DE69015336T2

DE69015336T2 - Hochdruck-Näherungsschalter.

Info

Publication number: DE69015336T2
Application number: DE69015336T
Authority: DE
Inventors: Paul M Astrachan; Thomas A Fletcher
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1989-12-07
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: JPH03259783A; US5173658A; EP0431935A3; DE69015336D1; EP0431935B1; EP0431935A2

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf Näherungssensoren gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf einen Näherungssensor für eine Hochdruckumgebung gerichtet.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Näherungssensor zur Verwendung in einer Umgebung mit hohem Druck vorzugeben.
Zur Verwirklichung dieser und anderer Ziele ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Näherungssensor vorgesehen worden, der aufweist eine veränderliche Induktivitätseinrichtung mit einer Magnetfeld- Kernstruktur, die sich entlang einer zentralen Achse erstreckt, ein im wesentlichen topfförmiges Gehäuse mit einer integralen Endwand mit einer Sensorfläche in Nachbarschaft zu der Kernstruktur, wobei der Sensor gekennzeichnet ist durch: Eine Haltevorrichtung für die Anordnung der veränderlichen Induktivitätseinrichtung innerhalb des Gehäuses, so daß die zentrale Achse die Sensorfläche der integralen Endwand des Gehäuses schneidet und so daß ein erstes Ende der Magnetfeld- Kernstruktur der Endwand des Gehäuses benachbar ist; und einen Stützposten aus nicht-magnetischem Material, der koaxial zu der zentralen Achse der Magnetfeld- Kernstruktur ausgerichtet ist und sich von einem Innenbereich der Magnetfeld-Kernstruktur zu der integralen Endwand des Gehäuses erstreckt, um dem Stützposten die Übertragung von Kräften zu gestatten, die aus einem Druck resultieren, dem die Endwand des Gehäuses auf das Innere der Magnetfeld-Kernstruktur ausgesetzt ist, ohne die elektrischen Eigenschaften der Außenhaut der Kernstruktur zu beeinflussen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden einzigen Zeichnungsfigur gelesen wird, die eine Querschnittdarstellung des Näherungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Bezug nehmend auf die einzige Zeichnungsfigur in näheren Einzelheiten so ist dort ein Näherungssensor dargestellt, der ein hohles Sensorgehäuse 2 aus einem geeigneten Material, z.B. einem rostfreien Stahl der Serie 300 besitzt, welches einen Gewindeteil auf einer Außenfläche aufweisen kann, um eine Montage des Näherungssensors in einem zugeordneten Gerät zu ermöglichen. Das hohle Gehäuse 2 ist topfförmig, wobei ein Boden des Topfes als eine Sensorfläche 6 angeordnet ist. Ein offenes Ende des Gehäuses 2 ist mit einer Kappe 8 verschlossen, wobei ein Paar hermetischer Dichtungen 10, 12 in dieser angeordnet sind. Die Dichtungen 10, 12 werden verwendet, um elektrischen Leitungsdrähten 14, 16 eine entsprechende Durchführung durch den Deckel 8 in das Innere des Gehäuses 2 zu gestatten.
Ein Sensorkern 18 aus einem geeigneten magnetostriktiven Material, z.B. einem rostfreien Stahl der Serie 400 ist innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und mit magnetischen Spulen 20, 22 versehen, die auf entsprechende Spulenkörper gewickelt sind und so angeordnet sind, daß sie den Kern 18 umgeben. Die Spulen 20, 22 sind an die Drähte 14, 16 angeschlossen und in einer abgeglichenen Brücke mit veränderlicher Induktivität angeordnet, welche verwendet wird, um das Vorhandensein eines externen eisenhaltigen Objektes durch eine Veränderung der Induktivität zu erfassen, wobei solche Einrichtungen im Stand der Technik wohlbekannt sind. Ein zylindrischer Einsatz 24 ist zwischen dem Kern 18 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 angeordnet, um den Kern 18 darin festzulegen. Dieser Einsatz kann aus einem geeigneten Material sein, das mit der Funktion des Näherungssensors kompatibel ist, z.B. aus einem Stahlmaterial mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Ein Stützposten 26 ist an einem Ende des Kernes 18 in Nachbarschaft zu der Sensorfläche 6 angeordnet. Der Posten 26 ist koaxial auf einer zentralen Achse des Kernes 18 positioniert und so angeordnet, daß er aus dem Kern 18 hervorsteht, um eine innere Oberfläche der Sensorfläche 6 zu kontaktieren. Der Stützposten 26 besteht aus einem geeigneten, nicht-magnetischen Material, z.B. einem rostfreien Stahl der Serie 300. Andererseits ist der Kern 18 aus einem geeigneten magnetostriktiven Material, z. B. einem rostfreien Stahl der Serie 400 hergestellt. Ein Elastomereinsatz 28 in Form eines Ringes ist so angeordnet, daß er das hervorstehende Ende des Postens 26 umgibt und ist zwischen dem Ende des Kernes 18 und der inneren Oberfläche der Sensorfläche 6 angeordnet. Dieser Einsatz 28 kann aus einem geeigneten Material bestehen und eine geeignete Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise eine Silikonbördelung.

