EP0264408A1 - Induktiver näherungssensor - Google Patents

Induktiver näherungssensor

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Publication number
EP0264408A1
EP0264408A1 EP19870902488 EP87902488A EP0264408A1 EP 0264408 A1 EP0264408 A1 EP 0264408A1 EP 19870902488 EP19870902488 EP 19870902488 EP 87902488 A EP87902488 A EP 87902488A EP 0264408 A1 EP0264408 A1 EP 0264408A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
proximity sensor
transformer
oscillation
damping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19870902488
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael FÖRSTER
Gerhard Weber
Hans Peter Hentzschel
Alfred Leiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wassermesserfabrik Andrae GmbH and Co
Original Assignee
Wassermesserfabrik Andrae GmbH and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wassermesserfabrik Andrae GmbH and Co filed Critical Wassermesserfabrik Andrae GmbH and Co
Publication of EP0264408A1 publication Critical patent/EP0264408A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/06—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with tangential admission
    • G01F1/075—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with tangential admission with magnetic or electromagnetic coupling to the indicating device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/4815—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals using a pulse wire sensor, e.g. Wiegand wire
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/488—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable reluctance detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/101—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil

Definitions

  • the invention is based on an inductive proximity sensor with the features specified in the preamble of claim 1.
  • a proximity sensor is known from DE-OS 33 18 900. It is a proximity sensor with low power consumption, which has an electrical LC resonant circuit, the coil of which can be influenced by the proximity of an electrically conductive object.
  • the oscillating circuit is excited to oscillate by a direct current pulse and the degree of approximation is deduced from the decay process of the damped oscillation thus generated.
  • This proximity sensor therefore has a relative. low power consumption, because its oscillating circuit is not permanently excited to oscillate by an oscillator, but only by short direct current pulses, which occur at periodic intervals, the time interval of which must be so large that even when the excited oscillation decays slowly (if namely, the attenuator has the least influence on the coil of the resonant circuit) the vibration has already subsided when the next DC pulse occurs.
  • the duration of the DC pulse should be long enough to enable the capacitor of the LC resonant circuit to be sufficiently charged, but it should also be short
  • the oscillating circuit begins to oscillate from the energy stored in the capacitor of the oscillating circuit by means of the direct current pulse.
  • the vibration is damped.
  • the decay time depends on the losses of the resonant circuit, in particular on the losses of the coil of the resonant circuit. If the coil is damped from the outside by the attenuator, the decay time is shortened.
  • the decay process of the damped oscillation can be evaluated in various ways by an evaluation circuit.
  • the voltage at the resonant circuit is decoupled galvanically or inductively and rectified.
  • the mean value of the rectified voltage over the period between two successive DC pulses stimulating the resonant circuit is a measure of the decay period and thus of the respective approach.
  • Another evaluation option mentioned in DE-OS 33 18 900 consists in checking at certain points in time between two successive DC pulses that excite the oscillating circuit whether the oscillation is still ongoing or whether it has already subsided.
  • the current consumption of the proximity sensor is so low that operating times of more than one year can be achieved without changing the battery when feeding from small galvanic elements (button cells).
  • small galvanic elements button cells
  • operating times of more than 5 years without changing the battery are desirable: For example, water meters and heat meters require maintenance-free operation for 5 years. So far, this requirement has not been met with button cells as batteries.
  • the invention is therefore based on the object of further reducing the power consumption in the simplest possible manner in a proximity sensor of the type mentioned at the outset.
  • a further increase in sensitivity of the proximity sensor can be achieved by using a shell core for the transformer; this is a cup-shaped core, in particular made of a ferrite material, with a pin arranged coaxially therein, which carries the two transformer windings.
  • a shell core has a pronounced directional dependency in its sensitivity to vapor deposition from outside: the damping effect is particularly strong when the electrically conductive damping element is brought up to the open end of the shell core. The damping has its cause in eddy currents which are induced in the electrically conductive damping element when it approaches the transformer.
  • the proximity sensor according to the invention is quite insensitive to magnetic interference: when a ferrite approaches the windings, the response signal of the sensor practically does not change. This insensitivity to magnetic interference is an advantage of the proximity sensor according to the invention.
  • the oscillation circuit can be excited by short electrical pulses occurring at equal time intervals, the time interval of the pulses being able to be adapted to the respective intended use of the proximity sensor, taking into account that the time interval of the oscillation circuit stimulating impulses should be at least so large that the excited damped vibrations have at least decayed in this period.
  • An adaptation to different evaluation circuits, which may require different input amplitudes, can be done by adapting the transformation ratio of the transformer.
