DE102011115922B4 - Induktiver Sensor - Google Patents

Abstract

Induktiver Sensor (1) zur Erfassung eines elektrisch leitenden Gegenstandes umfassend:
- einen LC-Schwingkreis (2) mit einer Spule (5) und einer Kapazität (6), wobei die Spule (5) eine Induktivität (3), einen Verlustwiderstand (18) und einen Dämpfungswiderstand (17) umfasst und ein Temperaturkoeffizient des Verlustwiderstandes (18) kleiner als 3 * 10^-3 K^-1 ist,
- eine Anregungseinheit (16) zum Versetzten des LC-Schwingkreises in eine elektromagnetische Schwingung und
- eine Auswerteeinheit (15) zur Erfassung einer Änderung wenigstens eines Parameters des LC-Schwingkreises (2) aufgrund des elektrisch leitenden Gegenstandes,
wobei die Anregungseinheit (16) und die Auswerteeinheit (15) mit ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen (13, 14) mit dem LC-Schwingkreis (2) elektrisch verbunden sind,
wobei der LC-Schwingkreis (2) einen elektrischen Verstärker (9) und einen in Reihe zu der Spule (5) geschalteten Messwiderstand (8) umfasst und
wobei mit dem Verstärker (9) ein Spannungsabfall aufgrund des Verlustwiderstands (18) an der Spule (5) wenigstens teilweise ausgleichbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Sensor gemäß Anspruch 1 und Verfahren zum Betreiben eines induktiven Sensors gemäß Anspruch 9.
• Induktive Sensoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Erfassung von elektrisch leitenden Gegenständen, insbesondere von metallischen Gegenständen, eingesetzt. Der induktive Sensor umfasst eine Spule als Induktivität und einen Kondensator als Kapazität, die einen LC-Schwingkreis bilden. Eine Anregungseinheit führt dem LC-Schwingkreis elektrische Energie zu, so dass der LC-Schwingkreis in eine elektromagnetische Schwingung versetzt wird. Das von der Spule erzeugte Magnetfeld induziert in dem bewegten metallischen Gegenstand im Bereich der Spule Wirbelströme, so dass dadurch die elektromagnetische Schwingung verändert bzw. dem LC-Schwingkreis Energie entzogen wird. Diese Veränderung kann mit einer Auswerteeinheit erfasst und somit der metallische Gegenstand im Bereich oder in der Nähe der Spule erfasst bzw. sensiert werden.
• Die Spulen sind im Allgemeinen mit einer Spulenwicklung aus einem Kupferdraht hergestellt, weil Kupfer einen kleinen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist und dadurch an der Spule nur ein geringer Spannungsabfall auftritt. Dies führt zu geringen Verlusten in dem LC-Schwingkreis. Kupfer weist jedoch einen großen Temperaturkoeffizienten von 3,9 * 10^-3 K^-1 auf, so dass der spezifische elektrische Widerstand stark von der Temperatur abhängt. In nachteiliger Weise hängt damit der Widerstand der Spule stark von der Temperatur ab, so dass dadurch der Abstand bzw. Schaltabstand zwischen dem metallischen Gegenstand und der Spule innerhalb dessen der metallische Gegenstand erfasst werden kann großen temperaturabhängigen Schwankungen unterworfen ist, d. h. je höher die Temperatur bzw. je höher der Widerstand der Spule ist, desto kleiner ist der Abstand innerhalb dessen der metallische Gegenstand erfasst werden kann und umgekehrt.
• Die DE 201 08 904 U1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter zum materialabhängigen Nachweis von metallischen Gegenständen mit einer Sensoreinrichtung, in welcher mindestens ein von einem metallischen Gegenstand beeinflussbarer Schwingkreis mit mindestens einer Spule vorgesehen ist, zur Erzeugung eines abstandsabhängigen Sensorsignales bei relativer Abstandsänderung zwischen metallischen Gegenstand und Sensoreinrichtung, und mit einer Auswerteeinrichtung, die mit der Sensoreinrichtung in Wirkverbindung steht, zur Auswertung des Sensorsignales und zur