WO2017050786A1 - Induktiver näherungsschalter mit einem vorbedämpfungselement - Google Patents

Induktiver näherungsschalter mit einem vorbedämpfungselement Download PDF

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Joachim Maier
Heribert Höß
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Definitions

  • the invention relates to a non-contact inductive proximity switch with a pre-damping element according to the preamble of claim 1.
  • Non-contact proximity switches are used as electronic switching devices, especially in automation technology. They have long been known and u. a. also produced and sold by the applicant.
  • Inductive proximity switches detect an electrically conductive, preferably metallic target in a monitoring area. They have at least one sensor coil and can be operated with current pulses or with continuous, usually sinusoidal alternating current. The coil can be part of an oscillator and determine its frequency. The transmitter coil can also be powered by a generator with pulsed or sinusoidal current. The sensor can also be used as a transformer, z. B. be constructed as a differential transformer and thus have more transmitting or receiving coils.
  • the attenuation is evaluated, ie. H. the change of the inductance and / or the impedance of a coil, or the coupling factor between two or more coils.
  • a control unit generates upon reaching or falling below a threshold, a preferably binary switching signal.
  • sensor coils are used as planar coils, i. H. designed as printed conductors in the well-known printed circuit board technology.
  • DE 10 2006 053 222 A1 shows an inductive proximity switch with a ring screen arranged on the printed circuit board, which cooperates with the coils such that the switching distance, or the directional characteristic of the proximity switch, remains essentially uninfluenced by the installation position.
  • DE 100 66 293 B4 shows an inductive proximity switch with a circuit board coil and a short circuit winding arranged on the same circuit board, which is interrupted at one point, and can be tuned with a resistor bridging this interruption.
  • resistor can be tuned only once during production with the device open, which also carries the risk of contamination when removing resistance material.
  • the object of the invention is to provide an inductive proximity switch, the o. G. Disadvantages does not have, is inexpensive to produce, and is equally flush as not flush mountable. Being flush means that it can be installed in metal up to its active surface, and not flush, that it must not be damped in the area of its active surface by a metallic environment.
  • the ring structure is interrupted at least one point and electrically connected to a preferably variable Abstimmwiderstand, but also a
  • Fixed resistor can be switched clocked.
  • the pre-damping element is thus not only switchable, but also designed tunable.
  • the installation (operating state) should be manually and / or automatically adjustable in metallic or non-metallic environment.
  • the circuit according to the invention can be used in inductive proximity switch with conductive and non-conductive front surface.
  • the proximity switch can be installed in a conductive or in a non-conductive environment, and manually adapted to its installation environment, or recognize its surroundings itself and turn on the Vorbedämpfungselement automatically on or off. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
  • Fig. 1 shows a proximity switch according to the invention as a three-wire device.
  • Fig. 2 shows the Vorabsämpfungselement invention in perspective.
  • 3 and 4 show further embodiments of the pre-damping element.
  • Fig. 1 shows the essential components of the inductive proximity switch.
  • the sensor coil 1 forms with the capacitor C a resonant circuit which is fed by an oscillator circuit 4 acting as a negative resistance, d. H. is attenuated.
  • Shown is a current mirror circuit that does not require Spulenanzapfung and in the lower current mirror a Ab Disabilityberichtkeit by a resistor RA, here an electronic potentiometer 7, offers.
  • the upper current mirror is used for feedback. Further details are disclosed in DE 196 50 793 C1.
  • the oscillator circuit 4 and an evaluation circuit 5 are housed together in a custom circuit (ASIC), without limiting the invention thereto.
  • the ASIC 8 also contains a control module with the illustrated threshold switch (trigger) and a logic device, eg. B. a microcontroller.
  • the evaluation circuit 5 controls the oscillator circuit 4, here their amplitude with the electronic potentiometer 7 or a resistance matrix, not shown.
  • the amplitude falls in the presence of a target (switching flag) in the monitoring area, which leads to the generation of a binary switching signal when falling below a predetermined switching threshold.
  • the switching signal is output via the P-switching switch 9.
  • the switch 9 may also be N-switching or antivalent.
  • light signals can be generated with the aid of LEDs of different colors, which output the switching state, an error, or another signal.
  • the pre-damping element 2 is housed together with at least one sensor coil 1 as a conductor in or on a printed circuit board 3. For a better overview, an exploded view with only one sensor coil 1 was selected.
  • the pre-damping element 2 is interrupted in two places and with
  • Abstimmwiderboxn 6 connected, which can be switched on by the ASIC 8 or shorted. You could also be controlled by analogy.
  • 2 shows a pre-damping element according to the invention in a perspective exploded view.
  • the sensor coils 1 form a differential transformer, wherein the normally arranged in the middle between the sensor coils 1 transmitter coil has been omitted for clarity, as well as the connections for the sensor coils 1.
  • the pre-damping element 2 extends over a plurality of layers of the printed circuit board 3 shown in FIG. 1 and has two discontinuous rings provided with contacts.
  • the electrical connections can be performed as a via over several layers of the printed circuit board 3. They serve to tune the impedance. They can be connected to the device ground, a tuning resistor 6 and / or the ASIC 8, as well as among each other.
  • FIGS. 3 and 4 show further exemplary embodiments of the pre-damping element 2 according to the invention in plan view, wherein the illustration of the electrical connections has been dispensed with.
  • the inventive inductive proximity switch is suitable depending on the wiring of the pre-damping element 2 in a first mode for installation in a metallic environment and in a second mode for installation in a non-metallic environment.