  • the electrical impulses that excite the resonant circuit do not have to occur periodically ? their occurrence can also be controlled externally, for example as a function of movement sequences in machines or devices in connection with which such a proximity sensor is used.
  • a Wiegand pulse generator is disclosed for example in DE-OS 21 57 286. It has the advantage that it does not require an electrical power source to generate the electrical pulses, so that the power consumption of the sensor can be reduced further (only a power supply is then required for the evaluation circuit.)
  • the nature and particular sensitivity of the proximity sensor according to the invention mean that, despite the extremely low power consumption, numerous periods can still be observed in the decaying oscillation of the oscillating circuit. This enables a particularly elegant development of the invention
  • This threshold is set in such a way that any interference pulses that occur do not contribute to the count result.
  • the count result is a direct measure of the decay - duration of the damped oscillation.
  • the evaluation can be carried out, for example, by evaluating and registering a damping that is clear according to the circumstances of the application as a signal for the approach of the damping element, for example the occurrence of a maximum of 5 periods of the decaying oscillation above the predefinable threshold instead of 10 periods in the undamped Case.
  • the proximity sensor can be used not only as a threshold value detector but also as a displacement sensor.
  • a shell core is used as the transformer core, which gives the sensor a pronounced sensitivity in the direction of the longitudinal axis of the shell core.
  • the particular suitability as a displacement measurement sensor is also directly related to the fact that by using a transformer instead of a single winding in the resonant circuit, the sensitivity of the sensor is increased and the number of periods of decaying vibration in the secondary winding of the transformer is increased. (The secondary winding behaves like an energy store; due to lower damping, the decaying oscillation leads to a greater number of periods).
  • Proximity sensors according to the invention are also particularly suitable for use in a speed sensor in which an attenuator rotating with the speed to be determined approaches the core of the transformer as a result of its rotation and moves away from it. Each approach can be determined by the proximity sensor, reported and then registered.
  • a special application of such a speed sensor equipped according to the invention can be found in water meters and heat meters and other flow meters, which like. these measure the flow of a flowing medium, for example by means of an impeller, and convert it into a rotary movement. Because of the extremely low current consumption of a proximity sensor according to the invention, water meters and the like quantity meters can be operated with a button cell over a period of 5 years and more without changing the batteries.
  • the damping element With a suitable design of the damping element, it is also possible to distinguish between forward and reverse running in such a speed sensor if the damping element is designed asymmetrically with respect to the reversal of the direction of rotation. You could, for example, form the attenuator triangular and lead such that it moves with one of its corners when moving in one direction of rotation approaches the sensitive side of the proximity sensor, while in the opposite direction of rotation it approaches one side of the sensitive side of the proximity sensor. In the first case, the damping starts slower than in the second case, so that in the first case more periods can be counted in the decaying oscillation than in the second case, from which the direction of rotation can be seen.
  • the damping element could be designed in two parts and a first, weakly damping area and a second, strongly damping area could be provided and the two areas separated by an air gap.
  • a first, weakly damping area and a second, strongly damping area could be provided and the two areas separated by an air gap.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the sensor
  • FIG. 2 shows a view of the opened sensor from the rear
  • Figure 3 shows the arrangement of such a sensor in a water meter
  • Figure 4 shows a block diagram for such a sensor.
  • a transformer with a shell core 2 which has two windings L. and L 2 on top of one another on its central pin 3, one of which is the secondary winding L. has a larger number of windings than the primary winding L,.
  • the pot-type core 2 is arranged so that its open end in the same direction as the Ge 'housing 1 of the sensor with its front end.
  • the shell core 2 is fixed in the housing 1 and protected from the outside by a synthetic resin casting compound 4. In the middle part of the case
  • a circuit board 5 is arranged, which carries the excitation circuit for the oscillator.
  • the excitation circuit are shown in FIG. 1 and in plan view
  • a quartz oscillator 6 with its two connection points 7 and 8; an integrated circuit 9, which forms a pulse signal with a suitable frequency and current strength from the signal of the quartz oscillator by frequency division and signal amplification; the connection points 10 and 11 for a DC voltage source; the connection points 12 and 13 for the primary winding L, and the connection points 14 and
  • the response signal of the proximity sensor is present in the form of a damped oscillation, which is an evaluation circuit is supplied, which can be accommodated on a second circuit board (not shown) in the housing 1, but can also be located outside the housing. In the latter case, a line 15 leads from the connection point 14 to the rear of the housing 1. Above the circuit board 5 there is also space for a button cell 16 for the current supply of the sensor.
  • the button cell 16 is only indicated by dashed lines in FIG. 1.
