DE4427990A1 - Induktiver Näherungssensor zur materialunabhängigen Abstandsmessung - Google Patents
Induktiver Näherungssensor zur materialunabhängigen AbstandsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor zum Messen des Abstands
eines Meßobjektes vorzugsweise aus Metall. Das Ausgangssignal eines Näherungs
schalters ist um den justierten Schaltpunkt nahezu nur abhängig vom Meßabstand und
unabhängig von Materialeigenschaften des Meßobjekts.
Ein induktiver Näherungsschalter zum Messen des Abstands arbeitet üblicherweise mit
einem LC-Parallel-Schwingkreis, weil ein Schwingkreis in Resonanz einen geringen
Hilfsenergiebedarf hat. Das magnetische Wechselfeld der Spule des LC-Schwingkreises
dient als Sensor und wird von einem elektrisch-leitenden und magnetisch-leitenden (d. h.
wegen seiner Permeabilität weichmagnetischen oder ferromagnetischen) Meßobjekt
meist aus Metall beeinflußt. Die Beeinflussung der Sensorspule ist neben dem Abstand
des Meßobjekts auch von den Materialeigenschaften der verschiedenen Meßobjekte
abhängig, so daß ein Werkstoffaktor für verschiedene Werkstoffe bei der praktischen
Anwendung eingeführt werden muß, damit der gemessene Abstand bzw. Schaltpunkt
entsprechend korrigiert wird. Im Buch von Andreas Schiff: "Induktive und kapazitive
Sensoren; Die Bibliothek der Technik 24, Verlag moderne industrie, 1989, Seite 28"
sind die Werkstoffaktoren für verschiedene Metalle angegeben.
Für Sensorhersteller ist es bei einer Großserienfertigung sehr aufwendig und
kostenintensiv, die Dämpfungsmaterialien, die ein Kunde verwendet, vorher festzulegen.
Es sind deshalb zahlreiche Schaltungen für induktive Näherungsschalter bekannt, die
den Abstand ohne nachträgliche Korrektur bei Annäherung von Meßobjekten aus ver
schiedenen Metallen messen.
Allen Schaltungen gemeinsam ist der Nachteil eines hohen konstruktiven Aufwands der
Realisierung. Die materialunabhängige Messung wird hierbei ausschließlich mit
zusätzlichen Spulen und damit gebildeten Spannungs- oder Stromteilern realisiert, so
daß die erreichbare Meßempfindlichkeit reduziert wird.
Im deutschen Patent 39 19 916 ist ein induktiver Näherungsschalter zur materialunab
hängigen Abstandsmessung eines Meßobjekts beschrieben. Der Sensor verwendet zwei
räumlich getrennte Spulen. Durch eine Einstellung der magnetischen Kopplung
zwischen den beiden Spulen wird die Materialabhängigkeit von Dämpfungsmetallen
reduziert. Dies ist aber bei einer praktischen Fertigung nur schwer zu erreichen und der
technische Aufwand hoch.
Ein anderer induktiver Näherungsschalter nach dem europäischen Patent 0537747
verwendet statt eines herkömmlichen LC-Parallel-Schwingkreises einen Resonator mit
einer Spule, zwei Kondensatoren und einem Widerstand. Die Frequenz der Resonanz
schaltung dient als Ausgangssignal. Durch den kapazitiven Spannungsteiler wird auch
die Meßempfindlichkeit erheblich reduziert.
Ein weiteres Beispiel ist durch das deutsche Patent 37 14 433 bekannt. In diesem
induktiven Näherungsschalter gibt es einen Oszillator, der eine fest vorgegebene
Frequenz liefert und lose an den Sensorschwingkreis angekoppelt ist. Durch eine Ein
stellung der Kopplung wird die Materialabhängigkeit abgeglichen. Auch hier wird die
Meßempfindlichkeit wesentlich erniedrigt.
Alle bekannten Verfahren unterscheiden sich erheblich von den herkömmlichen und
überwiegend verbreiteten Meßverfahren mit einem LC-Parallel-Schwingkreis (eine
Spule parallel zu einem Kondensator). Eine Realisierung der materialunabhängigen
Abstandsmessung auf der Grundlage eines LC-Parallel-Schwingkreises ist deshalb von
großer Bedeutung in der industriellen Anwendung und hat einen erheblichen Vorteil,
weil die bisherigen Sensoreigenschaften, z. B. das Temperaturverhalten, erhalten bleiben
und die bisher benutzte elektronische Schaltung und der mechanische Aufbau nur
geringfügig oder gar nicht geändert werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem induktiven Näherungsschalter um
seinen Schaltpunkt unabhängig von den Materialeigenschaften des Metallobjekts den
Abstand zu messen, und eine Schaltung anzugeben, die mit einem herkömmlichen LC-
Schwingkreis aufgebaut ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe in erster Linie gemäß Anspruch 1 dadurch, daß bei
den an sich bekannten Meßverfahren mit einem LC-Parallel- oder LC-Serien-Schwing
kreis eine zusätzliche Messung der Resonanzfrequenz, eine Umwandlung dieser
Frequenz in eine von dieser Frequenz abhängige Spannung und eine mathematische
Verknüpfung dieser frequenzabhängigen Spannung mit der in der Spule des
LC-Schwingkreises induzierten Spannung oder mit dem in der Spule des LC-Schwingkreises
induzierten Strom durchgeführt wird, so daß das Ausgangssignal um den Schaltpunkt
nahezu nur vom Abstand abhängig ist.
