DE10003913A1 - Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter mit großem Schaltabstand - Google Patents

Abstract

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter mit großem Schaltabstand, dieser besteht aus einem kontaktlosen Schalter und einer Steuerlogik, um eine oder mehrere Funktionen auszulösen, wenn sich ein elektrisch leitendes oder magnetisch leitendes Objekt in axialer oder radialer Richtung zur aktiven Fläche des Sensors nähert oder entfernt, dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A - daß aus 3 Wicklungen (3/1, 3/2, 2/2) zwei Spulenpaare (3, 2) gebildet werden und zur induktiven Kopplung sind diese im Näherungsschalter (1) so angeordnet, daß die zwei Stirnflächen der einen Primärspule (3/1) auf jeweils eine Stirnfläche der Sekundärspulen (3/2, 2/2) gerichtet sind, wobei die zweite Stirnfläche des Spulenpaars (3) auf das elektrisch leitende Objekt (9/1) gerichtet ist, DOLLAR A - daß dieser Sensor durch die magnetische Erregung der Primärspule (3/1) mittels einem Stromimpuls (21) aktiviert wird, um bei einer zu- oder abnehmenden Deckung des Objekts (9/1) mit dem Spulenpaar (3) eine Änderung des Sekunddärsignals (5/2, 5/3) zu bewirken, das Differenzsignal (22) wird aus der Spannungsdifferenz der zwei Sekundärsignale (5/2, 5/3 und 5/1, 5/3) gebildet und zur Steuerung von Funktionen verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen induktiven Sensor, dieser detektiert alle elektrisch und magnetisch leitfähigen Objekte, es werden durch den Näherungsschalter ein oder mehrere Schaltabstände festgestellt, um daraus eine Funktionen abzuleiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 42 04 334 C2 ist eine solche Vorrichtung zur Erkennung der Unterbrechungen in den metallischen Bahnen bekannt, bei welchem das Fahrzeug von einem bestimmten Standort aus durch eine kontaktlose, induktive Kopplung zu einem bestimmten Zielort gelenkt wird. Die Vorrichtung weist einen Lenkantrieb, einen Antriebsmotor sowie eine Steuerlogik auf. Zur induktiven Kopplung wird eines der zwei in Fahrtrichtung nebeneinander liegenden Spulenpaare verwendet, mit jeweils einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, deren Stirnflächen jeweils parallel zu einer metallischen Bahn ausgerichtet sind und bei Bestromung der beiden Primärwicklungen in den beiden Sekundärwicklungen jeweils Spannungen induziert werden, eine Sekundärspannung wird zur Steuerung des Antriebsmotors durch die Steuerlogik auswertet. Wobei die zwei Spulenpaare samt metallischer Bahn jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind, und die metallische Bahn elektrisch leitend ausgebildet ist, um bei größer werdender Deckung mit der Stirnfläche eines Spulenpaares eine zunehmende Bedämpfung der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung eines Spulenpaares zu bewirken. Die beiden Spulenpaare sind Bestandteile von zwei Sensoren, das Ausgangssignals eines Sensors ist ein direktes Maß für die Erkennung einer Unterbrechung in der metallischen Bahn.

Nach Maßgabe dieses Ausgangssignals wird der Antriebsmotor des Fahrzeuges gesteuert.

Dieser Sensor besteht aus einem Spulenpaar mit einer Primär- und Sekundärwicklung. Die Erkennung einer Lücke in den metallischen Bahnen wird von einer Sekundärspannung eines Spulenpaares abgeleitet, dessen Amplitude ansteigt, wenn die metallischen Bahnen unterbrochen sind, weil die metallischen Bahnen keine Dämpfung der Sekundärspannung bewirken können. Hat das Spulenpaar zu den metallischen Bahnen einen Abstand unter 10 mm, und sind die metallischen Bahnen ca. 100 mm breit, so ist eine Erkennung einer Unterbrechung in der metallischen Bahnen stets gewährleistet. Sind die metallischen Bahnen aus einem Federbandstahl (50 mm breit, 0,2 mm stark), und hat das Spulenpaar eine Bodenfreiheit von 20 mm zu den metallischen Bahnen ist die Änderung einer Sekundärspannung sehr gering. Bei einer Versuchsanordnung mit den oben genannten Bedingungen, erhöhte sich die Sekundärspannung von 28 V auf 28.3 V bei einer Unterbrechung in der metallischen Bahn. Eine Verdopplung der Sekundär-Windungen führt lediglich zu einer Signalerhöhung von 0,6 V, bei einem Grundsignal von 56 V. Wegen der Temperaturschwankungen, und wegen einer Beeinflussung des Stromimpulses durch Alterungstoleranzen der Bauteile ist eine sichere Auswertung des Sekundärsignals unter diesen Umständen sehr schwierig.

Bekannt sind Näherungsschalter, die mittels einem Parallelresonanzkreis von einer Kapazität und einer Induktivität und einem Operationsverstärker gebildet werden. Nach dem Einschalten der Betriebsspannung schwingt der Operationsverstärker mit einer Frequenz von 100 kHz oder bis max. 1 MHz. Die Sensorspule ist in einem Schalenkern aus einem hochpermeablen Ferritmaterial so integriert, daß ein Feld an der Abschirmöffnung des Gehäuses gebildet wird. Befindet sich ein elektrisches Objekt in diesem Feld wird er von dem elektromagnetischen Wechselfeld durchsetzt und es werden nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme erzeugt, die dem Feld Energie entziehen. Wird nun ein metallisches Objekt so weit angenähert steht dem Operationsverstärker nicht mehr die notwendige Energie zu Verfügung und die Oszillation bricht zusammen. Diese Ursache führt dazu, daß durch eine Steuerlogik zu diesem Zeitpunkt der Schalter im Näherungsschalter eingeschaltet wird. Eine Hysterese sorgt dafür, daß kein prellen des Schalters möglich ist. Der Vorteil dieses Sensor ist, daß er mit wenigen Mikrowatt elektrischer Energie betrieben werden kann. Der Schalenkern verursacht zusätzliche Toleranzen, bei einer bestimmten Bauform sind die zulässige Streuungen durch die Betriebsspannungs- und Umgebungstemperaturschwankungen relativ groß. Beim Einsatz eines Normschalters und axialer Annäherung der Norm-Meßplatte ergibt sich für einen bestimmten Typ ein Bereich von 0 bis 8,1 mm, wo der Schalter sicher eingeschaltet ist. Die Meßplatte muß einen Mindestabstand von 13,9 mm haben damit der Schalter sicher ausgeschaltet ist. Die mechanische Hubbewegung muß bei axialer Annäherung mindestens 5,8 mm betragen. Um die Toleranzen zu verringern wird vom Hersteller empfohlen die Meßplatte radial zum Näherungsschalter zu bewegen. Ein üblicher Näherungsschalter kann nur einen Schaltabstand erkennen, wobei die Genauigkeit des Schaltabstandes sehr gering ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß sich bei einem bestimmten Typ eines Näherungsschalters, die Ansprechzeit von 0,1 ms auf 5 ms vergrößert, wenn sich der Schaltabstand der Meßplatte von 1 mm auf 10 mm erhöht. Durch die Spule des Näherungsschalters wird mit einem Kondensator ein Parallelresonanzkreis gebildet, deren Oszillation unterbleibt, dieses ist ein direktes Maß für den Schaltabstand des Sensors zum elektrisch leitenden Objekt. Nach Maßgabe dieses Schaltzustandes 'Ein oder Aus' wird der Schaltabstand zu einem elektrisch leitenden Objekt erkannt.

Für die Vorrichtung des genauen induktiven Näherungsschalter werden stets zwei Spulenpaare verwendet und dessen Differenzsignal ausgewertet. Die zwei Spulenpaare können durch eine Primärspule und zwei Sekundärspulen gebildet werden, die zwei Spulenpaare können auch durch zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen gebildet werden. Diese zwei Spulenpaare werden z. B. axial übereinander angeordnet, so daß zur induktiven Kopplung zwei Spulenpaare dienen, ein Spulenpaar dient stets als Sensor und wird mit Sensorspulenpaar bezeichnet, dieses wird an der Abschirmungsöffnung des Gehäuses angeordnet um ein elektrisch leitendes Objektes zu erkennen, das abgewandte Spulenpaar ist nicht auf das elektrisch leitende Objekt gerichtet. Der Abstand des abgewandten Spulenpaars zum Sensorspulenpaar muß so groß sein, daß es nicht vom elektrisch leitendes Objekt beeinflußt werden kann. Das induzierte Sekundärsignal dieses Spulenpaares hat stets die gleiche Amplitude wie das Sensorspulenpaar, wenn das Sensorspulenpaar in keiner Weise durch ein fremdes metallisches Objekt gedämpft werden kann, und weil die zwei Sekundärspulen so in Reihe geschaltet sind, daß sie sich kompensieren, hat das Differenzsignal stets 0 Volt. Ist der Schaltabstand zu einem metallischen Objekt relativ groß, kann eine geringfügige Änderung des Differenzsignals sicher ausgewertet werden. Bei einem Spulenpaar mit zwei Primärspulen ist räumliche X/Y/Z-Lage des abgewandten Spulenpaares zum Sensorspulenpaar beliebig, weil das Sekundärsignal dieses Spulenpaares nur die Aufgabe hat die zwei sehr hohen Sekundärspannungen zu kompensieren.

