DE10137560A1

DE10137560A1 - Magnetfeldsensor und auf einen magnetischen Auslöser reagierender Näherungsschalter aufweisend einen Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE10137560A1
Application number: DE2001137560
Authority: DE
Inventors: Jens Mueller
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor mit einem von einem hochfrequenten Wechselstrom (1) durchströmten Metallkörper (1), insbesondere in Form eines dünnen Streifens, dessen Permeabilität (mu) eine Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke (H) besitzt, an welchem an zwei insbesondere zwischen zwei Stromeinleitungsstellen (2, 3) angeordneten Spannungsabgriffsstellen (4, 5) eine Spannung (U) abgreifbar ist, mit einer einstellbaren Konstantstromquelle (6), wobei die Permeabilität (mu) des Metallkörpers (1) in die Sättigung bringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetfeldabhängigen elektronischen Näherungsschalter, welcher durch einen sich annähernden magnetischen Auslöser betätigt wird. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Magnetfeldsensor, mittels welchem sich die Höhe eines Magnetfeldes ermitteln lässt. Einen Annäherungsschalter, der auf einen sich annähernden magnetischen Auslöser reagiert, zeigt beispielsweise die EP 0218042. Dort wird mittels einer Spulenanordnung ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Der magnetische Auslöser beeinflusst das magnetische Wechselfeld. Die Beeinflussung des magnetischen Wechselfeldes führt zur Schalterbetätigung.
Die DE 40 03 426 A1 zeigt einen magnetfeldabhängigen elektronischen Annäherungsschalter, welcher durch einen sich annähernden magnetischen Auslöser betätigt wird, mit einem durch den Auslöser beeinflussbaren HF-Schwingkreis in einer Oszillatorschaltung. Die Spulenanordnung weist einen vom Magnetfeld des Auslösers magnetisierbaren Körper auf, welcher ab einer bestimmten Magnetfeldstärke durch das äußere Magnetfeld des Auslösers unter Entdämpfung des Schwingkreises in magnetische Sättigung treibbar ist, wobei der magnetisierbare Körper aus einem amorphen oder überwiegend amorphen Metallband hoher Permeabilität besteht, dessen den Schwingungszustand der Oszillatorschaltung bestimmende Verluste mit Zunahme der magnetischen Sättigung abnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor bzw. einen magnetischen Näherungsschalter mit einem Magnetfeldsensor anzugeben, der von einfachem Aufbau ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Der im Anspruch 1 angegebene Magnetfeldsensor besitzt einen von einem hochfrequenten Wechselstrom durchströmten Metallkörper, insbesondere in Form eines dünnen Streifens wie beispielsweise das Metallband, welches die DE 40 03 426 A1 beschreibt. Die Permeabilität dieses Metallkörpers besitzt eine Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke. An dem Metallkörper sind zwei an oder zwischen zwei Stromeinleitungsstellen angeordnete Spannungsabgriffsstellen vorgesehen, an welchen die an den beiden Spannungsabgriffsstellen abfallende hochfrequente Wechselspannung abgreifbar ist. Die Höhe der Frequenz des Wechselstromes, welcher von einer Stromquelle, welche insbesondere eine einstellbare Konstantstromquelle ist, bereit gestellt wird, ist so auf die Geometrie bzw. die Materialeigenschaft des Metallkörpers abgestimmt, das sich ein nennenswerter Skineffekt ausbildet. Die "Eindringtiefe", die bei einer entsprechend hohen Frequenz nur sehr gering ist, hängt von der Permeabilität des Metallkörpers ab. Je größer die Permeabilität ist, desto geringer wird die Eindringtiefe. Dies hat zur Folge, dass bei ansteigender Permeabilität der Widerstand, den der Metallkörper dem hochfrequenten Wechselstrom entgegensetzt, größer wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass die an den Spannungsabgriffsstellen abfallende und messbare Spannung steigt. Das Ergebnis ist eine von der Höhe der magnetischen Feldstärke im Bereich des Metallkörpers abhängige zwischen den Spannungsabgriffsstellungen abfallende Spannung. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallkörper eine hohe Permeabilität besitzt und insbesondere aus einem amorphen Metallband oder überwiegend amorphen Metallband besteht. Der Metallkörper kann ein Folienstreifen von wenigen Mikrometern Stärke sein. Er kann insbesondere durch Annähern eines Permanentmagneten in eine magnetische Sättigung treibbar sein.