In dieser Erfindung wird entweder ein LC-Parallel-Schwingkreis oder ein LC-Serien-
Schwingkreis verwendet. Die induzierte Spannung oder der induzierte Strom am
Schwingkreis wird gemessen, mit einem Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem
einstellbaren Verstärker vorzugsweise als Spannungsausgangssignal ausgegeben.
Als zweite Größe wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises gemessen. Diese
Frequenz wird mittels eines Frequenz-Spannungs-Wandlers oder -Umsetzers zu einer
Gleichspannung umgesetzt und dann mit einem einstellbaren Verstärker verstärkt. Das
Spannungsausgangssignal des LC-Schwingkreises wird mit dem Spannungssignal aus der
Resonanzfrequenz mit einen Addierer oder einen Subtrahierer summiert oder
subtrahiert, so daß das Ausgangssignal die Summe oder Differenz der beiden
Spannungen ist.
Die Verstärkungen der beiden einstellbaren Verstärker für die beiden Spannungssignale
werden so eingestellt, daß am Schaltpunkt die Ausgangssignale bei Annäherung eines
magnetisch-leitenden (weichmagnetischen oder hartmagnetischen oder ferro
magnetischen) Meßobjekts und bei Annäherung eines elektrisch-leitenden, nichtferro
magnetischen Meßobjekts gleich groß sind. Bei Annäherung eines dritten Meßobjekts
aus einem anderen ferro- oder nichtferromagnetischen Werkstoff wird die Material
abhängigkeit erheblich reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen
näher erläutert:
Fig. 1 zeigt einen LC-Parallel-Schwingkreis bestehend aus einer Meßspule und
einem Kondensator im induktiven Näherungssensor, wobei die Spule mit
einem metallischen Meßobjekt bedämpft wird;
Fig. 2a zeigt das Verhalten der induzierten Spannung UZ nach Fig. 1 als
Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Abstand a bei Annäherung ver
schiedener Dämpfungsmetalle;
Fig. 2b zeigt das Verhalten der Resonanzfrequenz f für Fig. 2a;
Fig. 3a zeigt das prinzipielle Verhalten der induzierten Spannungen für eine
Aluminium- und eine Stahlplatte, sowie die durch die Erfindung am
Schaltpunkt a₀ korrigierten verbesserte Ausgangsspannungen Fe und
Al für Fig. 3a;
Fig. 3b zeigt das prinzipielle Verhalten der Resonanzfrequenz f für eine
Aluminium- und eine Stahlplatte;
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der materialunabhängigen
Abstandsmessung;
Fig. 5 zeigt eine mögliche Schaltung zur Realisierung der materialunabhängigen
Abstandsmessung;
Fig. 6 zeigt das Verhalten des Ausgangssignals der Schaltung nach Fig. 5 für das
Verhalten nach Fig. 2a und 2b;
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der materialunabhängigen
Abstandsmessung bei Verwendung von digitalen Bauelementen für eine
digitale Signalverarbeitung.
Gemäß Fig. 1 besteht der LC-Parallel-Schwingkreis eines induktiven Näherungs
sensors, der in einem Oszillator in Resonanz erregt wird, aus einer Spule 1 mit Ferrit
kern und einem zur Spule parallel angeschlossenen Kondensator 2 mit der Kapazität C,
wobei die Spule mit einem Metall-Objekt 3 gedämpft wird. Die Spule 1 ist in Fig. 1
durch einen Ersatzwiderstand R und eine Ersatzinduktivität L dargestellt. Die Admit
tanz Y des Schwingkreises lautet:
Im Resonanzfall (Kreisfrequenz ω₀ = 2πf) ist der Imaginärteil von Y null. Es ist also
Durch Umformung erhält man
Im Betriebszustand des induktiven Näherungssensors wird der Schwingkreis durch eine
Rückkopplung mit aktiven Bauelementen sowohl mit Metall-Dämpfung 3 als auch ohne
Metall-Dämpfung auf seiner Resonanzfrequenz erregt. Die Resonanzfrequenz ω₀ ist nur
abhängig vom Wert der Ersatzinduktivität L, wenn der Kondensator C fest ist.
Die komplexe induzierte Spannung U sinkt in diesem Fall mit der Dämpfung. Nach Gl.
(1) bis (3) lautet der Effektivwert von U im Resonanzfall
Für einen induktiven Näherungssensor als Schalter sollte der Schaltabstand a möglichst
groß sein, beispielsweise größer als 1/3 des Durchmessers der Spule. In solchen Fällen
ist L/CR » R. Man kann deshalb die Näherung nach Gl. (4) verwenden. Ein typischer
Verlauf der Spannung U bei Annäherung verschiedener Metalldämpfungen als Funktion
des Abstands a um die Frequenz 120 kHz ist in Fig. 2a wiedergegeben. Der
Spulendurchmesser war 25 mm. Die nachfolgende Signalauswertung in einem
herkömmlichen induktiven Näherungsschalter erfolgt durch Gleichrichtung der
Spannung U und anschließender Auswertung mit einem Schmitt-Trigger und Kom
parator zur Festlegung des Schaltpunktes.
