DE9412765U1 - Inductive proximity sensor for material-independent distance measurement - Google Patents
Inductive proximity sensor for material-independent distance measurementInfo
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Description
Titel: Induktiver Näherungssensor zur materialunabhängigen Abstandsmessung Beschreibung Title: Inductive proximity sensor for material-independent distance measurement Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor zum Messen des Abstands eines Meßobjektes vorzugsweise aus Metall. Das Ausgangssignal eines Näherungsschalters ist um den justierten Schaltpunkt nahezu nur abhängig vom Meßabstand und unabhängig von Materialeigenschaften des Meßobjekts.The invention relates to an inductive proximity sensor for measuring the distance of a measuring object, preferably made of metal. The output signal of a proximity switch around the adjusted switching point is almost only dependent on the measuring distance and independent of the material properties of the measuring object.
Ein induktiver Näherungsschalter zum Messen des Abstands arbeitet üblicherweise mit
einem LC-ParaHel-Schwingkreis, weil ein Schwingkreis in Resonanz einen geringen
Hilfsenergiebedarf hat. Das magnetische Wechselfeld der Spule des LC-Schwingkreises
dient als Sensor und wird von einem elektrisch-leitenden und magnetisch-leitenden (d.
h. wegen seiner Permeabilität weichmagnetischen oder ferromagnetischen) Meßobjekt
meist aus Metall beeinflußt. Die Beeinflussung der Sensorspule ist neben dem Abstand
des Meßobjekts auch von den Materialeigenschaften der verschiedenen Meßobjekte abhängig, so daß ein Werkstoffaktor für verschiedene Werkstoffe bei der praktischen
Anwendung eingeführt werden muß, damit der gemessene Abstand bzw. Schaltpunkt entsprechend korrigiert wird. Im Buch von Andreas Schiff: "Induktive und kapazitive
Sensoren; Die Bibliothek der Technik 24, Verlag moderne Industrie, 1989, Seite 28"
sind die Werkstoffaktoren für verschiedene Metalle angegeben.
Für Sensorhersteller ist es bei einer Großserienfertigung sehr aufwendig und kostenintensiv, die Dämpfungsmaterialien, die ein Kunde verwendet, vorher festzulegen.
Es sind deshalb zahlreiche Schaltungen für induktive Näherungsschalter bekannt, die
den Abstand ohne nachträgliche Korrektur bei Annäherung von Meßobjekten aus verschiedenen
Metallen messen.An inductive proximity switch for measuring distance usually works with an LC ParaHel oscillating circuit, because an oscillating circuit in resonance has a low auxiliary energy requirement. The alternating magnetic field of the coil of the LC oscillating circuit serves as a sensor and is influenced by an electrically conductive and magnetically conductive (i.e. soft magnetic or ferromagnetic due to its permeability) measuring object, usually made of metal. The influence of the sensor coil depends not only on the distance of the measuring object but also on the material properties of the various measuring objects, so that a material actuator for different materials must be introduced in practical application so that the measured distance or switching point is corrected accordingly. The material actuators for different metals are specified in the book by Andreas Schiff: "Inductive and capacitive sensors; The library of technology 24, Verlag moderne Industrie, 1989, page 28".
For sensor manufacturers, it is very time-consuming and costly to determine in advance the damping materials that a customer will use in large-scale production. Therefore, numerous circuits for inductive proximity switches are known that measure the distance without subsequent correction when measuring objects made of different metals approach.
Allen Schaltungen gemeinsam ist der Nachteil eines hohen konstruktiven Aufwands der Realisierung. Die materialunabhängige Messung wird hierbei ausschließlich mit zusätzlichen Spulen und damit gebildeten Spannungs- oder Stromteilern realisiert, soAll circuits have the disadvantage of a high level of construction effort in their implementation. The material-independent measurement is only implemented using additional coils and the voltage or current dividers formed by them, so
daß die erreichbare Meßempfindlichkeit reduziert wird.that the achievable measurement sensitivity is reduced.
Im deutschen Patent 3919916 ist ein induktiver Näherungsschalter zur materialunabhängigen Abstandsmessung eines Meßobjekts beschrieben. Der Sensor verwendet zwei räumlich getrennte Spulen. Durch eine Einstellung der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen wird die Materialabhängigkeit von Dämpfungsmetallen reduziert. Dies ist aber bei einer praktischen Fertigung nur schwer zu erreichen und der technische Aufwand hoch.The German patent 3919916 describes an inductive proximity switch for material-independent distance measurement of a measuring object. The sensor uses two spatially separated coils. By adjusting the magnetic coupling between the two coils, the material dependence of damping metals is reduced. However, this is difficult to achieve in practical production and the technical effort is high.
Ein anderer induktiver Näherungsschalter nach dem europäischen Patent 0537747 verwendet statt eines herkömmlichen LC-Parallel-Schwingkreises einen Resonator mit einer Spule, zwei Kondensatoren und einem Widerstand. Die Frequenz der Resonanzschaltung dient als Ausgangssignal Durch den kapazitiven Spannungsteiler wird auch die Meßempfindlichkeit erheblich reduziert.Another inductive proximity switch according to European patent 0537747 uses a resonator with a coil, two capacitors and a resistor instead of a conventional LC parallel resonant circuit. The frequency of the resonant circuit serves as the output signal. The capacitive voltage divider also significantly reduces the measurement sensitivity.
Ein weiteres Beispiel ist durch das deutsche Patent 3714433 bekannt. In diesem induktiven Näherungsschalter gibt es einen Oszillator, der eine fest vorgegebene Frequenz liefert und lose an den Sensorschwingkreis angekoppelt ist. Durch eine Einstellung der Kopplung wird die Materialabhängigkeit abgeglichen. Auch hier wird die Meßempfindlichkeit wesentlich erniedrigt.Another example is known from the German patent 3714433. In this inductive proximity switch there is an oscillator that delivers a fixed frequency and is loosely coupled to the sensor oscillating circuit. By adjusting the coupling, the material dependency is adjusted. Here, too, the measurement sensitivity is significantly reduced.
