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Näherungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen beruhrungslos steuerbaren elektronischen
Schalter mit einem mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Fühlerelemente,
insbesondere Fühlerspulen, aufweisenden Tastkopf mit elektrischen Anschlußeinrichtungen
zum Anschließen der Fühlerelemente an eine elektrische Auswerteschaltung.
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Ein derartiger berührungslos steuerbarer elektronischer Schalter bzw.
Näherungsschalter ist in der DE-GM-Schrift 79 27 546 beschrieben. Bei dem bekannten
Näherungsschalter sind die räumlich voneiander getrennten Fühlerelemente als Fühler
spulen ausgebildet, wobei die eine Fühlerspule quer zur Gehäuselängsachse eines
Gehäuses des Näherungsschalters angeordnet ist, während die andere Fühlerspule in
Richtung dieser Gehäuselängsachse ausgerichtet ist. Die beiden Fühlerspulen sind
dabei ausserdem wahlweise an eine elektrische Auswerteschaltung anschließbar, so
dass je nach dem gewählten Anschluß eine Annäherung eines zu erfassenden Elementes
an die eine Fühlerspule oder an die andere Fühlerspule festgestellt werden kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen verbesserten Näherungsschalter der betrachteten Art anzugeben, mit
dem
es möglich ist, die Annäherung von zu überwachenden Elementen an den Näherungsschalter
den jeweiligen Erfordernissen entsprechend in besonders flexibler Weise zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird bei dem berührungslos steuerbaren elektronischen
Schalter der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass
die Anschlußvorrichtung derart ausgebildet ist, dass jeweils mindestens zwei Fühlerelemente
über eine auf elektrische Ausgangssignale der angeschlossenen Fühlerelemente ansprechende
logische Schaltung mit der Auswerteschaltung verbunden sind.
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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Näherungsschalters
besteht darin, dass durch geeignete Wahl der logischen Verknüpfung entweder die
gleichzeitige Annäherung von zu überwachenden Elementen an die mindestens zwei Fühlerelemente
erfaßbar ist, was der logischen UND-Bedingung entspricht oder einen Schaltvorgang
bereits dann auszulösen, wenn von den zu überwachenden Elementen mindestens eines
ausreichend weit an das zugeordnete Fühlerelement herangeführt ist, was der logischen
ODER-Bedingung entspricht.
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Weiterhin kann die logische Verknüpfung auch so gewählt werden, dass
die logische EXKLUSIV-ODER-Bedingung erfüllt ist.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Fühlerelemente als Fühlerspulen
ausgebildet sind, da in diesem Fall sowohl die logische UND-Verknüpfung als auch
die logische ODER-Verkndpfung durch entsprechende Ausgestaltung der induktiven Eingangswicklungen,ausgehend
von
dem bekannten induktiven Näherungsschaltern besonders leicht realisiert werden können.
Andererseits kann die Erfindung auch ohne weiteres bei kapazitiven Näherungsschaltern
realisiert werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Näherungsschalters gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein Schaltbild der elektrischen Schaltung
eines bekannten induktiven Näherungsschalters; Fig. 3a Prinzipdarstellungen für
eine logische UND-und Fig. 3b Verknüpfung bzw. eine logische ODER-Verknüpfung bei
einem induktiven Näherungsschalter gemäß der Erfindung und Fig. 4 ein Schaltbild
der Fühlerspulen bei einem,ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 2 erfindungsgemäß
ausgebildeten Näherungsschalter.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung einen Näherungsschalter 10
mit einem quaderförmigen Gehäuse, welches in einen unteren Gehäuseteil 12 und einen
Kopfteil 14 unterteilt ist. Der untere Gehäuseteil dient dabei in bekannter Weise
der Aufnahme der elektronischen Auswerteschaltung, während am Kopfteil in ebenfalls
an sich bekannter Weise Fühlerelemente vorgesehen sind,
die beim
gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich dreier Fühlerflächen F1,'F2 und F3 liegen.