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  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Induktiver Näherungsschalter mit mindestens einer Sensorspule 1 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zum Nachweis einer leitfähigen Targets in einem Überwachungsbereich und mit einem Vorbedämpfungselement 2, die gemeinsam auf einer Leiterplatte 3 angeordnet sind, mit einer Oszillatorschaltung 4 zur Speisung der Sensorspule 1 und einer Auswerteschaltung 5 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei das Vorbedämpfungselement 2 einen Ring aufweist, der an mindestens einer Stelle unterbrochen ist und einen Anschluss zur Abstimmung seiner Impedanz besitzt und dieser Anschluss mit der Auswerteschaltung verbunden ist.

Description

Induktiver Näherungsschalter mit einem Vorbedämpfungselement
Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter mit einem Vorbedämpfungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Berührungslos arbeitende Näherungsschalter werden als elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie sind seit langem bekannt und werden u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Induktive Näherungsschalter detektieren ein elektrisch leitfähiges, vorzugsweise metallisches Target in einem Überwachungsbereich. Sie weisen mindestens eine Sensorspule auf und können mit Stromimpulsen oder mit kontinuierlichem, meist sinusförmigem Wechselstrom betrieben werden. Dabei kann die Spule Bestandteil eines Oszillators sein und dessen Frequenz bestimmen. Die Sendespule kann aber auch von einem Generator mit pulsförmigem oder sinusförmigem Strom versorgt werden. Der Sensor kann auch als Transformator, z. B. als Differentialtransformator aufgebaut sein und somit weitere Sende- oder Empfangsspulen aufweisen.
Ausgewertet wird die Bedämpfung, d. h. die Änderung der Induktivität und/oder die Impedanz einer Spule, bzw. der Koppelfaktor zwischen zwei oder mehreren Spulen. Eine Steuereinheit erzeugt bei Erreichen oder Unterschreiten eines Schwellwertes ein vorzugsweise binäres Schaltsignal.
Um die Herstellung effizienter zu gestalten, werden Sensorspulen als Planarspulen, d. h. als Leiterbahnen in der hinlänglich bekannten Leiterplattentechnik ausgeführt.
Die DE 103 62 165 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer mehrere Schichten aufweisenden Leiterplatte, wobei neben den Spulen einzelne Leiterbahnen zur Abschirmung vorhanden sind, die mit ihren radial einwärts gerichteten Enden mit Masse verbunden sind.
Die DE 10 2006 053 222 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einem auf der Leiterplatte angeordneten Ringschirm, der so mit den Spulen zusammenwirkt, dass der Schaltabstand, bzw. die Richtcharakteristik des Näherungsschalters von der Einbaulage im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
Nachteilig ist dass die Abschirmelemente auch dann wirken, wenn sie eigentlich nicht gebraucht werden, z. B. bei nicht bündiger Einbaulage, wo sie den Schaltabstand unnötig verringern. Die DE 100 66 293 B4 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer Leiterplattenspule und einem auf derselben Leiterplatte angeordneten Kurzschlusswicklung, die an einer Stelle unterbrochen ist, und mit einem diese Unterbrechung überbrückenden Widerstand abgestimmt werden kann.
Als nachteilig wird angesehen, dass der Widerstand nur einmalig während der Fertigung bei geöffnetem Gerät abgestimmt werden kann, was außerdem die Gefahr der Verschmutzung beim Abtragen von Widerstandsmaterial birgt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen induktiven Näherungsschalter anzugeben, der die o. g. Nachteile nicht aufweist, kostengünstig herstellbar ist, und gleichermaßen bündig wie nicht bündig einbaubar ist. Wobei bündig bedeutet, dass er bis zu seiner aktiven Fläche in Metall einbaubar ist, und nicht bündig, dass er im Bereich seiner aktiven Fläche nicht durch eine metallische Umgebung bedämpft werden darf.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, an Stelle des bekannten
Abschirmelements ein aus mindestens einer ringförmigen Struktur bestehendes, auch im fertig montierten Zustand abstimmbares Vorbedämpfungselement zu verwenden, das zur Kompensation einer metallische Frontfläche oder einer elektrisch leitenden Einbauumgebung dient. Um eine Abstimmung zu ermöglichen, ist die Ringstruktur an mindestens einer Stelle unterbrochen und elektrisch mit einem vorzugsweise variablen Abstimmwiderstand verbunden, wobei aber auch ein
Festwiderstand getaktet zugeschaltet werden kann.