Erzeugung eines Schaltabstandes. Die Spulenwicklung der Spule des Schwingkreises besteht aus einer Widerstandslegierung. Widerstandlegierungen weisen einen kleinen Temperaturkoeffizienten auf, so dass dadurch der induktive Näherungsschalter bezüglich des Abstandes zwischen dem metallischen Gegenstand und der Spule, innerhalb dessen der metallische Gegenstand erfasst werden kann, nur kleinen temperaturabhängigen Schwankungen unterworfen ist. Jedoch weisen Widerstandslegierungen einen großen spezifische elektrische Widerstand auf, so dass dadurch, insbesondere bei der Verwendung von nur einer Spule, mit dem induktiven Näherungsschalter metallische Gegenstände nur in einem sehr kleinen Abstand zu der Spule erfasst werden können, weil an der Spule ein großer Spannungsabfall bzw. ein großer elektrischer Verlust auftritt, d. h. der LC-Schwingkreis stark gedämpft ist. Der induktive Näherungsschalter weist somit eine geringe Sensitivität auf.
• Die DE 29 19 983 A1 beschreibt ein Verfahren zur Prüfung der elektrischen, magnetischen oder geometrischen Eigenschaften eines Körpers oder seiner Lage durch Wechselwirkung mit einer Spule oder einem Kondensator, die in Verbindung mit einem Verstärker selbsterregte elektromagnetische Schwingungen ausführen bzw. zur Prüfung induktiver oder kapazitiver Bauelemente, die selbst Teil des Schwingkreises sind. Hierbei bildet ein Verstärker in Zusammenwirkung mit einer Spule und einem Kondensator einen selbstschwingenden Oszillator.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen induktiven Sensor und ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Sensors zur Verfügung zu stellen, der einen metallischen Gegenstand im Wesentlichen temperaturunabhängig und mit großer Sensitivität erfassen kann, wobei der induktive Sensor mit geringem Herstellungsaufwand produziert werden kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst mit einem induktiven Sensor zur Erfassung eines elektrisch leitenden Gegenstandes, insbesondere eines metallischen Gegenstandes, mit einem LC-Schwingkreis mit einer Spule und einer Kapazität, wobei die Spule eine Induktivität, einen Verlustwiderstand und einen Dämpfungswiderstand umfasst und ein Temperaturkoeffizient des Verlustwiderstandes kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, insbesondere kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1, ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit zur Erfassung einer Änderung wenigstens eines Parameters des LC-Schwingkreises aufgrund des elektrisch leitenden Gegenstandes vorgesehen, wobei die Auswerteeinheit mit dem LC-Schwingkreis elektrisch verbunden ist. Der LC-Schwingkreis umfasst einen elektrischen Verstärker und einen in Reihe zur der Spule geschalteten Messwiderstand, wobei mit dem Verstärker ein Spannungsabfall aufgrund des Verlustwiderstands an der Spule wenigstens teilweise ausgleichbar ist.
• Die Spule wird in einem Modell durch einen gesonderten Verlustwiderstand und einen gesonderten Dämpfungswiderstand repräsentiert. Tatsächlich werden der Verlustwiderstand und der Dämpfungswiderstand von der Spule selbst gebildet.
• Die Spule weist einen kleinen Temperaturkoeffizienten auf, so dass dadurch die Sensitivität bzw. der Abstand zwischen dem metallischen Gegenstand und der Induktivität, innerhalb dessen der metallische Gegenstand erfasst werden kann, nur sehr kleinen temperaturabhängigen Schwankungen unterliegt und außerdem aufgrund der Verstärkung des Stromes mit Hilfe des im LC-Schwingkreises des Sensors integrierten Verstärkers eine große Sensitivität realisiert bzw. eine Detektion des metallischen Gegenstandes in einem großen Abstand zum Sensor erreicht werden kann.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verstärker in Reihe zu der Induktivität und der Kapazität geschaltet. Der Messwiderstand ist in Reihe zu der Induktivität geschaltet, wobei der Messwiderstand elektrisch von der Induktivität zu dem Verstärker, insbesondere zu einem Eingangsanschluss des Verstärkers, verbunden ist. Der Messwiderstand ist für die elektrische Schaltung des Verstärkers in dem LC-Schwingkreis erforderlich.