  • FIG. 1 also shows the connecting lines 17 between the transformer and the printed circuit board 5.
  • the proximity sensor is provided on its front section with an external thread 18, with the aid of which it can be screwed into a suitable bore of a device, for example into the housing of a water meter, as shown in FIG. 3, on a collar surface 19.
  • the water meter shown in FIG. 3 has a housing 20 with an inlet connection 21 and an outlet connection 22.
  • An impeller 23 which is driven by the water flow, is freely rotatably mounted in a measuring chamber lying between these two connections.
  • the impeller is located under a partition wall 24 and is therefore only shown in broken lines.
  • a damping member 25 is freely rotatable about an axis 26 which extends coaxially to the axis of the impeller 23.
  • the damping member 25 rotates synchronously with the impeller 23 and is coupled to it, for example, by means of a contactless magnetic clutch.
  • a proximity sensor 27 according to the invention is also installed in the housing partition 24, in such a way that its longitudinal axis, which coincides with the winding axis, runs parallel to the axis of rotation 26 of the damping element 25.
  • the proximity sensor 27 is arranged in such a way that the damping member 25 is moved once over the front of the proximity sensor during each revolution and damps it in the process.
  • Each passage of the attenuator 25 is recognized on the basis of the damping of the decaying vibration in the proximity sensor and can be registered.
  • the attenuator In order to be able to recognize whether the attenuator runs to the right or to the left, it is designed as a rotating triangular plate which, in the direction of rotation to the right with a tip ahead, approaches the proximity sensor 27, while when it is turned to the left with a radially running side of the triangle the proximity sensor 27 is approximated.
  • the attenuator runs to the right or to the left, it is designed as a rotating triangular plate which, in the direction of rotation to the right with a tip ahead, approaches the proximity sensor 27, while when it is turned to the left with a radially running side of the triangle the proximity sensor 27 is approximated.
  • FIG. 4 shows a block diagram for a proximity sensor as shown in FIGS. 1 and 2 and can be used in a water meter according to FIG.
  • the sensor is operated from a direct current source, in particular from a battery with the battery voltage U ".
  • the excitation circuit for the primary winding L 1 of the transformer comprises a quartz oscillator 30 (shown in FIGS. 1 and 2 and designated by the reference number 6), the output signal of which is fed to a divider circuit 31, which results in a pulse train with a lower pulse frequency forms, which is matched to the respective application of the sensor.
  • the DC voltage pulses coming from the frequency divider circuit 31 are fed after amplification in an amplifier circuit 32 to an LC series resonant circuit consisting of a capacitor C and the winding L ⁇ , which is excited by each of the pulses to a damped oscillation.
  • the damped vibration is transmitted inductively into the secondary winding L 2 of the transformer, the primary winding of which is L.
  • the decay behavior of the damped oscillation occurring in the secondary winding L 2 is observed by an evaluation circuit, which consists of a discriminator circuit 33 and a counter circuit 34.
  • the discriminator circuit 33 gives the U
  • a counter circuit 34 which counts the pulses occurring during each damped oscillation and compares their number with the number of pulses occurring with the undamped sensor and from this comparison concludes the existing or nonexistent damping.
  • the damping events determined by the counter circuit 34 can be fed in a manner known per se to a display or registration device 35, for example a roller counter or a liquid crystal display.
  • a quartz oscillator 30 with a frequency of 32 kHz with low power consumption was selected; a pulse train with a frequency of 256 Hz was formed from the output signal of the quartz crystal 30 by the divider circuit 31. After amplification by the amplifier circuit 32, these pulses had a height of 1 volt at a current of almost 1 ⁇ A.
  • a capacitance of 400 pF was chosen for the capacitor C.
  • the primary winding L. was carried out with 140 turns, the secondary winding L 2 with 800 turns.

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Description

Induktiver Na__.erurigssen.sor
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einem induktiven Näherungs¬ sensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein solcher Nähei ungssensor ist aus der DE-OS 33 18 900 bekannt. Es handelt sich dabei um einen Näherungssensor mit geringem Strombedarf, welcher einen elektrischen LC-Schwingkreis aufweist, dessen Spule durch die Annäherung eines elektrisch leitfähigen Gegen¬ standes beeinflußbar ist. Der Schwingkreis wird durch einen Gleichstromimpuls zur Schwingung angeregt und aus dem Abklingvorgang der so erzeugten gedämpften Schwingung wird auf den Grad der Näherung geschlossen.