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Erfindungsgemäß sind nun die Fühlerelemente im Bereich der Fuhlerflächen
F1 bis F3 über eine logische Schaltung mit einer Auswerteschaltung verbunden, wobei
die logische Verknüpfung entsprechend den jeweiligen Erfordernissen so gewählt werden
kann, dass gleichzeitig mehrere zu überwachende Elemente auf den Näherungsschalter
10 einwirken können (UND-Bedingung) oder auch jeweils mindestens eines von mehreren,
d. h. im betrachteten Fall drei, zu überwachenden Elementen (ODER-Bedingung).
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Die gewünschte logische Verknüpfung läßt sich prinzipiell sowohl bei
kapazitiven Näherungsschaltern als auch bei induktiven Näherungsschaltern verwirklichen.
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Besonders einfach ist die Situation jedoch bei induktiven Näherungsschaltern,
wo je nach der gewünschten Verknüpfung, ausgehend von einer bekannten Schaltung,
wie sie nachstehend anhand von Fig. 2 näher erläutert wird, einfach eine entsprechend
abgewandelte Ausgestaltung der Spulenanordnung erfolg.
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Die für einen induktiven Näherungsschalter bekannter Bauart, d. h.
für einen Näherungsschalter mit einer Fühlerspule,vorgesehene Schaltung gemäß Fig.
2 besitzt einen ersten Anschluß 4, dem eine positive Speisespannung (+) zuführbar
ist,und einen zweiten Anschluß 6, der auf einem gegenüber dem Anschluß 4 negativen
Potential (-) liegt. Die Schaltung umfaßt in bekannter Weise einen elektrischen
Schwingkreis mit einer und Fühlerspule L/ einer Kapazität Cl und einem Verstärkerteil
mit Transistoren T1, T2 und Widerständen RX,
R1, R2. Der Schwingkreis
schwingt in unbedämpftem Zustand, beispielsweise mit einer Freauenz von ca. 500
bis 600 kHz. Dabei wird von dem Transistor T1 nur die Basis-Emitter-Strecke als
Diode benutzt, um so eine Diode zu erhalten, die hinsichtlich ihrer elektrischen
Eigenschaften mit der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T2 weitgehend identisch
ist.
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Bei dem betrachteten Schwingkreis wird der Transistor T2 bei gegenüber
der Spannung an der Klemme 4 negativen Halbwellen leitend gesteuert, während er
bei positiven Halbwellen sperrt. Seine BasisvorsFannung erhält der Transistor T2
dabei über den Spannungsteiler aus dem Widerstand R1 und der Basis-Emitter-Diode
des Transistors T1. Dadurch, dass der Transistor T2 periodisch leitend gesteuert
wird, wird dem eigentlichen Schwingkreis aus der Fühlerspule L und der Kapazität
Cl die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderliche Energie zugeführt. Andererseits
wird die durch die beschriebene Rückkopplung bewirkte Energiezufuhr durch den Widerstand
RX begrenzt.
