DE4004450A1 - Induktiver naeherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer von einem einstellbaren Oszillator gespeisten Induktionsspule und einem der Induktionsspule näherbaren Betätigungsorgan.

Induktive Näherungsschalter sind als berührungslos wirkende Schaltelemente seit Jahren in großer Zahl eingesetzt. Hauptbestandteil dieser Schaltelemente ist ein Hoch­ frequenz-Oszillator, dessen Frequenz und Amplitude von einer Spule bestimmt werden, die Hochfrequenzenergie abstrahlt. Wird in den Abstrahlbereich der Spule ein metallisches Betätigungsorgan, eine sog. Meßplatte eingebracht, erzeugt das hochfrequente Wechselfeld des Oszillators in der Meßplatte Wirbelströme, die dem Oszillator Energie entziehen. Dieser Energieentzug kann auf verschiedene Weise gemessen werden, und bei Überschreiten eines vorher festgelegten Schwellwertes des Energieentzugs, der von der Entfernung des Betätigungsorgans von der Spule, dem sog. Schaltabstand, abhängig ist, kann in einer angeschlossenen elektrischen Schaltung ein Schaltvorgang ausgelöst werden.

Induktive Näherungsschalter haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht nur auf ein vorgesehenes Betätigungsorgan, sondern auch auf andere metallische Gegenstände, die in den Einflußbereich der Spule gelangen, reagieren können. Aus diesem Grunde ist der Einsatz induktiver Näherungsschalter beispielsweise an Werkzeugmaschinen, wie Metallspäne anfallen, problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter so auszubilden, daß er nur auf ein bestimmtes Betätigungsorgan anspricht und Fehlschaltungen durch andere metallische Gegenstände ausgeschlossen sind.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem induktiven Näherungs­ schalter der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Induktionsspule Teil eines Resonanzkreises ist, an welchen eine mindestens einen Amplitudendetektor aufweisende Auswerteschaltung angeschlossen ist, und daß im Betätigungsorgan ein Resonanzkreis mit der gleichen Resonanzfrequenz angeordnet ist.

Bei einem induktiven Näherungsschalter gemäß der Erfindung wird nicht nur die sich bei der Näherung eines Betäti­ gungsorgans verändernde Amplitude eines elektrischen Signales ausgewertet, sondern auch noch die Frequenz als eine zweite Kenngröße verwendet und das Betätigungsorgan mit einer speziellen Frequenz markiert. Erst wenn ein metallisches Betätigungsorgan mit dieser speziellen Frequenzmarkierung in den Wirkungsbereich der Induktions­ spule kommt, erfolgt eine Auswertung einer Signalamplitude zur Auslösung eines Schaltvorganges. Dabei kann vorteil­ hafterweise der von dem Oszillator gespeiste Resonanzkreis ein Serienresonanzkreis und der im Betätigungsorgan ange­ ordnete Resonanzkreis ein Parallelresonanzkreis sein.

Vorteilhafterweise kann im vom Oszillator gespeisten Resonanzkreis die Induktionsspule in Reihe mit einem Kondensator parallel zu dem Kollektorwiderstand eines Transi­ stors gelegt sein. Die Verstärkung einer Tansistorstufe ist proportional dem Kollektorwiderstand, unabhängig von der Frequenz. Durch den parallel geschalteten Parallel­ resonanzkreis ergibt sich ein sog. Kerbfilter, und ein in der Verstärkerstufe eingekoppeltes Signal mit der Resonanzfrequenz erscheint am Ausgang der Verstärkerstufe sehr stark abgeschwächt. Durch den Resonanzkreis gleicher Resonanzfrequenz des Betätigungsorgans entsteht aber im Kerb­ bereich der Resonanzkurve eine Resonanzspitze, deren Höhe von der Stärke der induktiven Koppelung abhängt, also als Maß für die Annäherung des Betätigungsorgans ausgewertet werden kann. Der Resonanzkreis im einen Schaltungsteil erhöht als praktisch die Wirkung des im anderen Schaltungs­ teil enthaltenen Resonanzkreises.