Die Erfindung betrifft ferner einen auf einen magnetischen Auslöser reagierenden Näherungsschalter, welcher einen Magnetfeldsensor ausbildet, wie er zuvor beschrieben worden ist. Die Spannung, die an den beiden Spannungsabgriffsstellungen abgegriffen wird, wird insbesondere gleichgerichtet. Diese, insbesondere gleichgerichtete Spannung wird bevorzugt einem Schwellwertschalter zugeführt. Dieser Schwellwertschalter kann insbesondere Teil einer Auswertestufe sein. Dem Schwellwertschalter kann ein Schaltverstärker nachgeordnet sein, dessen Ausgang der Schalterausgang ist. Betreffend die Auswerteschaltung wird auf die DE 40 03 426 A1 verwiesen. In einer Weiterbildung der Erfindung sind zwischen den beiden Spannungsabgriffsstellungen ein oder mehrere Zwischenabgriffsstellen vorgesehen. An jeder dieser mehreren Abgriffsstellen kann eine Spannung gemessen werden. Hierdurch ist eine Lagebestimmung des Auslösers möglich. Hierzu erstreckt sich der Metallkörper entlang der Bewegungsbahn des Auslösers. Der Metallkörper kann sich parallel und/oder in einem Winkel, insbesondere einem spitzen Winkel entlang der Bewegungsbahn des Auslösers erstrecken. In einer Variante der Erfindung sind zwei oder mehrere magnetisch sensitive Metallkörper vorgesehen, welche in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Mit einem der beiden Metallkörpern, welcher einer sich parallel zur Bewegungsbahn des Auslösers erstreckender Folienstreifen ist, können die beiden Endstellungen des magnetischen Auslösers ermittelt werden. Besitzt dieser Streifen zudem eine Vielzahl von Zwischenabgriffsstellen, so kann mittels eines solchen Streifens auch eine Lagebestimmung durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Lagebestimmung lässt sich erreichen, indem ein sich im wesentlichen über die gesamte Bewegungsbahn des Auslösers erstreckender streifenförmiger Metallkörper schräg zur Bewegungsbahn des Auslösers angeordnet wird. Die Höhe der zwischen den beiden Abgriffsstellen abfallenden Spannung entspricht dann dem Abstand des magnetischen Auslösers zum Metallstreifen. Eventuelle Störeffekte können durch einen zweiten, parallel zur Bewegungsbahn des Auslösers angeordneten Streifen kompensiert werden. Es ist auch möglich, den schräg zur Bewegungsbahn des Auslösers sich erstreckenden Streifen mit einer Vielzahl von Zwischenabgriffsstellen zu versehen. An jeder der Zwischenabgriffsstellung kann dann eine Spannung gemessen werden. Es ist dann einen zonenweiser Spannungsabgriff möglich. In einer Weiterbildung der Erfindung besitzt der dünne Streifen eine von der gradlinigen Erstreckung abweichende Gestalt. Er kann beispielsweise aufgerollt sein oder bogenförmig angeordnet sein. Der erfindungsgemäße Näherungsschalter dient insbesondere dazu, die Position eines Kolbens eines Pneumatikzylinders zu ermitteln. Dem zu Folge ist der Auslöser dem Kolben zugeordnet. Mit dem Näherungsschalter kann auch der Öffnungsstand einer Klappe in der Prozeßtechnik ermittelt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Ventilstellung eines Ventiles zu ermitteln. Hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen von Näherungsschaltern mit Magnetsensitiven Elementen wird auf die US 5589769, die DE 37 42 524 A1, die DE 39 15 682 C2 und die US 6160395 verwiesen. Die dortigen Anwendungsbeispiele sind grundsätzlich auch mit dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor möglich. Beispielsweise kann der Metallkörper als Widerstand in einem Hochfrequenz-Schwingkreis geschaltet sein. Der Metallkörper kann des Weiteren als Widerstand in einer Verstärkerschaltung verwendet werden. Er kann aber auch als frequenzbestimmender Widerstand in einer Multivibratorschaltung verwendet werden. Wesentlich ist ferner die Möglichkeit quasi analog Wege zu erfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipdarstellung des Magnetfeldsensors,
Fig. 2 den Verlauf der zwischen den Spannungsabgriffsstellen abgegriffenen Spannung als Funktion der Höhe des magnetischen Feldes,
Fig. 3 grob schematisch die Beschaltung eines Magnetfeldsensors,
Fig. 4 die Anordnung zweier streifenförmiger Metallkörper eines die Wegstrecke des verlagerten Auslösers ermittelnden Näherungsschalters,
Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel eines als Widerstand wirkenden Metallkörpers in einem Hochfrequenz-Schwingkreis,
Fig. 6 ein Schaltungsbeispiel eines als Widerstand wirkenden Metallkörpers in einer Verstärkerschaltung,
Fig. 7 ein Schaltungsbeispiel eines als Widerstand wirkenden Metallkörpers in einer Multivibratorschaltung und
Fig. 8 ein Schaltungsbeispiel eines Multivibrators, bei welchem der Metallkörper die Funktion eines Widerstandes besitzt zur Pulsweitenmodulation.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Metallkörper bezeichnet, welcher die Form eines dünnen Streifens besitzt. Dieser dünne Streifen besteht aus einem amorphen oder im wesentlichen amorphen Metall, dessen Permeabilität µ eine Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H besitzt. Das Material des Metallkörpers 1 ist insbesondere durch Erhöhung der Feldstärke H in die magnetische Sättigung treibbar. An den beiden Enden des Metallkörpers 1 befinden sich Stromeinleitungsstellen 2, 3, in welche ein von einer Konstantstromquelle 6 gelieferter Konstantstrom I eingeleitet wird. Bei dem Konstantstrom handelt es sich um einen Wechselstrom von etwa 5 MHz. Die Konstantstromquelle 6 kann regelbar sein.
Unmittelbar benachbart den beiden Stromeinleitungsstellen 2, 3 befinden sich zwischen diesen Stromeinleitungsstellen 2, 3 zwei Spannungsabgriffsstellen 4, 5. Die Spannungsabgriffsstellen 4, 5 und die Stromeinleitungsstellen 2, 3 können auch zusammenfallen, so dass die Wechselspannung an den Stromeinleitungsstellen 2, 3 abgegriffen wird.
