (3) und mit einem von dem Oszillator (3) steuerbaren elektroni­ schen Schalter, wobei der Sensorschwingkreis (1) eine Sensorschwingkreisin­ duktivität (4) und eine Sensorschwingkreiskapazität (5) sowie der Referenz­ schwingkreis (2) eine Referenzschwingkreisinduktivität (6) und eine Referenz­ schwingkreiskapazität (7) aufweisen und wobei der Sensorschwingkreis (1) und der Referenzschwingkreis (2) parallelgeschaltet und über einen in Reihe ge­ schalteten Kopplungswiderstand (8) galvanisch gekoppelt sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensorschwingkreis (1) mit dem Referenzschwingkreis (2) transformatorisch gekoppelt ist.

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschwingkreisinduktivität (4) in Beeinflussungsrichtung vor der Re­ ferenzschwingkreisinduktivität (6) angeordnet ist.

3. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität (4) und der Referenz­ schwingkreisinduktivität (6) parallel zueinander verlaufen, insbesondere in­ einander fallen.

4. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achsen der Sensorschwingkreisinduktivität (4) und der Referenz­ schwingkreisinduktivität (6) einen Winkel größer als 0° - maximal von 90° - einschließen.

5. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch der Referenzschwingkreis (2) aktiv rückgekoppelt ist.

6. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschwingkreis (1) mit dem Referenzschwingkreis (2) kapazitiv gekoppelt ist.

7. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschwingkreisinduktivität (4) als Luftspule ausgebildet ist.

8. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzschwingkreisinduktivität (6) als Luftspule ausgebildet ist.