Erfindungsgemäß wird das Vorbedämpfungselement also nicht nur zuschaltbar, sondern auch abstimmbar gestaltet. Insbesondere soll der Einbau (Betriebszustand) in metallischer oder nichtmetallischer Umgebung manuell und/oder auch automatisch einstellbar sein.
Somit kann die erfindungsgemäße Schaltung in induktiven Näherungsschalter mit leitender und nicht leitender Frontfläche verwendet werden. Darüber hinaus kann der Näherungsschalter in eine leitende oder in eine nicht leitende Umgebung eingebaut, und manuell an seine Einbauumgebung angepasst werden, oder seine Umgebung selbst erkennen und das Vorbedämpfungselement selbsttätig ein- oder ausschalten. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter als Dreileiter-Gerät.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Vorbedämpfungselement perspektivisch.
Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Vorbedämpfungselements.
Die Fig. 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen des induktiven Näherungsschalters. Die Sensorspule 1 bildet mit dem Kondensator C einen Schwingkreis, der von einer als negativer Widerstand wirkenden Oszillatorschaltung 4 gespeist, d. h. entdämpft wird. Dargestellt ist eine Stromspiegelschaltung, die keine Spulenanzapfung benötigt und im unteren Stromspiegel eine Abgleichmöglichkeit durch einen Widerstand RA, hier einem elektronischen Potentiometer 7, bietet. Der obere Stromspiegel dient zur Rückkopplung. Näheres ist in der DE 196 50 793 C1 offenbart.
Die Oszillatorschaltung 4 und eine Auswerteschaltung 5 sind gemeinsam in einem kundenspezifischen Schaltkreis (ASIC) untergebracht, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Der ASIC 8 enthält auch eine Steuerbaugruppe mit dem dargestellten Schwellwertschalter (Trigger) und einen Logik-Baustein, z. B. einen MikroController.
Die Auswerteschaltung 5 steuert die Oszillatorschaltung 4, hier deren Amplitude mit dem elektronischen Potentiometers 7 oder einer nicht gezeigten Widerstandsmatrix.
Da der Oszillatorstrom durch den Abgleichwiderstand RA festgelegt ist, fällt die Amplitude bei Anwesenheit eines Targets (Schaltfahne) im Überwachungsbereich, was bei Unterschreitung einer vorgegeben Schaltschwelle zur Erzeugung eines binären Schaltsignals führt. Das Schaltsignal wird über den P-schaltenden Schalter 9 ausgegeben. Natürlich kann der Schalter 9 auch N-schaltend oder antivalent sein.
Darüber hinaus können mit Hilfe verschiedenfarbiger LEDs Lichtsignale erzeugt werden, die den Schaltzustand, einen Fehler, oder ein sonstiges Signal ausgeben.
Das Vorbedämpfungselement 2 ist gemeinsam mit mindestens einer Sensorspule 1 als Leiterbahn in oder auf einer Leiterplatte 3 untergebracht. Zur besseren Übersicht wurde eine Explosionsdarstellung mit lediglich einer Sensorspule 1 gewählt.
Das Vorbedämpfungselement 2 ist an zwei Stellen unterbrochen und mit
Abstimmwiderständen 6 verbunden, die vom ASIC 8 eingeschaltet oder auch kurzgeschlossen werden können. Sie könnten aber auch analog gesteuert werden. Die Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorbedämpfungselement in perspektivischer Explosions-Darstellung. Die Sensorspulen 1 bilden einen Differentialtransformator, wobei die normalerweise in der Mitte zwischen den Sensorspulen 1 angeordnete Senderspule zur besseren Übersicht genau wie die Anschlüsse für die Sensorspulen 1 weggelassen wurde.
Das Vorbedämpfungselement 2 erstreckt sich über mehrere Lagen der in der Fig. 1 dargestellten Leiterplatte 3 und weist zwei unterbrochene mit Kontakten versehene Ringe auf. Die elektrischen Anschlüsse können als Durchkontaktierung über mehrere Lagen der Leiterplatte 3 geführt sein. Sie dienen zur Abstimmung der Impedanz. Sie können mit der Gerätemasse, einem Abstimmwiderstand 6 und/oder dem ASIC 8, sowie auch untereinander verbunden sein.
Die Figuren 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Vorbedämpfungselement 2 in der Draufsicht, wobei auf Darstellung der elektrischen Anschlüsse zur Abstimmung verzichtet wurde.
In der Fig. 3 sind die beiden Ringe galvanisch miteinander verbunden.
In der Fig. 4 kann diese Verbindung durch einen Schalter hergestellt werden
Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter ist je nach Beschaltung des Vorbedämpfungselements 2 in einer ersten Betriebsart für den Einbau in eine metallische Umgebung und in einer zweiten Betriebsart für den Einbau in eine nichtmetallische Umgebung geeignet.
Bezugszeichenliste
1 Sensorspule
2 Vorbedämpfungselement
3 Leiterplatte
4 Oszillatorschaltung
5 Auswerteschaltung
6 Abstinnnnwiderstand für des Vorbedämpfungselement 2
7 Abgleichwiderstand (RA) für die Sensorspule 1
8 Steuereinheit (ASIC)
9 Elektronischer Schalter zur Erzeugung eines binären Schaltsignals A Binärer Schaltausgang

