DE4330140C2 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents
Induktiver NäherungsschalterInfo
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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 und aus der US-A-5,034,704 bekannt.
Die DE-A-41 20 806 und die US-A-5,034,704 sowie 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 und der US-A-5,034,704 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.
Die bekannten induktiven Näherungsschalter gemäß der DE-A-41 20 805 und der US-A-5,034,704 sind mit
dem Problem behaftet, daß sie relativ stark temperaturanfällig sind, da die Sensorschwingkreisinduktivität
räumlich weit von der Referenzschwingkreisinduktivität
entfernt ist (DE-A-41 20 806) bzw. zu der Sensorschwingkreisinduktivität
und der Referenzschwingkreisinduktivität
jeweils ein
topfförmiger Ferritkern gehören (US-A-5,034,704).
Somit wirken sich durch Temperaturschwankungen entstandene
Temperaturgradienten stark auf die Reproduzierbarkeit der Messungen aus.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter
zur Verfügung zu stellen, der möglichst unabhängig von Temperaturschwankungen
ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Näherungsschalter
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße transformatorische Kopplung zwischen dem
Sensorschwingkreis und 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 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 optimale 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.
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. Der Schnittpunkt des Verlaufs des Korrekturfaktors
K mit dem Wert K=1 befindet
sich im Bereich einer relativen Kapazitätsdifferenz
zwischen der Sensorschwingkreis-Kapazität 5 und der Referenzschwingkreis-
Kapazität 7 um 0.
Die beschriebene aktive Rückkopplung des Referenzschwingkreises 2 ist eben
falls dann vorzusehen, wenn der induktive Näherungsschalter nichtbündig
nach Norm einbaubar sein soll.
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 zusätzlich kapazitiv gekoppelt ist.
Um einen entsprechenden Einfluß eines ferromagnetischen Ansprechkörpers 9 auf
die transformatorische Kopplung der Sensorschwingkreisinduktivität 4 und der
Referenzschwingkreisinduktivität 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
nen 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 (6)
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) und der Referenzschwingkreis (2)
zusätzlich transformatorisch gekoppelt sind
und daß die Sensorschwingkreisinduktivität (4)
und die Referenzschwingkreisinduktivität (6)
als Luftspulen ausgebildet sind.
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)
zusätzlich kapazitiv gekoppelt ist.
Priority Applications (1)
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DE19934330140 DE4330140C2 (de) | 1993-09-07 | 1993-09-07 | Induktiver Näherungsschalter |
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Publications (2)
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DE4330140C2 true DE4330140C2 (de) | 1997-07-17 |
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ID=6496992
Family Applications (1)
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