Alle bekannten Verfahren unterscheiden sich erheblich von den herkömmlichen und überwiegend verbreiteten Meßverfahren mit einem LC-Parallel-Schwingkreis (eine Spule parallel zu einem Kondensator). Eine Realisierung der materialunabhängigen Abstandsmessung auf der Grundlage eines LX>ParaUel-Schwingkreises ist deshalb von großer Bedeutung in der industriellen Anwendung und hat einen erheblichen Vorteil, weil die bisherigen Sensoreigenschaften, z.B. das Temperaturverhalten, erhalten bleiben und die bisher benutzte elektronische Schaltung und der mechanische Aufbau nur geringfügig oder gar nicht geändert werden muß.All known methods differ significantly from the conventional and most common measuring methods with an LC parallel oscillating circuit (a coil parallel to a capacitor). Implementing material-independent distance measurement on the basis of an LX>parallel oscillating circuit is therefore of great importance in industrial applications and has a significant advantage, because the previous sensor properties, e.g. the temperature behavior, are retained and the electronic circuit and mechanical structure used previously only need to be changed slightly or not at all.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem induktiven Näherungsschalter um seinen Schaltpunkt unabhängig von den Materialeigenschaften des Metallobjekts den Abstand zu messen, und eine Schaltung anzugeben, die mit einem herkömmlichen LC-Schwingkreis aufgebaut ist.The invention is based on the object of measuring the distance around its switching point using an inductive proximity switch, regardless of the material properties of the metal object, and of specifying a circuit which is constructed using a conventional LC oscillating circuit.
Die Erfindung löst diese Aufgabe in erster Linie gemäß Anspruch 1 dadurch, daß bei den an sich bekannten Meßverfahren mit einem LC-Paraliel- oder LC-Serien-Schwingkreis eine zusätzliche Messung der Resonanzfrequenz, eine Umwandlung dieser Frequenz in eine von dieser Frequenz abhängige Spannung und eine mathematische Verknüpfung dieser frequenzabhängigen Spannung mit der in der Spule des LC-Schwingkreises induzierten Spannung oder mit dem in der Spule des LC-Schwingkreises induzierten Strom durchgeführt wird, so daß das Ausgangssignal um den Schaltpunkt nahezu nur vom Abstand abhängig ist.The invention solves this problem primarily according to claim 1 in that in the known measuring methods with an LC parallel or LC series resonant circuit, an additional measurement of the resonance frequency, a conversion of this frequency into a voltage dependent on this frequency and a mathematical linking of this frequency-dependent voltage with the voltage induced in the coil of the LC resonant circuit or with the current induced in the coil of the LC resonant circuit is carried out, so that the output signal around the switching point is almost only dependent on the distance.
In dieser Erfindung wird entweder ein LC-Parallel-Schwingkreis oder ein LC-Serien-Schwingkreis verwendet. Die induzierte Spannung oder der induzierte Strom am Schwingkreis wird gemessen, mit einem Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem einstellbaren Verstärker vorzugsweise als Spannungsausgangssignal ausgegeben.In this invention, either an LC parallel resonant circuit or an LC series resonant circuit is used. The induced voltage or current on the resonant circuit is measured, rectified with a rectifier and output with an adjustable amplifier, preferably as a voltage output signal.
Als zweite Größe wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises gemessen. Diese Frequenz wird mittels eines Frequenz-Spannungs-Wandlers oder -Umsetzers zu einer Gleichspannung umgesetzt und dann mit einem einstellbaren Verstärker verstärkt. Das Spannungsausgangssignal des LC-Schwingkreises wird mit dem Spannungssignal aus der Resonanzfrequenz mit einen Addierer oder einen Subtrahierer summiert oder subtrahiert, so daß das Ausgangssignal die Summe oder Differenz der beiden Spannungen ist.The second value measured is the resonance frequency of the oscillating circuit. This frequency is converted to a direct voltage using a frequency-voltage converter or converter and then amplified using an adjustable amplifier. The voltage output signal of the LC oscillating circuit is summed or subtracted with the voltage signal from the resonance frequency using an adder or subtractor, so that the output signal is the sum or difference of the two voltages.
Die Verstärkungen der beiden einstellbaren Verstärker für die beiden Spannungssignale werden so eingestellt, daß am Schaltpunkt die Ausgangssignale bei Annäherung eines magnetisch-leitenden (weichmagnetischen oder hartmagnetischen oder ferromagnetischen) Meßobjekts und bei Annäherung eines elektrisch-leitenden, nichtferromagnetischen Meßobjekts gleich groß sind. Bei Annäherung eines dritten Meßobjekts aus einem anderen ferro- oder nichtferromagnetischen Werkstoff wird die Materialabhängigkeit erheblich reduziert.The gains of the two adjustable amplifiers for the two voltage signals are set so that at the switching point the output signals are the same when a magnetically conductive (soft magnetic or hard magnetic or ferromagnetic) measuring object approaches and when an electrically conductive, non-ferromagnetic measuring object approaches. When a third measuring object made of a different ferromagnetic or non-ferromagnetic material approaches, the material dependency is significantly reduced.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert:Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings:
Figur 1 zeigt einen LC-Parallel-Schwingkreis bestehend aus einer Meßspule undFigure 1 shows an LC parallel resonant circuit consisting of a measuring coil and
einem Kondensator im induktiven Näherungssensor, wobei die Spule mit einem metallischen Meßobjekt bedämpft wird; Figur 2a zeigt das Verhalten der induzierten Spannung IL nach Fig. 1 als Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Abstand a bei Annäherung verschiedener Dämpfungsmetalle;a capacitor in the inductive proximity sensor, whereby the coil is damped with a metallic measuring object; Figure 2a shows the behavior of the induced voltage IL according to Fig. 1 as an output signal as a function of the distance a when different damping metals approach;
Figur 2b zeigt das Verhalten der Resonanzfrequenz f für Fig. 2a; Figur 3a zeigt das prinzipielle Verhalten der induzierten Spannungen für eine Aluminium- und eine Stahlplatte, sowie die durch die Erfindung am Schaltpunkt a» korrigierten verbesserte Ausgangsspannungen UF undFigure 2b shows the behavior of the resonance frequency f for Fig. 2a; Figure 3a shows the basic behavior of the induced voltages for an aluminum and a steel plate, as well as the improved output voltages U F and U F corrected by the invention at the switching point a».