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Die Fühlerspule L liegt in einem nach vorn, d. h. zu einer Fühlerfläche
hin offenen Schalenkern, der in Fig. 2 bis 4 in üblicher Weise durch gestrichelte
Linien angedeutet ist, so dass ein magnetisches Feld mit grosser Streuung aufgebaut
werden kann. Bringt man nun in dieses Feld ein metallisches, zu überwachendes Element,
so fliessen in diesem induzierte Wirbelströme, die dem magnetischen Feld Energie
entziehen. Diese Energieverluste bedeuten eine Verschlechterung der Schwingkreisgüte,
so dass die Amplitude der Schwingungen im Schwingkreis sich verringert -
Bedämpfung
des Schwingkreises.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 umfaßt ferner in bekannter Weise eine Schmitt-Trigger-Schaltung
mit drei Transistoren T3, T4 und T5 und sieben Widerständen R3 bis R9. Wenn nun
der Schwingkreis schwingt und gerade eine negative Halbwelle der Schwingung vorliegt,
dann bilden die Elemente R2, T2, RX und eine Teilwicklung L1 der Fühlerspule L einen
Spannungsteiler, so dass am Kollektor des Transistors T2 eine verhältnismäßig hohe
negative Spannung entsteht, weil der Widerstand R2 im Vergleich zu den anderen Elementen
des Spannungsteilers hochohmig ist. Hierdurch wird ein Kondensator C2 nahezu kurzgeschlossen
und kann sich kaum aufladen. Sperrt nun der Transistor T2 während der nächsten positiven
Halbwelle, dann beginnt der Kondensator C2 sich aufzuladen, was aber wegen der geringen
Dauer der Halbwelle und im übrigen aufgrund der Schaltungsdimensionierung bis zum
Beginn der nächsten negativen Halbwelle nur eine geringfügige Auf ladung zur Folge
hat. Letztlich glättet der Kondensator C2 lediglich die Spannung am Kollektor des
Transistors T2, so dass sich am Eingang des Schmitt-Triggers, der durch das von
der Basis des Transistors T3 abgewandten Ende des Widerstandes R3 gebildet wird,
eine Gleichspannung mit vernachlässigbarer Restwelligkeit ergibt.
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Diese Gleichspannung ist dabei gegenüber der Spannung an dem Anschluß
6 so klein, dass der Transistor T3 gesperrt bleibt, während die Transistoren T4
und T5 leitend gesteuert sind und einen Erregerstrom für ein Relais Rel. fliessen
lassen, welches zwischen dem Kollektor des Transistors T5 und dem Anschluß 6 liegt.
(Dieses Relais ist gestrichelt eingezeichnet, da es eigentlich nicht mehr Bestandteil
der Schaltung des Näherungsschalters ist.)
Wenn nun die Schwingungsamplitude
im Schwingkreis bei einer Bedämpfung desselben kleiner wird, dann lädt sich der
Kondensator C2 auf eine höhere Spannung auf, so dass die Spannung am Eingang der
Schmitt-Trigger-Schaltung gegenüber dem Spannung am Anschluß 6 immer größer wird,
bis sie schließlich ausreicht, um den Transistor T3 leitend zu steuern. Sobald der
Transistor T3 leitend gesteuert wird, sperren die beiden Transistoren T4 und T5,
so dass das Relais Rel. abfällt.
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In der Schaltung gemäß Fig. 2 dient der Widerstand RX zur Einstellung
des Ansprechabstandes, d. h. desjenigen Abstandes zwischen der Fühlerspule L bzw.
der Fthlerfläche und dem zu überwachenden metallischen Element, bei dem Schwingung
so weit bedämpft wird, dass die Schmitt-Trigger-Schaltung das Relais zum Abfallen
bringt. Ausserdem dient eine Zehnerdiode ZD1 der Spannungsbegrenzung für das Relais.
Weiterhin wird aus Fig. 2 deutlich, dass die Fühlerspule L aus zwei Teilwicklungen
L1 und L2 besteht. Diese beiden Teilwicklungen liegen zwischen Schaltungspunkten
1 (im Bereich einer Anzapfung) und 3 bzw. 1 und 2.
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Im Normalfall liegen die beiden Teilwicklungen L1, L2 der Fühlerspule
L in einem einzigen Schalenkern hinter einer einzigen Fühlerfläche eines Näherungsschalters.
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Wenn nun gemäß der Erfindung der Näherungsschalter für die Überwachung
von zwei zu überwachenden metallischen Elementen eingesetzt werden soll, dann werden
die beiden Teilwicklungen L1, L2 in getrennten Schalenkernen
hinter
verschiedenen Fühler flächen des Näherungsschalters angeordnet. Dabei besteht gemäß
Fig. 3a die Möglichkeit der Schaffung einer UND-Verknüpfung und gemäß Fig. 3b die
Möglichkeit der Schaffung einer ODER-Verknüpfung.
