DE4345509C2 - Näherungsschalter - Google Patents

Abstract

Üblicherweise wird der Verguß von Näherungsschaltern nach Eingabe der Betriebsfunktionen vorgenommen. Erfindungsgemäß sollen Betriebsfunktionen des schon eingebauten, bereits vergossenen Näherungsschalter eingestellt werden können. Hierzu dient eine als Schaltzustandsanzeige in den Näherungsschalter eingebaute Leuchtdiode (32), mit der durch optische Einkopplung die Betriebsfunktionen von außen einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter mit einer Leuchtdiode als Schaltzustandsanzeige, wobei die Betriebs­ funktionen des Näherungsschalters zumindest teilweise von außen einstellbar sind.

Induktive Näherungsschalter bestehen üblicherweise, wie im Blockschaltbild nach Fig. 4 dargestellt, aus einem aus einer Schwingkreisspule und einem Kondensator gebildeten Schwing­ kreis 4, der von einer Oszillatorschaltung 5 angeregt wird, einer Auswerteeinheit 6, einer Ausgangstreiberschaltung 7 und einem Lastschalter 8. Das Schwingkreissignal 10 wird der Aus­ werteeinheit 6 zugeführt, in der ein Schaltsignal erzeugt wird. Dieses hängt davon ab, ob sich im Feld der Schwing­ kreisspule ein metallischer Gegenstand befindet oder nicht über den Lastschalter 8 wird entsprechend dem Schaltsignal eine Last 9 betätigt.

In der Auswerteeinheit 6 kann je nach Auswerte-Oszillator­ prinzip z. B. die Stromaufnahme der Oszillatorschaltung oder auch die Amplitude des Schwingkreissignals 10 zur Bewertung des Bedämpfungszustands herangezogen werden. Wenn sich ein Metallgegenstand dem Näherungsschalter nähert, werden durch das elektromagnetische Wechselfeld Wirbelströme in dem Me­ tallgegenstand induziert und damit Verluste erzeugt, die die Oszillatorschaltung belasten, d. h. die Amplitude des Schwing­ kreissignals 10 geht zurück. Näherungsschalter wechseln übli­ cherweise bei einer bestimmten Entfernung einer Metallfahne ihren Schaltzustand. Diese Entfernung wird als Schaltabstand in der DIN Norm VDE 660 Teil 208 definiert und dessen Meßbe­ dingungen angegeben. Der Schaltabstand ist abhängig von der Baugröße des Näherungsschalters. Unterschieden wird auch zwi­ schen bündig bzw. nichtbündig im Metall einbaubaren Nähe­ rungsschalter.

Bei der Herstellung eines Näherungsschalters wird der Schalt­ abstand auf das genormte Maß abgeglichen. Bei einem indukti­ ven Näherungsschalter mit Abrißoszillator wird z. B. die Ver­ stärkung des rückgekoppelten Oszillators so eingestellt, daß die Schwingung gerade abreißt, wenn die Metallfahne den Normschaltabstand erreicht. Bei einem Näherungsschalter mit PLL-Oszihlator 11 (Phaselocked-loop-Oszillator) kann vor­ teilhafterweise wie in Fig. 5 dargestellt über einen Demodu­ lator 12 und einen Amplitudenkomparator 13 die Amplitude des Schwingkreissignals 10 abgefragt werden. Bei dem Schaltpunkt­ abgleich wird hierbei die Komparatorschwelle entsprechend dem Normschaltabstand eingestellt.