U^ für Fig. 3a;
Figur 3b zeigt das prinzipielle Verhalten der Resonanzfrequenz f für eineU^ for Fig. 3a;
Figure 3b shows the basic behavior of the resonance frequency f for a
Aluminium- und eine Stahlplatte;
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der materialunabhängigenaluminum and a steel plate;
Figure 4 shows a block diagram for the realization of the material-independent
Abstandsmessung;
Figur 5 zeigt eine mögliche Schaltung zur Realisierung der materialunabhängigendistance measurement;
Figure 5 shows a possible circuit for realizing the material-independent
Abstandsmessung;
Figur 6 zeigt das Verhalten des Ausgangssignals der Schaltung nach Fig. 5 für dasdistance measurement;
Figure 6 shows the behaviour of the output signal of the circuit according to Fig. 5 for the
Verhalten nach Fig. 2a und 2b;
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der materialunabhängigen Abstandsmessung bei Verwendung von digitalen Bauelementen für eine
digitale Signalverarbeitung.Behavior according to Fig. 2a and 2b;
Figure 7 shows a block diagram for the realization of material-independent distance measurement when using digital components for digital signal processing.
Gemäß Figur 1 besteht der LC-Parallel-Schwingkreis eines induktiven Näherungssensors, der in einem Oszillator in Resonanz erregt wird, aus einer Spule 1 mit Ferritkern und einem zur Spule parallel angeschlossenen Kondensator 2 mit der Kapazität C, wobei die Spule mit einem Metall-Objekt 3 gedämpft wird. Die Spule 1 ist in Figur 1According to Figure 1, the LC parallel oscillating circuit of an inductive proximity sensor, which is excited in resonance in an oscillator, consists of a coil 1 with a ferrite core and a capacitor 2 with the capacitance C connected in parallel to the coil, whereby the coil is damped with a metal object 3. The coil 1 is shown in Figure 1
durch einen Ersatzwiderstand R und eine Ersatzinduktivität L dargestellt. Die Admittanz Y des Schwingkreises lautet:represented by an equivalent resistance R and an equivalent inductance L. The admittance Y of the resonant circuit is:
-4-T (1)-4-T (1)
R+jciLR+jciL
Im Resonanzfall (Kreisfrequenz «q = 2&pgr;&iacgr;) ist der Imaginärteü von Y null. Es ist also <">nC = · (2)In the case of resonance (angular frequency «q = 2π&iacgr;) the imaginary part of Y is zero. Therefore, <"> n C = · (2)
Durch Umformung erhält manBy transformation one obtains
1-1-
A2CA 2 C
JlJT. \ L>JlJT. \ L>
1 R^C 1 R^C
, wobei 1 > angenommen ist. , where 1 > is assumed.
Im Betriebszustand des induktiven Näherungssensors wird der Schwingkreis durch eine Rückkopplung mit aktiven Bauelementen sowohl mit Metall-Dämpfung 3 als auch ohne Metall-Dämpfung auf seiner Resonanzfrequenz erregt. Die Resonanzfrequenz ««ist nur abhängig vom Wert der Ersatzinduktivität L, wenn der Kondensators C fest ist. Die komplexe induzierte Spannung U sinkt in diesem Fall mit der Dämpfung. Nach Gl. (1) bis (3) lautet der Effektivwert von U im ResonanzfallIn the operating state of the inductive proximity sensor, the oscillating circuit is excited at its resonance frequency by feedback with active components both with metal damping 3 and without metal damping. The resonance frequency «« only depends on the value of the equivalent inductance L if the capacitor C is fixed. In this case, the complex induced voltage U decreases with the damping. According to equations (1) to (3), the effective value of U in the resonance case is
R (4) R (4)
= / ( Jl. + R) CR = / ( Jl. + R) CR
~ r L ~ r L
CRCR
Für einen induktiven Näherungssensor als Schalter sollte der Schaltabstand a möglichst groß sein, beispielsweise größer als 1/3 des Durchmessers der Spule. In solchen Fällen ist L/CR > R. Man kann deshalb die Näherung nach Gl. (4) verwenden. Ein typischer Verlauf der Spannung U bei Annäherung verschiedener Metalldämpfungen als Funktion des Abstands a um die Frequenz 120 kHz ist in Figur 2a wiedergegeben. Der Spulendurchmesser war 25 mm. Die nachfolgende Signalauswertung in einem herkömmlichen induktiven Näherungsschalter erfolgt durch Gleichrichtung der Spannung U und anschließender Auswertung mit einem Schmitt-Trigger und Komparator zur Festlegung des Schaltpunktes.For an inductive proximity sensor as a switch, the switching distance a should be as large as possible, for example larger than 1/3 of the diameter of the coil. In such cases, L/CR > R. The approximation according to equation (4) can therefore be used. A typical curve of the voltage U when approaching different metal dampings as a function of the distance a around the frequency 120 kHz is shown in Figure 2a. The coil diameter was 25 mm. The subsequent signal evaluation in a conventional inductive proximity switch is carried out by rectifying the voltage U and then evaluating it with a Schmitt trigger and comparator to determine the switching point.
Die andere meßbare Größe ist die Resonanzfrequenz f. Ihr Verlauf als Funktion des Abstands a ist in Figur 2b dargestellt.The other measurable quantity is the resonance frequency f. Its course as a function of the distance a is shown in Figure 2b.