Claims

Ansprüche
1 . Induktiver Näherungsschalter mit mindestens einer Sensorspule (1 ) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zum Nachweis einer leitfähigen Targets in einem Überwachungsbereich und mit einem Vorbedämpfungselement (2), die gemeinsam auf einer Leiterplatte (3) angeordnet sind, mit einer Oszillatorschaltung (4) zur Speisung der Sensorspule (1 ) und einer Auswerteschaltung (5) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbedämpfungselement (2) einen Ring aufweist, der an mindestens einer Stelle unterbrochen ist und einen Anschluss zur Abstimmung seiner Impedanz besitzt, und dieser Anschluss mit der Auswerteschaltung (5) verbunden ist.
2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbedämpfungselement (2) an zwei Stellen unterbrochen und mit
Abstimmwiderständen 6 verbunden ist, die von einer die Auswerteschaltung (5) enthaltenden Steuereinheit (8) eingeschaltet, kurzgeschlossen oder analog gesteuert werden können.
3. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbedämpfungselement (2) zwei miteinander verbindbare Ringe aufweist.
4. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Vorbedämpfungselement (2) über mehrere Lagen der Leiterplatte (3) erstreckt.
5. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbedämpfungselement (2) mit einem oder mehreren steuerbaren Abstimmwiderständen (6) verbunden ist.
6. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er eine erste Betriebsart für den Einbau in eine metallische Umgebung und eine zweite für den Einbau in eine nichtmetallische Umgebung aufweist, wobei die beiden Betriebsarten durch unterschiedliche Beschaltung des Vorbedämpfungselements (2) einstellbar sind.
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