• In einer weiteren Ausführungsform weist der Verstärker einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf zur Verstärkung der an dem Eingangsanschluss anliegenden Spannung bezüglich des Ausgangsanschlusses und der Eingangsanschluss ist an dem Knotenpunkt elektrisch mit einer die Induktivität und den Messwiderstand verbindenden Stromleitung verbunden und der Ausgangsanschluss ist elektrisch mit der Kapazität verbunden.
• In einer Variante entspricht der Verstärkungsfaktor des Verstärkers im Wesentlichen der Summe aus 1 und dem Verhältnis aus dem Widerstand des Verlustwiderstandes zu dem Widerstand des Messwiderstandes. Damit kann der Spannungsabfall bzw. der Verlust an der Spule aufgrund des Verlustwiderstandes im Wesentlichen ausgeglichen werden, so dass auch ein großer Widerstand der Induktivität aufgrund eines großen spezifischen Widerstandes einer Spulenwicklung die Sensitivität des induktiven Sensors nicht reduziert.
• In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Induktivität als eine Spule mit einer Spulenwicklung, insbesondere aus einem Draht und/oder einer Litze, ausgebildet.
• Zweckmäßig ist die Kapazität als ein Kondensator, z. B. ein SMD bestückbarer Keramikkondensator, ausgebildet.
• In einer zusätzlichen Variante ist der spezifische elektrische Widerstand bei 20° C der Spulenwicklung, insbesondere des Drahtes und/oder der Litze, größer als 2* 10^-6 Ω cm, vorzugsweise größer als 5 * 10^-6 Ω cm oder 10^-5 Ω cm, insbesondere größer als 2 * 10^-5 Ω cm oder 10^-4 Ω cm.
• Vorzugsweise ist der Temperaturkoeffizient der Spulenwicklung, insbesondere des Drahtes und/oder der Litze, kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, vorzugsweise kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1. Die Sensitivität des induktiven Sensors ist damit in einem nur sehr geringen Umfang von der Temperatur abhängig.
• In einer zusätzlichen Ausführungsform besteht die Spulenwicklung, insbesondere der Draht und/oder die Litze, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einer Widerstandslegierung, vorzugsweise NiCr20AlSi und/oder NiCr8020 und/oder CuNi44 und/oder CuMnl2Ni und/oder CuMn7Sn. Widerstandslegierungen weisen vorteilhafter Weise einen kleinen Temperaturkoeffizient und in nachteiliger Weise einen großen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Der Nachteil des großen spezifischen Widerstandes kann mit Hilfe des Verstärkers ausgeglichen werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperaturkoeffizient des Messwiderstandes kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, vorzugsweise kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1. Ein kleiner Temperaturkoeffizient des Messwiderstandes verhindert, dass die über den Verstärker an die Kapazität gegebene Spannung stark von der Temperatur abhängt.
• Erfindungsgemäss umfasst der Sensor eine Anregungseinheit zum Versetzten des LC-Schwingkreises in eine elektromagnetische Schwingung und die Anregungseinheit ist mit dem ersten und zweiten elektrischen Anschluss mit dem LC-Schwingkreis elektrisch verbunden. Mit der Anregungseinheit wird dem LC-Schwingkreis elektrische Energie zugeführt und dadurch der LC-Schwingkreis in eine elektromagnetische Schwingung versetzt und/oder in einer elektromagnetischen Schwingung gehalten. Die Anregungseinheit ist vorzugsweise als eine Baueinheit zusammen mit der Auswerteeinheit ausgebildet.