Die Spannung U, die zwischen den Spannungsabgriffsstellen 4, 5 gemessen wird, hängt, wie es die Fig. 2 zeigt, von der Höhe des magnetischen Feldes H ab, welches im Bereich des Metallkörpers 1 herrscht. Je geringer der Abstand des Magneten 7 vom Metallkörper 1 ist, desto geringer wird die Spannung U. Dies ist eine Folge des Abfallens der Permeabilität µ mit der Feldstärke H und des Einflusses auf den Skineffekt derart, dass die "Eindringtiefe' bzw. die "äquivalente Leitschichtdicke" mit abnehmender Permeabilität µ größer wird. Mit dem Anstieg der "äquivalenten Leitschichtdicke" nimmt der effektive Wechselstromleitwert des Metallkörpers 1 zu. Zu Folge des konstanten Stromes E sinkt die Spannung U.
Alternativ ist auch denkbar, an den Metallkörper 1 eine konstante Spannung anzulegen und den sich bei Annäherung eines magnetischen Auslösers 7 ändernden Stromfluss I zu messen.
Die Fig. 3 zeigt die beispielhafte Beschaltung eines Näherungsschalters, bei der der Strom I mittels einer Konstantstromquelle 6 konstant gehalten wird und die Spannung U gemessen wird. Auch hier ist es möglich, die Verhältnisse umzukehren und die Spannung konstant zu halten und den Strom zu messen.
Die an den Spannungsabgriffsstellen 4, 5 abgegriffene Spannung U wird in einer Verstärker-/Gleichrichteranordnung 9 gleichgerichtet und ggf. verstärkt. Ein Schwellwertschalter 8 schaltet durch, wenn die Spannung einen Schwellwert über- oder unterschreitet. Am Ausgangsverstärker 10 liegt das Ausgangsschaltsignal an. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 handelt es sich um ein digitales Signal, der Pegel am Ausgang ist entweder high oder low.
Die Fig. 4 zeigt grobschematisch eine Variante eines alternativen Schaltungsaufbaus, mittels welchem die Wegstrecke des verlagerten Auslösers 7 ermittelbar ist. Der zugehörige Ausgang des Näherungsschalters gibt bei dieser Anordnung ein analoges Signal oder ein quasi analoges Signal ab. Die Höhe des Ausgangspegels entspricht dem Weg, den der Auslöser 7 auf seiner Bewegungsbahn 12 zurückgelegt hat. Hierzu besitzt der Näherungsschalter einen Metallkörper 1 in Form eines dünnen Streifens, der sich in schräger Ausrichtung zur Bewegungsbahn 12 im wesentlichen über die gesamte Länge der Bewegungsbahn 12 erstreckt. Zwischen den beiden Stromeinleitungsstellen 2, 3 befinden sich nicht nur die beiden oben erwähnten Spannungsabgriffsstellen 4, 5 im Bereich der Enden des Streifen 1. Zwischen den beiden Spannungsabgriffsstellen 4, 5 befinden sich mehrere Zwischenabgriffsstellen 11, so dass zonenweise Spannungen am Streifen 1 abgreifbar sind. Entsprechend der Höhe der Spannungen in den einzelnen Zonen kann die Wegstrecke des verlagerten Auslösers 7 ermittelt werden, da jede Zone einen anderen Abstand zur Bewegungsbahn 12 besitzt und der relative Spannungsabfall in der Zone am größten ist, die dem magnetischen Auslöser 7 am nächsten liegt.
Um magnetische Störungen oder dergleichen kompensieren zu können, kann ein zweiter Metallkörper 1' vorgesehen sein, der sich parallel der Bewegungsbahn 12 erstreckt. Auch dieser Metallkörper 1' besitzt zwei Stromeinleitungsstellen 2', 3 und zwei Spannungsabgriffsstellen 4', 5'.
Es ist auch möglich, lediglich einen, sich parallel zur Bewegungsbahn 12 sich erstreckenden Metallkörper 1 zu verwenden und diesen mit einer Vielzahl von Zwischenabgriffsstellen 11 zu versehen, so dass zonenweise der Spannungsabfall ermittelbar ist.
Die Formen des Sensorstreifens können beliebige Gestalt besitzen. Es können Teilkreise sein. Der Sensorstreifen 1 kann eine Winkelform besitzen. Er kann auch eine Spulenform aufweisen. Wesentlich ist, dass der Metallkörper 1 aus einem elektrisch und magnetisch leitfähigem Werkstoff besteht. Die Messung muss nicht zwingend eine 4 Punkt Messung sein. Diese ist nur zweckdienlich.
Eine 2 Punkt Messung reicht grundsätzlich aus. Der Auslöser kann von einer elektromagnetischen Spule gebildet sein oder von einem Dauermagneten.
Die Fig. 5 zeigt fragmentarisch den Teil einer Schaltung eines Näherungsschalters. Der Näherungsschalter besitzt einen von einem Kondensator C und einer Spule L gebildeten Schwingkreis. In diesen Schwingkreis ist der Metallkörper 1 als Widerstand R geschaltet. Er wirkt damit als magnetfeldabhängiges Dämpfungsglied in diesem Schwingkreis.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist fragmentarisch der Teil einer Schaltung dargestellt, bei welchem der Metallkörper 1 ebenfalls die Funktion eines Widerstandes einnimmt. Er wirkt hier zusammen mit einem Operationsverstärker OP und ist als verstärkungsbestimmender Widerstand in einer Verstärkerschaltung geschaltet.
Das Schaltungsfragment 7 zeigt ebenfalls eine Operationsverstärker-Schaltung. Hier handelt es sich um einen Multivibrator, wobei der Metallkörper 1 als magnetfeldabhängiger Widerstand R die Pulsweite des Multivibratorausgangssignals beeinflusst.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich ebenfalls um eine Multivibratorschaltung. Auch hier wirkt der magnetfeldabhängige Widerstand R mit einem Kondensator C zusammen. Er ist parallel geschaltet mit einem Festwiderstand R. Der Widerstand R' und der magnetfeldabhängige Widerstand R sind jedoch über entgegengesetzt geschaltete Dioden parallel geschaltet, so dass vom Magnetfeld nur der positive bzw. negative Signalanteil beeinflusst wird.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In der Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