Für eine vereinfachende Darstellung sind die Differenzen der Spannung U zwischen einem elektrisch-leitenden Meßobjekt (hier: eine Aluminiumplatte) und einem elektrisch-leitenden und magnetisch-leitenden (Permeabilität) Meßobjekt (hier: Stahlplatte) in Figur 3a und die Differenzen der Resonanzfrequenz f in Figur 3b abgebildet. Am Schaltpunkt bei einem festen Abstand a0 erhält man die Differenzspannung AU(aQ) zwischen den Spannungen U^a0) und UFe(aQ) (Figur 3a).For a simplified representation, the differences in the voltage U between an electrically conductive measuring object (here: an aluminum plate) and an electrically conductive and magnetically conductive (permeability) measuring object (here: steel plate) are shown in Figure 3a and the differences in the resonance frequency f in Figure 3b. At the switching point at a fixed distance a 0 , the difference voltage AU(a Q ) between the voltages U^a 0 ) and U Fe (a Q ) is obtained (Figure 3a).
- U^a0) (5) - U^a 0 ) (5)
Gleichzeitig ist auch eine Frequenzdifferenz Af(aQ) zwischen den Resonanzfrequenzen des Schwingkreises bei Verwendung einer Aluminiumplatte fy(a0) 1^ einer StahlplatteAt the same time, a frequency difference Af(a Q ) between the resonance frequencies of the oscillating circuit when using an aluminum plate fy(a 0 ) 1 ^ a steel plate
fp (a0) vorhanden (Figur 3b).fp (a 0 ) is present (Figure 3b).
fp (a0 fp (a 0
Um die Materialunabhängigkeit des Schaltspunktes beim Abstand a0 zu erhalten, verknüpft man U und f mittels des Differential-Verfahrens durch folgende neue FunktionIn order to obtain the material independence of the switching point at the distance a 0 , U and f are linked using the differential method by the following new function
wobei k einstellbar ist.where k is adjustable.
Befindet sich eine Stahlplatte im Abstand aß, erhält man das neue Ausgangssignal Ü„ (a0) für ein Meßobjekt aus Stahl.If a steel plate is located at a distance a ß , the new output signal Ü„ (a 0 ) is obtained for a measuring object made of steel.
Befindet sich eine Aluminiumplatte im Abstand afl, erhält man das neue Ausgangssignal U^a0) für ein Meßobjekt aus Aluminium.If an aluminum plate is located at a distance a fl , the new output signal U^a 0 ) is obtained for a measuring object made of aluminum.
Die beiden Spannungen werden gleich großThe two voltages become equal
wenn giltif applies
Am so eingestellten Arbeitspunkt aß ändert sich die Spannung ü(a0) nicht mehr bei der Verwendung eines Meßobjektes aus Aluminium oder Stahl. Die Differenz der Spannung ü (a0) bei Verwendung einer Aluminium- und einer Stahlplatte beträgtAt the operating point a ß set in this way, the voltage ü(a 0 ) no longer changes when using a measuring object made of aluminum or steel. The difference in the voltage ü (a 0 ) when using an aluminum and a steel plate is
OJaJ - ÜFe(aJOJaJ - Ü Fe (aJ
Man erhält entsprechend Figur 3a am Punkt aß einen Schnittpunkt der Kurven U^ia) und Up (a). Eine materialunabhängige Messung des Abstands für Stahl und Aluminium wird auf diese Weise am Arbeitspunkt aß realisiert.According to Figure 3a, an intersection point of the curves U^ia) and Up (a) is obtained at point a ß . A material-independent measurement of the distance for steel and aluminum is thus realized at the operating point a ß .
Aus Figur 3a und 3b ist ersichtlich, daß an einem beliebigen Punkt a mit a + aQ die Differenzen AU(a) und Af(a) sich unterschiedlich ändern. Man erhält alsoFrom Figures 3a and 3b it is clear that at any point a with a + a Q the differences AU(a) and Af(a) change differently. This gives
= UJa) - UFe(ä) (13)= UJa) - U Fe (ä) (13)
= /Ja) - fFe(fi) . (14)= /Ja) - f Fe (fi) . (14)
Mit Gl. (7) und (11) erhält man eine neue Abstandsabhängigkeit upe(a) für ein Meßobjekt aus StahlUsing equations (7) and (11) we obtain a new distance dependence u pe (a) for a steel measuring object
und für ein Meßobjekt aus Aluminiumand for a measuring object made of aluminium
An einem beliebigen Punkt a gilt jetztAt any point a, we now have
UJa) - ÜFe(a)UJa) - Ü Fe (a)
UJa) - kfjä) - UFe(a) + UJa) - kfjä) - U Fe (a) +
= AU(a) - = AU(a) -
A/H)UH)
und
AÜ(a) _ and
AÜ(a) _
Es existiert deshalb eine Umgebung um Punkt afl, in der giltThere exists therefore a neighborhood around point a fl in which
\AÜ(ä)\ * \AU(a)\ .
Aus Gl. (18) ergibt sich \AÜ(ä)\ * \AU(a)\ .
From equation (18) we get
)AU(a) . (20) ) AU (a) . (20)
AU(a)jAU(a)j
Die Gl. (19) ist erfüllt, wenn in Gl. (20) giltEquation (19) is satisfied if in equation (20)
-1,1- ^IMEL , !. (21)-1,1- ^IMEL , !. (21)
AAo0) &Dgr;&iacgr;&Zgr;(&agr;)AAo 0 ) &Dgr;&iacgr;&Zgr;(&agr;)
Die Umgebung wird dann durch die BedingungThe environment is then determined by the condition
(O0) &Dgr;&iacgr;&Zgr;(&agr;)(O 0 ) Δζ(α)
beschrieben.described.
