DE4340234C1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter, mit einem von außen be­ einflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektroni­ schen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei der Anwesenheitsindikator einen Indikatorschwingkreis mit einer Indikatorspule und einen Kompensationsschwingkreis mit einer gegensinnig zur Indikatorspule ge­ wickelten Kompensationsspule aufweist und wobei der Indikatorschwingkreis und der Kompensationsschwingkreis in Reihe geschaltet sind.

Wesentlicher Bestandteil eines induktiven Näherungsschalters ist in der Regel ein von außen beeinflußbarer Oszillator. Dabei gilt für den Oszillator, solange ein Metall­ teil einen vorgegebenen Abstand noch nicht erreicht hat, K × V = 1 mit K = Rück­ kopplungsfaktor und V = Verstärkungsfaktor des Oszillators; d. h. der Oszillator schwingt. Erreicht das entsprechende Metallteil den vorgegebenen Abstand, so führt die zunehmende Bedämpfung des Oszillators zu einer Verringerung des Verstär­ kungsfaktors V, so daß K × V < 1 wird; d. h. der Oszillator hört auf zu schwingen. Ab­ hängig von den unterschiedlichen Zuständen des Oszillators wird ein zu dem indukti­ ven Näherungsschalter gehörender Schalter, z. B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac, gesteuert. Zum Stand der Technik wird im übrigen auf die DE-A- 42 09 396 und auf die in dieser vorveröffentlichten Druckschrift aufgeführten deut­ schen Offenlegungsschriften, Auslegeschriften und Patentschriften verwiesen.

Treten in der Nähe eines induktiven Näherungsschalters starke magnetische Felder auf, so führt die Wechselwirkung dieser magnetischen Felder mit der Induktivität der Indikatorspule dazu, daß der Anwesenheitsindikator die Annäherung eines Metall­ teils nicht mehr sicher indizieren kann. Solche magnetischen Felder, im folgenden Fremdfelder genannt, entstehen z. B. beim Elektroschweißen nahe den stromführen­ den Teilen. Bei dem induktiven Näherungsschalter, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. DE-C-32 44 449), wird der geschilderte Effekt der Wechselwirkung der Fremdfelder mit der Indikatorspule dadurch reduziert, daß die Indikatorspule und die Kompensationsspule bei der Wechselwirkung mit einem Fremdfeld gleichwertige, je­ doch aufgrund der gegensinnigen Wicklungen entgegengesetzte Spannungen er­ zeugen, die sich aufgrund der Reihenschaltung des Indikatorschwingkreises und des Kompensationsschwingkreises aufheben. Bei dem induktiven Näherungsschalter, von dem die Erfindung ausgeht, werden die Indikatorspule und die Kompensations­ spule so angeordnet, daß die Hochfrequenzkopplung zwischen ihnen vermindert ist. Durch diese Maßnahme soll eine starke Bedämpfung des Indikatorschwingkreises durch den Kompensationsschwingkreis vermieden werden. Um die erwünschte ge­ ringe Hochfrequenzkopplung zu gewährleisten, werden die Indikatorspule und die Kompensationsspule als Luftspulen ausgeführt und zudem durch einen Metallmantel voneinander abgeschirmt. Mit Hilfe der geschilderten Maßnahmen wird bei dem in­ duktiven Näherungsschalter, von dem die Erfindung ausgeht, eine gute Fremd­ feldunabhängigkeit erreicht. Dadurch, daß die Indikatorspule bei dem induktiven Nä­ herungsschalter von dem die Erfindung ausgeht, als Luftspule ausgebildet ist, treten jedoch die bekannten Probleme bei Verwendung einer Luftspule zutage. Ein solcher induktiver Näherungsschalter kann beispielsweise kaum für einen bündigen Einbau eingesetzt werden, da seine Empfindlichkeit in diesem Fall nicht mehr ausreichend ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den induktiven, fremdfeldunabhän­ gigen Näherungsschalter, von dem die Erfindung ausgeht, hinsichtlich seiner Emp­ findlichkeit zu verbessern.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der Anwesenheitsindikator einen schalenförmigen ferromagnetischen Kern auf­ weist, daß die Indikatorspule an der offenen Seite des schalenförmigen ferromagneti­ schen Kerns angeordnet ist, daß die Kompensationsspule in dem schalenförmigen fer­ romagnetischen Kern unterhalb der Indikatorspule angeordnet ist und daß die Güte des Indikatorschwingkreises wesentlich größer ist als die Güte des Kompensations­ schwingkreises. Ein solcher erfindungsgemäß ausgestalteter induktiver Näherungs­ schalter weist den Vorteil auf, bei gleichbleibend guter Fremdfeldunabhängigkeit eine hohe Empfindlichkeit durch den Einsatz des schalenförmigen ferromagnetischen Kerns zu gewährleisten. Entgegen den bekannten Vermutungen führt die erfin­ dungsgemäße starke Hochfrequenzkopplung zwischen der Indikatorspule und der Kompensationsspule über den schalenförmigen ferromagnetischen Kern aufgrund der gegenüber der Güte des Indikatorschwingkreises reduzierten Güte des Kompensa­ tionsschwingkreises nicht zu einer starken Bedämpfung des Indikatorschwingkrei­ ses.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszuge­ stalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung eines Indikatorschwingkreises und eines Kompensationsschwingkreises,