Der amplitudenstabilisierte und oberwellenarme Oszillator kann erfindungsgemäß mit einer Frequenzregelstufe gekoppelt sein. Die Auswerteschaltung des Näherungsschalters kann vorteilhafterweise hinter dem Amplitudendetektor eine den Schaltvorgang auslösende erste Vergleichsstufe und eine die Frequenzregelstufe ein- und ausschaltende zweite Vergleichsstufe aufweisen, wobei die zweite Ver­ gleichsstufe auf einen niedrigeren Sollspannungswert als die erste Vergleichsstufe eingestellt sein kann. Mit der Frequenzregelstufe läßt sich der Umstand berücksichtigen, daß bei Annäherung des Betätigungsorgans nicht nur eine Amplitudenveränderung erfolgt, sondern auch eine Verschiebung der Resonanzfrequenzspitze auftreten kann. Mit den genannten Schaltungselementen läßt sich der Oszil­ lator, ausgehend von einer Warteresonanzfrequenz, durch eine Frequenznachregelung im Maximum einer Resonanzsignal­ spitze halten.

Vorteilhafterweise kann die Auswerteschaltung einen eine Phasenverschiebung der Spannung im Serienresonanzkreis erfaßbaren Phasendetektor aufweisen, dessen Ausgang mit einem Eingang der Frequenzregelstufe des Oszillators ver­ bunden ist. Außerdem kann vor einen der Eingänge des Phasendetektors ein Phasenschieber gelegt sein. Der Phasen­ schieber erlaubt eine vorzeichengerechte Auswertung des Ausgangssignals des Phasendetektors.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten induktiven Näherungsschalters anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Näherungsschalters;

Fig. 2 eine Einzeldarstellung der Resonanzkreise einer Filterstufe des Näherungsschalters und des Betätigungsorgans des Näherungs­ schalters;

Fig. 3 die Amplituden Frequenz-Kennlinie der Filterstufe des Näherungsschalters;

Fig. 4 eine Spannungskennlinie des Näherungs­ schalters;

Fig. 5 einen Stromlaufplan des Näherungsschalters nach Fig. 1.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 des induktiven Näherungs­ schalters zeigt einen Oszillator 10, hier einen VCO (voltage controlled oscillator) mit zwei Eingängen 10.1) 10.2 und zwei Ausgängen 10.3, 10.4. Der eine Ausgang 10.4 des Oszillators 10 ist mit einem Eingang 11.1 eines Filters 11 verbunden, das einen in Fig. 2 einzeln dargestellten Serienresonanzkreis aufweist, der aus einer Spule 12 und einem Kondensator 13 besteht, von welchem in Fig. 1 die Spule 12 dargestellt ist. Der Serienresonanzkreis 12/13 ist gemäß Fig. 2 parallel zu dem Kollektorwiderstand 14 eines Verstärkungstransistors 15 des Schaltkreises des Filters 11 gelegt und wirkt mit einem Parallelresonanz­ kreis 16 zusammen, der aus einer Spule 17 und einem Kondensator 18 besteht und in einem Betätigungsorgan 19 des induktiven Näherungsschalters angeordnet ist. Bei der Annäherung des Betätigungsorgans 19 an die Spule 12 der Filterstufe 11 erfolgt eine induktive Koppelung der beiden Resonanzkreise, die in Fig. 2 durch Pfeile und den Buch­ staben M angezeigt ist. Diese induktive Koppelung ist ab­ hängig vom Abstand des Betätigungsorgans 19 von der Induktionsspule 12, und dieser Abstand ist in Fig. 1 mit s bezeichnet.

Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang 11.2 des Filters 11 mit einem Eingang 20.1 eines Amplitudendetektors 20 verbunden, der an seinem Ausgang 20.2 ein Gleichspannungssignal liefert.

