DE3934593C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitssensor zur berührungslosen Erfassung metallischer Werkstoffe, der eine in einem vorzugsweise zylindrischen Gehäuse eingebrachte Spulenanordnung aufweist, die vornehmlich nur stirnseitig auf metallische Werkstoffe anspricht, wobei der metallische Werkstoff vermittels eines im Sensor erzeugten magnetischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes auf den Sensor rückwirkt, daß das von dem Sensor abgegebene Meßsignal eindeutig von dem zu erfassenden Werkstoff hervorgerufen ist.

In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik ist es zunehmend erforderlich, den elektrischen Zustand eines in einer Maschine eingesetzten Sensors zu überwachen und eindeutige Informationen darüber zu erhalten, ob die Funktion dieses Sensors gewährleistet ist oder nicht. Um solche eindeutigen Aussagen zu erhalten, gibt es verschiedene Lösungs­ möglichkeiten. Die einfachste Art, zu einer ein­ deutigen Aussage zu gelangen, besteht darin, völlig gleichartigen Sensoren dieselbe Erfassungsfunktion zuzuordnen. Die Ausgangssignale dieser Sensoren werden miteinander verglichen. Ergibt sich hier ein Widerspruch, wobei von mindestens drei Sensoren auszugehen ist, muß auf einen Fehler geschlossen werden. Solche technischen Lösungen sind in der Regel insbesondere bei beengten Einbauverhältnissen nicht realisierbar, so daß in den meisten Fällen auf ein anderes Verfahren zurückgegriffen wird. Bei diesen Verfahren wird dem eigentlichen Detektions­ signal ein Code überlagert, der in einer konti­ nuierlichen Signalunterbrechung in Form einer Codierung besteht, oder es wird dem eigentlichen Meßsignal ein Zusatzsignal überlagert. Auch sind Verfahren bekannt, die nach Aussendung eines Primärsignals die zeit­ lich verschobene Antwort des zu erfassenden Materials aus­ werten.

Unter sicherheitstechnischen Aspekten sind die genannten Verfahren problematisch, weil sie eine aufwendige elek­ tronische Auswertung erfordern. Jede elektronische Aus­ wertungsanordnung muß jedoch wieder ihrerseits sicher­ heitstechnischen Aspekten unterworfen werden, so daß sichergestellt ist, daß die eigentliche Signalantwort nicht durch einen Fehler in der elektronischen Auswertung hervorgerufen ist. Diese Forderung führt wiederum im Bereich der Auswertung wie auch im Bereich des Primärverstärkers für den Sensor zu aufwendigen Schaltungen, die zudem auch vor äußeren Störeinflüssen geschützt werden müssen. Diese Störeinflüsse können z. B. in einfacher Weise durch die Überkopplung des überlagerten Codierungssignals auf den eigentlichen Meßausgang entstehen.

In der DE 32 25 166 A1 und der DE 32 02 631 A1 ist eine Spulen­ anordnung angegeben, die eine Sendespulen- und eine Empfangs­ spulenanordnung in Form eines Differentialübertragers aufweist. Das Nichtvorhandensein des zu detektierenden Gegenstandes signalisieren diese Anordnungen jedoch nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu entwerfen, der bei Anwesenheit und bei Abwesenheit metallischer Werkstoffe ein sicheres Signal abgibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Der Sensor besteht aus einem Trans­ formator, dessen Primärspule an einen Generator an­ schlossen ist, der ein dreieckförmiges Signal liefert, wobei das Dreiecksignal vornehmlich einer Stromquelle entnommen ist, jedoch ist eine ähnliche Funktion auch mit einer Spannungs­ quelle erzielbar.

Aufgrund des Induktionsgesetzes liegt am Ausgang der Sekundärspule ein Rechtecksignal mit der Frequenz des Dreiecksignals an. Um eine hohe Empfindlichkeit eines solchen Detektors zu erreichen, besteht die Sekundär­ spule aus zwei Einzelspulen, die mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sind. Die Generatorspule ist zwischen diesen beiden Spulen angeordnet, ein zylindrischer Ferritkern koppelt alle drei Spulen miteinander. Im kom­ pensierten Zustand ist die Sekundärspannung Null und steigt an, wenn die magnetische Symmetrie durch Annäherung eines metallischen, vorzugsweise ferromagnetischen Materials, gestört ist. Wird diese Anordnung so betrieben, daß im Ruhezustand der Ausgangspegel nicht Null, sondern von Null verschieden ist, so ist das sich in diesem Fall ergebende Rechteck-Ausgangssignal gleichzeitig eine sichere Funktions­ meldung für den Sensor. Dieses Rechtecksignal kann nur dann auftreten, wenn die gesamte Detektoranordnung ein­ schließlich des Vorverstärkers in Funktion ist. Jede Störung auch im unbetätigten Zustand führt zum Verschwinden des Rechtecksignals. Der betätigte Zustand kann dadurch signalisiert werden, daß das Rechtecksignal eine fest vor­ geschriebene Amplitudenschwelle überschreitet. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Generatordreieckspannung konstant ist.

Die weitere Ausbildung der Erfindung ist in den Patent­ ansprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ausgeführt.