Fig. 2 eine Anordnung einer Indikatorspule und einer Kompensationsspule in einem schalenförmigen ferromagnetischen Kern,

Fig. 3 ein Diagramm des Frequenzgangs des Ausführungsbeispiels des Kom­ pensationsschwingkreises und

Fig. 4 eine qualitative Darstellung der Abhängigkeiten der Schaltabstände von der Stärke eines Fremdfeldes für verschiedene Materialien der schalen­ förmigen ferromagnetischen Kerne.

Gegenstand der Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, z. B. einem Oszillator, einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und einem von dem Anwe­ senheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac. Das ist in den Figuren nicht darge­ stellt. Vielmehr wird insoweit auf die DE-A-42 09 396 und auf die in dieser vorveröffentlichten Druckschrift aufgeführten deutschen Offenlegungsschriften, Auslegeschriften und Patent­ schriften verwiesen.

Zu dem im übrigen nicht dargestellten Anwesenheitsindikator des im übrigen nicht dargestellten induktiven Näherungsschalters gehört ein Indikatorschwingkreis 1 mit einer Indikatorspule 2 und ein Kompensationsschwingkreis 3 mit einer gegensinnig zur Indikatorspule 2 gewickelten Kompensationsspule 4, wo­ bei der Indikatorschwingkreis 1 und der Kompensationsschwingkreis 3, wie in Fig. 1 zu sehen ist, in Reihe geschaltet sind.

Fig. 2 zeigt als Bestandteil des im weiteren nicht dargestellten Anwesen­ heitsindikators einen schalenförmigen ferromagnetischen Kern 5, in dem die Indikatorspule 2 an der offenen Seite angeordnet ist, während die Kompen­ sationsspule 4 unterhalb der Indikatorspule 2 angeordnet ist. Von der Er­ findung werden auch Ausführungsformen erfaßt, bei denen der ferromagnetische Kern eine von der Schalenform abweichende Gestalt aufweist.

Um nun die Hochfrequenzkopplung zwischen der Indikatorspule 2 und der Kom­ pensationsspule 4 trotz der gemeinsamen Anordnung auf dem schalenförmigen ferromagnetischen Kern 5 zu reduzieren, ist die Güte des Indikatorschwing­ kreises 1 wesentlich größer als die Güte des Kompensationsschwingkreises 3. Hierdurch wird erreicht, daß der Kompensationsschwingkreis 3 eine große Band­ breite und somit der Frequenzgang einen sehr flachen Verlauf besitzt, vgl. Fig. 3. In Fig. 3 ist weiter zu erkennen, daß der der Arbeitsfrequenz f_x des Indikatorschwingkreises 1 zugeordnete Arbeitspunkt AP des Kompensationsschwing­ kreises 3 unterhalb der unteren Grenze f_u der Bandbreite in einem Bereich von ungefähr -10 . . . -40 dB liegt. Der somit im induktiven Oberhang betriebene Kompensationsschwingkreis 3 niedriger Güte weist eine Phasenverschiebung zwi­ schen Strom und Spannung auf. Dieser Effekt kommt dem verfolgten Prinzip der Fremdfeldunabhängigkeit entgegen, da er zur Kompensation im Bereich der Null­ durchgänge beiträgt.

Eine weitere Voraussetzung für eine hohe Fremdfeldunabhängigkeit ist, daß die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 4 dieselbe Induktivität besitzen.

Insbesondere weisen die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 4 eine identische Geometrie und die gleiche Anzahl von Wicklungen auf. Es werden somit eine übereinstimmende Induktivität und eine besonders einfache Her­ stellung der Indikatorspule 2 und der Kompensationsspule 4 gewährleistet.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter wird weiter, wie in Fig. 1 dargestellt, dadurch ausgestaltet, daß der Indikatorschwingkreis 1 eine In­ dikatorkapazität 6 und der Kompensationsschwingkreis 3 eine Kompensationska­ pazität 7 aufweist. Dadurch, daß die Indikatorkapazität 6 wesentlich kleiner als die Kompensationskapazität 7 ist, wird gewährleistet, daß die Güte des Indikatorschwingkreises 1 wesentlich größer ist als die Güte des Kompensations­ schwingkreises 3.