• In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit eine Schalteinheit, so dass bei einem erfassten Gegenstand im Bereich des induktiven Sensors der Schalter geöffnet oder geschlossen ist und bei keinem erfassten Gegenstand im Bereich des induktiven Sensors der Schalter geschlossen oder geöffnet ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist der induktive Sensor ein schaltender Sensor mit einem Schalter, wobei insbesondere bei wenigstens einem Einschalt-Bereich des wenigstens einen Parameters der Schalter geöffnet ist und bei wenigstens einem Ausschalt-Bereich des wenigstens einen Parameters der Schalter geschlossen ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist mit dem induktiven Sensor ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
• Das Verfahren zum Betreiben eines induktiven Sensors umfasst die nachstehenden Verfahrensschritte: Versetzen eines LC-Schwingkreises mit einer Spule und einer Kapazität in eine elektromagnetische Schwingung, wobei ein Strom durch eine Induktivität der Spule geleitet wird, wobei die eine Spulenwicklung der Spule einen Temperaturkoeffizient kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, vorzugsweise kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1, aufweist, Ändern wenigstens eines elektrischen und/oder magnetischen Parameters des LC-Schwingkreises mit einem elektrisch leitenden Gegenstand, Erfassen und Auswerten der Änderung des wenigstens einen elektrischen und/oder magnetischen Parameters des LC-Schwingkreises aufgrund des elektrisch leitenden Gegenstandes zur lokalen Erfassung des elektrisch leitenden Gegenstandes an dem LC-Schwingkreis, wobei die über dem Messwiderstand abfallende Spannung von einem Verstärker elektrisch verstärkt und die verstärkte Spannung der Kapazität zugeleitet wird.
• Der wenigstens eine elektrische und/oder magnetische Parameter umfasst eine Frequenz und/oder Amplitude und/oder Impedanz des LC-Schwingkreises.
• In einer weiteren Ausführungsform wird der Strom und/oder die Spannung dahingehend verstärkt, dass ein Spannungsabfall in dem LC-Schwingkreis an der Spule aufgrund des Verlustwiderstandes im Wesentlichen ausgeglichen wird und/oder der Strom durch die Induktivität, insbesondere eine Spule mit einer Spulenwicklung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand bei 20° C geleitet wird, der größer als 2* 10^-6 Ω cm, vorzugsweise größer als 5 * 10^-6 Q cm oder 10^-5 Ω cm, insbesondere größer als 2 * 10^-5 Ω cm oder 10^-4 Ω cm, ist.
• Erfindungsgemäss erfolgt die Stimulation der elektromagnetischen Schwingung des LC-Schwingkreises durch eine Anregungseinheit.
• Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
• 1 ein Schaltbild eines induktiven Sensors und
• 2 ein Diagramm einer Resonanzüberhöhung des induktiven Sensors.
• Ein induktiver Sensor 1 (1) wird in verschiedenen technischen Anwendungen zum Erfassen eines metallischen Gegenstands im räumlichen Bereich oder in der Nähe des induktiven Sensors 1 eingesetzt. Der Sensor 1 umfasst einen LC-Schwingkreis 2 und eine Auswerteeinheit 15 sowie eine Anregungseinheit 16. Der LC-Schwingkreis 2 ist mit einem ersten elektrischen Anschluss 13 und einem zweiten elektrischen Anschluss 14 elektrisch mit der Auswerte- und Anregungseinheit 15, 16 als eine Baueinheit verbunden. Mit der Anregungseinheit 16 wird dem LC-Schwingkreis 2 elektrische Energie zugeführt, so dass der LC-Schwingkreis 2 in eine elektromagnetische Schwingung versetzt wird und somit von einer Spule 5 des LC-Schwingkreises 2 ein elektromagnetisches Feld ausgesendet