DE3912946A1

DE3912946A1 - Induktiver naeherungsschalter

Info

Publication number: DE3912946A1
Application number: DE3912946A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Tigges
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1990-10-31
Anticipated expiration: 2009-04-21
Also published as: US5012206A; JPH0329415A; DE3912946C2; EP0393359A3; DE3912946C3; EP0393359A2

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungs schalter gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solcher durch die DE-PS 37 14 433 bekannter Näherungsschalter hat die besondere Eigenschaft, bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen, unmagneti schen Nichteisenmetallen (NF) und von ferromagneti schen Metallen (FE) den gleichen Schaltabstand aufzu weisen.

Bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen an eine Spule verringert sich die wirksame Induktivi tät, weil aufgrund der durch die magnetische Induktion sich im leitfähigen Teil ausbildenden elektrischen Ströme eine Gegeninduktivität aufgebaut wird. Weiter wird bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen die Spulengüte wegen der ohmschen Verluste im leitfähigen Teil herabgesetzt. Diese Eigenschaften werden in vielfältiger Weise bei Näherungsschaltern benutzt, indem die Verminderung der Amplitude oder das Aussetzen der Schwingung eines Oszillators durch die Bedämpfung der Sensorspule bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen als Kriterium für eine entsprechende Annäherung ausgewertet wird. Dabei wird die Veränderung der Schwingfrequenz infolge der durch die Annäherung verringerten Induktivität kaum zur Aus wertung mit herangezogen.

Bei der Annäherung von ferromagnetischen Teilen, also von Teilen mit sehr hoher magnetischer Leitfähigkeit, sind die oben beschriebenen aus der elektrischen Leitfähigkeit sich ergebenden Effekte überlagert durch eine Erhöhung der Induktivität als Folge der durch die ferromagnetischen Eigenschaften erhöhten Permeabilität der Spulenanordnung. Auch diese Eigenschaften werden bei Näherungsschaltern benutzt, meist in ähnlicher Weise wie oben beschrieben.

Die unterschiedlichen Wirkungen bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen nichtmagnetischen Teilen, also insbesonders von Nichteisenmetallen wie Kupfer, Aluminium usw., im folgenden NF-Metalle genannt, und von ferromagnetischen Teilen, also insbesonders von Eisen-Metallen, im folgenden FE-Metalle genannt, können im Einzelfall gleichgültig sein, insbesondere wenn der Näherungsschalter nur die Annäherungen an stets gleiches Material detektieren soll. Die unterschiedlichen Wirkungen können aber auch nützlich sein, insbesonders wenn die Anordnung weniger zur Detektion einer bestimmten Annäherung verwendet werden soll, sondern vielmehr zur Unterscheidung der angenäherten Teile bezüglich ihres Materiales. Schließlich gibt es auch Fälle, in denen die unterschiedlichen Wirkungen nachteilig sind, insbesondere dann, wenn die Detektion auf einen bestimmten Annäherungszustand unabhängig von den unterschiedlichen Materialien erfolgen soll, was Ziel der vorliegenden Erfindung ist.

Bei dem für diesen Zweck bekannten Näherungsschalter (DE-PS 37 14 433) ist in einer Schwingkreis-Os zillatoranordnung außer dem im wesentlichen die Frequenz bestimmenden Frequenz-Schwingkreis ein Impedanzglied enthalten, und der Impedanzwert dieses Gliedes wird als auslösendes Merkmal verwendet. Dabei sind die Resonanzfrequenz des Frequenz-Schwingkreises und der kritische Impedanzwert des Impedanzgliedes auf die Koordinaten des Schnittpunktes der für jeweils gleichen Schaltabstand sich ergebenden Impedanz/Frequenz-Kennlinie für Auslösung durch NF-Metall einerseits und durch FE-Metall andererseits abgestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Näherungsschalter hinsichtlich Temperaturstabilität, Ansprechempfindlichkeit und kleinerer Bauform zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Bei der Erfindung ist ein frequenz- und amplitudenkonstanter, von außen nicht beeinflußbarer Oszillator verwendet, dem über eine nur schwache Kopplung mittels einer Impedanz ein von außen beeinflußbarer Schwingkreis, bevorzugt als Teil eines aktiven, schmalbandigen Band paßfilters, nachgeschaltet ist.

Zum Unterschied gegenüber Näherungsschaltern, die von der Bedämpfung eines Oszillator-Schwingkreises und der dadurch erfolgenden Amplituden- oder Schwingungs zustandsänderung Gebrauch machen, wird erfindungsgemäß ein dauernd mit fester Frequenz und Amplitude arbeitender Oszillator verwendet. Solche Oszillatoren lassen sich mit modernen elektronischen Bauteilen sehr einfach und mit nur geringem Raumbedarf aufbauen, ins besonders, wenn sie durch einen Keramik- oder Quartz schwinger angeregt werden, also z. B. als Quarz oszillator aufgebaut sind. Derartige Oszillatoren zeichnen sich weiter aus durch ein sehr stabiles Betriebsverhalten, d. h. sie schwingen sicher an, ihr Schwingungszustand und die Frequenz bleiben auch unter äußeren Einflüssen wie z. B. Temperatur oder Fremd feldern stabil. Erfindungsgemäß wird also der Oszillator selbst einschließlich seines Schwingkreises nicht von den Annäherungen beeinflußt.