Hier wird der Vorteil der Erfindung aufgeführt die Nachteile eingangs erwähnter Art zu eliminieren, für die Vorrichtung des genauen induktiven Näherungsschalter werden zwei Spulenpaare eingesetzt, wobei kein Schalenkern notwendig ist, die induktive Kopplung erfolgt durch einen offenen magnetischen Kreis. Bei axialer Annäherung der Meßplatte an den Näherungsschalter können n Abstandsbereiche festgestellt werden. Ist ein hoher Schaltabstand erwünscht, so kann durch die Erhöhung des Übersetzungsverhältnises, der Erhöhung der Durchmesser der zwei Spulenpaare, und durch die Erhöhung der Dicke der metallischen oder magnetischen Objekte die Empfindlichkeit wesentlich gesteigert werden. Eine Erhöhung der Betriebsspannung bewirkt einen höheren Stromimpuls und eine Erhöhung des möglichen Schaltabstands. Die max. Ansprechzeit des Schalters wird durch die Zykluszeit des Impulsgenerators bestimmt, sie bleibt im gesamten Schaltabstandsbereich der Meßplatte unverändert. Das Differenzsignal kann positiv oder negativ sein, je nach dem welches der zwei Spulenpaare durch ein elektrisch oder magnetisch leitenden Objekt gedämpft wird, im Ausführungsbeispiel wird ein positives Differenzsignal generiert. Der Grund ist, weil das negative Sekundärsignal gedämpft wird und das positive Differenzsignal konstant bleibt. Ändert sich die Betriebsspannung in der Grundstellung, d. h. ohne ein metallisches Objekt, so führt dies zu keiner Änderung des Differenzsignals, weil die zwei Spulenpaare so in Reihe geschaltet sind, daß sich die Sekundärsignale gegenseitig kompensieren. Das elektrisch leitende Objekt erzeugt Wirbelströme und entzieht dem Sensorspulenpaar Feld Energie und dadurch ändert sich das Differenzsignal, das Feld des abgewandten Spulenpaares bleibt unverändert. Besteht das Objekt aus einem Ferritmaterial oder einem Ferritstift, so wird die Polarität des Differenzsignals invertiert, weil die Feldenergie vergrößert wird. Ändern sich die Abmessungen der zwei Spulenpaare durch eine Temperaturänderung bleibt das Differenzsignal in der Grundstellung nahezu unverändert, weil sich die Abmessungen beider Spulenpaare gleichzeitig ändern. Störungen durch Fremdeinwirkungen können sich in der Regel nicht auswirken, weil Störströme auf beide Spulenpaare einwirken und sich gegenseitig kompensieren, weil beide Spulenpaare so in Reihe geschaltet sind, daß sich die Störsignale beider Spulenpaare kompensieren. Um die Kapazität der Sekundärwicklungen gering zu halten kann ein Spulendraht mit einer Isolierung verwendet werden, jedes Material, das elektrisch gut leitend ist eignet sich als Spulendraht.

Geringe Toleranzen des Schaltabstandes können durch einen stabilen mechanischen Aufbau der zwei Spulenpaare erreicht werden, deren Lage zueinander gleich bleiben muß. Werden beide Spulenpaare im Gehäuse vergossen, erhöht sich die mechanische Stabilität. Eine Gehäuseabschirmung, z. B. ein Aluminiumrohr mit einem Außengewinde sorgt für ein stabiles Verhalten bei Fremdeinwirkungen.

Durch Fertigungstoleranzen beider Spulenpaare bedingt, ist das Differenzsignal in Grundstellung nicht immer 0 Volt. Ein Abgleich des Differenzsignals kann z. B. durch Verminderung der Windungsanzahl der Primär- oder Sekundärspule erreicht werden, dies ist in der Regel zu aufwendig. Bestehen die zwei Spulenpaare aus drei Spulen, so werden zwei Spulen fixiert und eine Spule wird in axialer Richtung justiert bis das Differenzsignal den Spannungswert von 0 Volt hat. Bestehen die zwei Spulenpaare aus vier Spulen, so werden zuerst drei Spulen fixiert, mit der vierten Spule erfolgt der Abgleich. Hat das Differenzsignal in der Grundstellung nicht 0 Volt, ist es möglich ein Spulenpaar durch ein kleines Metallstück zu dämpfen, z. B. durch eine selbstklebende Aluminiumfolie, die auf die Stirnseite eines Spulenpaares befestigt wird. Der Abgleich sollte stets im eingebauten Zustand erfolgen. Erfolgt die Fertigung der Spulenpaar mit sehr geringen Toleranzen, so ist nicht unbedingt erforderlich, daß das Differenzsignal in Grundstellung den Spannungswert 0 Volt hat, es muß nur auf die Polarität geachtet werden. Durch zwei einstellbare Widerstände können z. B. zwei Schaltabstände eines Näherungsschalter eingestellt werden.

Das Differenzsignal muß in der Grundstellung des Näherungsschalter nicht den Spannungswert von 0 Volt haben, es kann eine negative oder positive Amplitude haben. Damit kann erreicht werden, daß die Toleranz eines Schaltabstands bei einer Änderung der Betriebsspannungs geringer wird, wenn genau im Schaltabstand durch ein metallisches Objekt, das Differenzsignal auf den Spannungswert von 0 Volt gedämpft wird. Der Schaltabstand wird z. B. durch einen einstellbaren Widerstand vom Anwender abgeglichen. Um einen möglichst großen Schaltabstand zu erreichen wird das Differenzsignal in der Grundstellung auf den Wert von 0 Volt abgeglichen.

Haben die zwei Spulenpaare nur eine Primärspule, so ist diese in der Mitte angeordnet und diese induziert in jede Sekundärspule ein Sekundärsignal, ein Sekundärsignal ist positiv das andere ist negativ, beide haben in der Grundstellung die gleiche Amplitude, es entsteht also kein Differenzsignal, weil beide Sekundärspulen so in Reihe geschaltet sind, daß sich deren Signale kompensieren.

Hat jedes Spulenpaar eine getrennte Primärspule kann der Schaltabstand erhöht werden, es ist zweckmäßig das Ende des Drahtes des ersten Spulenpaares der Primärwicklung mit dem Ende des Drahtes des abewandten Spulenpaares der Primärwicklung zu verbinden, weil sich dann deren Magnetfelder gegenseitig kompensieren. Dies ist daran zu erkennen, daß sich beide Spulenpaare gegenseitig abstoßen. Die Spulenpaare können auf zwei oder vier Spulen gewickelt sein, bei Backspulen entfällt der Spulenkörper, große Spulenpaare können auf einer Leiterplatte kaschiert werden.

Bedingt durch die zuvor genannten Maßnahmen wird eine höhere Empfindlichkeit erreicht, die Amplitude des Differenzsignals steigt bei Annäherung des elektrisch leitenden Objekts an. Kann stets von dem gleichen Objekt ausgegangen werden, so kann der Schaltabstand aus der Höhe der Amplitude des Differenzsignal abgeleitet werden, wobei die Genauigkeit der Schaltabstandes wesentlich größer ist. Der genaue induktive Näherungsschalter kann mehrere Schaltabstände haben, hat er zwei Schaltabstände, kann z. B. eine externe Last bei einem Schaltabstand von 15 mm eingeschaltet werden, die Abschaltung der externen Last erfolgt z. B. bei einem Schaltabstand von 3 mm.

Bei einer Versuchsanordnung erreicht das Differenzsignal der zwei Spulenpaare mit zwei getrennten Primärwicklungen, bei einer Betriebsspannung von 20 Volt eine positive Amplitude von 4 Volt, bei einem Schaltabstand von 0 mm, wobei das metallische Objekt aus einer 1 mm dicken Aluminiumplatte besteht. Die zwei Spulenpaare haben einen max. Wicklungsdurchmesser von 18 mm, die Primärspulen haben 60 Windungen, bei einem Drahtdurchmesser von 0,4 mm, die Sekundärspulen weisen 200 Windungen auf, bei einem Drahtdurchmesser von 0,2 mm. Die zwei Sekundärspulen sind niederohmig abgeschlossen und haben einen Abschlußwiderstand von 1 kΩ, um einen zusätzlichen Störschutz zu erreichen. Durch ein metallisches Gehäuse wird das Differenzsignal zusätzlich bedämpft, damit die Dämpfung nicht zu stark ist, darf der ohmsche Widerstand der Sekundärspulen nicht zu groß sein, außerdem sollten die Spulen einen bestimmten Freiraum zum Gehäuse haben. Das Sensorspulenpaar ist am Gehäuserand angeordnet. Die Empfindlichkeit dieser Versuchsanordnung kann weiter gesteigert werden, indem die Sekundärwindungsanzahl erhöht wird, weil durch Steigerung des Übersetzungsverhältnis eine Vervielfachung des Differenzsignals möglich ist.

Es ist verständlich, daß wegen der magnetische Erregung der Primärspule der Betriebsstrom höher ist als üblich. Bei einer Versuchsanordnung beträgt der Stromimpuls 1,8 A, die Anstiegsflanke ist 15 µs lang, bei einer Betriebsspannung von 20 Volt. Durch den Stromimpuls bedingt, muß bei einer Zykluszeit von 1 ms mit einem zusätzlichen Betriebsstrom von 10 mA gerechnet werden. Die Ansprechzeit ist mit der Zykluszeit identisch, und diese bestimmt den Betriebsstrom des genauen Näherungsschalters. Die Ansprechzeit ist für jeden Schaltabstand des Näherungsschalters gleich groß. Die beiden Spulenpaare sind dann optimiert, wenn durch die Annäherung der Meßplatte bedingt, das max. mögliche Differenzsignal erreicht werden kann. Bei vorgegeben Durchmesser des Näherungsschalters spielt die optimale Wahl der Spulenbreite und die Wahl des Drahtdurchmesser beider Spulenpaare eine große Rolle. Die Amplitude des Stromimpulses wird durch den induktiven und ohmsche Widerstand der Primärspulen und durch die Betriebsspannung bestimmt. Es ist zweckmäßig für die Primärspulen einen dickeren Drahtdurchmesser zu verwenden als für die Sekundärspule, der ohmsche Widerstand sollte nicht mehr als 10% bis 20% des Gesamtwiderstandes betragen.

Zur Verringerung des Betriebsstrom ist in der Grundstellung die Zykluszeit höher, bei der ersten Erkennung eines metallischen Objektes verringert sich die Zykluszeit. Die Abstandsmessung ist um den Weg des Objektes, das es während einer Zyklusdauer zurücklegt, ungenau.

In der Regel ist kein Schalenkern aus einem hochpermeablem Ferritmaterial erforderlich, in Sonderanwendungen können diese zur Erhöhung des magnetischen Feldes dienen, für die zwei Spulenpaare können ein oder zwei Schalenkerne eingesetzt werden.

In der Regel haben die zwei Spulenpaare die gleichen Abmessungen und die gleich Anzahl von Windungen haben. Es kann aber durchaus zweckmäßig sein, die Anzahl der Windungen nicht gleich zu halten, oder das zweite Spulenpaar aus Platzgründen im Durchmesser zu verringern, als Richtlinie gilt, daß beide Spulenpaare die gleiche Induktivität haben, und daß die Drahtlängen beider Sekundärspulen gleich lang sind.

Als Ausgangs-Halbleiterschalter kann ein Transistor, MOSFET, Thyristor oder Triacs verwendet werden. Die Auslegung des Schalters richtet sich nach der angeschlossen Last. Ein Vorteil ist die Programmierbarkeit des Näherungsschalter als Öffner oder Schließer. Der prellfreie Schalter kann als Zweileiter-, Dreileiter-, oder Vierleiterschalter ausgeführt sein. Eine Parallelschaltung oder Reihenschaltung mehreren Näherungsschaltern erfolgt nach der bekannten Methode. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Dreileiter- Schalter mit einem n-schaltenden Typ, bei einer geringen externen Last kann dieser auch als Zweileiterschalter eingesetzt werden. Der Näherungsschalter ist gegen Überspannung durch einen spannungsabhängigen Widerstand oder einer Zenerdiode geschützt. Die Schaltstufe hat eine Schutzbeschaltung und die Ausgänge können daher verpolt werden.