wird. Befindet sich in der räumlichen Nähe des LC-Schwingkreises 2 bzw. der Spule 5 ein metallischer Gegenstand bzw. wird ein metallischer Gegenstand in der räumlichen Nähe des LC-Schwingkreises 2 bzw. der Spule 5 bewegt, induziert das von der Spule 5 ausgesendete elektromagnetische Feld in dem metallischen Gegenstand einen Wirbelstrom, so dass dadurch dem in der elektromagnetischen Schwingung befindlichen LC-Schwingkreis 2 Energie entzogen wird und dadurch wenigstens ein Parameter, z. B. die Frequenz, die Amplitude oder die Impedanz, des LC-Schwingkreises 2 verändert wird. Diese Veränderung des wenigstens einen Parameters kann mit der Auswerteeinheit 15 erfasst und somit auch der metallische Gegenstand erfasst werden. Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinheit 15 auch einen Schalter, so dass beispielsweise bei einem metallischen Gegenstand in der Nähe des LC-Schwingkreises 2 der Schalter (nicht dargestellt) geschlossen ist und bei keinem metallischen Gegenstand in der Nähe des LC-Schwingkreises 2 der Schalter geöffnet ist. Alternativ kann selbstverständlich über die Auswertung des wenigstens einen Parameters auch ein analoges Ausgangssignal generiert werden.
• Der LC-Schwingkreis 2 umfasst eine Spule 5 mit einer Induktivität Ls als Induktivität 3 und eine Kapazität C als Kapazität 6, welche mit Stromleitungen 12 verbunden sind. Die Spule 5 umfasst eine Spulenwicklung mit einem Draht aus einer Widerstandslegierung, so dass der Temperaturkoeffizient des Drahtes der Spulenwicklung sehr klein ist, d. h. z. B. ungefähr 10^-5 K^-1 beträgt. Widerstandslegierungen weisen ferner einen großen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Die Spule 5 des LC-Schwingkreises 2 ist in 1 mit einem Spulenmodell als Ersatzschaltbild dargestellt. Die Spule 5 weist in dem Spulenmodell einen Verlustwiderstand 18 mit einem Verlustwiderstand R_s und einen Dämpfungswiderstand 17 mit einem Dämfpungswiderstand Rp auf. Tatsächlich werden der Dämpfungswiderstand 17 und der Verlustwiderstand 18 von der Spule 5 gebildet. Der Verlustwiderstand 18 ist eine Folge des spezifischen elektrischen Widerstandes des Drahtes der Spulenwicklung und der veränderliche Dämpfungswiderstand 17 basiert auf Wechselstromverlusten verursacht durch den metallischen Gegenstandes in der Nähe der Spule 5 sowie weiteren Effekten wie z.B. Skin- und Proximityeffekt. Die Größe Rp des Dämpfungswiderstandes 17 während einer elektromagnetischen Schwingung des LC-Schwingkreises liegt bei mehreren kQ, z. B. im Bereich von 5 bis 50 kΩ.
• In Reihe zu der Spule 5 und der Kapazität 6, die mit den Stromleitungen 12 miteinander verbunden sind, ist ein elektrischer Verstärker 9 mit einem Eingangsanschluss 10 und einem Ausgangsanschluss 11 angeordnet. Der Eingangsanschluss 10 ist elektrisch mit der Stromleitung 12 mit der Spule 5 verbunden und der Ausgangsanschluss 11 ist mit der Kapazität 6 verbunden. Die Stromleitung 12, welche die Spule 5 mit dem Eingangsanschluss 10 bzw. dem Verstärker 9 verbindet, weist einen Knotenpunkt 19 auf, an welchem ein Messwiderstand 8 an die Stromleitung 12 mit angeschlossen ist. Diese Stromleitung 12 mit dem Messwiderstand 8 ist ferner mit dem zweiten elektrischen Anschluss 14 verbunden bzw. bildet den zweiten elektrischen Anschluss 14. Der elektrische Widerstand R des Messwiderstandes 8 und der elektrische Widerstand Rs der Spule 5 bzw. der Drahtes der Spulenwicklung sind ungefähr gleich und R sowie Rs sind klein in einem Bereich von ungefähr 2 bis 30 Q. Beispielsweise sind R = R_s = 10 Ω. Der Verstärker 9 weist einen Verstärkungsfaktor A auf und der Verstärkungsfaktor A beträgt ungefähr $$\text{A}=1+{\text{R}}_{\text{s}}/\text{R}\text{.}$$