Dieser Näherungssensor hat deshalb einen verhältnismässig . niedrigen Stromverbrauch, weil sein Schwingkreis nicht permanent durch einen Oszillator zum Schwingen angeregt wird , sondern lediglich durch kurze, in periodischen Ab¬ ständen auftretende Gleichstromimpulse, deren zeitlicher Abstand so groß bemessen sein muss, dass auch beim lang¬ samsten Abklingen der angeregten Schwingung (wenn nämlich das Dämpfungsglied den geringsten Einfluß auf die Spule des Schwingkreises ausübt) die Schwingung bereits abge¬ klungen ist, wenn der nächste Gleichstromimpuls auftritt. Die Dauer des Gleichstromimpulses soll groß genug sein, um eine ausreichende Aufladung des Kondensators des LC- Schwingkreises zu ermöglichen, sie soll andererseits klein
sein gegenüber der Periodendauer der Schwingkreisfrequenz, damit beim Aufladen des Kondensators des Schwingkreises kein störender Strom über die Spule des Schwingkreises zu fließen beginnt.
Aus der mittels des Gleichstromimpulses im Kondensator des Schwingkreises gespeicherten Energie beginnt der Schwing¬ kreis zu schwingen. Die Schwingung verläuft gedämpft. Die Abklingdauer ist abhängig von den Verlusten des Schwing- kreises, insbesondere von den Verlusten der Spule des Schwingkreises, Wird die Spule durch das Dämpfungsglied von aussen her bedämpft, wird die Abklingdauer verkürzt.
Gemäß der DE-OS 33 18 900 kann die Auswertung des Ab- klingvorganges der gedämpften Schwingung durch eine Aus¬ werteschaltung in verschiedener Weise erfolgen. So kann z.B. die Spannung am Schwingkreis galvanisch oder induktiv ausgekoppelt und gleichgerichtet werden. Der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung über die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden, .den Schwingkreis anregenden Gleichstromimpulsen ist ein Maß für die Abklingdauer und damit für die jeweilige Annäherung. Eine andere in der DE- OS 33 18 900 genannte Auswertemöglichkeit besteht darin, jeweils zu bestimmten Zeitpunkten zwischen zwei aufeinander- folgenden, den Schwingkreis anregenden Gleichstromimpulsen zu prüfen, ob die Schwingung noch andauert oder ob sie schon abgeklungen ist.
Nach den Ausführungen in der DE-OS 33 18 900 ist der Strom- verbrauch des Näherungssensors so niedrig , dass bei Speisung aus kleinen galvanischen Elementen (Knopf- zellen) Betriebsdauern von mehr als einem Jahr ohne Batteriewechsel erzielt werden. Für gewisse Anwendungen sind jedoch Betriebsdauern von mehr als 5 Jahren ohne Batteriewechsel erwünscht: So besteht beispielsweise bei Wasserzählern und bei Wärmezählern die Forderung nach einem wartungsfreien Betrieb über 5 Jahre hinweg. Mit Knopfzellen als Batterien ist diese Forderung bislang nicht erfüllbar.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Näherungssensor der eingangs genannten Art den Stromverbrauch auf möglichst einfache Weise noch weiter abzusenken.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Näherungssensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen- stand der Unteransprüche.
Durch die Verwendung eines Transformators anstelle einer einzelnen Spule erreicht man eine Spannungsverstärkung der abklingenden Schwingung, die vom übersetzungsver- hältnis des Transformators abhängt. Die hiermit ver¬ knüpfte Steigerung der Empfindlichkeit des Näherungs¬ sensors erlaubt es umgekehrt, die primärseitig in den
Schwingkreis eingespeiste Energie zu verringern, was beim Batteriebetrieb zu einer längeren Lebensdauer führt. Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung des Näherungssensors kann man dadurch erreichen, dass man für den Transformator einen Schalenkern verwendet; das ist ein insbesondere aus einem Ferritwerkstoff bestehender topfförmiger Kern mit einem koaxial darin angeordneten Zapfen, welcher die bei¬ den Transformatorwicklungen trägt. Ein solcher Schalenkern hat eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit in seiner Empfindlichkeit gegen Bedampfen von aussen: Die Dämpfungs¬ wirkung ist dann besonders stark, wenn das elektrisch leitende Dämpfungsglied an das offene Ende des Schalen¬ kernes herangeführt wird. Die Dämpfung hat ihre Ursache in Wirbelströmen, welche im elektrisch leitfähigen Dämpfungs' glied bei dessen Annäherung an den Transformator induziert werden. Gegen magnetische Beeinflussung hingegen ist der erfindungsgemäße Näherungssensor recht unempfindlich: Durch Annähern eines Ferrites an die Wicklungen ändert sich das Antwortsignal des Sensors praktisch nicht. Diese Un- empfindlichkeit gegen magnetische Beeinflussung ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Näherungssensors.