Aufgrund der Monotonität im ganzen Meßbereich, beispeilsweise nach Figur 2a und 2b,Due to the monotony in the entire measuring range, for example according to Figure 2a and 2b,
Die linke Ungleichung ist automatisch erfüllt, da sign[AU(aQ)] = sign[AU(a)] und sign[Af(a0)] = sign[Af(a)] sind. Die Erfüllung der rechten Ungleichung hängt entscheidend von der Wahl des Punktes afl ab. Mit hohen Resonanzfrequenzen, beispielweise hier um 120 kHz, ist die rechte Ungleichung immer erfüllt. Die Bedingung nach Gl. (22) ist die Voraussetzung, daß die anschließende Auswertung mit einem Schmitt-Trigger und Komparator erfindungsgemäß arbeitet. Man kann deshalb am und um den Schaltpunkt aQ für Stahl und Aluminium eine nahezu materialunabhängige Abstandsmessung durchführen.The left inequality is automatically fulfilled, since sign[AU(a Q )] = sign[AU(a)] and sign[Af(a 0 )] = sign[Af(a)]. The fulfillment of the right inequality depends crucially on the choice of the point a fl . With high resonance frequencies, for example here around 120 kHz, the right inequality is always fulfilled. The condition according to equation (22) is the prerequisite for the subsequent evaluation with a Schmitt trigger and comparator to work according to the invention. It is therefore possible to carry out a distance measurement at and around the switching point a Q for steel and aluminum that is almost independent of the material.
Bei Annäherung eines dritten Meßobjekts, beispielsweise einer Kupferplatte, erhält man nach ähnlichen Herleitungen zwar nicht exakt den Schnittpunkt wie in Figur 3a mit Aluminiumplatte, aber die Differenz der Ausgangssignale zwischen Kupfer und Stahl wird erheblich reduziert. Ebenso verhält es sich mit anderen ferromagnetischen und nichtferromagnetischen Metallen.When a third measuring object, for example a copper plate, is approached, the intersection point is not exactly the same as in Figure 3a with the aluminum plate, but the difference in the output signals between copper and steel is significantly reduced. The same applies to other ferromagnetic and non-ferromagnetic metals.
In Figur 4 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer materialunabhängigen Abstandsmessung eines elektrisch-leitenden bzw. magnetischleitenden Meßobjektes dargestellt. Ein LX>ParaUel-Schwingkreis, bestehend aus der Spule 1 und dem Kondensator 2, wird mit einer an sich bekannten Oszillatorschaltung 4, die nicht im einzelnen dargestellt ist, auf seiner Resonanzfrequenz f zu Eigenschwingungen erregt. Die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises wird gemessen, indem sie mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler 5 in ein frequenzproportionales Gleichspannungssignal Uf überführt wird. Dieses Gleichspannungssignal Uf wird danach mit einem an sich bekannten Spannungsverstärker 6 in die Spannung U'f verstärkt, dessen Verstärkungsfaktor kf einstellbar ist. Parallel zu 5 und 6 wird das Wechselspannungssignal U am Schwingkreis gemessen, in dem die Wechselspannung U mit einem an sich bekannten Gleichrichter 7 gleichgerichtet und in die Gleichspannung Uz überführt wird. Dieses Gleichspannungssignal IL· wird anschließend mit einem an sichFigure 4 shows the block diagram of an embodiment of a material-independent distance measurement of an electrically conductive or magnetically conductive measuring object according to the invention. An LX>parallel oscillating circuit, consisting of the coil 1 and the capacitor 2, is excited to natural oscillations at its resonance frequency f by a known oscillator circuit 4, which is not shown in detail. The resonance frequency f of the oscillating circuit is measured by converting it into a frequency-proportional direct voltage signal U f using a frequency-voltage converter 5. This direct voltage signal U f is then amplified into the voltage U' f using a known voltage amplifier 6, the gain factor k f of which is adjustable. Parallel to 5 and 6, the alternating voltage signal U is measured at the oscillating circuit, in which the alternating voltage U is rectified using a known rectifier 7 and converted into the direct voltage U z . This direct voltage signal IL· is then converted into the direct voltage U z using a known
♦ · ♦♦ · ♦
**
bekannten Spannungsverstärker 8 in die Spannung U2' verstärkt, dessen Verstärkungsfaktor kz einstellbar ist. Die beiden Gleichspannungssignale U2' und U'f werden nachfolgend mit einem analogen Subtrahierer 9 von einander abgezogen, so daß das Ausgangssignalknown voltage amplifier 8 into the voltage U 2 ', whose amplification factor k z is adjustable. The two direct voltage signals U 2 ' and U' f are subsequently subtracted from each other with an analog subtractor 9, so that the output signal
Ü{a) = &z - u'f (24) Ü{a) = & z - u' f (24)
die Differenz der beiden Spannungssignale darstellt. Das Ausgangsspannungssignal IJ (a) wird mit einem an sich bekannten nicht dargestellten Komparator zum Einstellen des Schaltpunktes, mit einem an sich bekannten Schmitt-Trigger 10 zum Einstellen einer eventuell notwendigen Schalthysterese ausgewertet und schließlich auf einen nachfolgenden Schaltverstärker 11 zum Ansteuern und Schalten größerer Leistungen ausgegeben. Die Verstärkungsfaktoren k. und k werden so eingestellt, daß am vorgesehenen Arbeitspunkt bzw. Schaltpunkt afl das Ausgangssignal ü(a) bei Annäherung einer elektrisch-leitenden, ferromagnetischen Metallplatte, beispielsweise aus Stahl, und bei Annäherung einer nichtferromagnetischen Metallplatte, beispielsweise aus Aluminium, gleich groß ist. Jeder der beiden Spannungsverstärker 6 und 8 kann beispielsweise ein an sich bekannter Differenzverstärker sein. An dem einen Eingang des Spannungsverstärkers 6 liegt die Spannung Uf und am zweiten Eingang eine einstellbare Gleichspannungsquelle 12 mit der Konstant-Spannung V^ wobei Urf von der Spannung U- subtrahiert und so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung U' nicht die Versorgungsspannung des Subtrahierers 9 erreichen kann. An dem einen Eingang des Spannungsverstärkers 8 liegt die Spannung U2 und am zweiten Eingang eine einstellbare Gleichspannungsquelle 13 mit der Konstant-Spannung Ur2, wobei UrZ von der Spannung U2 subtrahiert wird und so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung U2' nicht die Versorgungsspannung des Subtrahierers 9 erreichen kann. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 realisiert eine Schaltung gemäß Gl. (7), wenn der Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers 8 auf kz = 1, die Spannung Ur2 = 0 und der Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers 6 auf kj = k eingesetzt wird.represents the difference between the two voltage signals. The output voltage signal IJ (a) is evaluated with a comparator (not shown) known per se for setting the switching point, with a Schmitt trigger 10 known per se for setting any switching hysteresis that may be necessary, and is finally output to a subsequent switching amplifier 11 for controlling and switching higher power levels. The gain factors k. and k are set so that at the intended operating point or switching point a fl the output signal ü(a) is the same when an electrically conductive, ferromagnetic metal plate, for example made of steel, approaches and when a non-ferromagnetic metal plate, for example made of aluminum, approaches. Each of the two voltage amplifiers 6 and 8 can, for example, be a differential amplifier known per se. The voltage U f is applied to one input of the voltage amplifier 6 and an adjustable direct voltage source 12 with the constant voltage V^ is applied to the second input, where U rf is subtracted from the voltage U- and is set so that the output voltage U' cannot reach the supply voltage of the subtractor 9. The voltage U 2 is applied to one input of the voltage amplifier 8 and an adjustable direct voltage source 13 with the constant voltage U r2 is applied to the second input, where U rZ is subtracted from the voltage U 2 and is set so that the output voltage U 2 ' cannot reach the supply voltage of the subtractor 9. The embodiment according to Figure 4 implements a circuit according to equation (7) if the gain factor of the voltage amplifier 8 is set to k z = 1, the voltage U r2 = 0 and the gain factor of the voltage amplifier 6 is set to kj = k.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der prinzipiellen Schaltung nach Figur 4An inventive embodiment of the basic circuit according to Figure 4
mit den beiden Vereinfachungen k = 1 und U z = O ist in Figur 5 dargestellt. Wegen U z = O entfällt die Gleichspannungsquelle 13 und der Verstärker 8 nach Figur 4. Bei der Beschreibung sollen nur die wesentlichen Schaltungsteüe näher erläutert werden. Die nach Figur 5 verwendeten Schaltungsbaugruppen zur Realisierung der in Figur 4 beschriebenen Funktionsblöcke sind an sich bekannt. Der IX-Parallel-Schwingkreis mit der Meßspule 1 und dem Kondensator 2 wird durch eine Rückkopplung (Widerstand Rl) mit einem Operationsverstärker ICl auf seiner Resonanzfrequenz erregt; die dargestellte Anordnung gibt ein mögliches Ausführungsbeispiel für den Oszillator 4 wieder. Der nachfolgende Operationsverstärker IC2 arbeitet als Spannungsfolger bzw. Impedanzwandler mit der Verstärkung eins, so daß der Oszillator 4 nicht von den nachfolgenden Schaltungsstufen belastet wird. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 5 arbeitet mit einem Komparator IC3 und einem an sich bekannten integrierten Phasenregel-(PLL)-Schaltkreis, beispielsweise dem Typ 4046 der Firma RCA. Der Komparator IC3 formt aus den sinusförmigen Eingangssignalen rechteckförmige Signale konstanter Amplitude. Der integrierte PLL-Schaltkreis, bestehend aus einem Phasenkomparator, einem Tiefpaßfilter R6 und C4 und einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO, gibt eine Ausgangsspannung Uf ab, die proportional der Frequenz f seines Eingangssignales ist. Das Signal Uf wird mit dem Verstärker 6 verstärkt. Der Verstärker 6 ist als Instrumentenverstärker, bestehend aus den Operationsverstärkern IC8, IC9 und IClO, ausgeführt, dessen Verstärkung kf mit dem Potentiometer r4 so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal ü(a) am Schaltpunkt aQ bei Annäherung von zwei verschiedenen Metallplatten (beispielsweise Stahl und Aluminium) gleich groß ist. Am zweiten Eingang des Instrumentenverstärkers liegt die Gleichspannung V^ die von der Gleichspannungsquelle 12 in der dargestellten Weise mit einer Zenerdiode und einem Operationsverstärker IC7 erzeugt wird. Die Amplitude der Gleichspannung U-wird mit dem Potentiometer rl so justiert, daß das Ausgangssignal ü(a) nicht so groß wie die Versorgungsspannung Ur des Operationsverstärkers ICH werden kann. Das Wechselspanmmgssignal U des Oszillators 4 wird mit einem an sich bekannten Präzisions-Vollweggleichrichter 7, bestehend aus den Operationsverstärkern IC4 und IC5 und den Dioden Dl und D2, in das Gleichspannungssignal -Uz gleichgerichtet. Dawith the two simplifications k = 1 and U z = 0 is shown in Figure 5. Because U z = 0 the direct voltage source 13 and the amplifier 8 according to Figure 4 are omitted. In the description only the essential circuit parts will be explained in more detail. The circuit modules used according to Figure 5 to implement the functional blocks described in Figure 4 are known per se. The IX parallel oscillating circuit with the measuring coil 1 and the capacitor 2 is excited at its resonance frequency by feedback (resistor Rl) with an operational amplifier IC1; the arrangement shown represents a possible embodiment for the oscillator 4. The subsequent operational amplifier IC2 works as a voltage follower or impedance converter with a gain of one, so that the oscillator 4 is not loaded by the subsequent circuit stages. The frequency-voltage converter 5 operates with a comparator IC3 and a known integrated phase-locked loop (PLL) circuit, for example the type 4046 from RCA. The comparator IC3 forms square-wave signals of constant amplitude from the sinusoidal input signals. The integrated PLL circuit, consisting of a phase comparator, a low-pass filter R6 and C4 and a voltage-controlled oscillator VCO, produces an output voltage U f which is proportional to the frequency f of its input signal. The signal U f is amplified by the amplifier 6. The amplifier 6 is designed as an instrument amplifier, consisting of the operational amplifiers IC8, IC9 and IC10, the gain k f of which is set with the potentiometer r4 so that the output signal ü(a) at the switching point a Q is the same when two different metal plates (for example steel and aluminum) approach each other. The second input of the instrument amplifier is the direct voltage V^ which is generated by the direct voltage source 12 in the manner shown with a Zener diode and an operational amplifier IC7. The amplitude of the direct voltage U- is adjusted with the potentiometer rl so that the output signal ü(a) cannot be as large as the supply voltage U r of the operational amplifier ICH. The alternating voltage signal U of the oscillator 4 is rectified into the direct voltage signal -U z with a known precision full-wave rectifier 7, consisting of the operational amplifiers IC4 and IC5 and the diodes Dl and D2.