  
• Bei R = R_s = 10Ω ist der Verstärkungsfaktor A = 2. Aufgrund des Verlustwiderstandes R_s der Spule 5 tritt ein Spannungsabfall an der Spule 5 während der elektromagnetischen Schwingung des LC-Schwingkreises 2 auf.
• Dieser Spannungsabfall aufgrund des Verlustwiderstandes R_s kann somit mit dem Verstärker 9 über die Einstellung der Verstärkung im Wesentlichen ausgeglichen werden und der entsprechend verstärkte Strom der Kapazität 6 zugeführt werden. Der Draht der Spulenwicklung der Spule 5 ist aus einer Widerstandslegierung hergestellt und weist einen großen spezifischen Widerstand auf, so dass auch der daraus resultierende Verlustwiderstand R_s im Vergleich zu einem Draht aus Kupfer groß ist. Der Verlustwiderstand R_s führt zu einer Dämpfung der elektromagnetischen Schwingung des LC-Schwingkreises 2. Diese Dämpfung kann mit dem Verstärker 9 ausgeglichen werden, so dass bei einer Anregung des LC-Schwingkreises 2 mit der Anregungseinheit 16 eine größere Resonanzüberhöhung auftritt als ohne Verstärkung mit dem Verstärker 9. In 2 ist an der Abszisse die Frequenz in Hz aufgetragen und an der Ordinate die Amplitude als Spannung in V. In der oberen Kurve 20 in 2 ist die Resonanzüberhöhung mit Verstärkung und in der unteren Kurve 21 ist die Resonanzüberhöhung ohne Verstärkung abgebildet.
• Der induktive Sensor 1 weist eine Spulenwicklung aus einer Widerstandslegierung auf. Die Widerstandslegierung weist einen kleinen Temperaturkoeffizienten auf, so dass der induktive Sensor 1 in seiner Sensitivität, d. h. dem Grad der Veränderung wenigstens eines Parameters des LC-Schwingkreises 2 bei einem metallischen Gegenstand in der Nähe der Spule 5, nur sehr kleinen temperaturbedingten Veränderungen unterworfen ist. Der große spezifische elektrische Widerstand der Widerstandslegierung bedingt einen großen Verlustwiderstand R_s und damit auch eine große Dämpfung der elektromagnetischen Schwingung des LC-Schwingkreises 2 mit der Folge, dass die Sensitivität, d. h. die Größe des räumlichen Abstandes zwischen dem metallischen Gegenstand und dem LC-Schwingkreis 2 innerhalb dessen ein metallischer Gegenstand erfasst werden kann klein sein würde, weil sehr kleine Veränderungen des wenigstens einen Parameters des LC-Schwingkreises 2 von der Auswerteeinheit 15 unterhalb bestimmter Größen nicht mehr erfasst werden können. Mit Hilfe des Verstärkers 9 kann die Dämpfung aufgrund des Verlustwiderstandes R_s im Wesentlichen ausgeglichen werden, so dass der LC-Schwingkreis 2 mit dem Verstärker 9 eine große Sensitivität aufweist, d. h. es können metallische Gegenstände in einem großem räumlichen Abstand zu dem LC-Schwingkreis 2 bzw. der Spule 5 erfasst werden und dies im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur des induktiven Sensors 1.
• Die Impedanz Z des LC-Schwingkreises 2 mit Verstärkung beträgt: $$\text{Z}\left(\text{s}\right)=\frac{R+Rs+s\ast Ls\ast \left(1+\frac{R+Rs}{Rp}\right)}{1+\frac{s\ast Ls}{Rp}+s\ast C\ast \left(R+Rs-A\ast R\right)+s\ast s\ast \text{Lp}\ast \text{C}\ast \left(1+\frac{\text{R}+\text{Rs}-\text{A}\ast \text{R}}{\text{Rp}}\right)}$$