Beschreibung der Wirkungsweise

Wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist, detektiert der Näherungssensor die Gegenwart eines externen eisenhaltigen Objektes durch eine Veränderung der Induktivität einer internen variablen Induktivitätseinrichtung. Die magnetische Flußstrecke für den magnetischen Fluß des Sensors, der durch die veränderliche Induktivitätseinrichtung erzeugt wird, ist durch die spezielle Geometrie des Sensors definiert. Demzufolge tragen die Kernkonfiguration, die Dicke der Sensorfläche des Gehäuses, die Anzahl der Kernwicklungen und die Materialeigenschaften der Sensorelemente alle zu der Sensorcharakteristik bei. Auf Grund der Betriebscharakteristik, die für eine Umgebung mit hohem Druck gewünscht ist, sowie für eine Schock- und Vibrationsfestigkeit ist es nicht machbar, die Dicke der Gehäusefläche 6 des Sensors genügend zu erhöhen, um dem Einfluß einer solchen Betriebsumgebung zu widerstehen. Infolgedessen ist der Sensorentwurf der vorliegenden Erfindung so angeordnet, daß ein Stützposten 26 zwischen dem Ende des Kernes 18 und der Sensorfläche 6 vorgesehen wird, um eine mechanische Abstützung für die Sensorfläche 6 vorzugeben.
Der Betriebsvorteil des zentralen Postens 26 wird besser erkennbar durch ein Verständnis der Einflusses der Hochdruckumgebung auf den Sensor. Da der Kern 18 einer wesentlichen Belastung in einer solchen Umgebung ausgesetzt ist, verändert sich die Kernpermeabilität proportional zu dem angelegten Druck, was die Betriebscharakteristik des Sensors nachteilig beeinflußt. In herkömmlichen Sensoren beeinflußt diese Beanspruchung die magnetostriktive Charakteristik des Kernmaterials durch die Beanspruchung, die durch die Sensorfläche 6 erzeugt wird, wobei sich der Hauptfluß durch die Außenhaut des Kernes 18 erstreckt, wo die Beanspruchung am höchsten ist und demzufolge der Einfluß auf die Induktivität verstärkt wird. Um diesen anhaftenden Nachteil bei bekannten Sensoren zu wird der nicht-magnetische Stützposten 26, der durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist, im Ende des Kernes 18 auf der Symmetrieachse des Kernes 18 angeordnet. Dieser Stützposten 26 erstreckt sich zwischen dem Kern 18 und der Sensorfläche 6, um die Belastung von der Sensorfläche 6 zu der Symmetrieachse des Kernes zu übertragen und somit die Skineffekte aufzuheben, die zuvor durch die Beanspruchung durch den Außendruck auf das Sensorgehäuse 6 hervorgerufen wurden. Ferner verbessert die vorliegende Erfindung die Kerninduktivität auf Grund einer Erhöhung im Außenhautbereich, durch den sich der Fluß fortpflanzt.
Da der Sensor auf der Rückseite mit Epoxyd gefüllt ist, um dem Sensor zu gestatten in extremen Schock- und Vibrationsumgebungen zu arbeiten, wobei die innere Struktur durch die Epoxydfüllung stabilisiert wird, ist ein Elastomereinsatz bzw. ein Ring 28 angeordnet, um das hervorstehende Ende des Stützpostens 26 zu umgeben und den Raum zwischen dem benachbarten Ende des Kernes 18 und der Sensorfläche 6 zu füllen. Dieser Elastomerring 28 wirkt als Grenzschicht zwischen der Sensorfläche 6 des Gehäuses und dem Ende des Kernes 18, um die Wanderung der Epoxydfüllung in diesen Bereich zu verhindern, was den Betrieb des Sensors beeinflussen könnte. Die verbesserte Struktur des Näherungssensors, der durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, gestattet dem Sensor extrem hohen äußeren Umgebungsdrücken sowie Vibration und Schock standzuhalten, ohne eine Verdickung der Sensorfläche 6 des Sensors und ohne bedeutende Beeinflussung der gewünschten Betriebscharakteristik des Sensors. Ferner wird diese Betriebscharakteristik tatsächlich auf Grund der verbesserten Flußstrecke in dem Kern 18 verbessert.
Demgemäß ist erkennbar, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbesserter Näherungssensor für den Betrieb in einer Umgebung mit hohem Druck vorgegeben worden ist.

