DE4210018C2 - Schweißfester induktiver Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator, umfassend einen einzigen eine Spule und einen Kondensator aufweisenden Schwingkreis und einen mit dem Schwingkreis gekoppelten Oszillatorverstärker, und mit einem Demodulator, welcher ein der Schwingungsamplitude des Oszillators entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

Derartige Näherungsschalter sind aus der DE 32 48 169 A1 bekannt. Problematisch ist der Einsatz derartiger Näherungsschalter in Magnetfeldern, beispielsweise in der Nähe von Schweißelektroden.

Beim Einsatz derartiger induktiver Näherungsschalter in der Nähe von Schweißelektroden und Zuleitungen zu Punktschweißtransformatoren entstehen starke Magnetfelder, die bei induktiven Näherungsschaltern, bei denen die Spule einen Ferritkern aufweist, dazu führt, daß der Ferritkern in die Sättigung geht. Derartige Sättigungserscheinungen führen wiederum zu einer Reduzierung der Permeabilität für die Spule des Schwingkreises, die normalerweise mit kleinsten Feldstärken arbeitet.

Es wurde bereits versucht, induktive Näherungsschalter dadurch schweißfest zu machen, daß Zeitverzögerungen und retriggerbare Monoflops eingesetzt wurden, um so bei­ spielsweise sinusförmige Störfelder auszublenden.

Vielfach arbeiten jedoch in der Fertigung eingesetzte Schweißroboter mit Gleichstrom, so daß die Zeitverzögerung derartiger bekannter Näherungsschalter nicht mehr ausreicht, um Gleichstromschweißvorgänge auszublenden.

Es ist ferner bekannt, Spulen mit niederpermeablen Eisen­ pulverkernen zu verwenden. Diese reichen jedoch aber auch bei den höchsten verwendeten Schweißströmen für eine sinn­ volle Funktion des Näherungsschalters nicht mehr aus.

Aus der DE-OS 22 22 237 ist eine Steuerschaltung bekannt, die einen Oszillator mit einem Schwingkreis aufweist, welcher mit einem speziellen resonanten Betätigungsnetzwerk bedämpfbar ist.

Die DE 32 44 449 C2 offenbart einen Näherungsschalter mit mehreren Schwingkreisen und mit ferritfreien Spulen.

Ferner offenbart die DE 36 40 792 A1 einen Sensor, bei welchem die Güte der Sensor-Induktivität infolge von sich ändernden Wirbelstromverlusten oder bei dem durch Wärmeeinwirkung und damit verbundener Widerstandsänderung die Güte der Induktivität verändert wird.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von der DE 32 48 169 A1 die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß dieser auch bei höchsten Schweißströmen und damit in Verbindung stehenden Magnetfeldern einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spule eine ferritfreie Spule ist, daß ein Arbeitspunkt des Oszillatorverstärkers durch in die Spule des Schwingkreises eingekoppelte Störspannungen verschiebbar ist, und daß der Oszillatorverstärker über einen Hochpaß mit dem Demodulator gekoppelt ist.

Durch die Verwendung einer ferritfreien Spule entfallen sämtliche Probleme mit der Sättigung von Ferritkernen und somit auch zumindest ein Teil der durch die Magnetfelder der Schweißströme hervorgerufenen Probleme.

Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter ist vorgesehen, daß ein Arbeitspunkt des Oszillatorverstärkers durch in die Spule des Schwingkreises eingekoppelte Stör­ spannungen relativ zur Masse und zur Speisespannung ver­ schiebbar ist. Dies führt dazu, daß durch die eingekoppelten Störspannungen kein Abreißen der Oszillatorschwingung im ungedämpften Zustand mehr eintreten kann, was bei den üblicherweise bekannten Lösungen mit einem fest eingestellten Arbeitspunkt der Fall ist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Spule eine Luftspule ist.

Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Näherungsschalters sieht vor, daß die Spule stirnseiten­ bündig in einem Gehäuse des induktiven Näherungsschalters angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei die Spule freitragend angeordnet oder auf einen Spulenkörper gewickelt.

Um Probleme mit der kapazitiven Beeinflussung der ferrit­ freien Spule zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Spule innerhalb des Gehäuses von einer Abschirmung umgeben ist.

Zweckmäßigerweise ist diese Abschirmung gegenüber dem Ge­ häuse elektrisch isoliert.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Abschirmung über einen Kondensator auf Schaltungspotential gelegt ist, da dann eine kapazitive Beeinflussung der ferritfreien Spule vermieden werden kann.

Ein besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Abschirmung die Spule zylindrisch umgibt, wobei die Abschirmung beispielsweise als Metallzylinder ausgebildet ist.

Um in dem Oszillator eine Unterdrückung von durch die Schweißströme und somit die magnetischen Felder induzierten niederfrequenten Störspannungen, die über die ferritfreie Spule eingekoppelt werden, zu erreichen, ist der Schwingkreis über einen Hochpaß mit dem Oszillatorverstärker gekoppelt.

Vorzugsweise ist der Hochpaß so ausgelegt, daß er für die niederfrequenten Störspannungen hochohmig und für die Oszillatorfrequenz niederohmig ist. Die Störspannungen liegen dabei in einem Frequenzbereich von ungefähr 50 Hz, während vorzugsweise die Oszillatorfrequenzen in der Größenordnung von 500 kHz liegen.

Der Hochpaß zwischen dem Schwingkreis und dem Oszillator­ verstärker bewirkt insbesondere, daß generell nieder­ frequente Störspannungen weniger verstärkt werden als die Oszillatorfrequenz.

Darüberhinaus ist es vorteilhaft, wenn der Oszillatorver­ stärker über einen Hochpaß mit dem Demodulator gekoppelt ist. Auch dieser Hochpaß ist so ausgebildet, daß er für niederfrequente Anteile, insbesondere im Frequenzbereich der Störspannungen, hochohmig ist und für die Oszillator­ frequenz niederohmig ist, so daß bei dieser eine gute Kopplung zwischen dem Oszillatorverstärker und dem Demo­ dulator besteht.

Diese gute Kopplung ist insbesondere im gedämpften Zustand von Bedeutung, dadurch daß oft sinusförmige Magnetfeld des Schweißstroms im gedämpften Zustand Spannungen in der Oszillatorspule induziert werden, die vom Oszillator genauso weitergegeben werden, wie dies mit der eigentlichen Oszillatorfrequenz der Fall ist. Somit wäre ein Signalwechsel am Ausgang des Sensors mit der Frequenz der Störspannungen gegeben. Genau dieser Signalwechsel läßt sich durch den Hochpaß zwischen dem Oszillatorverstärker und dem Demodulator verhindern.

Ein besonders einfaches Beispiel eines Demodulators sieht vor, daß dieser einen Verstärker aufweist, an welchem aus­ gangsseitig die demodulierte Spannung erzeugbar ist.

Eine vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit einer Verschie­ bung des Arbeitspunktes des Oszillatorverstärkers sieht vor, daß ein den Arbeitspunkt des Oszillatorverstärkers festlegender Spannungsteiler die Spule des Schwingkreises umfaßt.

Der Spannungsteiler kann beispielsweise auch Dioden um­ fassen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Spannungsteiler mit dem Schwingkreis in Reihe geschaltete Widerstände, vor­ zugsweise ohm′sche Widerstände, umfaßt, da diese in vor­ teilhafter Weise eine Verschiebung des Arbeitspunkts zulassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen vorderen Bereich eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters mit schematisch angedeuteter Elektronikplatine;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße ferritfreie Spule;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Schaltung eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters und

Fig. 4 eine Realisierung eines Teils der in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellten Schaltung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungs­ schalters, in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet, umfaßt ein Gehäuse 12, mit einer Stirnseite 14, welche mit einem Deckel 16 verschlossen ist.