Die Aufgabe wurde gelöst mittels zwei axial übereinander liegenden Spulenpaare. Zum detektieren der elektrisch oder magnetisch leitenden Objekte ist nur das Sensorspulenpaar auf das Objekt ausgerichtet. Das Differenz-Signal der zwei Spulenpaare wird in Grundstellung auf den Wert von 0 Volt abgeglichen. Bei einem sehr geringen Abstand zum metallischen Objekt, und einer vollständigen Bedeckung des Sensorspulenpaars durch das elektrisch leitende Objekt steigt das Differenz-Signal auf die max. Amplitude an, das Sekundärsignal des Sensorspulenpaars wird sehr stark gedämpft, das Sekundärsignal des abgewandten Spulenpaars erreicht immer den höchst möglichen Spannungswert. Die Polarität des Differenz-Signals ist positiv, wenn das Sensorspulenpaar durch das elektrisch leitendes Objekt bedeckt ist. Beim Tausch der Funktionen der zwei Spulenpaare wird jetzt das abgewandte Spulenpaar zum Sensorspulenpaar, so bleiben die Funktionen voll erhalten, die Polarität des Differenz-Signals wird aber negativ. Eine geringfügige Änderung des Differenz-Signals ist jetzt für eine sichere Auswertung vollkommen ausreichend, weil die zwei Spulenpaare so in Reihe geschaltet sind, daß sich beide Sekundärsignale in Grundstellung kompensieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß Fremdeinwirkungen einen Stromimpuls durch beide Spulenpaare verursachen, diese Störung kann sich aber nicht auswirken weil die zwei Spulenpaare so in Reihe geschaltet sind, daß sich beide Störsignale kompensieren.

Im FTS-Bereich werden fahrerlose Flurförderzeuge eingesetzt, zur Spurführung dienen zum Teil reale stromlose Leitspuren. Diese Leitspuren bestehen in der Regel aus einem rostfreiem Federbandstahl, und sind in der Regel 50 mm breit und 0,3 mm dick. Sie werden bevorzugt, weil sie eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen. Die Dämpfwirkung dieser Leitspuren ist vergleichbar mit einer Aluminiumfolienbahn mit einer Dicke von ca. 0,01 mm. Werden zwei Näherungsschalter so in einem Fahrzeug angeordnet, daß sie in der Fahrtrichtung betrachtet nebeneinander liegen, so kann durch die Differenzsignale beider Näherungsschalter die Position zur Mitte der Leitspur ermittelt werden. Haben beide Differenzsignale den gleichen Wert, ist die Leitspur mittig zu beiden Näherungsschaltern. Ist das Differenzsignal des rechts angeordneten Näherungsschalter höher, so ist das Fahrzeug zu weit rechts von der Mitte der Leitspur. Bei einer gleichen Anordnung der Näherungsschalter und mit dem Unterschied, daß hier nicht zwei Differenzsignale ausgewertet werden, sondern jeweils 3 Schalterabstände der zwei Näherungsschalter. Der erste Schaltabstand wird erreicht, wenn ein Drittel der Spulenstirnfläche eines Näherungsschalter mit der Leitspur deckungsgleich ist, der zweite Schaltabstand wird ausgelöst, wenn ein zwei Drittel der Spulenstirnfläche mit der Leitspur deckungsgleich ist, der dritte Schaltabstand wird ausgelöst, wenn die volle Spulenstirnfläche mit der Leitspur zur Deckung kommt. Auf diese Art werden durch jeweils drei Schaltabstände, die Position des Flurförderzeuges festgestellt.

Eine Anwendung der Erfindung kommt in Betracht um z. B. einen mechanischen Positionsschalter durch einen berührungslosen Schalter zu ersetzen. Durch den genauen Näherungsschalter kann eine bestimme Position eines beweglichen metallischen Teiles oder es können n Abstandsbereiche gemessen werden. Mit Hilfe eines im Durchmesser sehr kleinen Näherungsschalters kann z. B. ein kaschierter Strichcode auf einer Leiterplatte gelesen werden. Eine weite Anwendung ist z. B. eine Verschlußüberprüfung von Flaschen, Voraussetzung ist, daß ein Metallverschluß verwendet wird. Ein Einsatz des Näherungsschalters ist möglich, wenn z. B. Nichteisemetalle getrennt werden sollen. Mit Hilfe eines Näherungsschalters kann auch eine Schweißnaht überprüft werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielseitig, ein Einsatz ist zu empfehlen, wenn Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit, Vibration den Einsatz eines mechanischen Schalters in der Funktion beeinträchtigen würden. Ebenfalls kann die Dichte der elektrisch leitenden Materialien in Flüssigkeiten durch die Spulenpaare bestimmt werden. Die elektrische Leitfähigkeit eines metallischen Teiles wird durch den Materialdickenfaktor bestimmt. Bei Näherungsschaltern beträgt die Dicke der Normmeßplatte 1 mm.

Die Vorrichtung für genaue Näherungsschalter erkennt auch Objekte aus einem magnetisch leitenden Material, je höher dessen magnetische Leitfähigkeit ist, desto größer ist die Felderhöhung, und desto höher ist auch die max. mögliche Amplitude des Differenzsignals des jetzt invertierten Differenzsignals, wenn das Sensorspulenpaar durch ein Ferritmaterial zur Deckung kommt. Das magnetische Objekt kann ein Ferritstift oder Schalenkern sein, der in ein Spulenpaar eintaucht, dadurch erhöht sich der max. mögliche Schaltabstand. Die Bewegungsrichtung des Objekts kann axial oder radial sein, die Ausbildung des metallischen oder magnetische Objektes kann beliebig sein. Durch die Polarität des Differenzsignals positiv oder negativ kann ein metallisches Objekt von einem magnetischen Objekt unterschieden werden.

Zur Vermeidung von elektrischen und magnetischen Störeinflüssen werden die zwei Spulenpaare und die Steuerlogik durch ein Metall-Gehäuse geschützt. Nur die Seite des Gehäuses, die auf das metallische oder magnetische Objekt gerichtet ist, wird durch eine Abdeckung aus einem nicht metallischen Werkstoff geschützt.

Bei Sonderausführungen und zwei Primärspulen, kann das Spulenpaar, das zur Kompensation dient außerhalb vom Gehäuse des Annäherungsschalter angeordnet sein. Bei im Durchmesser kleinen Spulenpaaren können zur Erhöhung der induktiven Kopplung beide Spulendrähte gemeinsam gewickelt werden. Die Spulenpaare können auch mittels Mikromechanik hergestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung eingangs genannter Art elektrisch und magnetisch leitende Objekte zu identifizieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Lösung der Erfindung sind zwei Spulenpaare einzusetzen, deren Sekundärsignale sich gegenseitig kompensieren um durch eine Abtastung des Differenzsignals elektrisch und magnetisch leitende Objekte zu erkennen. Für die Auslösung ist maßgebend, daß eine Stirnkante des Sensorspulenpaars mit dem elektrisch leitenden Objekte voll oder teilweise zur Deckung kommt, um aus der Amplitude des Differenzsignals, den Abstand zum elektrisch leitenden Objekt aus der bedeckten Spulenstirnfläche abzuleiten.

Bei der Toleranz des Schaltabstandes geht der zurückgelegte Weg der elektrisch leitenden Objekte während einer Zykluszeit zusätzlich ein. Beträgt die Zykluszeit für die Abtastung der zwei Spulenpaare 1 ms, und beträgt die Näherungsgeschwindigkeit 1 km/h, so kann im ungünstigen Fall ein max. Schaltabstandsfehler von 0,28 mm auftreten. Alterungs-Toleranzen der Bauteile, die den Stromimpuls und die Schaltschwelle des Komparators beeinflussen, müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Beim Erkennen von n Abstandsbereichen werden die generierten Differenzsignale am Ausgang zur Verfügung gestellt, in diesem Fall ist nur Taktgenerator, ein Impulsgenerator und ein 'One-Shot Multivibrator' notwendig. Die zwei Differenzsignale von zwei Näherungsschaltern können in Reihe geschaltet werden, dabei ist zu beachten, daß ein Differenzsignal positiv und das andere negativ ist. Sind beide Sekundärsignale positiv oder negativ, so muß der Anfang der einen Sekundärspule zum Ende der anderen Sekundärspule führen. Soll der binäre Wert der Amplituden der Differenzsignale übermittelt, so erfolgt eine Analog/Digital-Wandlung der Differenzsignale in einer Blackbox.

Durch einen Microcontroller oder Signalprozessor kann die Funktionalität des Näherungsschalters wesentlich gesteigert werden, bei weniger Bauteilen. Der Leistungs-MOSFET Transistor, der den Stromimpuls schaltet, kann direkt vom Microcontroller gesteuert werden. Um Störungen zu eliminieren kann nach der Erkennung des Schaltabstandes des metallischen Objekts eine Stromimpulsfolge ausgelöst werden. Mit einem A/D-Wandler oder Signalprozessor können die n Abstandsbereiche über serielle Bussysteme wie Profibus oder CAN weitergegeben werden. Die Datenübermittlung kann auch über Funk erfolgen. Die Ausführungen erfolgen in Zwei-, Drei- und Vierleitertechnik in Verbindung mit speicherprogrammierbaren Steuerungen. Mit Hilfe eines nicht flüchtigen Speichers im Näherungsschalter, können z. B. zwei Schaltabstände vor Ort programmiert werden. Der Näherungsschalter wird mechanisch in die Position gebracht, bei der er schalten soll. Danach wird der Pegel einer bestimmten Steuerleitung geändert, der Mikrocontroller ist im Programmier-Modus und speichert den gemessen Wert der Amplitude des Differenzsignal in einem nicht flüchtigen Speicher ab. Danach wird die Steuerleitung geändert, der Näherungsschalter ist im Betriebsmodus, der Mikrocontroller führt bei jeder Abfrage einen Vergleich mit dem hinterlegten binären Differenzsignal-Wert durch, beim Erreichen des Schaltabstandes schaltet der Ausgangs-Leistungs- MOSFET Transistor die externen Last.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen eines genauen induktiven Näherungsschalter mit einem und mehreren Schaltabständen näher erläutert, wobei die zwei Spulenpaare mit einer Primärspule und zwei Sekundärspulen ausgebildet sind, um durch die Änderung des Differenzsignal durch ein metallisches oder magnetisches Objekt eine Funktion abzuleiten.

In der Weiterbildung nach Schutzanspruch 2, wobei die zwei Spulenpaare mit zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen ausgebildet sind, um durch die Änderung des Differenzsignal durch ein metallisches oder magnetisches Objekt eine Funktion abzuleiten.