Die eigentliche Sensorspule, also die Spule, die durch die Annäherungen beeinflußt werden soll, ist Teil eines Schwingkreises, der lose, also im wesentlichen rückwirkungsfrei an den Oszillator angekoppelt ist. Die Impedanz dieses Schwingkreises bei der durch die Oszillatorfrequenz vorgegebenen Frequenz wird dabei als Maß für den Grad der Annäherung einer Auswertstufe zugeführt. Die jeweilige Impedanz des Sensorschwing kreises hängt ab von seiner Dimensionierung und ferner von den durch die Annäherungen hervorgerufenen Änderungseffekten. Bei geeigneter Dimensionierung des Sensorschwingkreises schneidet sich die Impedanz/Frequenz-Kennlinie für eine bestimmte Annäherung von NF-Metallen mit derjenigen für eine gleiche Annäherung von FE-Metallen an einem Punkt, also bei einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Impedanz, im folgenden kritischer Punkt genannt. Wird nun die gesamte Anordnung so dimensioniert, daß die Frequenz am kritischen Punkt mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmt und daß der Pegeldetektor bei der Impedanz am kritischen Punkt anspricht, so ist ein Näherungsschalter gegeben, der bei der Annäherung von NF-Auslösern und von FE-Auslösern jeweils beim gleichen Maß der Annäherung anspricht.

Für die erfindungsgemäße Anordnung kann es besonders zweckmäßig sein, den Sensorschwingkreis als Teil eines aktiven Bandpaßfilters zu betreiben. Damit wird es möglich, mit sehr schwachen Oszillatorsignalen auszu kommen und das gewünschte Übertragungsverhalten des Bandpaßfilters in weiten Grenzen einzustellen. Die Ansprechempfindlichkeit kann bei gleichzeitiger Ver minderung der Abstandsabweichungen erheblich ge steigert werden.

Da die Frequenz des Sensorschwingkreises am kritischen Punkt mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmen soll, wird die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises, also seine Frequenz im unbeeinflußten Zustand, zwar von der Oszillatorfrequenz abweichen müssen, aber nur wenig. Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der Frequenz am kritischen Punkt jeweils richtig zu erzielen, kann prinzipiell die Oszillatorfrequenz oder die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises entsprechend eingestellt oder bemessen werden. Zur Einstellung der für den Sensorschwingkreis wirksamen Anregungsfrequenz kann die ursprüngliche Oszillator frequenz auch durch einen entsprechenden Frequenz teiler herabgesetzt werden.

Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der Impedanz am kritischen Punkt und dem Auslösepunkt des Pegeldetektors jeweils richtig zu erzielen, kann prinzipiell der Schaltpunkt des Pegeldetektors oder die Verstärkung des Bandpaßfilters oder, durch Zufügen ohmscher Anteile, die Impedanz des Sensorstromkreises oder aber die Amplitude des Oszillators oder die Impe danz der Kopplung entsprechend eingestellt oder bemessen werden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungs gemäßen Näherungsschalters,

Fig. 2 das Diagramm eines typischen Verhaltens von Parallelschwingkreisen bei der An näherung von verschiedenen Materialien auf einen bestimmten Abstand und

Fig. 3 verschiedene Möglichkeiten für die An kopplung des Sensorschwingkreises bzw. Bandpaßfilters an den Oszillator.

Der in Fig. 1 gezeigte Oszillator 1 kann prinzipiell ein Oszillator jeder Art sein, insbesondere aber auch ein Quarzoszillator. Seine Ausgangsfrequenz kann ent weder unmittelbar zur Ankopplung 3 oder über einen festen oder einstellbaren Frequenzteiler 2 geführt sein. Die Ankopplung 3 kann prinzipiell jeder Art sein, insbesondere aber eine lose Kopplung mittels einer Impedanz, z. B. nach den in Fig. 3 gezeigten Beispielen. An dem am Oszillator 1 unmittelbar oder nach entsprechender Frequenzteilung 2 über die Kopplung 3 vorzugsweise lose angekoppelten Sensor schwingkreis 4 entsteht ein von der Einkopplung und von der jeweiligen Impedanz des Sensorschwingkreises 4 abhängiges Signal, das von einem Pegeldetektor 5 und einer Schaltstufe 6 in das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Näherungsschalters umgesetzt wird. Da die Impedanz des Sensorschwingkreises in bereits beschriebener Weise von der Annäherung 7 abhängig ist, wird das Ausgangssignal des Näherungsschalters ent sprechend der Annäherung ausgelöst.