der Verstärker 8 nicht vorhanden ist, ist das Signal -U2' gleich dem Signal -U2. Die Gleichspannungssignale -U2' und U'f werden mit dem als Subtrahierer wirkenden Addierer 9, bestehend aus dem Operationsverstärker ICH und den Widerständen R15, R16 und R17, voneinander subtrahiert und danach das Ausgangsgleichspannungssignal ü(a) gebildet, da der Vollweggleichrichter 7 das Signal U2 invertiert.the amplifier 8 is not present, the signal -U 2 ' is equal to the signal -U 2 . The direct voltage signals -U 2 ' and U' f are subtracted from one another using the adder 9, which acts as a subtractor and consists of the operational amplifier ICH and the resistors R15, R16 and R17, and then the output direct voltage signal ü(a) is formed, since the full-wave rectifier 7 inverts the signal U 2 .
Ü(a) = -[ U'f * (-Ufo = U'z - U'f Ü(a) = -[ U' f * (-Ufo = U' z - U' f (25)(25)
Dieses Gleichspannungssignal ü (a) wird mit dem an sich bekannten Schmitt-Trigger 10 ausgewertet, sodaß am Ausgang des Schmitt-Triggers 10 ein Schaltsignal U entsteht. Der nachfolgende Schaltverstärker 11 ist in der Figur 5 nicht dargestellt. Der Schmitt-Trigger 10 besteht aus den beiden Komparatoren IC12 und IC13 und einem RS-Flip-Flop IC14. Mit den beiden Potentiometer r2 und r3 wird der Schaltpunkt afl und die Schalthysterese des Schmitt-Triggers 10 eingestellt.This direct voltage signal ü (a) is evaluated with the known Schmitt trigger 10, so that a switching signal U is produced at the output of the Schmitt trigger 10. The subsequent switching amplifier 11 is not shown in Figure 5. The Schmitt trigger 10 consists of the two comparators IC12 and IC13 and an RS flip-flop IC14. The switching point a fl and the switching hysteresis of the Schmitt trigger 10 are set with the two potentiometers r2 and r3.
In Figur 6 sind die Meßergebnisse des erfindungsgemäß korrigierten Ausgangssignal U (a) in Abhängigkeit vom Abstand a zweier Metallobjekte (Stahl und Aluminium) für ein Ausführungsbeispiel nach Figur 5 bei einer Oszillatorarbeitsfrequenz f von etwa 120 kHz dargestellt. Der Vergleich mit der Oszülatoramplitude U nach Figur 2a, die bei den bisher bekannten induktiven Näherungssensoren ausgewertet wird, zeigt einen wesentlich verbesserten Gleichlauf der Abstandsabhängigkeit des Ausgangssignals. Nach den Figuren 2a und 2b ist bei einem ferromagnetischen Metallobjekt und bei großem Abstand des Objekts die Abstandsabhängigkeit der Oszülatoramplitude U wesentlich größer als die Abstandsabhängigkeit der Resonanzfrequenz f. Bei einem nichtferromagnetischen Metallobjekt und bei großem Abstand des Objekts ist das Verhalten umgekehrt; d.h. die Abstandsabhängigkeit der Oszülatoramplitude U ist in diesem FaU wesentlich unempfindlicher als die Abstandsabhängigkeit der Resonanzfrequenz f. Das bedeutet, daß die Messung des Abstandes bei einem nichtferromagnetischen Metaüobj'ekt mit Hufe der Oszillatorspannungsamplitude U, d.h. damit der induktiven Spannung U der Meßspule, weniger gut geeignet ist als mittels der Resonanzfrequenz f.Figure 6 shows the measurement results of the output signal U (a) corrected according to the invention as a function of the distance a between two metal objects (steel and aluminum) for an embodiment according to Figure 5 at an oscillator operating frequency f of about 120 kHz. The comparison with the oscillator amplitude U according to Figure 2a, which is evaluated in the previously known inductive proximity sensors, shows a significantly improved synchronization of the distance dependence of the output signal. According to Figures 2a and 2b, for a ferromagnetic metal object and for a large distance between the object, the distance dependence of the oscillator amplitude U is significantly greater than the distance dependence of the resonance frequency f. For a non-ferromagnetic metal object and for a large distance between the object, the behavior is reversed; i.e. the distance dependence of the oscillator amplitude U is in this case significantly less sensitive than the distance dependence of the resonance frequency f. This means that the measurement of the distance for a non-ferromagnetic metal object using the oscillator voltage amplitude U, i.e. the inductive voltage U of the measuring coil, is less suitable than using the resonance frequency f.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat sich nach Fig. 7 die Verwendung von digitalen Bauelementen für eine digitale Signalverarbeitung zur Erhöhung der Genauigkeit und zur Reduzierung der elektronischen Schaltungsmittel bewährt. Hierzu wird die induzierte Spannung U des LC-Parallel-Schwingkreises bzw. der induzierte Strom I des LC-Serien-Schwingkreises mit einem Gleichrichter 7 in das Gleich-spannungssignal U„ und dieses mit einem an sich bekannten Analog/Digital-Umsetzer 14 in ein hierzu proportionales digitales Signal X» umgesetzt. Weiterhin wird die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises mit einem an sich bekannten digitalen Frequenz-Umsetzer 15, vorzugsweise ein Frequenz-Zähler, in ein frequenz-proportionales digitales Signal X, umgesetzt. Mittels eines an sich bekannten digitalen Subtrahierers 16 wird die Subtraktion der beiden digitalen Signale Xz und Xf durchgeführt, indem beispielsweise das eine digitale Signal in einen an sich bekannten digitalen Speicher geschrieben wird und von diesem Speicherinhalt das zweite digitale Signal subtrahiert wird, so daß der verbliebene Speicherinhalt die Differenz X der beiden digitalen Signale Xz und Xf darstellt. Die Quantisierungen des Analog/Digital-Umsetzers 14 bzw. des Frequenz-Umsetzers 15 werden so eingestellt, daß die Differenzen X für zwei verschiedene Meßobjekte aus verschiedenen Materialien in Arbeitspunkt afl gleich groß werden. Die oben näher ausgeführten Zusammenhänge gelten bei einer Digitalisierung der Signale entsprechend, so daß hier auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann. Bei einem ferromagnetischen Metallobjekt wird im wesentlichen die Änderung der Oszillatorspannungsamplitude und damit die induzierte Spannung U der Meßspule erfaßt. Die Änderung der Amplitude der induzierten Spannung der Meßspule ist im wesentlichen ein Maß für die Änderung der Güte Q der Meßspule. Bei einem elektrisch-leitenden, nichtferromagnetischen Metallobjekt, beispielsweise aus