Es zeigen:

Fig. 1A zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Metallgehäuse, in diesem ist eine Primärspule und zwei Sekundärspulen integriert dessen Differenzsignal wird durch ein metallisches Objekt gedämpft, das sich radial nähert, wobei die zwei Spulenpaare samt des metallisches Objekts jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 1B zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Metallgehäuse, in diesem ist eine Primärspule und zwei Sekundärspulen integriert dessen Differenzsignal wird durch einen Ein/Aus- Schalter gedämpft, wobei die zwei Spulenpaare samt des metallischen Schalter jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 1C zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Metallgehäuse, in diesem sind zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen integriert dessen Differenzsignal wird durch ein metallisches Objekt gedämpft, das stets größer ist als ein Spulenpaar, wobei die zwei Spulenpaare samt des metallisches Objekts jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 1D zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines relativ kleinen Näherungsschalters in einem Kunststoffgehäuse, in diesem sind zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen integriert, dessen Differenzsignal wird durch einen Ferritstift erhöht, dieser taucht in das Sensorspulenpaar ein, dadurch erhöht sich der mögliche Schaltabstand. Die Erhöhung des Schaltabstandes kann auch durch einen Schalenkern bewirkt werden, wobei die zwei Spulenpaare samt des magnetischen Objekts jeweils als halboffener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 1E zeigt die Darstellung einer Induktivität einer Primärspule, und einen Stromimpuls, der durch die Primärspule fließt,

Fig. 1F zeigt die Darstellung einer Induktivität zweier Primärspulen, wobei die Primärspulen so in Reihe geschaltet sind, daß sich beide magnetischen Felder kompensieren, und einen Stromimpuls, der durch zwei Primärspulen fließt,

Fig. 1G zeigt die Darstellung der Induktivitäten zweier Primärspulen, wobei die Primärspulen so in Reihe geschaltet sind, daß sich hier beide magnetischen Felder nicht kompensieren, und einen Stromimpuls, der durch die zwei Primärspulen fließt,

Fig. 1H zeigt die Darstellung der Induktivitäten zweier Primärspulen, wobei die Primärspulen parallel geschaltet sind, und zeigt einen Stromimpuls, der durch die zwei Primärspulen fließt,

Fig. 1I zeigt die Darstellung einer runden Windung einer Primärspule,

Fig. 1J zeigt die Darstellung einer quadratischen Windung einer Primärspule,

Fig. 1K zeigt die Darstellung eines metallisches oder magnetisch leitenden Objektes,

Fig. 1L zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Metallgehäuse, in diesem sind zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen integriert, wobei in Grundstellung ein Abgleich des Differenzsignals des Näherungsschalters durch justieren einer Wicklung erfolgt, um die Fertigungstoleranzen der zwei Spulenpaare auszugleichen,

Fig. 1M zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Metallgehäuse, in diesem sind zwei Spulenpaare integriert, dessen Differenzsignal wird durch ein metallisches Objekt gedämpft, dieses hat die gleiche Ausbildung wie die Spulenpaare, wobei die zwei Spulenpaare samt des metallisches Objekts jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 2A zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters in einem Flurförderzeug in einem Metallgehäuse, in diesem sind zwei Spulenpaare integriert dessen Differenzsignal wird durch eine metallische Leitspur gedämpft, wobei die zwei Spulenpaare samt der metallischen Leitspur jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 2B zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung von zwei Näherungsschaltern in einem Flurförderzeug mit n Anstandsbereichen mit jeweils einem Metallgehäuse, in diesen sind jeweils zwei Spulenpaare integriert, die Sekundärspulen sind hervorgehoben, und dessen zwei Differenzsignale werden in Reihe geschaltet und durch eine metallische Leitspur gedämpft, wobei ein Differenzsignal positiv und das andere negativ ist, und die jeweiligen zwei Spulenpaare samt der metallischen Leitspur jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind.

Fig. 2C zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters mit n Anstandsbereichen, in diesem sind zwei axial angeordnete Spulenpaare integriert dessen Differenzsignal wird durch eine metallisches Objekt gedämpft, wobei die zwei Spulenpaare samt des metallischen Objekts als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 2D zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters, in diesem sind zwei Spulenpaare integriert, dessen magnetisches Feld wird durch ein magnetisches Objekt erhöht, wobei die zwei Spulenpaare samt des magnetischen Objekts als halboffener magnetischer Kreis ausgebildet sind,

Fig. 2E zeigt eine Darstellung einer metallischen Leitspur, diese ist auf einer Fahrbahn verlegt,

Fig. 2F zeigt im Schnitt eine Darstellung eines Näherungsschalters, mit zwei Spulenkörpern und zwei Spulenpaaren, wobei das Sensorspulenpaar auf ein metallisches Objekt gerichtet ist, das sich axial nähert, eine Steuerungsplatte mit einem einstellbaren Widerstand zur Einstellung des Schaltabstandes, eine Anzeige des Schaltabstandes mittels einer Leuchtdiode und einen Abgleich des Differenzsignals, wobei der Näherungsschalter durch ein Metallgehäuse geschützt ist,

Fig. 3A zeigt eine Prinzipschaltung eines Näherungsschalters, ein Taktgenerator und Stromimpulsschalter generieren einen Stromimpuls, der durch eine Primärspule der zwei Spulenpaare fließt, das Differenzsignal der zwei Sekundärspulen wird durch eine Steuerlogik ausgewertet, wobei durch ein metallisches Objekt einen Schaltabstand ausgelöst wird um eine Last zu schalten,

Fig. 3B zeigt ein Impulsdiagramm mit einer Darstellung einer Taktleitung, eines Stromimpulses, eines Differenzsignals und eines Schaltvorganges,

Fig. 3C zeigt das Symbol des n-schaltenden Näherungsschalters in Dreileitertechnik,

Fig. 3D zeigt eine Prinzipschaltung eines Näherungsschalters, eines Taktgenerators, einem 'One-Shot-Multivibrators' und einem Schalter, ein Stromimpuls wird generiert, der durch eine Primärspule der zwei Spulenpaare fließt, das Differenzsignal der zwei Sekundärspulen wird am Ausgang zur Verfügung gestellt, wobei durch ein metallisches Objekt n Abstandsbereiche ausgelöst werden können, diese werden in einer Blackbox ausgewertet,

Fig. 3E zeigt ein Impulsdiagramm mit einer Darstellung einer Taktleitung, eines Stromimpulses eines Differenzsignals und einer Strobeleitung, Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1) mit einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/1) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Beide Spulenpaare (2, 3) sind axial übereinander angeordnet und sind so weit voneinander entfernt, daß keine oder nur eine geringe gegenseitige Beeinflussung möglich ist. Das metallische Objekt (9/1) ist soweit von dem Spulenpaar (2) entfernt, daß keine Dämpfung des Differenzsignals (22) möglich ist. Das Spulenpaar (2) wird durch die Spulen (311, 2/2) gebildet, das Sensorspulenpaar (3) wird durch die Spulen (3/1, 3/2) gebildet. Die Primärspule (3/1) ist mittig und axial zu den zwei Sekundärspulen (2/2, 3/2) angeordnet. Bei einer magnetischen Erregung fließt ein Stromimpuls (21) vom Spulenanschluß (4/1) über die Primärspule (3/1) zum Spulenanschluß (4/2). Dadurch wird von den Primärspule (3/1) in die Sekundärspulen (2/2, 3/2) zwei Sekundärsignale induktiv gekoppelt. An den Spulenanschlüssen (5/1, 5/3) steht das positive Sekundärsignal der Sekundärspule (2/2) an, dagegen steht an den Spulenanschlüssen (5/2, 5/3) das negative Sekundärsignal der Sekundärwicklung (3/2) an. Die Sekundärspulen (2/2, 3/2) sind so in Reihe geschaltet, daß sich die Sekundärsignale gegenseitig kompensieren, wenn kein metallisches Objekt (9/1) das Sensorspulenpaar (3) dämpfen kann. In der Grundstellung hat das Differenzsignal (22) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) den Spannungswert von 0 V. Wird nun durch ein metallischen Objekt (9/1) durch eine radiale Annäherung die Stirnfläche des Sensorspulenpaars (3) bedeckt, erzeugen die Spulenpaare (2, 3) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) ein Differenzsignal (22), es kann positiv oder negativ sein. Die Polarität des Differenzsignals (22) ist davon abhängig, ob das Sensorspulenpaar (3) oder das Spulenpaar (2) durch ein metallisches Objekt bedeckt wird, im Ausführungsbeispiel wird hier ein positives Differenzsignal generiert. Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1B, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/1) mit einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/2) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Wird nun durch ein metallischen Objekt (9/2), das hier durch einen Ein/Aus-Schalter gebildet wird, die Stirnfläche des Sensorspulenpaars (3) bedeckt, generieren die Spulenpaare (2, 3) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) ein positives Differenzsignal (22).