Der Oszillator 10 ist mit einem Amplitudenregelkreis ver­ sehen, der durch eine Verbindungsleitung 21 zwischen dem Ausgang 10.3 und dem Eingang 10.1 des Oszillators angedeutet ist. Sein anderer Ausgang 10.4 ist nicht nur mit dem Eingang 11.1 des Filters 11, sondern auch noch mit einem Eingang 22.1 eines Phasenschiebers 22 verbunden, dessen Ausgang 22.2 wiederum mit einem der Eingänge 23.1 eines Phasenkomparators 23 verbunden ist, dessen anderer Eingang 23.2 mit dem Ausgang des Filters 11.2 verbunden ist. Der Ausgang 23.3 des Phasenkomparators ist mit einem Eingang 24.1 einer Regelstufe 24 verbunden, die zusätzlich einen Steuereingang 24.2 aufweist und deren Ausgang 24.3 mit dem Eingang 10.2 des Oszillators 10 verbunden ist.

Der ein Gleichspannungssignal liefernde Ausgang 20.2 des Amplitudendetektors 20 ist jeweils mit dem einen Eingang 25.1, 26.1 von zwei Komparatoren 25 und 26 verbunden, auf deren zweite Eingänge 25.2 und 26.2 jeweils eine gesonderte Bezugsspannung gelegt ist. Der Ausgang 25.3 des einen Komparators 25 ist mit dem Steuereingang 24.2 der Regel­ stufe 24 verbunden. Der Ausgang des anderen Komparators 26 bildet den Ausgang 27 des induktiven Näherungsschalters.

Der Stromlaufplan zu dem Blockschaltbild der Fig. 1 und der Einzelaufbau der Schaltungsblöcke ist in Fig. 5 darge­ stellt, wo die einzelnen Schaltblöcke jeweils mit einer strichpunktierten Linie umgrenzt und entsprechend Fig. 1 bezeichnet sind. Auf eine Beschreibung der einzelnen Schaltungsteile wird bewußt verzichtet, da der Stromlauf­ plan die Wirkungsweise der Schaltungsblöcke erkennen läßt.

Die Wirkungsweise der Schaltung und einzelner Schaltungs­ teile ist folgende:

Der Serienresonanzkreis 12/13 wirkt als Saugkreis in der den Transistor 15 aufweisenden Verstärkungsstufe des Filters 11 und bewirkt eine aus Fig. 3 ersichtliche Induk­ tionssignalkurve 28, deren Amplitude zur Resonanzfrequenz f_res hin stark abfällt. Diese Resonanzstelle ist in Fig. 3 mit 29 bezeichnet. Nähert sich der Induktionsspule 12 des Serienresonanzkreises das Betätigungsorgan 19 mit seinem auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmten Resonanzkreis 16, so entsteht über der Resonanzstelle 29 der Signalkurve 28 eine Resonanzspitze 30, deren Höhe von dem Abstand s des Betätigungsorgans 19 von der Induktions­ spule 12 abhängt, wie in Fig. 3 durch eine Zusatzordinate 31 für den Abstand s angedeutet ist. Mittels des Amplituden­ detektors 20 wird die Höhe, d. h. die Spannungsamplitude dieser Resonanzspitze gemessen und ein entsprechendes Ein­ gangssignal auf die beiden Komparatoren 25 und 26 gegeben.