Im wesentlichen unmittelbar hinter dem Deckel 16 sitzt eine als Ganzes mit 18 bezeichnete Spule, welche gemäß der vorliegenden Erfindung ferritfrei, das heißt vorzugsweise als Luftspule, ausgebildet ist. Diese Luftspule 18 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, eine freitragend ausgebildete Spule mit einem inneren Durchmesser di, einem äußeren Durchmesser da und einer Höhe h, das heißt vorzugsweise mit einem im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt.

Um eine kapazitive Beeinflussung der Spule zu vermeiden, ist erfindungsgemäß innerhalb des Gehäuses 12 eine Ab­ schirmung 20 in Form eines die Spule umgebenden und sich von der Stirnseite 14 weg in das Gehäuse 12 hineiner­ streckenden Metallzylinders vorgesehen, welcher über einen Kondensator 22 auf Schaltungspotential gelegt ist. Auf der dem Deckel 16 gegenüberliegenden Seite der Spule ist in dem Gehäuse 12 ferner noch eine Elektronikplatine 24 an­ geordnet, welche die elektronische Schaltung für den er­ findungsgemäßen Näherungsschalter 10 trägt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt die elektronische Schal­ tung des Näherungsschalters 10 ferner einen Schwingkreis 26, welcher insbesondere als Parallelschwingkreis mit der Spule 18 und einem Kondensator C3 ausgebildet ist. Mit diesem Schwingkreis 26 ist ein Oszillatorverstärker 28 ge­ koppelt, wobei ein Eingang E des Oszillatorverstärkers 28 über einen als Hochpaß ausgebildeten Kondensator C4 mit dem Schwingkreis 26 gekoppelt ist, während ein Ausgang A des Oszillatorverstärkers 28 wiederum mit dem Schwingkreis 26 gekoppelt ist.

Mittels einer Arbeitspunktvorgabeschaltung 30 erfolgt eine Vorgabe des Arbeitspunktes des Oszillatorverstärkers 28 an dessen Eingang E, wobei die Arbeitspunktvorgabeschaltung 30 mit dem Schwingkreis 26 in Reihe geschaltet ist, was durch eine Verbindung der Arbeitspunktvorgabeschaltung 30 mit einer Anzapfung x zwischen dem Schwingkreis 26 und dem Kondensator C4 erfolgt.

Ferner ist der Ausgang A des Oszillatorverstärkers 28 über einen Hochpaß 32 mit einem Demodulator 34 verbunden, an dessen Ausgang eine demodulierte Spannung Ud für eine übliche Auswerteschaltung 36 eines induktiven Näherungs­ schalters zur Verfügung steht.

Ein in Fig. 4 dargestelltes Ausführungsbeispiel der elek­ trischen Schaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschal­ ters 10, umfaßt als Schwingkreis 26 den Kondensator C3 und die Spule 18, welche über eine Mittelanzapfung M in zwei Teile La und Lb geteilt ist. Der Kondensator C3 sowie der Teil Lb liegen dabei einerseits auf dem Potential 0. Andererseits ist der Kondensator C3 mit der Anzapfung x verbunden, in gleicher Weise wie der Teil La der Spule 18, der andererseits mit der Mittelanzapfung M verbunden ist.

Von der Anzapfung X führt der als Hochpaß dienende Konden­ sator C4 zu dem Eingang E des Oszillatorverstärkers 28, wobei der Eingang E mit der Basis eines Transistors Q1 verbunden ist, dessen Kollektor mit einer positiven Speisespannung +Uv verbunden ist und dessen Emitter mit dem Ausgang A des Oszillatorverstärkers 28 verbunden ist.

Zwischen dem Ausgang A des Oszialltorverstärkers 28 und der Mittelanzapfung M der Spule 18 liegt ein Widerstand Rx, über welchen zusammen mit dem Eingangswiderstand Lb der Spule 18 das Emittersignal des Transistors Q1 heruntergeteilt und entsprechend einem Übertragungs­ verhältnis ü der Spule 18 hochtransformiert wird.