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1C, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/2) mit einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/3) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel führt der Spulenanschluß (5/1) zum Anfang der Sekundärspule (2/2), deren Ende ist mit dem Anfang der Sekundärspule (3/2) ist über den Spulenanschluß (5/3) verbunden und deren Ende führt zum Spulenanschluß (5/2). Bei einer magnetischen Erregung fließt ein Stromimpuls (21) vom Anfang des Spulenanschluß (4/1) über die Primärspule (2/1) deren Ende zum Ende der Primärspule (3/1) führt und deren Anfang am Spulenanschluß (4/2). Dadurch werden von den Primärspulen (2/1, 3/1) in die Sekundärspulen (2/2, 3/2) zwei Sekundärsignale induktiv gekoppelt. An den Spulenanschlüssen (5/1, 5/3) steht das positive Sekundärsignal der Sekundärspule (2/2) an, dagegen steht an den Spulenanschlüssen (5/2, 5/3) das negative Sekundärsignal der Sekundärwicklung (3/2) an. Die Spulenpaare (2, 3) sind so in Reihe geschaltet, daß sich die Sekundärsignale gegenseitig kompensieren wenn kein metallisches Objekt (913) das Sensorspulenpaar (3) dämpfen kann. In der Grundstellung hat das Differenzsignal (22), das an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) abgegriffen wird, den Spannungswert von 0 V. Wird nun durch ein metallischen Objekt (9/3) die Stirnfläche des Sensorspulenpaars (3) in axialer Richtung bedeckt, generieren die Spulenpaare (2, 3) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) ein positives Differenzsignal (22). Zur Stabilisierung wird mittels einer Abdeckung (10/1) das Differenzsignal (22) reduziert. Das metallische Objekt (9/3) ist größer als ein Spulenpaar und kann z. B. eine Leiterplatte sein, deren Kupferschichtdicke festgestellt werden soll. Bei einer Unterscheidung der Dicke von 18 µ, 35 µ und 70 µ werden für die Auswertung des Differenzsignals (22) drei Schalterabstände benötigt, die durch die Erweiterung der Prinzipschaltung nach Figur (3A) gebildet werden mittels zweier zusätzlichen Operationsverstärker, zweier Flip-Flops, zweier Abgleichwiderstände und zweier Leuchtdioden, wobei der höchste Wert der 'Dicken Anzeige' gültig ist. Mit dieser Anordnung kann auch ein Riß in einer Schweißnaht oder eine Metallart ermittelt werden, wenn die Dicke des Metalles konstant ist. Ist das Metallart immer gleich, kann z. B. auch die Dicke einer metallischen Folie gemessen werden.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1D, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines relativ kleinen Näherungsschalters (1/3), mit einem Kunststoffgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/4) jeweils als halboffener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Das magnetische Objekts (9/4) dient zur Erhöhung des Schaltabstandes und ist ein Ferritstift, dieser taucht in axialer Richtung in das Sensorspulenpaar ein. Beim Spulenpaar (2) des Näherungsschalter (1/3) ist die Sekundärspule (2/2) die Innenlage und die Primärspule (2/1) die Außenlage, beim Sensorspulenpaar (3) ist die Sekundärspule (3/2) die Innenlage und die Primärspule (3/1) die Außenlage, wobei die Funktion beider Spulenpaare (2, 3) voll erhalten bleiben. Je nach Auswertung des Differenzsignals (22) kann nach der Prinzipschaltung nach Fig. 3A ein Schaltabstand oder mehrere Schaltabstände festgestellt werden, weil das Differenzsignal (22) bei einer Annäherung des Ferritstifts (9/4) stetig ansteigt. Die Erhöhung des Schaltabstandes kann auch durch einen oder zwei Schalenkerne (8/2) aus hochpermeablem Ferritmaterial bewirkt werden, der Luftabstand zum metallischen Objekt wird durch den Schalenkern verringert. Die Induktivität steigt, der Schalenkern formt das magnetische Feld der die Spule. Nach der Prinzipschaltung nach Fig. 3D können n Abstandsbereiche festgestellt werden, weil das Differenzsignal (22) am Ausgang zur Verfügung gestellt wird, um es nach einer Spezifikation des Anwenders in einer Blackbox auszuwerten. Ein Kunststoffgehäuse kommt hier zum Einsatz, weil keine metallischen Fremdkörper eine Änderung des Differenzsignals bewirken können.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1E zeigt eine Primärspule (3/1), deren Anfang zum Spulenanschluß (4/1) führt, das Ende dieser Wicklung führt zum Spulenanschluß (4/2), die Funktion bleibt erhalten, wenn der Anfang der Primärspule (3/1) mit dem Ende vertauscht wird.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1F zeigt zwei Primärspulen (2/1, 3/1). Die zwei Felder dieser Primärspulen (2/1, 3/1) heben sich auf wenn ein Stromimpuls (21) fließt, weil der Spulenanschluß (4/1) zum Anfang des Spulendrahtes der Primärspule (2/1) führt, das Ende dieser Wicklung führt zum Ende des Spulendrahtes der Primärspule (3/1), der Anfang dieser Wicklung führt Spulenanschluß (4/2). Bei dieser Anordnung wirkt sich das magnetische Feld auf andere Komponenten nicht aus.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1G zeigt zwei Primärspulen (2/1, 3/1). Die zwei Felder dieser Primärspulen (2/1, 3/1) heben sich nicht auf wenn ein Stromimpuls (21) fließt, weil der Spulenanschluß (4/1) zum Anfang des Spulendrahtes der Primärspule (2/1) führt, das Ende dieser Wicklung führt zum Anfang des Spulendrahtes der Primärspule (3/1), das Ende dieser Wicklung führt Spulenanschluß (4/2), die Funktion bleibt erhalten.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1H zeigt zwei Primärspulen (2/1, 3/1), die parallel geschaltet sind, und deren Enden zu den Spulenanschlüssen (4/1, 4/2) führen. Der Stromimpuls (21) teilt sich auf, es ist nicht sichergestellt, daß beide Teilströme die gleiche Amplitude haben, die Funktion der Spulenpaare (2, 3) bleibt erhalten, weil beide Spulenpaare so geschaltet werden, daß sich beide Sekundärsignale kompensieren. Wenn jeweils der Anfang und das Ende jedes Spulenpaare (2, 3) parallel geschaltet werden heben sich die magnetischen Felder gegenseitig auf.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1I zeigt eine runde Windung einer Primärspule (2/1) mit dem Durchmesser D, durch die ein Stromimpuls (21) fließt. In der Regel ist die Ausbildung einer Windung des Spulenpaares (2, 3) gleich, die Funktion bleibt auch bei unterschiedlichen Ausbildungen erhalten.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1J zeigt eine Windung einer Primärspule (2/1) mit der Seitenlänge D, durch die Windung fließt ein Stromimpuls (21), deren Feldstärke ist höher, weil die Drahtlänge dieser Windung größer ist. Bei der Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter kann die Ausbildung einer Windung des Spulenpaares (2, 3) beliebig sein.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1K zeigt ein metallisches oder magnetisches Objekt (9/5), die Ausbildung kann beliebig sein, bei einer variablen Dicke.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1L zeigt einen Näherungsschalter (1/4) mit zwei Spulenpaare (2, 3), diese bestehen aus vier Wicklungen (2/1, 2/2, 3/1, 3/2). Der Abgleich des Differenz-Signals (22) auf den Spannungswert 0 V erfolgt in Grundstellung durch die justieren der Spule (2/2) in axialer Richtung. Die Funktion bleibt erhalten, wenn die Spule (2/1) justiert wird. Im Ausführungsbeispiel hat der Spulenkörper der Wicklung (2/1) einen Zapfen, auf dem der Spulenkörper der Wicklung (2/2) in axialer Richtung geführt wird, nach dem Abgleich des Differenzsignals auf den Spannungswert von 0 Volt erfolgt eine dauerhafte Fixierung der Spule (2/2).

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1M, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/5) mit einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/6) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Die Spulenpaare (2, 3) sind hier nebeneinander angeordnet, daß Sensorspulenpaar (3) ist auf das metallische Objekt (9/6) gerichtet. Beim Spulenpaar (2) ist die Primärspule (211) die Innenlage und die Sekundärspule (2/2) die Außenlage. Beim Sensorspulenpaar (3), ist die Primärspule (3/l) die Innenlage und die Sekundärspule (3/2) die Außenlage, wobei die Funktion beider Spulenpaare (2, 3) voll erhalten bleiben. Zur Stabilisierung wird mittels einer Abdeckung (10/2) das Differenzsignal reduziert, das metallische Objekt (9/6) hat hier die gleiche Ausbildung wie die Spulenpaare (2, 3). Die Spulenpaare (2, 3) haben die Form eines Dreiecks samt dem metallischen Objekt (9/6). Durch die Spulenpaare (2, 3) wird die genaue Position und der Drehwinkel eines Dreiecks (916) erkannt. Bei einer vorgegebenen Materialdicke des Objekts (9/6) erreicht das Differenzsignal (22) den max. möglichen Wert, wenn das Dreieck (9/6) mit Spulenpaar (2, 3) vollständig deckungsgleich ist.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2A, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/6) in einem Flurförderzeug mit einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/7) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Das metallische Objekt ist eine Leitspur (9/7), diese ist unter einem Bodenbelag verlegt und hat die Aufgabe eine Flurförderzeug in der Spur zu führen. Die Bodenfreiheit B des Näherungsschalter zur Leitspur ändert sich nur geringfügig. Der Näherungsschalter (1/6) tastet die Leitspur (9/7) durch die zwei Spulenpaare (2, 3) ab. Ist das Differenzsignal (22) nahezu 0 V, weil die zwei Spulenpaare (2, 3) durch die Leitspur (9/7) nicht mehr zur Deckung kommen, werden beide Antriebsmotore ausgeschaltet, um das Flurförderzeug zu stoppen.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2B, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung zweier Näherungsschalters (1/7, 1/8) mit einem Metallgehäuse (10), die Sekundärspulen (2/2, 3/2) des Näherungsschalters (1/7) und die Sekundärspulen (2/2, 3/2) des Näherungsschalters (1/8), wobei die jeweiligen Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/8) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Die zwei Näherungsschalter (1/7, 1/8) sind so in einem Flurförderzeug so angeordnet, daß sie in der Fahrtrichtung betrachtet nebeneinander liegen, so kann durch das Differenzsignal (22/1, 22/2), das durch die Differenzsignale (22) beider Näherungsschalter (1/7, 1/8) gebildet wird, die Position zur Mitte der Leitspur (9/8) des Flurförderzeuges ermittelt werden. Das metallische Objekt ist eine Leitspur (9/8), diese ist auf der Fahrbahn verlegt und hat die Aufgabe eine Flurförderzeug in der Spur zu führen. Weil die Sekundärspule (3/2) des Näherungsschalters (1/7) auf die Leitspur gerichtet ist wird ein hier positives Differenzsignal generiert. Beim Näherungsschalters (1/8) ist die Sekundärspule (2/2) auf die Leitspur gerichtet, deswegen wird hier negatives Differenzsignal (22) generiert. Die Sekundärspulen (2/2, 3/2) des Näherungsschalters (1/7) sind mit den Sekundärspulen (2/2, 3/2) des Näherungsschalters (1/8) in Reihe geschaltet, so daß am Ausgang das Differenzsignal (22/1, 22/2) am Ausgang zur Verfügung steht. Ist die Leitspur in der Mitte der zwei Näherungsschalter (1/7, 1/8), so sind dessen Differenzsignale (22) in der Amplitude gleich hoch, aber in der Polarität unterschiedlich, so daß sie sich gegenseitig kompensieren, und am Ausgang das Differenzsignal (22/1, 22/2) zur Verfügung steht. Ist das Flurförderzeug zu weit rechts der Leitspur (9/8), ist das Differenzsignal (22) des links angeordneten Näherungsschalter (1/7) höher, so daß ein positives Differenzsignal (22) entsteht. Aus der Polarität negativ oder positiv wird die Position des Flurförderzeuges zur Leitspur (9/8) abgeleitet.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2C, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/9), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/9) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Das Differenzsignal (22) hat in der Grundstellung den Spannungswert 0 Volt, mit Hilfe des Näherungsschalters (1/9) kann z. B. ein metallisches Objekt im Boden geortet werden, weil dadurch das Differenzsignal (22) erhöht wird.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2D, zeigt im Schnitt eine schematisierte Darstellung eines Näherungsschalters (1/10) in einem Metallgehäuse (10), wobei die zwei Spulenpaare (2, 3) samt des magnetischen Objekts jeweils als halboffener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Das Spulenpaar (2) ist senkrecht zum Sensorspulenpaar (3) angeordnet, die Funktion bleibt trotzdem erhalten, weil beide Spulenpaare (2, 3) so in Reihe geschaltet werden, daß sich beide Sekundärsignale gegenseitig kompensieren. Das magnetische Objekt ist nicht dargestellt, weil es eine beliebige Ausbildung haben kann, mit Hilfe des Näherungsschalters (1/10) kann der Schaltabstand erhöht.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2E zeigt ein metallisches Objekt einer Leitspur (9/11) aus einem rostfreien Federstahlband, deren Dicke und Breite variabel ist, die zwei Spulenpaare können auch durch eine metallische Folienbahn gedämpft werden, eine Aluminiumfolienbahn ist dafür sehr geeignet.

Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2F zeigt im Schnitt eine Darstellung eines Näherungsschalters (1/11) mit einem Metallgehäuse (10), zwei Spulenkörpern (8, 8/1), eines Spulenpaars (2) und (3), einen Wicklungsfreiraum (6/5), eine Steuerungsplatte (6), einen Schaltabstands-Abgleich (6/1), eine Anzeige des Schaltabstandes (6/2), einen Abgleich des Differenzsignals (6/6), zwei Befestigungsmuttern (7, 7/1), einen Gehäusedeckel (10/4), ein Anschlußkabel (10/5), eine Kabelverschraubung (10/3) und ein metallisches Objekt (9/12), das sich axial nähert, wobei auf dem Spulenkörper (8) die Wicklung der Sekundärspule (2/2) und des Sensorspulenpaars (3) gewickelt sind, wobei auf dem Spulenkörper (8/1) die Wicklung der Primärspule (2/1) gewickelt ist, wobei das abgewandte Spulenpaar (2) aus den Spulen (2/1, 2/2) besteht, wobei das Sensorspulenpaar aus den Spulen (3/1, 3/2) besteht, und wobei die Spulenpaare (2, 3) samt des metallisches Objekts (9/12) jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind. Das Gehäuse (10) ist mit einem Außengewinde versehen und besteht wie der Gehäusedeckel (10/4) aus einem elektrisch leitenden Material. Um die Kapazität der Primärwicklung (3/1) zu der Sekundärwicklung (312) gering zu halten, ist zwischen beiden Wicklungen ein Freiraum (6/5), der sich z. B. durch mehrere Isolierlagen ergibt. Damit der Abstand der Wicklung des Sensorspulenpaars (3) zum metallischen Objekt (9/12) möglichst gering gehalten werden kann, dient eine Seite des Spulenkörpers (8) als Gehäusewand. Der Spulenkörper (8) bildet mit dem Spulenpaar (3) und der Sekundärspule (2/2) eine Einheit, dies hat den Vorteil das sich die Lage der zwei Spulenpaare (2, 3) zueinander nur durch den Abgleich (6/6) des Spulenkörpers (8/1) ändern kann. Das Differenzsignal (22) wird in der Grundstellung abgeglichen, in dem die axiale Lage des Spulenkörper (8/1) mit der Primärspule (2/1) durch den Abgleich (6/6) veränderbar ist. Durch einen einstellbaren Widerstand (6/1) auf der Steuerungsplatte (6) erfolgt die Einstellung des Schaltabstandes, der Zustand des Schaltabstandes wird mittel einer Leuchtdiode (6/2) angezeigt, die von außen von allen Seiten sichtbar ist. Damit der Schaltabstand nur geringfügig abweicht, sollte nur ein bestimmtes Objekt (9/12) verwendet werden. Bei der Montage des Näherungsschalters (1/11) ist zu beachten, daß die üblichen Freiräume für Näherungsschalter eingehalten werden. Die Befestigung des Näherungsschalter erfolgt durch zwei Muttern (7, 7/1). Eine dauerhafte Fixierung der Spulen und der Steuerungsplatte (6) erfolgt durch ein Gießharz, so daß bei Schock- und Schwingungsbeanspruchung die Funktionsfähigkeit voll erhalten bleibt. Der Näherungsschalter (1/11) ist ein Ausführungsbeispiel, ein anderer mechanischer Aufbau kann sich durchaus als zweckmäßig erweisen, auch das Differenzsignal (22) kann durch andere Maßnahmen abgeglichen werden. Die Anpassung an eine bestimme Aufgabe erfolgt zuerst durch die Größe des Durchmessers des Spulenpaares (2, 3) und den Einsatzort. Bei minimalen Anforderungen hat der Näherungsschalter (1/11) die Schutzart IP00, bei höchsten Anforderungen kommt ein Näherungsschalter (1/11) mit der Schutzart IP68 zum Einsatz. Anstelle eines abgeschirmten Anschlußkabels (10/5) kann auch eine Steckverbindung als Schnittstelle dienen, die Meldungen der Schaltabstände können auch kabellos über Funk übermittelt werden.

Die Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter, gemäß der Prinzipschaltung nach Fig. 3A, 3B stellt eine Steuerlogik dar, um mittels zweier Spulenpaare (2, 3), einen Schaltabstand abzuleiten und eine externe Last (R24) ein- oder auszuschalten. Die Steuerlogik besteht im wesentlichen aus einem Taktgenerator (15) einem Impulsgenerator (20), einem Operationsverstärker (33), einem Flip-Flop (35), einem Leistungs-MOSFET (T4), einem Schaltabstands- Abgleich (6/1) mittels dem einstellbaren Widerstands R8, und einer Anzeige des Schaltabstands (6/2). Mittels der Kondensatoren C8 und C9 werden die Spannungsspitzen der Betriebsspannung (44) geglättet. Die Primärspule (3/1) wird magnetisch erregt, um durch ein metallisches Objekt (9/1) eine externe Last (R24) einzuschalten. Die positive Betriebsspannung wird durch die Leitung (44) zugeführt, die Leitung (46) GND hat das Potential von 0 Volt. An der Betriebsspannung (44) und der Anschlußleitung (45) wird eine externe Last R24 angeschlossen. In einem Näherungsschalter sind zwei Spulenpaare (2, 3) mit einer Primärspule (3/1) und den Sekundärspulen (2/2, 3/2) so angeordnet, daß die Primärspule (3/1) zwischen den zwei Sekundärwicklungen (2/2, 3/2) in axialer Richtung angeordnet ist, und die Stirnseite der Sekundarspule (3/2) auf ein metallisches Objekt (9/1) gerichtet ist. Ein Vertausch der Sekundärspulen (2/2, 3/2) führt zu keiner Beeinträchtigung, außer daß hier ein negatives Differenzsignal (22) generiert wird. Im Ausführungsbeispiel wird durch die Steuerlogik ein positives Differenzsignal (22) generiert, weil das Sensorspulenpaar (3) mit einem metallisches Objekt (9/1) zur Deckung kommt.

Der Spulenanschluß (4/1) führt zum Anfang der Primärspule (3/1) das Ende der Primärspule (3/1) führt zum Spulenanschluß (4/2). Der Spulenanschluß (5/1) führt zum Anfang der Sekundärspule (2/2), deren Ende führt zum Spulenanschluß (5/3) und verbindet das Ende der Sekundärspule (3/2), deren Anfang führt zum Spulenanschluß 5/2. Da Anfang und Ende beider Sekundärspulen (2/2, 3/2) vertauscht sind, ist an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) nur das Differenzsignal (22) der zwei Sekundärsignale der Sekundärspulen (2/2, 3/2) wirksam, wenn ein Stromimpuls (21) durch den Impulsgenerator (15) ausgelöst wird. Durch die Primärwicklung (3/1) fließt ein Stromimpuls (21) vom Spulenanschluß (4/1) zum Spulenanschluß (4/2), dadurch werden von der Primärspule (3/1) in die Sekundärspulen (2/2, 3/2) zwei Sekundärsignale induktiv gekoppelt. An den Spulenanschlüssen (5/1, 5/3) steht das positive Sekundärsignal der Sekundärspule (2/2) an, dagegen steht an den Spulenanschlüssen (5/2, 5/3) das negative Sekundärsignal der Sekundärspule (3/2) an. Je nachdem, ob die Stirnflächen des Spulenpaars (3) von einem metallischen Objekt (9/1) bedeckt sind, erzeugen die Sekundärspulen (2/2, 3/2) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) kein Differenzsignal (22), oder ein positives Differenzsignal (22). Die Sekundärspulen (2/2, 3/2) liefern an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) kein Differenzsignal (22) oder nur ein geringes Differenzsignal (22), wenn kein metallisches Objekt (9/1) das Sensorspulenpaar (3) bedeckt. Die Sekundärspulen (2/2, 3/2) liefern an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) den höchst möglichen Wert eines positives Differenzsignals (22), wenn ein sehr gutes elektrisch leitfähigen Objekt (9/1) die Stirnfläche des Sensorspulenpaars (3) vollständig und ohne Schaltabstand bedeckt.

Der Taktgenerator (15) ist nach einer üblichen Schaltung ausgeführt und besteht aus einem Inverter, dem RC-Glied R1 C1, den Widerständen R2, R3, und einer Diode D2. Nach Einschalten der Betriebsspannung ist der Taktgenerator (15) betriebsbereit, so daß die Taktleitung (19) zyklisch einen positiven Impuls von etwa 20 µs und einen negativen Impuls von ca. 1 ms generiert, die Taktleitung (47) ist invertiert. Das Tastverhältnis des Taktgenerators (15) ist durch Änderung des Widerstandes R3 veränderbar, die Zykluszeit der Taktleitung (19) wird durch das RC-Glied R1 und C1 bestimmt, der Abgleich der Zykluszeit erfolgt durch Änderung des Widerstandes von R2. Bei einer hohen Annäherungsgeschwindigkeit eines metallischen Objektes (9/1) muß die Zykluszeit des Taktgenerators (15) verringert werden, der Widerstandswert von R1 wird erniedrigt.

Der Impulsgenerator (20) besteht aus einem Leistungs-MOSFET Transistor T1 und einem RC-Glied R5 und C3, einer Diode D1, einem RC-Glied R4 und C2, dieses RC-Glied sorgt für eine Verrundung der Anstiegsflanke des Stromimpulses (21). Die Diode D1 am Spulenanschluß (4/1) hat die Aufgabe das negative Primärsignal zu begrenzen. Der Widerstand R5 ist über die Leitung (44) an der Betriebsspannung angeschlossen. Während der Zeit, wenn die Taktleitung (19) einen Low-Pegel hat, ist der Leistungs-MOSFET Transistor T1 gesperrt, und über den Widerstand R5 wird der Kondensator C3 aufgeladen. Die Ladezeit wird beendet, wenn am Spulenanschluß (4/1) die Amplitude der Betriebsspannung (44) ansteht. Der Stromimpuls (21) wird mit einem High-Pegel der Taktleitung (19) ausgelöst, indem über das RC-Glied R4 und C2 die Spannung stetig ansteigt und schließlich der Leistungs-MOSFET Transistor T1 schaltet, und der Kondensator C3 sich über die Primärspule (3/1) und die Drain- Sourse-Strecke des Leistungs-MOSFET Transistors T1 entladen kann. Durch den Stromimpuls (21) wird bei der Anstiegsflanke und abfallenden Flanke jeweils ein Sekundärsignal in den Sekundärspulen (2/2, 3/2) induktiv gekoppelt, das als Differenz an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) als Differenzsignal (22) ansteht.

