DE4429314A1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Obergriff von Patentanspruch 1.

Ein derartiger, nach dem sogenannten "Differenzspulenprinzip" arbeitender Näherungsschalter ist durch die DE 40 31 252 C1 bekannt. Dieser bekannte Näherungsschalter wird mit den bei induktiven Näherungsschaltern üblichen Frequenzen von 0,5 bis 1 MHz betrieben und zeichnet sich durch einen geringen Herstellaufwand, eine hohe Schaltstabilität und eine hohe Temperaturunabhängigkeit aus. Er spricht auf Auslöser aus Eisen- und Nichteisenmetallen bei gleichen Nennschaltabständen an und hat sich als sog. "Allmetallschalter" sehr bewährt.

In der Praxis werden jedoch vielfach auch Näherungsschalter verlangt, die selektiv entweder nur auf Nichteisenmetalle NF oder auf Eisenmetalle FE ansprechen, so daß in der Praxis bezüglich der Auslösermaterialien insgesamt drei verschiedene Schaltertypen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Näherungsschalter unter Beibehaltung seiner Vorteile hinsichtlich des geringen Herstellaufwandes, der hohen Schaltstabilität und Temperaturunabhängigkeit dahingehend zu verbessern, daß er als selektiver Schalter sowohl für NF- als auch FE-Auslöser einsetzbar und mit geringfügiger Abänderung auch wiederum als Allmetallschalter verwendbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Durch den Betrieb des Näherungsschalters bei den verhältnismäßig geringen Frequenzen zwischen 5 und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 und 50 kHz, spricht der Näherungsschalter nunmehr unterschiedlich auf NF- und FE-Auslöser an. Bei NF-Auslösern bewirken die im Auslöser hervorgerufenen Wirbelströme eine Reduzierung der in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen, während FE-Auslöser bei ihrer Annäherung das magnetische Wechselfeld quasi aufsaugen und den Luftweg verkürzen mit der Folge, daß das magnetische Wechselfeld verstärkt und die in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen zunehmend größer werden. Bei der Erfindung wird dieses, nur bei den verhältnismäßig niedrigen Frequenzen auftretende unterschiedliche Ansprechen auf NF- und FE-Auslöser ausgenutzt, indem der Näherungsschalter für zwei Betriebsarten ausgelegt und für jede Betriebsart ein gesonderter Ausgangskanal vorgesehen ist. Der Näherungsschalter wird mittels einer durch einen Taktgenerator gesteuerten Umschalteinrichtung periodisch zwischen seinen beiden Betriebsarten hin- und hergeschaltet und liefert an einem Ausgang ein durch NF-Auslöser hervorgerufenes Ausgangssignal und am anderen Ausgang ein durch FE-Auslöser hervorgerufenes Ausgangssignal. Der Näherungsschalter kann somit als selektiver Schalter sowohl für NF- als auch FE-Auslöser eingesetzt werden. Werden seine beiden Ausgänge miteinander verbunden, stellt der Näherungsschalter wiederum einen Allmetallschalter dar, der aber gegenüber dem eingangs beschriebenen, bekannten Näherungsschalter noch den besonderen Vorteil aufweist, daß mit ihm auch verhältnismäßig kleinbemessene Auslöser bei relativ großen Schaltabständen erfaßt werden können.

Der Erfindung zufolge können die Arbeitspunkte des Oszillators für die beiden Betriebsarten derart eingestellt werden, daß im Grundzustand, d. h. in einem nicht durch einen Auslöser beeinflußten Zustand, der Oszillator bei einer Betriebsart schwingt und bei der anderen Betriebsart nicht schwingt. Bei beiden Betriebsarten bewirken die Auslöser bei Erreichen ihres Nennschaltabstandes einen Nulldurchgang der den Arbeitspunkt jeweils bestimmenden Differenzwechselspannung und damit ein sprunghaftes Überwechseln des Oszillators in den jeweils anderen Schwingungszustand.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß die Umschaltrichtung eine den Stromfluß in den beiden Sensorspulen ändernde Zusatzeinrichtung periodisch zuschaltet derart, daß in der einen Betriebsart die in einer der Sensorspulen induzierte Spannung U1 und in der anderen Betriebsart die in der anderen Sensorspule induzierte Spannung U2 überwiegt und folglich die jeweils sich ergebende Differenzwechselspannung UD bestimmt. Wegen der antiparallelen Schaltung der beiden Sensorspulen sind die bei den beiden Betriebsarten für die Arbeitspunkte vorgesehenen Differenzwechselspannungen UD jeweils um 180° gegeneinander phasenverschoben, und der Oszillator schwingt nur bei einer Arbeitspunkt-Differenzwechselspannung UD, die nicht phasenverschoben ist, während er bei der anderen, phasenverschobenen Arbeitspunkt-Differenzwechsel­ spannung UD in einem nichtschwingenden Zustand ist.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform kann die Zusatzeinrichtung einen zu einer der beiden Sensorspulen parallel liegenden periodisch zuschaltbaren Widerstand aufweisen, welcher die an den Spulenenden auftretende Spannung durch den zusätzlich auftretenden Stromfluß so verkleinert, daß diese kleiner wird als an der zweiten Sensorspule.