Zwischen der positiven Speisespannung Uv und der Anzapfung x liegt ferner die Arbeitspunktvorgabeschaltung 30, welche zwei in Reihe geschaltete Widerstände R1 und R2 umfaßt, wobei der Widerstand R1 einerseits direkt mit der posi­ tiven Speisespannung Uv verbunden ist und der Widerstand R2 einerseits mit der Anzapfung x verbunden ist, während beide andererseits gemeinsam mit dem Eingang E des Oszillatorverstärkers 28 verbunden sind.

Zur Stabilisierung sind ferner noch ein zwischen der positiven Speisespannung Uv und dem Potential 0 liegender Kondensator C1, sowie ein Kondensator C2 zwischen der positiven Speisespannung Uv und der Anzapfung X vorgesehen.

Als Verbindung zwischen dem Ausgang A des Oszillatorver­ stärkers 28 und dem Demodulator 34 dient ein Kondensator C5 als Hochpaß. Dieser Kondensator C5 ist mit der Basis eines Verstärkertransistors Q2 verbunden, dessen Arbeits­ punkt durch einen Spannungsteiler zwischen der positiven Speisespannung Uv und dem Potential 0, gebildet durch die Widerstände R3 und R4, festgelegt ist.

Der Kollektor des Verstärkertransistors Q2 liegt auf der positiven Speisespannung Uv und der Emitter ist wiederum über einen Spannungsteiler, gebildet aus Widerständen R5 und R6 mit dem Potential 0 verbunden. Zwischen einer Mittelanzapfung Z des aus den Widerständen R5 und R6 ge­ bildeten Spannungsteilers und dem Potential 0 liegt ferner noch ein Kondensator C6 der so dimensioniert ist, daß an diesem das demodulierte Signal mit der Spannung Ud abge­ nommen werden kann.

Die Auswerteschaltung 36 ist in Fig. 4 nicht mehr detailliert dargestellt. Bei dieser handelt es sich um eine übliche, für Näherungsschalter mit einem bedämpfbaren Oszillator einsetzbare Auswerteschaltung, welche bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwerts des demodu­ lierten Signals Ud anzeigt, daß ein zu detektierendes Element in seiner zu detektierenden Stellung vor dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter, das heißt vor der Spule 18 steht.

Der erfindungsgemäße Näherungsschalter 10 arbeitet nun folgendermaßen.

Zunächst ist die Luftspule 18 so dimensioniert, daß sie aufgrund ihrer Abmessungen da, di und h bezogen auf einen Gehäusedurchmesser D und das verwendete Material die opti­ male Empfindlichkeit aufweist. Hierzu erfolgt auch eine entsprechende Abstimmung des Oszillators gebildet aus dem Schwingkreis 26 und dem Oszillatorverstärker 28.

Der Oszillator, gebildet durch den Schwingkreis 26 und den Oszillatorverstärker 28 schwingt im unbedämpften Zustand der Luftspule 18 entsprechend einem üblicherweise be­ kannten Hartley-Oszillator.

Der Arbeitspunkt vom Eingang E des Oszillatorverstärkers 28 wird durch einen Spannungsteiler festgelegt, der einer­ seits durch den Widerstand R1 der Arbeitspunktvorgabe­ schaltung 30 gebildet ist und andererseits durch den Widerstand R2 in Reihe geschaltet mit der Spule 18, so daß der gesamte Spannungsteiler zwischen der positiven Speise­ spannung Uv und dem Potential 0 liegt.