Im Ausführungsbeispiel wird das Differenzsignal (22) ausgewertet, das bei der Vorderflanke des Stromimpulses (21) entsteht.

Der Abschlußwiderstand R6 ist an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) angeschlossen und bewirkt einen zusätzlichen Störschutz des Differenzsignals (22). Am Spulenanschluß (5/2), wird das Differenzsignal (22) auf einer Seite durch den Kondensator C4 wechselstrommäßig zur Betriebsspannung (44) kurz geschlossen. Das Widerstandsverhältnis der Widerstände R7 + R8 zu R9 bestimmt das Potential am Spulenanschluß (5/2), das Potential hat hier die Hälfte der Betriebsspannung (44). Der Schaltabstand (6/1) wird durch R8 eingestellt, die Widerstände R22 und R23 dienen zur Erzeugung einer Hysterese, und sind nach einer üblichen Schaltung ausgeführt, nur wenn das Differenzsignal (22) höher ist als der Spannungsabfall an R8 plus dem Spannungswert durch die Hysterese kann der Operationsverstärker (33) die Leitung (34) kurzzeitig auf nahezu 0 Volt schalten. Die Betriebsspannung der Leitung (44) dient als Betriebsspannungszuführung für die CMOS-Bausteine und die externe Last (R24). Das RC-Glied R17 und C5 ist über die Leitung (40) mit einem Eingang des Flip-Flop (35) verbunden. Über den Widerstand R17 wird die Betriebsspannung (44) zugeführt. Der Kondensator C5 wird beim Einschalten der Betriebsspannung (44) aufgeladen, und dadurch steigt die Spannung an der Leitung (40) an, bis der Kondensator C5 aufgeladen ist, an. Während dieser Zeit entsteht ein kurzer Low- Impuls und setzt das Flip-Flop (35) in die Grundstellung zurück. Die Leitung (37) geht auf einen High-Pegel, die Anzeige (6/2) des Schaltabstandes wird über die Steuerleitung (37) ausgeschaltet. Gleichzeitig ändert sich die Leitung (36) auf einen Low-Pegel, so daß der Leistungs-MOSFET Transistors T4 gesperrt ist und die externe Last (R24) über die Steuerleitung (45) ausgeschaltet wird. Über den Widerstand R15 wird der Eingang des Flip-Flop (35) über die Leitung (34) auf einen High-Pegel gehalten.

Um eine Schaltfunktion bei einer bestimmten Schwelle eines positiven Differenzsignals (22) auszulösen, wird das Differenzsignal (22) am - Eingang des Operationsverstärkers (33) zugeführt. Am + Eingang des Operationsverstärkers (33) steht eine positive Referenzspannung an, diese Spannung entsteht durch den Strom durch den Widerstand R8 und die Hysterese des OP's (33). Beträgt das positive Differenzsignal z. B. + 300 mV, so wird der Wert von R8 so festgelegt, daß der Spannungsabfall an R8 und die Hysterese des OP's ca. 270 mV beträgt. Übersteigt die Amplitude des positiven Differenzsignals (22) diesen Wert, schaltet der Operationsverstärker (33). Weil die Impulsbreite des Differenzsignals (22) gering ist, entsteht beim Schalten des Operationsverstärkers (33) am Ausgang (36) ein kurzer Low-Impuls. Die Leitung (34) verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers (33) mit dem Eingang des Flip-Flop (35), so daß bei einem kurzen Low-Impuls das Flip-Flop (35) gesetzt wird. Die Steuerleitung (36) des Flip-Flop (35) führt zum Gateanschluß des Leistungs-MOSFET Transistors T4. Wird das Flip-Flop (35) gesetzt, so wird die Steuerleitung (36) auf einen High-Pegel geschaltet, der Leistungs-MOSFET Transistor T4 wird leitend, und die externe Last R24 wird eingeschaltet. Gleichzeitig wird der 'Ein-Zustand' des Schaltabstandes über die Steuerleitung (37) und der Anzeige des Schaltabstandes (6/2) angezeigt, indem die Steuerleitung (37) auf einen Low-Pegel schaltet, und über die Betriebsspannung (44) und den Widerstand R20 und die Leuchtdiode (6/2) und Steuerleitung (37) und über den Ausgang des Flip-Flops (36) ein Strom fließen kann, der durch den Widerstand R20 begrenzt wird.

Nun sei der Fall angenommen, daß die Betriebsspannung (44) des Näherungsschalters eingeschaltet wird. Der Kondensator C5 wird aufgeladen, und dadurch steigt die Spannung an der Leitung (40) an, bis der Kondensator C5 aufgeladen ist, an. Während dieser Zeit entsteht ein kurzer Low-Impuls und setzt das Flip-Flop (35) in die Grundstellung zurück. Die Leitung (37) wird auf einen High-Pegel gehalten, so daß die Leuchtdiode (6/2) ausgeschaltet wird, gleichzeitig ändert sich die Leitung (36) auf einen Low-Pegel, so daß der Leistungs-MOSFET Transistors T4 gesperrt ist und die externe Last (R24) über die Steuerleitung (45) ausgeschaltet ist.

Nun sei der Fall angenommen, daß die Taktleitung (19) von einem High- Pegel auf einen Low-Pegel schaltet, der Leistungs-MOSFET Transistor T1 des Impulsgenerators (20) ist gesperrt, so daß der Kondensator C3 über die Betriebsspannung (44) und den Widerstand R5 geladen wird. Der Ladevorgang wird beendet, wenn der Kondensator C3 am Spulenanschluß (4/1) die Amplitude der Betriebsspannung (44) erreicht hat.

Nun sei der Fall angenommen, daß die Taktleitung (19) von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel schaltet, so werden zwei unterschiedliche Funktionen gleichzeitig bewirkt, das Flip-Flop (35) wird in die Grundstellung gebracht und ein Stromimpuls (21) wird ausgelöst. Das Flip-Flop (35) wird in die Grundstellung gebracht, durch die invertierte Taktleitung (47), einem Inverter, eines RC-Gliedes R21 und C6, einem weiteren Inverter, einem Widerstand R16, so daß ein sehr kurzer Low-Impuls generiert wird, der an der Leitung (39), dem Widerstand R16, und dem Eingang des Flip-Flops (35) ansteht, so daß die Steuerleitung (36) auf einen Low-Pegel schaltet der Leistungs-MOSFET Transistor T1 kurzzeitig ausgeschaltet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat dies ohne Bedeutung. Gleichzeitig ändert sich Leitung (37) auf einen High-Pegel, so daß die Leuchtdiode (6/2) ausgeschaltet wird. Nun sei der Fall angenommen, daß ein Stromimpuls (21) ausgelöst wird, in dem der Leistungs-MOSFET Transistor T1 des Impulsgenerators (20) leitend wird, so daß der Kondensator C3 sich über die Primärspule (3/1) entladen kann, und zwar fließt ein Stromimpuls (21) vom Kondensator C3 über den Spulenanschluß (4/1) der Primärspule (3/1), durch die Induktivität (3/1), über den Spulenanschluß (4/2) über den leitenden Transistor T1 zum Masseanschluß des Kondensator C3. Sind die Stirnflächen des Sensorspulenpaars (3) vollkommen frei von einem elektrisch oder magnetisch leitenden Objekt (9/1), so werden durch eine induktive Kopplung in den Sekundärspulen (2/2, 3/2) zwei gleich große Sekundärsignale induziert, die sich gegenseitig kompensieren, und deren Differenz als Differenzsignal (22) an den Spulenanschlüssen (5/1, 5/2) zur Verfügung steht. Das Differenzsignal (22) hat den Spannungswert von 0 Volt oder ist sehr gering, dieses wird am Eingang des Operationsverstärkers (33) zugeführt, und weil es so gering ist kann der Operationsverstärker (33) nicht schalten und die Steuerleitung (36) bleibt auf einen Low-Pegel, die externe Last R24 ist weiterhin ausgeschaltet.

Nun sei der Fall angenommen, daß sich dem Sensorspulenpaar (3) ein metallischen Objekt (9/1) nähert, so steigt das Differenzsignal (22) stetig an, das am Eingang des Operationsverstärkers (33) ansteht, und weil die Amplitude des Differenzsignals (22) höher ist, als der Spannungsabfall am Widerstand R8 und die Hysterese schaltet der Operationsverstärker (33) die Leitung (34) mit einem kurzen Low-Impuls, das Flip-Flop (35) wird gesetzt, und die Steuerleitung (36) geht auf einen High-Pegel, der Leistungs-MOSFET Transistor T4 wird leitend und die externe Last R24 wird über die Steuerleitung (45) eingeschaltet. Gleichzeitig geht die Steuerleitung (37) auf einen Low-Pegel, und die Leuchtdiode (6/2) wird über Steuerleitung (37) eingeschaltet.

Der Impulsgenerator (20) wird zyklisch durch den Taktgenerator ausgelöst, so daß durch den nächsten Stromimpuls (21) wiederum ein Differenzsignals (22) generiert wird. Ist das Differenzsignal (22) geringer ist als der Spannungsabfall an R8 plus dem Spannungswert durch die Hysterese, kann der Operationsverstärker (33) die Leitung (34) nicht mehr auf 0 Volt schalten, und somit kann das Flip-Flop (35) nicht gesetzt werden. Das Flip-Flop (35) bleibt in der Grundstellung gebracht, so daß die Steuerleitung (36) auf einen Low-Pegel bleibt, und der Leistungs-MOSFET Transistor T1 die Last R24 über die Leitung (45) weiter ausgeschaltet ist. Die Leitung (37) bleibt auf einen High-Pegel, so daß die Leuchtdiode (6/2) weiter ausgeschaltet ist.