  
• In dem LC-Schwingkreis 2 beträgt die Resonanzfrequenz ω $$\mathrm{\omega =}\frac{1}{\sqrt{Lp\ast C}}\ast \sqrt{\frac{\left(Ls+C\ast \left(\left(A-1\right)\ast R-Rs\right)\ast \left(R+Rs\right)\right)\ast Rp\ast Rp}{Ls\ast \left(\left(1-A\right)\ast R+Rs+Rp\right)\ast \left(R+Rs+Rp\right)}}$$

  

  und die Impedanz Z beträgt bei Resonanz $$\text{Z}\left(\text{j}\mathrm{\omega }\right)=\frac{Lp\ast \left(R+Rs+Rp\right)}{Ls+C\ast \left(R-A\ast R+Rs\right)\ast Rp}$$

  
• In der letzten Gleichung fallen für R= R_s und A=2 fast alle Variablen heraus, so dass $$\text{Z}\left(\text{j}\mathrm{\omega }\right)=2*\text{R}+\text{Rp}\text{.}$$

  
• Rp ist wesentlich größer als R bzw. R_s (Rp >> R bzw. R_s), weil beispielsweise Rp ungefähr 5 bis 50 kQ beträgt und R = R_s = 10 Ω beträgt. Sind R und R_s im Wesentlichen nicht von der Temperatur abhängig bzw. temperaturstabil hängt die Impedanz im Wesentlichen nur noch von Rp, d. h. den AC-Verlusten und der Dämpfung durch das Target bzw. den metallischen Gegenstand ab.
• Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen induktiven Sensor 1 wesentliche Vorteile verbunden. Der Draht der Spulenwicklung der Spule 5 besteht aus einer Widerstandslegierung, so dass der Verlustwiderstand R_s nur in einem sehr geringen Umfang von der Temperatur abhängt bzw. im Wesentlichen temperaturstabil ist. Dadurch verfügt der induktive Sensor 2 über eine im Wesentlichen nicht von der Temperatur abhängige Sensitivität bzw. der Schaltabstand des induktiven Sensors 1 hängt im Wesentlichen nicht von der Temperatur ab. Mit dem elektrischen Verstärker 9 wird der hohe Verlustwiderstand R_s der Spule 5 ausgeglichen, so dass der LC-Schwingkreis 2 nur über eine geringe Dämpfung bzw. eine kleine Impedanz verfügt und damit über eine große Sensitivität bzw. einen großen Schaltabstand. Der induktive Sensor 1 ist einfach gebaut und damit in vorteilhafter Weise in der Herstellung preiswert.
• Bezugszeichenliste

1

Induktiver Sensor

2

LC-Schwingkreis

3

Induktivität

5

Spule

6

Kapazität

8

Messwiderstand

9

Elektrischer Verstärker

10

Eingangsanschluss des Verstärkers

11

Ausgangsanschluss des Verstärkers

12

Stromleitung

13

Erster elektrischer Anschluss

14

Zweiter elektrischer Anschluss

15

Auswerteeinheit

16

Anregungseinheit

17

Dämpfungswiderstand

18

Verlustwiderstand

19

Knotenpunkt

20

Obere Kurve

21

Untere Kurve

Rs

Verlustwiderstand

Rp

Dämpfungswiderstand der Spule

R

Widerstand des Messwiderstandes

A

Verstärkungsfaktor des Verstärkers

Ls

Induktivität der Spule

C

Kapazität des Kondensators

Z

Impedanz

Claims (12)