Die Generatorspule (3) und die Detektorspulen (1, 2) sind auf einen Spulenkörper (4) aufgewickelt. Im Zentrum des Spulenkörpers befindet sich ein Ferritstab (5). Diese Spulenanordnung nach Bild 1 ist in Bild 2 in ein Edel­ stahlgehäuse (9, 11) eingebracht, in der Weise, daß der Spulenkörper (4) dicht an den stirnseitigen Abschluß (10) des Edelstahlgehäuses (9, 11) gebracht ist. Innerhalb des Edelstahlgehäuses (9, 11) ist eine Platine (12) angeordnet. Der frei verbleibende Raum innerhalb des Edelstahlgehäuses (9, 11) ist mit Gießharz aufgefüllt. Den Stromlaufplan zeigt Bild 3. Die gegenphasig gewickelten Detektorspulen (1, 2) sind an den Eingang eines Operationsverstärkers (13) angeschlossen. Die Dreieck­ generatorspannung wird dem Anschluß (14) zugeführt. Aus dieser Generatorspannung wird vermittels einer Diode die Gleichspannung für den Operationsverstärker (13) gewonnen (15). Das Ausgangssignal liegt am Anschluß (16) an. Den prinzipiellen Signalverlauf zeigt Bild 4. Die dreieckförmige Generator­ spannung (17), die auch ein Generatorstrom sein kann, induziert je nach Abgleich der Spulenanordnung ein recht­ eckförmiges Signal (18, 19). Bei Umkehr des Dreiecksignals (17) wechselt die sekundäre Rechteckspannung ihr Vorzeichen. Zur Sicherheitsüberwachung können für einen Nullpegel eine Mindestschwelle (21), die nicht unterschritten werden darf, und eine Schaltschwelle (20), die Betätigung signalisiert, gewählt werden. Den typischen Signalverlauf bei Annäherung von Eisen (23) an die stirnseitige, empfindliche Fläche des Sensors (9) zeigt Bild 5. Daß sich hier kein exakter Rechteckverlauf ergibt, hängt auch damit zusammen, daß im Falle einer Spannungssteuerung kein exakter dreieckförmiger Stromverlauf vorliegt. Das Verhalten des Sensors (9) bei An­ näherung von nichtferromagnetischen Materialen, wie z. B. Aluminium (22), zeigt Bild 6.

Anstelle eines Rechteckes ergeben sich hier für diese Werk­ stoffe typische Dreieckimpulse (24). Der beschriebene Sensor (9) ist daher auch in der Lage, zwischen ferromagnetischen und nichtferromagnetischen Werkstoffen aufgrund der Signalhüll­ kurve zu unterscheiden. Bild 7 zeigt die Kombination von z. B. Aluminium (22) und Eisen (23) als betätigender Werk­ stoff. Im wesentlichen überlagern sich hier beide Signal­ formen, ohne sich gegenseitig zu stören, wobei der Signal­ pegel für ferromagnetische Werkstoffe, in diesem Falle Eisen (23), weitgehend unbeeinflußt durch das Zwischenschalten von Aluminium (22) ist. Diese Verhaltensweise des Sensors (9) insbe­ sondere bei dem Betrieb mit Tiefenfrequenzen um 100 Hz erwei­ tert auch den Anwendungsbereich dahingehend, daß ferromagnetische Materialien durch Wandungen, die z. B. aus Aluminium gefertigt sind, hindurch erkannt werden können.

Claims (7)

1. Sicherheitssensor zur berührungslosen Erfassung metallischer Werkstoffe (22, 23) vermittels eines elektromagnetischen Feldes, der in eine in einem vorzugsweise zylindrischen Gehäuse (9-11) eingebrachte Spulenanordnung (1-3) aufweist, die mindestens eine Generatorspule (3) als Primärspule und mindestens eine Detektorspule (1, 2) als Sekundärspule aufweist, wobei die Primärspule und die Sekundärspule transformatorisch, vorzugsweise durch Ferrit (5), gekoppelt sind und eine an die Primärspule angelegte Spannung (17) eines Generators dreieckförmig verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spulenanordnung (1-3) nicht kompensiert ist und das Signal (18, 19, 24, 25) der Detektorspule (1, 2) einer Schaltanordnung zugeführt ist, die bei Anwesenheit der metallischen Werkstoffe (22, 23) diese anhand der Hüllkurve des Signals (24, 25) der Detektorspule (1, 2) identifiziert, und daß
bei Abwesenheit der metallischen Werkstoffe (22, 23) das Signal (18, 19) der Detektorspule (1, 2) rechteckförmig und von Null verschieden ist und in diesem Zustand als Funtionsanzeige für den Sicherheitssensor dient.

2. Sicherheitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Generator eine Stromquelle ist.

3. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Generators niedrig im Bereich von 100 Hz gewählt ist.

4. Sicherheitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (13) der Schaltanordnung seine Versorgungsspannung aus der Generatordreieck­ spannung erhält.

5. Sicherheitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (1-3) in ein ein­ teilig gefertigtes Metallgehäuse (9-11) eingebracht ist, welches rückseitig offen und am Ort der eingebrach­ ten Spulenanordnung (1-3) stirnseitig geschlossen ist.

6. Sicherheitssensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäusematerial aus Edelstahl besteht.

7. Sicherheitssensor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitige Bodendicke dünner als die Zylinderwandung des Gehäuses (9-11), zwischen 0,1-0,5 mm, gewählt ist.