Da Näherungsschalter für den Einsatz unter rauhen Umgebungs­ bedingungen im Industriebereich gedacht sind und deshalb min­ destens die Schutzart IP 65 erfüllen, werden die Schaltungen normalerweise in ein Gehäuse, z. B. in eine Metallhülse, ein­ gebaut und mit Gießharz vergossen. Aus diesem Grund erfolgt der Schaltpunktabgleich normalerweise vor dem Einbau der Elektronik in das Gehäuse oder spätestens vor dem Verguß des Gerätes. Hierdurch wird der Schaltabstand festgelegt. Wenn ein Anwender bei einer bestimmten Baugröße des Näherungs­ schalters einen von der Norm abweichenden Schaltabstand benö­ tigt, wird ein Sonderabgleich erforderlich. Ebenso können an­ wenderspezifische Einbaubedingungen eines Näherungsschalters bei einem vorab fest abgeglichenen Gerät nicht berücksichtigt werden. So könnte z. B. auf eine Unterscheidung zwischen bün­ dig und nichtbündig einbaubaren Näherungsschaltern verzichtet werden, wenn der Schaltabstandsabgleich am eingebauten Gerät erfolgen könnte.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0 514 089 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren beschrie­ ben, mit denen eine einfache Dateneingabe von Betriebsparame­ ters in einen Mikroprozessor eines fertig zusammengebauten und vergossenen Näherungsschalters möglich ist, wenn dieser einen Freigabeeingang aufweist. Ausgegangen wird dabei von einem Näherungsschalter, der neben dem Eingang, der hier we­ gen seiner Funktion als Freigabeeingang bezeichnet ist, eine Überstromüberwachungseinrichtung mit einem Mikroprozessor enthält, dem durch einen Impuls ein Überstrom am Schaltaus­ gang signalisiert werden kann. Mit Hilfe der Überstromüberwa­ chungseinrichtung wird ein derartiger Überstromzustand simu­ liert und der entsprechende Impuls erzeugt, der eine Informa­ tion eines Betriebsparameters in Form eines Bitmusters reprä­ sentiert, mit der der Mikroprozessor geladen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Näherungs­ schalter zu schaffen, bei dem wahlweise verschiedene Be­ triebsfunktionen im fertig vergossenen Zustand und gegebenen­ falls auch im Einbauzustand vor Ort festgelegt werden können. Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen nach Anspruch 1.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,

Fig. 2 einen induktiven Näherungsschalter mit der Möglich­ keit zur Programmierung, ob dieser als Öffner oder Schließer, ob kurzschlußfest oder nicht kurzschluß­ fest betrieben werden soll,

Fig. 3 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit der Pro­ grammiermöglichkeit, die Leuchtdiode bei aktiviertem Öffner- und Schließerausgang leuchten zu lassen,

Fig. 4 das Blockschaltbild eines induktiven Näherungsschal­ ters,

Fig. 5 die wichtigsten Elemente eines induktiven Näherungs­ schalters nach dem Stand der Technik mit PLL-Oszilla­ tor und Amplitudenkomparator.

Vorangehend wurde bereits der Stand der Technik anhand der Fig. 4 und 5, von dem die Erfindung ausgeht, erläutert. Im einzelnen wird an dieser Stelle zum Schaltungsaufbau und zur Funktion des Näherungsschalters gemäß Fig. 5 Stellung genom­ men.

Der induktive Näherungsschalter nach Fig. 5 weist einen aus einer Schwingkreisspule und einem Kondensator gebildeten Schwingkreis 4 auf, an den ein PLL-Oszillator 11 (Phase- locked-loop-Oszillator) über eine Kapazität angekoppelt ist. Ein von dem Schwingkreis 4 ausgehendes Schwingkreissignal 10 wird über einen Demodulator 12 einem Amplitudenkomparator 13 zugeführt. Ein an der Versorgungsspannung U_B liegender Span­ nungsregler 15 ist mit einem Spannungsteiler 14 verbunden, der drei Anschlußpunkte 1, 2, 3 aufweist, von denen der mitt­ lere Anschlußpunkt 2 mit dem Amplitudenkomparator 13 verbun­ den ist. Der Anschlußpunkt 3 liegt gemeinsam mit dem Schwing­ kreis 4 auf Bezugspotential. Über den Spannungsteiler 14 ist die Schwelle des Amplitudenkomparators 13 festgelegt, bei dem dieser umschaltet wenn das demodulierte Schwingkreissignal 10 diese Schwelle überschreitet. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der Spannungsteiler durch einstellbare ohmsche Widerstände zusammengesetzt, die einen Schaltpunktabgleich im unvergosse­ nen Zustand des Näherungsschalters ermöglichen.