Claims

1. Näherungssensor aufweisend eine veränderliche Induktivitätseinrichtung (18,20,22,24) mit einer Magnetfeld-Kernstruktur (18), die sich entlang einer zentralen Achse erstreckt, einem im wesentlichen topfförmigen Gehäuse (2) mit einer integralen Endwand mit einer Sensorfläche (6) in Nachbarschaft zu der Kernstruktur, wobei der Sensor gekennzeichnet ist durch : eine Haltevorrichtung für die Anordnung der veränderlichen Induktivitätseinrichtung innerhalb des Gehäuses, so daß die zentrale Achse die Sensorfläche der integralen Endwand des Gehäuses schneidet; und einen Stützposten (26) aus nichtmagnetischem Material, der koaxial zu der zentralen Achse der Magnetfeld-Kernstruktur ausgerichtet ist und sich von einem Innenbereich der Magnetfeld- Kernstruktur zu der integralen Endwand des Gehäuses erstreckt, um dem Stützposten die Übertragung von Kräften zu gestatten, die aus einem Druck resultieren, dem die Endwand des Gehäuses auf das Innere der Magnetfeld-Kernstruktur augesetzt ist, ohne die elektrischen Eigenschaften der Außenhaut der Kernstruktur zu beeinflussen.

2. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Posten (26) aus einem rostfreien Stahl der Serie 300 hergestellt ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) aus magnetostriktivem Material besteht.

4. Sensor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) aus rostfreiem Stahl der Serie 400 hergestellt ist.

5. Sensor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch den Einschluß eines Einsatzes (24) zwischen der Kernstruktur und dem Gehäuse, um die Kernstruktur innerhalb des Gehäuses zu positionieren.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (24) aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt ist.

7. Sensor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch den Einschluß eines Elastomerringes (28), der zwischen der Struktur und der Sensorfläche (6) angeordnet ist und den Posten (26) umgibt.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (28) aus Silikon besteht.

9. Sensor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch elektrische Verbindungsdrähte (14,16), die sich durch das Gehäuse erstrecken, um einen elektrischen Anschluß mit der veränderlichen Induktivitätseinrichtung vorzugeben.