Der bereits dem bekannten induktiven Näherungsschalter, von dem die Erfin­ dung ausgeht, zugrundeliegende Gedanke mit dem Ziel, eine Fremdfeldkompensation zu erreichen, ist der, die Reduktion der Schwingungsamplitude des Indikator­ schwingkreises 1, hervorgerufen durch ein Fremdfeld, mit möglichst gleicher, der Ursache entgegengerichteter Energie, in Phase und Amplitude, zu kompen­ sieren. Die hierbei zu kompensierende Energie in dem Indikatorschwingkreis 1 kann sowohl von einem magnetischen Gleichfeld als auch von einem magneti­ schen Wechselfeld ausgehen. Als komplizierterer Fall soll hier weiter das magnetische Wechselfeld - üblicherweise mit Netzfrequenz - betrachtet werden. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften der eingesetzten Verfahren zum Erzeugen des Wechselfeldes sowie der verwendeten ferromagnetischen Ma­ terialien erfolgt die zeitliche Änderung aller Größen nicht mehr sinusförmig - es kommt zu Oberwellen. Damit vergrößert sich das zu kompensierende Fre­ quenzspektrum um ein Vielfaches der Netzfrequenz. Um eine Schwingung des In­ dikatorschwingkreises 1 auch während der Beeinflussung durch ein Fremdfeld in Form eines magnetischen Wechselfeldes zu gewährleisten, ist der erfin­ dungsgemäße induktive Näherungsschalter weiter dadurch ausgestaltet, daß die Arbeitsfrequenz f_x des Indikatorschwingkreises 1 ein Vielfaches der Netzfrequenz beträgt.

Die Fremdfeldunabhängigkeit wird weiter wesentlich durch die Wahl des Ma­ terials des schalenförmigen ferromagnetischen Kerns 5 bestimmt. Besonders vorteilhaft besteht der schalenförmige ferromagnetische Kern 5 aus Ferrit oder Karbonyl-Eisen. In Fig. 5 ist das Verhalten der Einschalt- bzw. Aus­ schaltabstände in Abhängigkeit von der Stärke des Fremdfeldes für Ferrit und für Karbonyl-Eisen dargestellt. Die Bereiche I und II bezeichnen den jewei­ ligen Hysteresebereich des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit einem schalenförmigen ferromagnetischen Kern 5 aus Ferrit oder aus Kar­ bonyl-Eisen. In den Bereichen III und IV "flattert" der induktive Näherungs­ schalter zwischen Ein- und Ausschaltzustand. Man erkennt deutlich, daß die Flattergrenze B_F für einen schalenförmigen ferromagnetischen Kern 5 aus Ferrit deutlich höher liegt als die Flattergrenze B_K für einen schalen­ förmigen ferromagnetischen Kern 5 aus Karbonyl-Eisen. Ebenso deutlich erkennt man jedoch auch, daß ein induktiver Näherungsschalter mit einem schalenför­ migen ferromagnetischen Kern 5 aus Karbonyl-Eisen bei hohen Stärken der Fremdfelder ein günstigeres Verhalten aufweist als ein induktiver Näherungs­ schalter mit einem schalenförmigen ferromagnetischen Kern 5 aus Ferrit.

Claims (6)

1. Induktiver Näherungsschalter, mit einem von außen beeinflußbaren Anwesen­ heitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei der Anwesenheitsindikator einen Indikator­ schwingkreis (1) mit einer Indikatorspule (2) und einen Kompensationsschwingkreis (3) mit einer gegensinnig zur Indikatorspule (2) gewickelten Kompensationsspule (4) aufweist und wobei der Indikatorschwingkreis (1) und der Kompensationsschwing­ kreis (3) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Anwesen­ heitsindikator einen schalenförmigen ferromagnetischen Kern (5) aufweist, daß die Indikatorspule (2) an der offenen Seite des schalenförmigen ferromagnetischen Kerns (5) angeordnet ist, daß die Kompensationsspule (3) in dem schalenförmigen ferro­ magnetischen Kern (5) unterhalb der Indikatorspule (2) angeordnet ist, und daß die Güte des Indikatorschwingkreises (1) wesentlich größer ist als die Güte des Kompen­ sationsschwingkreises (3).

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorspule (2) und die Kompensationsspule (3) eine identische Geometrie und die gleiche Anzahl von Wicklungen aufweisen.

3. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikatorschwingkreis (1) eine Indikatorkapazität (6) aufweist, daß der Kom­ pensationsschwingkreis (3) eine Kompensationskapazität (7) aufweist und daß die Indikatorkapazität (6) wesentlicher kleiner als die Kompensationskapazität (7) ist.

4. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Arbeitsfrequenz des Indikatorschwingkreises (1) ein Vielfaches der Netzfrequenz ist.

5. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der schalenförmige ferromagnetische Kern (5) aus Ferrit besteht.

6. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der schalenförmige ferromagnetische Kern (5) aus Karbonyl-Eisen be­ steht.