Alternativ kann vorgesehen werden, daß die Umschalteinrichtung einen umschaltbaren Abgriff an einer der Sensorspulen aufweist, mit dem entweder die volle oder ein Teil der in dieser Sensorspule induzierten Spannung U1 oder U2 für die Bildung der Differenzwechselspannung UD benutzt wird.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung kann vorgesehen werden, daß jeder Ausgangskanal je einen elektronischen Speicher aufweist und daß beide Speicher an den Ausgang eines den Oszillator abfragenden Schwellwertdetektors angeschlossen sind und synchron zur jeweiligen Betriebsart abwechselnd durch den Taktgenerator in einen Zustand zur Übernahme des Ausgangssignals des Schwellwertdetektors geschaltet werden. In einem der beiden Ausgangskanäle ist vorteilhafterweise ein Inverter angeordnet, so daß an beiden Kanalausgängen gleichsinnige Schaltsignale anfallen, die somit durch eine Parallelschaltung der Ausgänge unter Schaffung eines Allmetallschalters zusammengefaßt werden können.

Zur Sicherung eines stabilen Schaltverhaltens ist der Näherungsschalter mit einer Hystereseschaltung ausgerüstet, die bei beiden Betriebsarten durch den Taktgenerator in Wirkstellung geschaltet wird.

Der Näherungsschalter nach der Erfindung kann in einem Vollmetallgehäuse untergebracht werden, das vorteilhafterweise eine aus Edelstahl bestehende Sensorfläche aufweisen kann. Hierdurch ist es möglich, den Näherungsschalter auch innerhalb aggressiver Flüssigkeiten einzusetzen, wobei auch bei hohen Drücken der Annäherungsschalter Anwendung finden kann.

Ein Näherungsschalter nach der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Näherungsschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 den schematischen Aufbau des Sensorkopfes und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform für den Aufbau des Sensorkopfes.

Bei dem Näherungsschalter nach Fig. 1 wird von einem Oszillator 1 über eine Sendespule 2, die als Induktivität zusammen mit einem Kondensator 3 einen LC-Schwingkreis des Oszillators 1 bildet, ein Wechselfeld erzeugt. Der Schwingungszustand des Oszillators 1 wird von einem Schwellwertdetektor 4 erfaßt und als binäres Signal an zwei an den Schwellwertdetektor 4 angeschlossene Ausgangskanäle 5, 6 geliefert.

Im Wechselfeld der Sendespule 2 befinden sich zwei Sensorspulen 7, 8, die hinsichtlich ihrer Wicklungsrichtung entgegengesetzt gerichtet und damit in unmittelbarer Differenzschaltung angeordnet sind. Durch die Sendespule 2 wird in der Sensorspule 7 eine Spannung U1 und in der Sensorspule 8 eine Spannung U2 induziert, und die sich ergebende Differenzwechselspannung UD = U1 - U2 wird an den Eingang des Oszillatorverstärkers 9 geliefert. Die Sensorspulen 7, 8 sind durch ihre räumliche Lage zueinander und durch ihre jeweiligen Windungszahlen derart ausgebildet, daß die Differenzwechselspannung UD bei Annäherung eines Auslösers auf den gewünschten Ansprechabstand zu Null wird. Beim Nulldurchgang ändert sich der Schwingungszustand des Oszillators 1 sprunghaft, was vom Schwellwertdetektor 4 erfaßt und zur Erzeugung eines Schaltsignales genutzt wird. Der Aufbau solcher, nach dem sog. "Differenzspulenprinzip" arbeitender Näherungsschalter ist in der DE 40 31 252 C1 näher beschrieben.