Die durch den Transformator bewirkte Spannungsverstärkung des Antwortsignals des Näherungssensors bedingt wegen der nur induktiven Kopplung zwischen den beiden 'Transformator¬ wicklungen keinen ins Gewicht fallenden Strommehrverbrauch, dieser wird vielmehr durch die erreichte Empfindlichkeits¬ steigerung reichlich überkompensiert.
Die Anregung des Schwingkreises kann durch in gleichen zeitlichen Abständen auftretende kurze elektrische Impulse erfolgen, wobei der zeitliche Abstand der Impulse an den jeweiligen Verwendungszweck des Näherungs- sensors angepaßt werden kann, wobei darauf Rücksicht zu nehmen ist, dass der zeitliche Abstand der den Schwing¬ kreis anregenden Impulse wenigstens so groß sein soll, dass die angeregten gedämpften Schwingungen in dieser Zeitspanne jedenfalls abgeklungen sind. Eine Anpassung an unterschiedliche Auswerteschaltungen , die unterschied¬ liche Eingangsamplituden erfordern mögen, kann durch An¬ passung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators geschehen.
Die elektrischen Impulse, die den Schwingkreis anregen, müssen jedoch nicht in periodischen Abständen auftreten? ihr Auftreten kann auch fremdgesteuert werden, beispiels¬ weise in Abhängigkeit von Bewegungsabläufen in Maschinen oder Geräten, in Zusammenhang mit denen ein solcher Näherungssensor eingesetzt wird. Insbesondere in solchen Anwendungen kann es von Vorteil sein, die Impulse für die Erregung des Schwingkreises mittels eines Wiegand-Impuls- generators zu erzeugen. Ein solcher Wiegand-Impulsgenerator ist beispielsweise in der DE-OS 21 57 286 offenbart. Er hat den Vorteil, dass er keine elektrische Stromquelle zum Erzeugen der elektrischen Impulse benötigt, sodass der Stromverbrauch des Sensors weiter gesenkt werden kann (es wird dann nur noch eine Stromversorgung für die Auswerteschaltung benötigt.)
Die Art und besondere Empfindlichkeit des erfindungs¬ gemäßen Näherungssensors bringen es mit sich, dass trotz des extrem niedrigen Stromverbrauches in der abklingenden Schwingung des Schwingkreises noch zahl¬ reiche Perioden beobachtet werden können. Das ermöglicht in Weiterbildung der Erfindung eine besonders elegante
Art und Weise der Auswertung des Abklingverhaltens mittels einer Zählschaltung , die die Anzahl, der Perioden zählt, in denen die abklingende Schwingung in der Sekundär¬ wicklung Amplituden oberhalb einer vorgegebenen Schwelle hat. Diese Schwelle wird so gelegt, dass eventuell auf¬ tretende Störimpulse zum Zählergebnis nicht beitragen. Das Zählergebnis ist unmittelbar ein Maß für die Abkling- - dauer der gedämpften Schwingung. Der Vorteil einer solchen Auswertung liegt darin, dass sie mit einfachen, preis- werten, schnellen, digitalen,elektronischen Schaltungen vorgenommen werden kann, die nur einen minimalen Strom¬ verbrauch haben. Die Auswertung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass man eine nach den Umständen des Anwendungsfalls deutliche Dämpfung als Signal für die Annäherung des Dämpfungsgliedes wertet und registriert, beispielsweise das Auftreten von höchstens 5 Perioden der abklingenden Schwingung oberhalb der vorgebbaren Schwelle anstelle von 10 Perioden im ungedämpften Fall.
Es ist aber sogar möglich, aus der jeweils gezählten Anzahl von Perioden der abklingenden Schwingung eine quantitative Aussage über den Grad der Annäherung des Dämpfungsgliedes abzuleiten, so dass der Näherungs- sensor nicht nur als Schwellwertdetektor, sondern auch als Wegmeßsensor einsetzbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn als Transformatorkern ein Schalenkern ver¬ wendet wird, der dem Sensor eine ausgeprägte Empfindlich¬ keit in Richtung der Längsachse des Schalenkerns gibt. Die besondere Eignung als Wegmeßsensor hängt auch un¬ mittelbar damit zusammen, dass durch den Einsatz eines Transformators anstelle einer einzigen Wicklung im Schwingkreis die Empfindlichkeit des Sensors erhöht und die Anzahl der Perioden der abklingenden Schwingung in der Sekundärwicklung des Transformators erhöht ist. (Die Sekundärwicklung verhält sich wie ein Energie¬ speicher; infolge geringerer Dämpfung kommt es in der abklingenden Schwingung zu einer größeren Anzahl von Perioden).