Anstelle des Spannungsteilers 14 mit den Anschlüssen 1, 2, 3 wird eine Schaltung nach Fig. 1 mit entsprechenden Anschluß­ punkten im Näherungsschalter integriert. Die Schaltung be­ steht aus einem Zähler 16 und in Reihe dazu einer Steuerlogik 17, sowie einem Digital-Analog-Wandler 18 mit den Anschlüssen 2 und 3 am Ausgang. Ein Festwertspeicher 19 ist an die Steu­ erlogik 17 gekoppelt, die neben dem Anschluß 1 am Eingang ei­ nen zur Rückkopplung des Näherungsschalter-Ausgangssignals dienenden Anschluß 21 besitzt. Bei einem mit dieser Schaltung versehenen Näherungsschalter kann im Einbauzustand vor Ort der Anwender den Schaltzustandswechsel für einen gewünschten Bedämpfungszustand bestimmen. Über den zusätzlichen Steuer­ eingang 21 wird mit einem definierten Potential eine Umschal­ tung vom normalen Betriebsmodus in einen Lernmodus vorgenom­ men und damit der Zähler 16 gestartet. Das Zählersignal wird im Digital-Analog-Wandler 18 in ein stetig ansteigendes ana­ loges Signal umgewandelt. Dieses Signal gelangt über den Aus­ gang 2 entsprechend der elektrischen Verbindung nach Fig. 5 zum Amplitudenkomparator 13 und stellt für diesen eine konti­ nuierlich anwachsende Komparatorschwelle dar. Erreicht die Amplitude des Wandlersignals den Amplitudenwert des Schwing­ kreissignals für ein vorgegebenes beabstandetes und in be­ stimmter Position befindliches Metallteil, schaltet der Aus­ gang des Näherungsschalters um. Das Ausgangssignal des Nähe­ rungsschalters wird auf die Steuerlogik 17 über den Anschluß 20 zurückgeführt und dadurch der Zähler 16 gestoppt. Der mo­ mentane Zählerstand wird ausgelesen und in dem Festwertspei­ cher 19 abgelegt. Bei offenem Steuereingang 21 befindet sich der Näherungsschalter wieder im normalen Betriebsmodus, in dem nun der im Festwertspeicher 19 abgelegte digitale Zahlen­ wert über den Digital-Analog-Wandler 18 als feste Komparator­ schwelle benutzt wird.

In ähnlicher Weise kann der Schaltpunktabgleich eines Nähe­ rungsschalters mit Abrißoszillator gemäß Fig. 2 realisiert werden. Wie hier skizziert ist bei herkömmlicher Bauart von Näherungsschaltern die wesentliche Schaltung in einem inte­ grierten Schaltkreis 27 integriert bis auf wenige Schaltungs­ elemente die für nachträgliche Anpassungen und Abstimmungen zugänglich sein müssen, wie z. B. der zum Schaltpunktabgleich vorgesehene verstellbare Widerstand 34 zwischen den Anschluß­ punkten 1 und 3. Mit diesem Widerstand 34 wird die Rückkopp­ lung des im integrierten Schaltkreis befindlichen Oszillators so eingestellt, daß die Schwingung des Oszillators abreißt, wenn die genormte Metallfahne den gewünschten Schaltabstand erreicht. Dieser ohmsche Widerstand 34 wird durch einen steu­ erbaren Widerstand, z. B. einem FET, bzw. durch ein geeignetes Widerstandsnetzwerk mit einem steuerbaren Widerstand ersetzt. Der hier nicht dargestellte steuerbare Widerstand wird erfin­ dungsgemäß unter Verwendung der Schaltung nach Fig. 1 über den Digital-Analog-Wandler 18 in der Weise angesteuert, daß der Widerstand im Grundzustand niederohmig ist. Zum Abgleich wird wiederum wie zuvor beschrieben, über den Zähler 16 die Aus­ gangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 18 kontinuierlich gesteigert und damit auch der Widerstandswert des steuerbaren Widerstandes, bis der Ausgang des Näherungsschalters seinen Schaltzustand wechselt. Der entsprechende digitale Wert wird wieder in den Festwertspeicher 19 abgelegt. Die Steuerung des Abgleichvorgangs erfolgt in zuvor beschriebener Weise über die Steuerlogik 17.

In einer weiteren Ausführungsform des Näherungsschalters kön­ nen zusätzlich die Öffner/Schließer-Programmierung und die Programmierung der Kurzschlußüberwachungsfunktion am fertig vergossenen Näherungsschalter vorgenommen werden. Die Öff­ ner/Schließer-Programmierung ist über einen Eingang des inte­ grierten Schaltkreises gemäß Fig. 2 möglich, in dem der ent­ sprechende IC-Pin durch einen Schalter 22 auf Bezugspotential gelegt wird oder unbeschaltet bleibt. Herkömmlicherweise wird die Öffner/Schließer-Programmierung an der unvergossenen Elektronik oder aber über externe Steckbrücken am vergossenen Näherungsschalter vorgenommen. Erfindungsgemäß läßt sich die­ se Verbindung jedoch auch mit einem Transistor realisieren, dessen Schaltzustand am vergossenen Gerät mit einer erweiter­ ten Steuerlogik 17 vom Anwender programmiert wird.