Der Erfindung zufolge ist der Näherungsschalter für ein Arbeiten in zwei Betriebsarten ausgelegt. Bei einer Betriebsart ist die durch die Sendespule 2 in der Sensorspule 7 induzierte Spannung U1 größer als die an der anderen Sensorspule 8 induzierte Spannung, so daß als Arbeitspunkt am Eingang des Oszillatorverstärkers 9 eine Wechselspannung UD anliegt, bei der der Oszillator 1 im Grundzustand schwingt. Die entgegengesetzte Arbeitsweise, daß der Oszillator im unbeeinflußten Zustand in der ersten Betriebsart nicht schwingt und in der zweiten Betriebsart schwingt, ist, durch Verpolen der Sendespule, ebenfalls möglich. Bei Annäherung eines Auslösers 32 aus NF-Material bewirkt das Wirbelstrom-Gegenfeld, daß die Spannung U1 in der vorderen Sensorspule 7 rascher abnimmt die induzierte Spannung U2, und sobald die Differenzwechselspannung UD Null ist, ändert der Oszillator 1 seinen Schwingungszustand, was vom Schwellwertdetektor 4 erfaßt wird. Der Ausgang des Schwellwertdetektors wird an die beiden Ausgangskanäle 5, 6 geliefert, die jeweils einen elektronischen Speicher 10, 11, einen Schaltverstärker 12, 13 und Ausgänge 14, 15 aufweisen, wobei im Ausgangskanal 6 noch ein Inverter 16 zwischen Speicher 11 und Verstärker 13 angeordnet ist. Die Speicher 10, 11 können als Flipflop ausgebildet sein. Die Ausgänge 14, 15 können Open-Kollektor-Ausgänge sein.

Der Näherungsschalter ist mit einer, einen Taktgenerator 17 aufweisenden Umschalteinrichtung 18 ausgerüstet, welche über zwei Steuerleitungen 19, 20, die elektronischen Speicher 10, 11 derart steuert, daß bei der ersten Betriebsart, - d. h. bei der Erfassung von NF-Auslösern nur der Speicher 10 in einen Zustand geschaltet ist, in welchem er das vom Schwellwertdetektor 4 gelieferte Ausgangssignal aufnehmen und zum Ausgang 14 hin weiterleiten kann. Am Ausgang 14 treten somit die Schaltsignale auf, die durch NF-Auslöser verursacht sind.

Mittels der Umschalteinrichtung 18 wird der Näherungsschalter periodisch von der beschriebenen ersten Betriebsart auf eine zweite Betriebsart umgeschaltet, bei der der Näherungsschalter nur auf FE- und Ferritauslöser anspricht. Zur Einschaltung der zweiten Betriebsart liefert die Umschalteinrichtung 18 über eine Steuerleitung 21 einen Schaltbefehl an einen Schalter 22, der schließt und einen Widerstand 23 parallel zur Sensorspule 7 schaltet. Durch den zusätzlichen Stromfluß wird die induzierte Spannung U1 in der Sensorspule 7 derart stark verringert, daß sie bei dieser zweiten Betriebsart kleiner als die induzierte Spannung U2 bei der Sensorspule 8 ist. Wegen der Antiparallelschaltung der beiden Sensorspulen 7, 8 ist nunmehr die sich ergebende Differenzwechselspannung UD um 180° phasenverschoben. Solange eine phasenverschobene Differenzwechselspannung UD am Oszillatorverstärker 9 anliegt, befindet sich der Oszillator 1 in nichtschwingendem Zustand. Bei Annäherung eines FE- oder Ferritauslösers steigt die in der Sensorspule 7 induzierte Spannung stärker an als die in der Sensorspule 8 induzierte Spannung, und die Differenzwechselspannung UD wird zu Null, sobald der FE-Auslöser den Nennschaltabstand erreicht. Beim Nulldurchgang ändert der Oszillator 1 wiederum sprunghaft seinen Schwingungszustand, d. h. er beginnt zu schwingen, was vom Detektor 4 erfaßt wird, dessen Ausgangssignal an die beiden Speicher 10, 11 geliefert wird, wobei aber bei dieser zweiten Betriebsart über die Umschalteinrichtung 18 nur der Speicher 11 im Ausgangskanal 6 in einen Zustand geschaltet ist, in dem er dieses Signal aufnehmen und weiterleiten kann, so daß am Ausgang 15 nur die Schaltsignale anfallen, die von FE- oder Ferritauslösern verursacht sind. Durch den im Ausgangskanal 6 liegenden Inverter 16 ist sichergestellt, daß an den Ausgängen 14, 15 gleichsinnige Schaltsignale anfallen. Durch eine Zusammenfassung über ein ODER-Glied oder Parallelschaltung der beiden Ausgänge 14, 15 können, wie gestrichelt angedeutet ist, am Ausgang 24 nunmehr alle Schaltbefehle gemeinsam erfaßt werden. Der Näherungsschalter nach der Erfindung kann somit auch in sehr einfacher Weise wiederum als Allmetallschalter genutzt werden.