Anstatt die Anzahl der Perioden bis zum Absinken der Amplitude der abklingenden Schwingung bis auf einen vorgegebenen Schwellenwert zu bestimmen,könnte man auch umgekehrt den Spannungsabfall ermitteln, den die Amplitude der abklingenden Schwingung während einer vorgegebenen Anzahl von Perioden erleidet; eine derartige Auswertung
ist jedoch aufwendiger.
Erfindungsgemäße Näherungssensoren eignen sich auch be¬ sonders zur Verwendung in einem Drehzahlgeber, in welchem ein mit der zu bestimmenden Drehzahl rotierendes Dämpfungs¬ glied sich infolge seiner Drehung dem Kern des Trans¬ formators annähert und sich von ihm entfernt. Ein jedes Annähern kann durch den Näherungssensor ermittelt, ge¬ meldet und anschließend registriert werden. Eine be- sondere Anwendung eines solchen erfindungsgemäß ausge¬ statteten Drehzahlgebers findet sich in Wasserzählern und Wärmemengenzählern und anderen Mengenzählern, die wie . diese den Durchfluß eines strömenden Mediums beispiels¬ weise mittels eines Flügelrades messen und in eine Dreh- bewegung umsetzen. Wegen des extrem niedrigen Stromver¬ brauchs eines erfindungsgemäßen Näherungssensors können Wasserzähler und dergleichen Mengenzähler mit einer Knopf¬ zelle über einen Zeitraum von 5 Jahren und mehr ohne Batteriewechsel betrieben werden.
Durch geeignete Ausbildung des Dämpfungsgliedes kann man bei einem solchen Drehzahlgeber auch zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf unterscheiden, wenn man das Dämpfungs¬ glied in Bezug auf Drehrichtungsumkehr unsymmetrisch ge- staltet. Man könnte das Dämpfungsglied beispielsweise dreieckig ausbilden und derart führen, dass es bei Bewegung in der einen Drehrichtung sich mit einer seiner Ecken der empfindlichen Seite des Näherungssensors nähert, während es sich bei entgegengesetzter Drehrichtung mit einer seiner Seiten der empfindlichen Seite des Näherungs¬ sensors nähert. Im ersten Falle wird die Dämpfung lang¬ samer einsetzen als im zweiten Falle, so dass im ersten Falle mehr Perioden in der abklingenden Schwingung ge¬ zählt werden können als im zweiten Falle, woraus der Drehsinn erkennbar ist. Alternativ könnte man das Dämpfungs' glied zweiteilig ausbilden und einen ersten, schwach dämpfenden Bereich und einen zweiten,stark dämpfenden Be¬ reich vorsehen und beide Bereiche durch einen Luftspalt trennen. Man beobachtet dann bei Drehung des Dämpfungs¬ gliedes in der einen Richtung zuerst eine schwach ge¬ dämpfte und dann eine stark gedämpfte Schwingung, bei Drehung in der umgekehrten Richtung zunächst eine stark gedämpfte und dann eine schwach gedämpfte Schwingung, woraus der Drehsinn ebenfalls erkennbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors ist in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt,
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Sensor,
Figur 2 zeigt eine Ansicht auf den geöffneten Sensor von der Rückseite her,
Figur 3 zeigt die Anordnung eines solchen Sensors in einem Wasserzähler, und Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild für einen solchen Sensor.
Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Sensor befindet sich in einem zylindrischen Gehäuse 1 am einen Ende ein Transformator mit einem Schalenkern 2, der auf seinem zentralen Zapfen 3 übereinander zwei Wicklungen L. und L2 trägt, von denen die Sekundärwicklung L~ eine größere Wicklungszahl hat als die Primärwicklung L, . Der Schalenkern 2 ist so angeordnet, dass sein offenes Ende in dieselbe Richtung weist wie das Ge'häuse 1 des Sensors mit seinem vorderen Ende. Durch eine Kunstharz-Vergu߬ masse 4 ist der Schalenkern 2 im Gehäuse 1 fixiert und nach aussen hin geschützt. Im mittleren Teil des Gehäuses
I ist eine Leiterplatte 5 angeordnet, welche den Anregungs¬ schaltkreis für den Oszillator trägt. Von Anregungsschalt¬ kreis sind in der Fig. 1 und in der Draufsicht gemäß
Fig. 2 folgende Schaltungselemente zu erkennen: Ein Quarz- Oszillator 6 mit seinen beiden Anschlußpunkten 7 und 8; ein integrierter Schaltkreis 9, welcher aus dem Signal des Quarzoszillators durch Frequenzteilung und Signalver¬ stärkung ein Impulssignal mit geeigneter Frequenz und Stromstärke bildet; die Anschlußpunkte 10 und 11 für eine Gleichspannungsquelle; die Anschlußpunkte 12 und 13 für die Primärwicklung L, sowie die Anschlußpunkte 14 und
II für die Sekundärwicklung L2. Am Anschlußpunkt 14 steht das Antwortsignal des Näherungssensors in Form einer ge¬ dämpften Schwingung an, welches einer Auswerteschaltung zugeführt wird, welche auf einer zweiten, nicht dar¬ gestellten Leiterplatte im Gehäuse 1 untergebracht sein kann, sich aber auch ausserhalb des Gehäuses befinden kann. Im letztgenannten Falle führt vom An¬ schlußpunkt 14 eine Leitung 15 zur Rückseite des Ge¬ häuses 1 hinaus. Oberhalb der Leiterplatte 5 ist ferner Platz für eine Knopfzelle 16 für die Stromver¬ sorgung des Sensors. Die Knopfzelle 16 ist in Fig. 1 nur gestrichelt angedeutet.
Figur 1 zeigt ferner die Verbindungsleitungen 17 zwischen dem Transformator und der Leiterplatte 5.
Der Näherungssensor ist auf seinem vorderen Abschnitt mit einem Aussengewinde 18 versehen, mit dessen Hilfe er bis zum Anschlag an einer Bundfläche 19 in eine passende Bohrung eines Gerätes eingeschraubt werden kann, beispielsweise in das Gehäuse eines Wasserzählers, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Der in Fig. 3 dargestellte Wasserzähler hat ein Ge¬ häuse 20 mit Zulaufstutzen 21 und Ablaufstutzen 22. In einer zwischen diesen beiden Stutzen liegenden Meßkammer ist ein Flügelrad 23 frei drehbar gelagert, welches durch die Wasserströmung angetrieben wird.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ansicht befindet sich das Flügelrad unter einer Gehäusezwischenwand 24 und ist deshalb nur gestrichelt eingezeichnet. Im Raum oberhalb der Gehäusetrennwand 24 ist ein Dämpfungs¬ glied 25 um eine Achse 26 frei drehbar gelagert, welche koaxial zur Achse des Flügelrades 23 verläuft. Das Dämpfungsglied 25 rotiert synchron mit dem Flügelrad 23 und ist mit diesem beispielsweise mittels einer berührungslos wirkenden Magnetkupplung gekoppelt.
In die Gehäusetrennwand 24 ist ferner ein erfindungs¬ gemäßer Näherungssensor 27 eingebaut, und zwar in der Weise, dass seine Längsachse, welche mit der Wicklungs¬ achse zusammenfällt, parallel zur Drehachse 26 des Dämpfungsgliedes 25 verläuft. Der Näh-erungssensor 27 ist so angeordnet, dass das Dämpfungsglied 25 während jeder Umdrehung einmal über die Vorderseite des Näherungs- sensors hinwegbewegt wird und diesen dabei bedämpft. Jeder Vorbeilauf des Dämpfungsgliedes 25 wird anhand der hervorgerufenen Dämpfung der abklingenden Schwingung im Näherungssensor erkannt und kann registriert werden. Um erkennen zu können, ob das. Dämpfungsglied rechtsherum oder linksherum läuft , ist es als rotierende dreieckige Platte ausgebildet, die bei Drehrichtung rechtsherum mit einer Spitze voraus dem Näherungssensor 27 ange¬ nähert wird, während sie bei Drehung linksherum mit einer radial verlaufenden Seite des Dreiecks dem Näherungs- sensor 27 angenähert wird. Im ersten Falle setzt die
Dämpfung des Sensors langsamer ein als im zweiten Falle, so dass im zweiten Falle die gedämpfte Schwingung rascher abklingt als im ersten Falle, wodurch die Drehrichtung erkannt und die jeweilige Umdrehung entsprechend positiv oder negativ gezählt werden kann. Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild für einen Näherungs¬ sensor, wie er in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist und in einem Wasserzähler gemäß Figur.3 verwendet werden kann. Der Sensor wird aus einer Gleichstromquelle, ins- besondere aus einer Batterie mit der Batteriespannung U„ betrieben. Die Anregungsschaltung für die Primärwick¬ lung L1 des Transformators umfaßt einen Quarzoszillator 30 (in den Fig. 1 und 2 gegenständlich dargestellt und mit der Bezugszahl 6 bezeichnet), dessen Ausgangssignal einer Teilerschaltung 31 zugeführt wird, die daraus eine Impuls¬ folge mit niedrigerer Impulsfrequenz bildet, welche auf den jeweiligen Verwendungszweck des Sensors abgestimmt ist.