Auch die Wahlmöglichkeit der Kurzschlußüberwachungsfunktion am fertig vergossenen Näherungsschalter ist mit den erfin­ dungsgemäßen Mitteln gegeben. Üblicherweise wird bei kurz­ schlußfesten Näherungsschaltern über einen weiteren Eingang des integrierten Schaltkreises 27 eine Überwachung des Last­ stroms durchgeführt. Die Kurzschlußstromabfrage wird über den Spannungsfall an einem im Laststromkreis liegenden ohmschen Widerstand 24 durchgeführt. Übersteigt der Spannungsfall in Folge des Ausgangsstroms eine bestimmte Schwelle, wird der Ausgangstransistor 23 solange abgeschaltet, wie der Kurz­ schluß-Überlastfall bestehen bleibt. Hierbei ist der Kurz­ schlußfühleranschluß 25 des integrierten Schaltkreises 27 ge­ mäß Fig. 4 an den ohmschen Widerstand 24 im Lastkreis geführt.

Durch direkte Anbindung des Kurzschlußfühleranschlusses 25 an das Bezugspotential über einen Schalter 26 läßt sich der nicht-kurzschlußfeste Zustand des Näherungsschalters errei­ chen. Der Schalter 26 kann wiederum durch einen hier nicht dargestellten Transistor ersetzt werden, dessen Schaltzustand auch im vergossenem zustand noch über die Steuerlogik in zu­ vor beschriebener Weise festgelegt und verändert werden kann.

In Fig. 3 ist ein 4-Leiter-Näherungsschalter mit antivalenten Ausgängen dargestellt, bei dem die als Schaltzustandsanzeige üblicherweise eingebaute Leuchtdiode entweder bei aktiviertem Öffner- oder Schließerausgang je nach Ausführung leuchtet. Dies ist realisiert durch einen integrierten Schaltkreis 27, der die beiden Ausgangstransistoren 28 bzw. 29 ansteuert, die mit einem Öffner 30 bzw. Schließerkontakt 31 ausgangsseitig verbunden sind. Eine Leuchtdiode 32 kann wahlweise über einen Wechsler 33 an einen der beiden Kontakte 30 bzw. 31 ange­ schlossen werden. Die mechanischen Verknüpfungen mit dem Wechsler 33 lassen sich jedoch auch mit Halbleiterschaltern realisieren, so daß dann die gewünschte Funktion wie oben be­ schrieben mit einer Steuerlogik auch am vergossenen Nähe­ rungsschalter programmiert werden kann.

Die Informationen Öffner bzw. Schließer, kurzschlußfest bzw. nicht kurzschlußfest und Aufleuchten der Leuchtdiode beim ak­ tivierten Öffner bzw. Schließer werden ebenfalls im Festwert­ speicher 19 gemäß Fig. 1 abgelegt und im Betriebsmodus über die Steuerlogik 17 abgefragt.

Die Umschaltung vom Betriebs- in den Programmiermodus und die Programmierung können im einfachsten Fall über einen zusätz­ lichen elektrischen Anschluß an den Näherungsschalter erfol­ gen, wie er in Fig. 1 als Steuereingang 21 bezeichnet ist. Bei 4-Leiter-Näherungsschaltern sind aber bei Steckerausführungen üb­ licherweise nur 4-Stecker-Stifte vorhanden, so daß andere Verfahren erforderlich sind, um mit den vorhandenen Anschlüs­ sen des Näherungsschalters auszukommen.

Hierzu bestehen erfindungsgemäß folgende Möglichkeiten:

• - optische Einkopplung auf ein im Näherungsschalter angeord­ netes, optoelektronisches Empfangselement,
• - optische Einkopplung auf die im Näherungsschalter als Schaltzustandsanzeige vorhandene Leuchtdiode.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die einprogrammierten Parameter zur Bestimmung der Art des vorliegenden Näherungs­ schalters und seines Betriebs auch wieder aus dem Festwert­ speicher auszulesen. Hierzu können dieselben Verfahren wie zur Programmierung eingesetzt werden.

Im Fall einer Betriebsstörung oder eines Defekts im Nähe­ rungsschalter kann hierbei auch Art und Grund der Störung ausgelesen werden, soweit diese Informationen im Näherungs­ schalter in geeigneter Weise gewonnen und im Festwertspeicher abgelegt worden sind.

Die Programmierung und das Auslesen können auch über ein Bus­ system erfolgen.

Die erfindungsgemäßen Funktionen lassen sich in einer mono­ lithisch integrierten Schaltung gemeinsam mit der eigentli­ chen Näherungsschalterfunktion realisieren. Ebenso ist aber auch ein getrennter Aufbau der Näherungsschalter- und Pro­ grammierfunktionen möglich.

Claims (1)

1. Näherungsschalter mit einer Leuchtdiode (32) als Schaltzu­ standsanzeige, wobei Betriebsfunktionen des Näherungsschal­ ters zumindest teilweise von außen einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (32) zur optischen Einkopplung der Betriebsfunktionen des Nähe­ rungsschalters dient.