Der Näherungsschalter ist ferner noch mit einer Hystereseschaltung 25 zur Stabilisierung des Schaltverhaltens versehen. Die Hystereseschaltung 25 umfaßt eine an den Schaltungspunkt 26 zwischen den beiden Sensorspulen 7, 8 angeschlossene Leitung, in der ein Widerstand 27 und ein Schalter 28 liegen. Der Schalter 28 wird abhängig von den Ausgängen 29, 30 der beiden Speicher 10, 11 betätigt derart, daß der Schalter 28 schließt, wenn auf einem der beiden Ausgänge 29, 30 das binäre Ausgangssignal "1" ansteht. Die Umschalteinrichtung 18 schaltet über ein Schaltglied 31 den Schalter 28 periodisch abwechselnd an die beiden Ausgänge 29, 30, so daß für beide Betriebsarten die Hystereseschaltung in Wirkstellung gebracht wird.

Die Schalter 22, 28 und 31, die Umschalteinrichtung 18 und die Speicher 10, 11 sowie der Inverter 16 sind bevorzugt auf einem integrierten Schaltkreis 33 untergebracht, der auch die Ausgangsverstärker 12, 13 enthalten kann.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die räumliche Anordnung der Sendespule 2 und der Sensorspulen 7, 8 relativ zu der Annäherungsrichtung des Auslösers 32. Die Spulen 2, 8 sind in der genannten Reihenfolge koaxial hintereinander angeordnet, so daß die Sensorspule 7 stärker als die Sensorspule 8 durch den sich annähernden Auslöser 32 beeinflußt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Sendespule 2 mittig zwischen den beiden Sensorspulen 7, 8 angeordnet, wobei die Sensorspule 7 hier auf der Seite des Auslösers 32 liegt und wiederum stärker von diesem beeinflußt wird als die gegenüberliegende Sensorspule 8. In allen Fällen wird der Näherungsschalter mit einer verhältnismäßig geringen Frequenz, vorzugsweise zwischen 20 und 50 kHz, betrieben, da in diesem Fall, wie vorstehend beschrieben, sein Ansprechverhalten auf NE- und FE-Auslöser unterschiedlich ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich.

Bezugszeichenliste

1 Oszillator
2 Sendespule
3 Kondensator
4 Schwellwertdetektor
5 Ausgangskanal
6 Ausgangskanal
7 Sensorspule
8 Sensorspule
9 Oszillatorverstärker
10 Speicher
11 Speicher
12 Schaltverstärker
13 Schaltverstärker
14 Ausgang
15 Ausgang
16 Inverter
17 Taktgenerator
18 Umschalteinrichtung
19 Steuerleitung
20 Steuerleitung
21 Steuerleitung
22 Schalter
23 Widerstand
24 Ausgang
25 Hystereseschaltung
26 Schaltungspunkt
27 Widerstand
28 Schalter
29 Ausgang
30 Ausgang
31 Schaltglied
32 Auslöser
33 integrierter Schaltkreis

Claims (11)