Der Oszillator 10 liefert an das Filter 11 ein Signal fester Amplitude und einer vorgegebenen Frequenz, die jedoch bei der Annäherung des Betätigungsorganes 19 durch die Frequenzregelstufe 24 geändert, d. h. einer in Fig. 3 nicht eingezeichneten Verschiebung der Resonanzspitze 30 im Frequenzwert nachgeführt wird. Die beiden Komparatoren 25 und 26, die das Gleichspannungs-Ausgangssignal des Amplitudendetektors 20 erhalten, sind an Bezugsspannungen gelegt, von denen eine einem bestimmten Abstand s ent­ spricht, bei welchem der Näherungsschalter in Funktion treten soll. Fig. 4 zeigt den Verlauf der Gleichspannungs­ kurve 31 im Bereich der Resonanzspitze 30 in Abhängigkeit vom Abstand s des Betätigungsorgans 19. In das Diagramm der Fig. 4 sind die beiden unterschiedlichen Bezugs­ spannungen U ref1 und U ref2 eingezeichnet, die an den zweiten Eingang 25.2 des Komparators 25 bzw. den zweiten Eingang 26.2 des Komparators 26 angelegt werden und welche die unterschiedlichen Schaltschwellen der beiden Kompara­ toren 25 und 26 bilden. Der Komparator 26, der das Aus­ gangssignal des Nährungsschalters liefert, ist auf die größere Bezugsspannung U ref2 gesetzt, die später erreicht wird, so daß zuerst der Komparator 25 bei U ref1 anspricht und den Frequenzregler 24 freigibt. Das Aus­ gangssignal des Filters 11 wird im Phasenkomparator 23 daraufhin überwacht, ob sich bei der Annäherung des Betätigungsorgans 19 die Resonanzfrequenz in der Resonanz­ spitze 30 im Diagramm der Fig. 3 nach rechts oder nach links verschiebt. Der Phasenkomparator kann gemäß Fig. 5 einen als integrierte Schaltung aufgebauten, handelsüblichen Ringmischer 32 aufweisen. Mit der Nachregelung der Frequenz erhöht sich das Gleichspannungs-Ausgangssignal am Ausgang 20.2 des Amplitudendetektors 20 nochmals gering­ fügig. Wenn der Spannungswert die Höhe der Bezugsspannung U ref2 erreicht hat, erscheint ein Schaltsignal am Aus­ gang 27 des Nährungschalters.

Der Phasenschieber 22, der mit dem Ausgang 10.4 des Oszil­ lators 10 verbunden ist, ist für die korrekte Funktion des Phasenkomparators 23 erforderlich. Der Phasenkomparator 23 allein würde ein Ausgangssignal liefern, das keine vor­ zeichengerechte Erfassung der Phasendifferenz erlaubt. Erst eine mittels des Phasenschiebers 22 erreichte zusätz­ liche Phasenverschiebung um 90° erlaubt die Feststellung, ob die Phasendifferenz ins Negative oder ins Positive geht.

Claims (8)

1. Induktiver Näherungsschalter mit einer von einem ein­ stellbaren Oszillator gespeisten Induktionsspule und einem der Induktionsspule näherbaren Betätigungsorgan, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (12) Teil eines Resonanzkreises (12/13) ist, an welchen eine mindestens einen Amplitudendetektor (20) aufweisende Auswerteschaltung angeschlossen ist, und daß im Betäti­ gungsorgan (19) ein Resonanzkreis (16) mit der gleichen Resonanzfrequenz angeordnet ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Oszillator (10) gespeiste Resonanz­ kreis (12/13) ein Serienresonanzkreis und der im Betätigungsorgan (19) angeordnete Resonanzkreis (16) ein Parallelresonanzkreis ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im vom Oszillator (10) gespeisten Resonanzkreis (12/13) die Induktionsspule (12) in Reihe mit einem Kondensator (13) parallel zu dem Kollektor­ widerstand (14) eines Transistors (15) gelegt ist.

4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) ampli­ tudenstabilisiert, oberwellenarm und mit einer Fre­ quenzregelstufe (24) gekoppelt ist.

5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung hinter dem Amplitudendetektor (20) eine den Schaltvor­ gang auslösende erste Vergleichsstufe (26) und eine die Frequenzregelstufe (24) ein- und ausschaltende zweite Vergleichsstufe (25) aufweist.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vergleichsstufe (25) auf einen niedrigeren Sollspannungswert (U ref1) als die erste Vergleichsstufe (26) eingestellt ist.

7. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen eine Phasenverschiebung der Spannung im vom Oszillator (10) gespeisten Resonanzkreis (12/13) erfaßbaren Phasenkomparator (23) aufweist, dessen Ausgang (23.3) mit einem Eingang (24.1) der Frequenzregelstufe (24) des Oszillators (10) verbunden ist.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor einen der Eingänge (23.1) des Phasen­ komparators (23) ein Phasenschieber (22) gelegt ist.