Die aus der Frequenzteilerschaltung 31 kommenden Gleich¬ spannungsimpulse werden nach Verstärkung in einer Ver¬ stärkerschaltung 32 einem aus einem Kondensator C und der Wicklung L^ bestEhenden LC-Serienschw ingkreis zuge¬ führt, welcher durch jeden der Impulse zu einer gedämpften Schwingung angeregt wird. Die gedämpfte Schwingung wird induktiv übertragen in die Sekundärwicklung L2 des Trans¬ formators, dessen Primärwicklung L. ist. Das Abklingver¬ halten der in der Sekundärwicklung L2 auftretenden ge¬ dämpften Schwingung wird durch eine Auswerteschaltung beobachtet, welche aus einer Diskriminatorschaltung 33 und aus einer Zählerschaltung 34 besteht. Die Diskriminator¬ schaltung 33 gibt für jede Schwingungsamplitude der ge- U
dämpften Schwingung in der Wicklung L2, welche einen vor¬ gegebenen Schwellwert übersteigt, einen elektrischen .Norm¬ impuls an eine Zählerschaltung 34 ab, welche die während jeder gedämpften Schwingung auftretenden Impulse zählt und ihre Anzahl vergleicht mit der bei ungedämpftem Sensor auftretenden Impulszahl und aus diesem Vergleich auf die vorhandene oder nicht vorhandene Dämpfung schließt. Die von der Zählerschaltung 34 ermittelten Dämpfungsereignisse könrien in an sich bekannter Weise einem Anzeige- oder Registrierungsgerät 35, beispielsweise einem Rollenzähl¬ werk oder einer Flüssigkristallanzeige zugeführt werden.
Λn einem ausgeführten Beispiel des Sensors für den Einsatz in einem Wasserzähler wurde ein Quarzoszillator 30 mit einer Frequenz von 32 kHz mit niedrigem Stromverbrauch ausgewählt; durch die Teilerschaltung 31 wurde aus dem Ausgangssignal des Schwingquarzes 30 eine Impulsfolge mit einer Frequenz von 256 Hz gebildet. Nach der Ver¬ stärkung durch die Verstärkerschaltung 32 hatten diese Impulse eine Höhe von 1 Volt bei einer Strömstärke von knapp 1 μA. Für den Kondensator C wurde eine Kapazität von 400 pF gewählt. Die Primärwicklung L. wurde mit 140 Windungen, die Sekundärwicklung L2 mit 800 Windungen aus¬ geführt.

Claims

Patentansprüche:
1. Induktiver Näherungssensor mit einem durch elektrische Impulse angeregten, durch Annähern eines elektrisch leitenden Gegenstandes (Dämpfungs¬ glied) bedä pfbaren LC-Schwingkreis , und mit einer Auswerteschaltung zur Ermittlung der durch das Dämpfungs¬ glied hervorgerufenen Schwingungsdämpfung, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Induktivität des LC-Schwingkreises durch die Primärwicklung L. eines Transformators ge¬ bildet ist, dessen Sekundärwicklung L2 eine höhere Windungszahl als die Primärwicklung L, hat, und dass die Auswerteschaltung (33/34) im Kreis der Sekundärwicklung L2 liegt.
2. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern ein Schalenkern (2) ist.
3. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Impulse für den LC-Schwingkreis ein Wiegand-Impulsgenerator vorge¬ sehen ist.
4. Induktiver Näherungssensor nach einem der vor¬ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (33,34) eine Zählschaltung ist, die die Anzahl der Perioden zählt, in denen die abklingende Schwingung in der Sekundärwicklung L2 Amplituden zwi¬ schen vorgegebenen Werten hat.
5. Verwendung eines Näherungssensors mit den Merkmalen nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Dreh- zahlgeber, in welchem ein mit der zu bestimmenden Dreh¬ zahl rotierendes Dämpfungsglied (25) sich infolge seiner Drehung dem Kern (2) des Transformators annähert und sich von ihm entfernt.
6. Drehzahlgeber nach Anspruch 5 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (26) des Dämpfungs¬ gliedes (25) und die Achse des Schalenkerns (2) (welche mit der Wicklungsachse übereinstimmt) parallel zueinander sind.
7. Drehzahlgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (25) in bezug auf seine Drehrichtungsumkehr unsymmetrisch gestaltet ist.
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