1. Induktiver Näherungsschalter

• - mit einem Oszillator (1), der eine ein magnetisches Wechselfeld erzeugende Sendespule (2) speist, und der durch einen in das Wechselfeld eindringenden metallischen Auslöser (32) in seinem Schwingungszustand beeinflußt wird,
• - und mit einer Auswerteschaltung zur Gewinnung eines Schaltsignals aus der Änderung des Schwingungszustandes,
• - wobei im Wechselfeld zwei Sensorspulen (7, 8) in unmittelbarer Differenzschaltung zur Erfassung der Differenz der in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen (U1, U2) angeordnet sind,
• - wobei die Sensorspulen (7, 8) durch ihre räumliche Lage zueinander und durch die jeweiligen Windungszahlen derart ausgebildet sind, daß die Differenzwechselspannung (UD) beim gewünschten Ansprechabstand zu Null wird,
• - und wobei die Differenzwechselspannung (UD) an den Eingang des Oszillatorverstärkers (9) geführt ist derart, daß bei einem Nulldurchgang der Differenzwechselspannung (UD) der Oszillator (1) seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert,
• - dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Oszillator (1) bei einer Frequenz zwischen 5 und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 und 50 kHz betrieben wird,
• - daß der Näherungsschalter für ein Arbeiten mit zwei Betriebsarten ausgelegt ist, wobei er in der ersten Betriebsart nur auf NF-Auslöser und in der zweiten Betriebsart nur auf FE- oder Ferritauslöser anspricht,
• - daß der Näherungsschalter jeweils gesonderte Ausgangskanäle (5, 6) für die beiden Betriebsarten aufweist und
• - daß der Näherungsschalter mit einer durch einen Taktgenerator (17) gesteuerten Umschalteinrichtung (18) zur Umschaltung seiner beiden Betriebsarten versehen ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitspunkte des Oszillators (1) für die beiden Betriebsarten derart eingestellt sind, daß im Grundzustand der Oszillator (1) bei einer Betriebsart schwingt und bei der anderen Betriebsart nicht schwingt.

3. Näherungsschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (18) eine den Stromfluß in den Sensorspulen (7, 8) ändernde Zusatzeinrichtung periodisch zuschaltet derart, daß im unbeeinflußten Zustand in der einen Betriebsart die in der einen Sensorspule (7) induzierte Spannung (U1) und in der anderen Betriebsart die in der anderen Sensorspule (8) induzierte Spannung (U2) überwiegt.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung einen zu einer der Sensorspulen (7) parallel liegenden, periodisch zuschaltbaren Widerstand (23) aufweist, welcher die an den Spulenenden auftretende Spannung durch den zusätzlich auftretenden Stromfluß so verkleinert, daß diese kleiner wird als an der zweiten Sensorspule.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung einen umschaltbaren Abgriff an einer der Sensorspulen aufweist, mit dem entweder die volle oder ein Teil der in dieser Sensorspule induzierten Spannung für die Bildung der Differenzwechselspannung (UD) benutzt wird.

6. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskanäle (5, 6) jeweils einen elektronischen Speicher (10, 11) aufweisen, die beide an den Ausgang eines den Oszillator (1) abfragenden Schwellwertdetektors (4) angeschlossen sind und die synchron zur jeweiligen Betriebsart abwechselnd durch den Taktgenerator (17) in einen Zustand zur Übernahme des Ausgangssignals des Schwellwertdetektors (4) geschaltet werden.

7. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem (6) der beiden Ausgangskanäle (5, 6) ein Inverter (16) angeordnet ist, so daß an beiden Kanalausgängen (14, 15) gleichsinnige Schaltsignale anfallen.

8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Hystereseschaltung (25) ausgerüstet ist, die bei beiden Betriebsarten durch den Taktgenerator (17) in Wirkstellung geschaltet wird.

9. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Vollmetallgehäuse mit insbesondere aus Edelstahl bestehender Sensorfläche.

10. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskanäle (5, 6) ausgangsseitig unmittelbar parallel schaltbar sind.

11. Induktiver Näherungsschalter, mit einem, eine Sendespule (2) speisenden Oszillator (1) und mit zwei in unmittelbarer Differenzschaltung angeordneten Sensorspulen (7, 8), die durch einen sich annähernden Auslöser (32) unterschiedlich stark beeinflußt werden und deren Differenzwechselspannung (UD) zur Aussteuerung des Oszillators (1) derart verwendet wird, daß bei einem Nulldurchgang der Differenzwechselspannung (UD) der Oszillator (1) seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (1) mit einer Frequenz zwischen 5 bis 100 kHz betrieben und zwischen zwei Betriebsarten periodisch umgeschaltet wird, bei denen im Grundzustand die Differenzwechselspannung (UD) einmal durch die eine Sensorspule (7) und einmal durch die andere Sensorspule (8) bestimmt ist, und daß der Näherungsschalter in einer Betriebsart nur auf NF-Auslöser und in der anderen Betriebsart nur auf FE-Auslöser anspricht.