1. Magnetfeldsensor mit einem von einem hochfrequenten Wechselstrom (I) durchströmten Metallkörper (1), insbesondere in Form eines dünnen Streifens, dessen Permeabilität (µ) eine Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke (H) besitzt, an welchem an zwei insbesondere zwischen zwei Stromeinleitungsstellen (2, 3) angeordneten Spannungsabgriffsstellen (4, 5) eine Spannung (U) abgreifbar ist.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine, insbesondere einstellbare Konstantstromquelle (6).

3. Magnetfeldsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität (µ) des Metallkörpers (1) in die Sättigung bringbar ist.

4. Magnetfeldsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (1) ein Folienstreifen ist.

5. Magnetfeldsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (1) aus einem amorphen Metall besteht.

6. Auf einen magnetischen Auslöser (7) reagierender Näherungsschalter, gekennzeichnet durch einen Magnetfeldsensor gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 6 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) insbesondere gleichgerichtet einem Schwellwertschalter (8) zugeführt wird.

8. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6 oder 7 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein oder mehrere zwischen den beiden Spannungsabgriffsstellen (4, 5) angeordnete Zwischenabgriffsstellen (11).

9. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-8 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Metallkörper (1) parallel und/oder in einem Winkel entlang der Bewegungsbahn (12) des magnetischen Auslösers (7) erstreckt.

10. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-9 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere magnetisch sensitive Metallkörper (1, 1'), die in einem Winkel zueinander angeordent sind.

11. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-10 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Auslöser (7) dem Kolben eines Pneumatikzylinders zugeordnet ist.

12. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-11 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter die Wegstrecke des verlagerten Auslösers (7) eines Pneumatikzylinders, die Ventilstellung eines Ventils, die Klappenstellung einer Klappe oder dergleichen ermittelt.

13. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (1) als Widerstand (R) in einem Hochfrequenz-Schwingkreis geschaltet ist.

14. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-13 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (1) als Widerstand (R) in einer Verstärkerschaltung geschaltet ist.

15. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 6-14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (1) als frequenzbestimmender Widerstand in einem Multivibrator geschaltet ist.