Der Einfachheit halber, ist hier ein Näherungsschalter aufgeführt mit einem Schaltabstand, der nicht programmierbar ist und dessen Betriebsspannung und Ausgangsschalter gegen eine Verpolung nicht geschützt ist. Die Programmierbarkeit bezieht sich auf den Schaltertyp n-schaltend oder p- schaltend und auf die automatische Einstellung des Schaltabstandes vor Ort. Sind mehrere oder zwei Schaltabstände notwendig, so erfolgt eine Ergänzung der Prinzipschaltung nach Fig. 3A mittels einem Operationsverstärker, einem Flip-Flop, einem Leistungs-MOSFET, einem Schaltabstands-Abgleich durch einen einstellbaren Widerstand, und einer LED zur Anzeige des Schaltabstandes. Die Prinzipschaltung nach Fig. 3A führt nur ein Spulenpaar (2, 3) auf mit einer Primärspule, die Varianten der Ausführungen der Spulenpaare (2, 3) sind im wesentlichen nach Fig. 1n und Fig. 2n dargestellt.

Die Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter, gemäß des Schaltsymbols nach Fig. 3C zeigt das Ausführungsbeispiel eines n­ schaltenden Näherungsschalter in Dreileitertechnik, die üblichen Schutzschaltungen sind hier integriert. Der Näherungsschalter besitzt einen Verpolungsschutz und ist auch gegenüber Überbelastung und Kurzschluß geschützt, nach Aufhebung der Überlastung ist dieser wieder funktionsfähig. Zusätzlich sind Schutzdioden für das Schalten induktiver Lasten eingebaut. Durch Programmierung kann er von einem n-schaltenden Typ in p-schaltenden Typ geändert werden. Die Betriebsspannung beträgt 20 V bis 260 V DC, bei einer Variante beträgt die Betriebsspannung 20 V bis 240 V AC, mit einem Temperaturbereich von -25°C bis +80°C, die Anschlußleitung ist abgeschirmt.

Die Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter, gemäß der Prinzipschaltung nach Fig. 3D und 3E stellt eine Prinzipschaltung einer Steuerlogik dar, um mittels zweier Spulenpaare (2, 3), die in einem Näherungsschalter (1) angeordnet sind deren Differenzsignale (22) festzustellen und in einer Blackbox (49) auszuwerten, um z. B. n Abstandsbereiche durch das metallische Objekt (9/1) zu erkennen. Die Steuerlogik besteht aus einem Taktgenerator (15), einem Impulsgenerator (20), einem 'One-Shot-Multivibrators' (55) und einer Blackbox (49), in dieser wird das Differenzsignal (22) vom Anwender ausgewertet um eine bestimmte Funktion abzuleiten. Der Abschluß des Differenzsignals (22) durch den Abschlußwiderstand R6 erfolgt über das verdrillte Leitungspaar (10/5) in der Blackbox (49). Die Prinzipschaltung des Taktgenerators (15) und des Impulsgenerators (20) ist identisch mit der Prinzipschaltung nach Fig. 3A, es wird deshalb auf eine Erläuterung verzichtet. Im Unterschied dazu, wird hier durch die abfallende Flanke der Taktleitung (47) ein Strobeleitung (48) abgeleitet, um die max. Amplitude des Differenz-Signals (22, 5/2) in eine Blackbox (49) festzustellen. Der übliche 'One-Shot- Multivibrators' (55) besteht aus einem Operationsverstärker (54), den Widerständen R50 bis R52, den Kondensatoren C6 und C7 und den Dioden D3 und D4. Die Impulsbreite wird durch den Kondensator C7 und den einstellbaren Widerstand R52 festgelegt. Wenn ein Stromimpuls (21) ausgelöst wird, ändert sich die Flanke der Taktleitung (19) zuvor von Low auf High, die Taktleitung (47) ist invertiert, diese Flanke ändert sich von High auf Low. Über den Kondensator C6 wird zu diesem Zeitpunkt ein Impuls generiert, der am Eingang des Operationsverstärkers (54) ansteht. Durch das RC-Gliedes R51 und C7 wird am Ausgang des Operationsverstärkers (54) ein positiver Strobeimpuls generiert, der über die Strobeleitung (48) zur Blackbox (49) führt. Die Einstellung der Impulsbreite des Strobeimpulses erfolgt durch den einstellbaren Widerstand R52, die Dioden D3 und D4 begrenzen die negative Spannung. Mittels zwei Näherungsschalter (1/7, 1/8) nach Fig. 2B wird z. B. ein Flurförderzeug auf einer Leitspur geführt. Jeweils zwei Spulenpaare (2, 3) werden in Reihe geschaltet, die Phasenverschiebung beider Differenzsignale (22) darf nur gering sein. Bei einer radialen Annäherung kann bei gleichbleibender Bodenfreiheit B zu den metallischen Leitspur (9/8) die Deckung durch die Leitspur (9/8) gemessen werden, um z. B. daraus die Abweichung zur Mitte der Leitspur (9/8) abzuleiten. Es ist hier eine sehr hohe Stabilität des Taktgenerators (15), des Impulsgenerators (20) und des 'One-Shot-Multivibrators' (55) erforderlich. Bei einer axialen Annäherung des Objektes (9/1) kann z. B. der genaue Abstand zum metallischen Objektes (9/1) gemessen werden. Die Prinzipschaltung ist auch für die Anordnung der Spulenpaare (2, 3) nach Fig. 2C, 2D geeignet, bei der die metallischen Objekte (9/9, 9/10) in Ruhestellung sind, und die Spulenpaare (2, 3) in X/Y-Richtung bewegt werden, um z. B. die metallischen Objekte (9/9, 9/10) zu orten. In der Blackbox (49) erfolgt die Übernahme des Differenzsignals (22) durch die High/Low-Flanke der Strobeleitung (48). Die Auswertung des Differenzsignals (22) erfolgt z. B. durch einen AID-Wandler. Zum Zeitpunkt der High/Low-Flanke der Strobeleitung (48) erfolgt die Wandlung des analogen Differenzsignals (22) in einen digitalen Wert. Weil die Sekundärspule (3/2) des Näherungsschalters (1/7) auf die Leitspur gerichtet ist wird ein hier positives Differenzsignal generiert.

Claims (30)

1. Vorrichtung für einen genauen induktiven Näherungsschalter mit einem großen Schaltabstand, wobei zur induktiven Kopplung zwei Spulenpaare vorgesehen sind, deren Stirnflächen jeweils axial zu den elektrisch oder magnetisch leitenden Objekten ausgerichtet sind und bei Bestromung der Primärspule in den beiden Sekundärspulen jeweils zwei Spannungen induziert werden, deren Differenz die Steuerlogik zum Identifizieren der Schaltabstände auswertet, deren zwei Spulenpaare samt des elektrisch leitenden Objekts jeweils als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind, deren metallische Objekte elektrisch leitend ausgebildet sind, um bei einer Deckung mit der Stirnfläche eines Spulenpaares eine zunehmende Bedämpfung der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung eines Spulenpaares zu bewirken, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Primärspule (3/1) und die Sekundärwicklungen (2/2, 3/2) jedes Spulenpaares (2, 3) übereinander angeordnet sind,
• - daß die Spulenpaare (2, 3) samt des metallischen Objekts (9/1) als offener magnetischer Kreis ausgebildet sind, und
• - daß das metallische Objekt (9/1) elektrisch leitend ausgebildet ist, um bei einer Deckung mit der Stirnfläche des Spulenpaares (3) eine zunehmende Bedämpfung der induzierten Spannung in den Sekundärwicklung (3/2) des Spulenpaares (3) zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Kopplung der Spulenpaare (2, 3) zwei Primärspulen und zwei Sekundärspulen vorgesehen sind, daß nur ein Spulenpaar (3) durch das Objekt (9/3) zur Deckung kommt und das abgewandte Spulenpaar (2) in einer beliebigen X/Y/Z-Lage zum Spulenpaar (3) angeordnet ist,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Polarität des Differenzsignals (22) die Identifizierung eines elektrisch leitenden Objekts oder magnetisch leitenden Objekts abgeleitet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltabstand des Näherungsschalter (1/11) durch ein metallischen Objekt (9/12) eine bestimmte Funktion auslöst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß n Abstandsbereiche zum metallischen Objekt (9/12) ermittelt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schaltabstände vor Ort programmiert werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter T4 auf n-schaltend oder p-schaltend programmiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Spulenpaare (2, 3) beliebig ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der metallischen Objekte (9/1, 9/n) beliebig ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der magnetisch leitenden Objekte (9/4) beliebig ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (2/1, 3/1) in Reihe geschaltet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (2/1, 3/1) parallel geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Näherungsschalter (1/1) ein metallisches Objekt (9/2) identifiziert, wobei das metallische Objekt (9/2) als Ein/Aus-Schalter ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenpaar (2, 3) des Näherungsschalters (1/2) durch ein metallisches Objekt (9/3) vollständig und in einem bestimmten Abstand bedeckt wird um die Dicke des metallisches Objekt (9/3) festzustellen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Stirnflächen des Spulenpaars (2, 3) des Näherungsschalters (1/5) so ausgebildet sind wie das metallisches Objekt (9/6), um die Position und den Drehwinkel des metallisches Objekts (9/6) festzustellen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Hysterese des Operationsverstärkers (33) das Prellen des Schalters T4 verhindert wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Microcontroller die Anwahl des Stromgenerators (20) erfolgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (20) einen Sinusstromimpuls generiert.

19. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erkennen eines metallisches Objekt (9/n) die Zykluszeit der Abfrage verringert wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß über Funk eine Weitergabe der Amplituden der Differenzsignale (22) erfolgt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter T4 als Zweileiter-, Dreileiter- oder Vierleiterschalter ausgeführt wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (45) und die Betriebsspannung (44, 46) gegen eine Verpolung geschützt ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Näherungsschalter ein metallisches Objekt identifiziert, wobei das metallische Objekt als Strichcode ausgebildet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Näherungsschalter (1, 6) eine Leitspur (9/7) identifiziert um die zwei Antriebsmotore des Flurförderzeuges sofort auszuschalten, wenn keine Leitspur (9/7) identifiziert wurde.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Näherungsschalter (1,7, 1/8) eine Leitspur (9/8) abtasten, um ein Flurförderzeug auf einer stromlosen realen Leitspur (9/8) zu führen, wobei beide Differenzsignale (22) die gleiche Polarität haben, aber deren Sekundärwicklungen (3/2) so in Reihe geschaltet werden, daß sie sich gegenseitig kompensieren.

26. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenz- Signal (22) einer Blackbox (49) zugeführt wird, um eine bestimmte Funktion zu realisieren.

27. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigungstoleranzen des Spulenpaars (2, 3) durch einen einstellbaren Widerstand (6/1) ausgeglichen werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenpaars (2, 3) vier einzelne Spulen (2/1, 2/2, 3/1, 3/2) hat, und die Fertigungstoleranzen durch justieren einer Spule ausgeglichen werden.

29. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigungstoleranzen des Spulenpaars (2, 3) durch justieren der Spule (8/1) ausgeglichen werden.

30. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spulenpaare (2, 3) und die Steuerlogik durch ein Metallgehäuse (10) geschützt werden.