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Bei der UND-Verknüpfung gemäß Fig. 3a wird der Schwingkreis nur dann
so stark bedämpft, dass der Näherungsschalter anspricht - Abfallen des Relais -,
wenn beide Teilwicklungen L1, L2 durch die ihnen zugeordneten zu überwachenden Elemente
EL1 und EL2 bedämpft werden.
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Die Elemente EL1 und EL2 müssen dabei bis auf einen Ansprechabstand
Su für die UND-Verknüpfung an die zugeordneten Teilwicklungen L1, L2 herangeführt
werden.
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Wenn eine ODER-Verknüpfung gemäß Fig. 3b realisiert werden soll, dann
genügt es, eines der Elemente EL7 oder EL2 bis auf den in diesem Fall - unter sonst
gleichen Voraussetzungen - geringeren Ansprechabstand SO an die zugeordnete Teilwicklung
L1 bzw. L2 heranzuführen. Der Näherungsschalter spricht also in diesem Fall bereits
an, wenn nur eines der Elemente EL1 oder EL2 ausreichend weit an die zugeordnete
Fühlerfläche herangeführt wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung von Fig. 3a und 3b wird deutlich,
dass derselbe Näherungsschalter ohne Eingriff in die Schaltung sowohl zur Realisierung
der UND-Verknüpfung wie auch zur Realisierung der ODER-Verknüpfung verwendet werden
kann, da lediglich die Ansprechabstände SU bzw. SO unterschiedlich sind. Ausserdem
unterscheidet sich die Schaltung des Näherungsschalters für beide logische Verknüpfungen
von der in Fig. 2 gezeigten Schaltung eines bekannten Näherungsschalters
lediglich
dadurch, dass die Teilwicklungen L1, L2 in getrennten Schalenkernen angeordnet sind,
im übrigen jedoch weiterhin in Reihe geschaltet sind und eine Mittelanzapfung aufweisen.
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Gemäß Fig. 4 besteht in Ausgestaltung der Erfindung aber auch die
Möglichkeit,zu der Fühlerspule L mit ihren Teilwicklungen L1, L2 weitere Fühlerspulen
L3, L4 (ohne Mittelanzapfung) parallel zu schalten. Dies bedingt dann zwar eine
Änderung der Dimensionierung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung, jedoch ohne dass
im übrigen hinsichtlich der Schaltung des Näherungsschalters prinzipiell Anderungen
eintreten würden.
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Insbesondere gilt auch bei der Variante mit parallel geschalteten
Fühlerspulen wieder das anhand von Fig.
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3a und 3b erläuterte Prinzip des Unterschiedes zwischen der UND-Verknüpfung
und der ODER-Verknüpfung.
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Obwohl mit der Variante gemäß Fig. 4 theoretisch eine größere Anzahl
von parallel geschalteten Spulen und damit eine entsprechende Anzahl von Fühlerflächen
möglich wäre, ergeben sich praktisch hinsichtlich der Genauigkeit der Dimensionierung
der Schaltung und der Einstellung der Ansprechabstände Probleme, wenn mehr als vier
Fühlerspulen parallel geschaltet werden. Andererseits dürfte bei dem praktischen
Einsatz des erfindungsgemäßen Näherungsschalters das Vorhandensein von maximal vier
verschiedenen Fühlerelementen und Fühlerflächen auch voll ausreichend sein.
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Außerdem besteht im Rahmen der Erfindung auch noch die vorteilhafte
Möglichkeit, mehrere, insbesondere zwei Fühlerelemente nebeneinander anzuordnen,
die über eine UND-Bedingung miteinander verknüpft sind, da in diesem Fall eine Bedämpfung
im Bereich eines der Fühlerelemente, wie sie durch einen Span eines zu bearbeitenden
Werkstücks verursacht werden kann, noch nicht zu einem Schaltvorgang führt, so daß
Störungen durch Werkstückspäne, wie sie bisher gelegentlich auftreten, sicher vermieden
werden können.
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