Aluminium, wird dagegen die Änderung der Resonanzfrequenz f und damit im wesentlichen die Änderung des Kehrwertes der reinen Spuleninduktivität L bzw. die Änderung der Imaginärteils des komplexen Spulenleitwertes erfaßt.In a further embodiment of the invention, according to Fig. 7, the use of digital components for digital signal processing has proven to be effective in increasing accuracy and reducing the number of electronic circuits. For this purpose, the induced voltage U of the LC parallel resonant circuit or the induced current I of the LC series resonant circuit is converted by a rectifier 7 into the direct voltage signal U" and this is converted by a known analog/digital converter 14 into a digital signal X" proportional to it. Furthermore, the resonance frequency f of the resonant circuit is converted by a known digital frequency converter 15, preferably a frequency counter, into a frequency-proportional digital signal X. The subtraction of the two digital signals X z and X f is carried out by means of a digital subtractor 16 known per se, for example by writing one digital signal into a digital memory known per se and subtracting the second digital signal from this memory content, so that the remaining memory content represents the difference X between the two digital signals X z and X f . The quantizations of the analog/digital converter 14 and the frequency converter 15 are set so that the differences X for two different measurement objects made of different materials are the same at the operating point a fl . The relationships explained in more detail above apply accordingly when the signals are digitized, so that further explanations can be omitted here. For a ferromagnetic metal object, the change in the oscillator voltage amplitude and thus the induced voltage U of the measuring coil is essentially recorded. The change in the amplitude of the induced voltage of the measuring coil is essentially a measure of the change in the quality Q of the measuring coil. In the case of an electrically conductive, non-ferromagnetic metal object, for example made of aluminum, the change in the resonance frequency f and thus essentially the change in the reciprocal of the pure coil inductance L or the change in the imaginary part of the complex coil conductance is recorded.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender Näherungssensor verknüpft in vorteilhafter Weise die an sich bekannte Messung der Güte einer Meßspule mit der gleichzeitig gemessenen Spuleninduktivität. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßenA proximity sensor operating according to the method according to the invention advantageously combines the known measurement of the quality of a measuring coil with the simultaneously measured coil inductance. A further advantage of the inventive
Verfahren ist die wesentliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit für nichtferromagnetische
Metallobjekte bei gleichzeitiger Beibehaltung der Meßempfindlichkeit für ferromagnetische Metallobjekte mit den bekannten Gütemeßverfahren,
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist die Verwendung von Resonanzfrequenzen wesentlich über 10 kHz, so daß die Verwendung von Spulen mit
kleinen Abmessungen möglich ist und damit die Bedingung nach Gleichung (22) erfüit
wird.The aim of this method is to significantly increase the measurement sensitivity for non-ferromagnetic metal objects while maintaining the measurement sensitivity for ferromagnetic metal objects using the known quality measurement methods,
A further advantage of the method according to the invention is the use of resonance frequencies significantly above 10 kHz, so that the use of coils with small dimensions is possible and thus the condition according to equation (22) is fulfilled.
Claims (29)
dadurch gekennzeichnet,1. Inductive proximity sensor for material-independent measurement of the distance of an electrically conductive or a magnetically conductive, preferably soft magnetic or ferromagnetic, measuring object 3 using a parallel or series oscillating circuit, consisting of a coil 1 acting as an inductive proximity sensor and an oscillating circuit capacitor 2, wherein the oscillating circuit is excited to natural oscillations in an oscillator 4 at its resonance frequency f,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,2. Inductive proximity sensor according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Inductive proximity sensor according to claim 2,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,4. Inductive proximity sensor according to claim 2,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,5. Inductive proximity sensor according to claim 2,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,7. Inductive proximity sensor according to claim 1,
characterized,
dadurch geknennzeichnet,
daß der Subtrahierer 16 ein digitaler Halbleiter-Speicher ist.19. Inductive proximity sensor according to claim 18,
characterized by
that the subtractor 16 is a digital semiconductor memory.
dadurch gekennzeichnet,24. Inductive proximity sensor according to claim 21,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,25. Inductive proximity sensor according to claim 22,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,26. Inductive proximity sensor according to claim 23,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,27. Inductive proximity sensor according to claim 15 or 20,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,28. Inductive proximity sensor according to claim 27,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,29. Inductive proximity sensor according to claim 27 or 28,
characterized,
daß elektrische oder elektronische Mittel vorhanden sind, um die Amplitude der Schalthysterese einzustellen und zu justieren.that the electronic comparator 10 contains a cut trigger so that a switching hysteresis is present around the operating or switching point, and
that electrical or electronic means are available to set and adjust the amplitude of the switching hysteresis.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19949412765 DE9412765U1 (en) | 1994-08-08 | 1994-08-08 | Inductive proximity sensor for material-independent distance measurement |
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