1. Induktiver Sensor (1) zur Erfassung eines elektrisch leitenden Gegenstandes umfassend: - einen LC-Schwingkreis (2) mit einer Spule (5) und einer Kapazität (6), wobei die Spule (5) eine Induktivität (3), einen Verlustwiderstand (18) und einen Dämpfungswiderstand (17) umfasst und ein Temperaturkoeffizient des Verlustwiderstandes (18) kleiner als 3 * 10^-3 K^-1 ist, - eine Anregungseinheit (16) zum Versetzten des LC-Schwingkreises in eine elektromagnetische Schwingung und - eine Auswerteeinheit (15) zur Erfassung einer Änderung wenigstens eines Parameters des LC-Schwingkreises (2) aufgrund des elektrisch leitenden Gegenstandes, wobei die Anregungseinheit (16) und die Auswerteeinheit (15) mit ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen (13, 14) mit dem LC-Schwingkreis (2) elektrisch verbunden sind, wobei der LC-Schwingkreis (2) einen elektrischen Verstärker (9) und einen in Reihe zu der Spule (5) geschalteten Messwiderstand (8) umfasst und wobei mit dem Verstärker (9) ein Spannungsabfall aufgrund des Verlustwiderstands (18) an der Spule (5) wenigstens teilweise ausgleichbar ist.
2. Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (9) im Wesentlichen der Summe aus 1 und dem Verhältnis aus dem Widerstand des Verlustwiderstandes (18) zu dem Widerstand des Messwiderstandes (8) entspricht.
3. Induktiver Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (9) einen Eingangsanschluss (10) und einen Ausgangsanschluss (11) aufweist zur Verstärkung der an dem Eingangsanschluss (10) anliegenden Spannung bezüglich des Ausgangsanschlusses (11) und der Eingangsanschluss (10) elektrisch an dem Knotenpunkt (19) mit einer die Spule (5) und den Messwiderstand (8) verbindenden Stromleitung (12) verbunden ist und der Ausgangsanschluss (11) elektrisch mit der Kapazität (6) verbunden ist.
4. Induktiver Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (5) als eine Induktivität (3) mit einer Spulenwicklung, insbesondere aus einem Draht und/oder einer Litze, ausgebildet ist.
5. Induktiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand der Spulenwicklung bei 20° C größer als 2 * 10^-6 Ω cm, vorzugsweise größer als 5 * 10^-6 Ω cm oder 10^-5 Ω cm, insbesondere größer als 2 * 10^-5 Ω cm oder 10^-4 Ω cm, ist.
6. Induktiver Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient der Spulenwicklung kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, vorzugsweise kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1, ist.
7. Induktiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einer Widerstandslegierung, vorzugsweise NiCr20AISi und/oder NiCr8020 und/oder CuNi44 und/oder CuMn12Ni und/oder CuMn7Sn, besteht.
8. Induktiver Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient des Messwiderstandes (8) kleiner als 3 * 10^-3 K^-1, vorzugsweise kleiner als 10^-3 K^-1 oder 10^-4 K^-1 oder 10^-5 K^-1, ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines induktiven Sensors (1), mit den Schritten: - Versetzen eines LC-Schwingkreises (2) mit einer Spule (5) und einer Kapazität (6) in eine elektromagnetische Schwingung mit einer Anregungseinheit (16), wobei ein Strom durch eine Induktivität (3) der Spule (5) geleitet wird, wobei die eine Spulenwicklung der Spule (5) einen Temperaturkoeffizient kleiner als 3 * 10^-3 K^-1 aufweist, - Ändern wenigstens eines elektrischen und/oder magnetischen Parameters des LC-Schwingkreises (2) mit einem elektrisch leitenden Gegenstand, - Erfassen und Auswerten der Änderung des wenigstens einen elektrischen und/oder magnetischen Parameters des LC-Schwingkreises (2) aufgrund des elektrisch leitenden Gegenstandes zur lokalen Erfassung des elektrisch leitenden Gegenstandes an dem LC-Schwingkreis (2), wobei eine über einem Messwiderstand (8) abfallende Spannung von einem Verstärker (9) elektrisch verstärkt und die verstärkte Spannung der Kapazität (6) zugeleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische und/oder magnetische Parameter eine Frequenz und/oder Amplitude und/oder Impedanz des LC-Schwingkreises (2) ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom und/oder die Spannung so verstärkt wird, dass ein Spannungsabfall in dem LC-Schwingkreis (2) an der Spule (5) aufgrund des Verlustwiderstandes (18) im Wesentlichen ausgeglichen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die Spule (5) mit einer Spulenwicklung geleitet wird, wobei die Spulenwicklung einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 20° C von größer als 2 * 10^-6 Ω cm, vorzugsweise größer als 5 * 10^-6 Ω cm oder 10^-5 Ω cm, insbesondere größer als 5 * 10^-5 Ω cm oder 10^-4 Ω cm, aufweist.

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