Wird nun im ungedämpften und schwingenden Zustand des Oszillators, gebildet aus dem Schwingkreis 26 und dem Oszillatorverstärker 28, in die Luftspule 18 vom Schweiß­ feld eine Spannung induziert, so wirkt sich diese Spannung nur in geringem Male auf den Eingang E des Oszillatorver­ stärkers 28 aus, da die in der Luftspule 18 induzierte Spannung gleichzeitig über die Arbeitspunktvorgabe­ schaltung 30 den Arbeitspunkt am Eingang E des Oszillator­ verstärkers 28 mit verändert. Andererseits wirkt sich diese Spannung, da sie nur niederfrequente Spannungsan­ teile umfaßt, nicht über den als Hochpaß ausgebildeten Kondensator C4 auf den Eingang E des Oszillatorverstärkers 28.

Durch den Kondensator C4 werden niederfrequente Störspan­ nungen, beispielsweise Störspannungen im Bereich von 50 Hz, weniger verstärkt als die Oszillatorfrequenz.

Die Arbeitseinstellung erfolgt mit den Widerständen R1 und R2 sinnvollerweise so, daß der Oszillatorverstärker sowohl in negativer als auch in positiver Richtung ausreichend aussteuerbar bleibt. Durch die Ankopplung des Demodulators 34 über den Hochpaß 32 wird die niederfrequente Störspan­ nung sicher unterdrückt. Da das modulierten Signal "Nocken vorhanden oder nicht" dann in jedem Fall auf diese Weise von der Störung Schweißfeld getrennt wird.

Somit wird ein Abreißen der Schwingung des Oszillators verhindert.

Selbst wenn sich die induzierte Spannung, beispielsweise eine Spannung mit einem 50 Hz Frequenzanteil in geringem Maße auf den Ausgang A des Oszillatorverstärkers auswirkt, so erfolgt keine Übertragung auf den Demodulator 34, da dieser über den als Hochpaß 32 dienenden Kondensator C5 mit dem Ausgang A des Oszillatorverstärkers 28 gekoppelt ist. Der Hochpaß C5 ist dabei so dimensioniert, daß er für niederfrequente, das heißt 50 Hz-Anteile hochohmig ist, für hochfrequente Anteile, beispielsweise eine Schwin­ gungsfrequenz des Oszillators 26, 28 im Bereich von unge­ fähr 500 kHz niederohmig ist.

In dem Demodulator 34 erfolgt unter Heranziehung des Ver­ stärkers Q2 eine weitere Verstärkung, so daß die demodu­ lierte Spannung Ud ausgangsseitig des Demodulators anliegt und im wesentlichen proportional zur Schwingungsamplitude im Schwingkreis 26, 28 ist.

Claims (9)

1. Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator, umfassend einen einzigen eine Spule und einen Konden­ sator aufweisenden Schwingkreis und einen mit dem Schwingkreis gekoppelten Oszillatorverstärker, und mit einem Demodulator, welcher ein der Schwingungs­ amplitude des Oszillators entsprechendes Ausgangs­ signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) eine ferritfreie Spule ist, daß ein Arbeitspunkt des Oszillatorverstärkers durch in die Spule (18) des Schwingkreises (26) eingekoppelte Störspannungen verschiebbar ist, und daß der Oszillatorverstärker (28) über einen Hochpaß (32) mit dem Demodulator (34) gekoppelt ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spule eine Luftspule (18) ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) stirnseitenbündig in einem Gehäuse (12) angeordnet ist.

4. Näherungsschalter nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) innerhalb des Gehäuses (12) von einer Abschirmung (20) umgeben ist.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschirmung (20) gegenüber dem Ge­ häuse (12) elektrisch isoliert ist.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschirmung (20) über einen Kondensator (22) auf Schaltungspotential gelegt ist.

7. Näherungsschalter nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (26) über einen Hochpaß (C4) mit dem Oszillatorver­ stärker (28) gekoppelt ist.

8. Näherungsschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Arbeitspunkt des Oszillatorverstärkers (28) festlegender Spannungsteiler (30, 26) die Spule (18) des Schwingkreises (26) umfaßt.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungsteiler mit dem Schwing­ kreis (26) in Reihe geschaltete Widerstände (R1, R2) umfaßt.