Der Sensorschwingkreis 4 kann ein einfacher L-C-Schwingkreis sein, dessen Spule 8 in bekannter Weise als Sensorspule ausgebildet ist. Anstelle dieser einfachen Anordnung kann es aber erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, den Schwingkreis als Teil eines aktiven schmalbandigen Bandpaßfilters zu be treiben. Dabei werden die Schalteigenschaften be sonders stabil und es kann ein Oszillator mit geringer Leistung verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Impedanz/Frequenz-Kennlinie für verschiedene Zustände. Die Kurve I zeigt die Impedanz eines unbeeinflußten Schwingkreises in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Kurve II zeigt den typischen Verlauf beim gleichen Schwingkreis, wenn dieser durch eine Annäherung eines NF-Metalles, also eines elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen Teiles, auf einen bestimmten Abstand beeinflußt ist. Die Resonanz frequenz und der Höchstwert der Impedanz sind durch die Beeinflussung verändert. Kurve III schließlich zeigt den Verlauf bei der Annäherung eines FE-Metalles also eines ferromagnetischen Teiles, auf genau den gleichen Abstand wie bei Kurve II. Bei der gezeigten gleichen Annäherung eines NF-Teiles und eines FE-Teiles ergibt sich ein Schnittpunkt P₀ der beiden Kurven II und III bei der Frequenz f₀ und bei der Impedanz Z₀. Wird nun ein solcher Schwingkreis als Sensorschwingkreis 4 mit genau der konstanten Frequenz f₀ angeregt und wird der Schaltpunkt des Pegel detektors 5 auf den Impedanzwert Z₀ eingestellt, so wird der damit hergestellte erfindungsgemäße Näherungsschalter sowohl bei der Annäherung von NF-Metallen als auch von FE-Metallen beim gleichen Abstand schalten.

In Fig. 3 sind verschiedene Möglichkeiten für die vorzugsweise lose Ankopplung 3 des Sensorschwing kreises 4 an den frequenzkonstanten Oszillator 1, bzw. soweit vorhanden, zugehörigen Frequenzteiler 2, dargestellt. Fig. 3a zeigt eine einfache kapazitive Ankopplung. Die Sensorspule 8 und der Kondensator 9 bilden den Sensorschwingkreis 4, ggfs. auch als Teil eines aktiven Filters. Der Kondensator 10 bildet die Impedanz der Ankopplung 3 an den Oszillator 1 bzw. den Frequenzteiler 2. Fig. 3b zeigt eine kapazitive Kopplung, bei der der Schwingkreiskondensator 9 in zwei Teile 9 a und 9 b aufgeteilt ist und die Ankopplung dazwischen erfolgt. In Fig. 3c erfolgt die kapazitive Ankopplung mittels des Kondensators 10 als Impedanz auf einen Abgriff der Schwingkreisspule 8. Eine induktive Ankopplung ist in Fig. 3d gezeigt. Dabei wird die Schwingungsanregung induktiv über die magnetische Kopplung der über den Kondensator 10 mit dem Oszillator verbundenen Erregerspule 11 mit der Sensorschwingkreisspule 8 übertragen.

Die Schwingungsanregung des Schwingkreises kann beim aktiven Bandpaß auch an geeigneter Stelle im Ver stärkerzweig erfolgen.

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter, mit einem Oszillator (1), mit einer von einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall (NF)- und/oder einem ferromagne tischen Metall (FE)-Auslöser (7) beeinflußbaren, in einem Schwingkreis (4) liegenden Sensorspule (8), mit einer Auswerteschaltung (5, 6), die die Schaltzustände aus dem Impedanzwert des Schwing kreises (4) ableitet, wobei die Frequenz des Oszillators (1) und der kritische Impedanzwert des Sensor-Schwingkreises (4) auf die Koordinaten (f₀, Z₀) des Schnittpunktes (P₀) der für jeweils gleichen Schaltabstand sich ergebenden Impedanz/Frequenz-Kennlinien für einen NF-Auslöser und einen FE-Auslöser abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Oszillator (1) frequenzkonstant arbeitet,
b) daß der Oszillator (1) amplitudenkonstant arbeitet,
c) daß der Oszillator (1) selbst von außen nicht beeinflußbar ist,
d) daß der Sensorschwingkreis (4) über eine Impedanz (3) an den Oszillator (1) angeschlossen ist und
e) daß die vom Oszillator (1) an die Impedanz (3) gelieferte Frequenz etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Sensorschwingkreises (4) liegt.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Oszillator (1) durch einen Keramik- oder Quarzschwinger gesteuert wird, also beispielsweise ein Quarzoszillator ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (1) einstellbar ist.

4. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Oszillators (1) einstellbar ist.

5. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oszillator (1) und der Koppelimpedanz (3) ein fester oder einstellbarer Frequenzteiler (2) angeordnet ist.

6. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschwingkreis (4) Teil eines aktiven schmalbandigen Bandpaßfilters ist.

7. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises (4) einstellbar ist.

8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Sensorschwingkreises (4) durch Zuschalten von festen oder einstellbaren ohmschen Anteilen einstellbar ist.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet daß die Verstärkung des aktiven Bandpaß filters einstellbar ist.

10. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltpunkte des Pegeldetektors (5) einstellbar sind.