Die andere meßbare Größe ist die Resonanzfrequenz f. Ihr Verlauf als Funktion des
Abstands a ist in Fig. 2b dargestellt.
Für eine vereinfachende Darstellung sind die Differenzen der Spannung U zwischen
einem elektrisch-leitenden Meßobjekt (hier: eine Aluminiumplatte) und einem
elektrisch-leitenden und magnetisch-leitenden (Permeabilität) Meßobjekt (hier:
Stahlplatte) in Fig. 3a und die Differenzen der Resonanzfrequenz f in Fig. 3b
abgebildet. Am Schaltpunkt bei einem festen Abstand a₀ erhält man die Differenz
spannung ΔU(a₀) zwischen den Spannungen UAl(a₀) und UFe(a₀) (Fig. 3a).
ΔU(a₀) = UAl(a₀) - UFe(a₀) (5)
Gleichzeitig ist auch eine Frequenzdifferenz Δf(a₀) zwischen den Resonanzfrequenzen
des Schwingkreises bei Verwendung einer Aluminiumplatte fAl(a₀) und einer Stahlplatte
fFe(a₀) vorhanden (Fig. 3b).
Δf(a₀) = fAl(a₀) - fFe(a₀) (6)
Um die Materialunabhängigkeit des Schaltpunktes beim Abstand a₀ zu erhalten, ver
knüpft man U und f mittels des Differential-Verfahrens durch folgende neue Funktion
= U - kf, (7)
wobei k einstellbar ist.
Befindet sich eine Stahlplatte im Abstand a₀, erhält man das neue Ausgangssignal
Fe(a₀) für ein Meßobjekt aus Stahl.
Fe(a₀) = UFe(a₀) - kfFe(a₀) (8)
Befindet sich eine Aluminiumplatte im Abstand a₀, erhält man das neue Ausgangssignal
Al(a₀) für ein Meßobjekt aus Aluminium.
Al(a₀) = UAl(a₀) - kfAl(a₀) (9)
Die beiden Spannungen werden gleich groß
Fe(a₀) = Al(a₀), (10)
wenn gilt
Am so eingestellten Arbeitspunkt a₀ ändert sich die Spannung (a₀) nicht
mehr bei der
Verwendung eines Meßobjektes aus Aluminium oder Stahl. Die Differenz der Spannung
(a₀) bei Verwendung einer Aluminium- und einer Stahlplatte beträgt
Man erhält entsprechend Fig. 3a am Punkt a₀ einen Schnittpunkt der Kurven Al(a)
und Fe(a). Eine materialunabhängige Messung des Abstands für Stahl und Aluminium
wird auf diese Weise am Arbeitspunkt a₀ realisiert.
Aus Fig. 3a und 3b ist ersichtlich, daß an einem beliebigen Punkt a mit a ≠ a₀ die
Differenzen ΔU(a) und Δf(a) sich unterschiedlich ändern. Man erhält also
ΔU(a) = UAl(a) - UFe(a) (13)
und
Δf(a) = fAl(a) - fFe(a). (14)
Mit Gl. (7) und (11) erhält man eine neue Abstandsabhängigkeit Fe(a) für ein Meß
objekt aus Stahl
Fe(a) = UFe(a) - kfFe(a) (15)
und für ein Meßobjekt aus Aluminium
Al(a) = UAl(a) - kfAl(a). (16)
An einem beliebigen Punkt a gilt jetzt
und
Es existiert deshalb eine Umgebung um Punkt a₀, in der gilt
Aus Gl. (18) ergibt sich
Die Gl. (19) ist erfüllt, wenn in Gl. (20) gilt
Die Umgebung wird dann durch die Bedingung
beschrieben.
Aufgrund der Monotonität im ganzen Meßbereich, beispielsweise nach Fig. 2a und 2b,
gilt
UCu < UAl < UFe und fCu < fAl < fFe, wenn χCu < χAl und µFe » 1. (23)
Die linke Ungleichung ist automatisch erfüllt, da sign[ΔU(a₀)] = sign[ΔU(a)] und
sign[Δf(a₀)] = sign[Δf(a)] sind. Die Erfüllung der rechten Ungleichung hängt entschei
dend von der Wahl des Punktes a₀ ab. Mit hohen Resonanzfrequenzen, beispielweise
hier um 120 kHz, ist die rechte Ungleichung immer erfüllt. Die Bedingung nach Gl.
(22) ist die Voraussetzung, daß die anschließende Auswertung mit einem Schmitt-
Trigger und Komparator erfindungsgemäß arbeitet. Man kann deshalb am und um den
Schaltpunkt a₀ für Stahl und Aluminium eine nahezu materialunabhängige Abstands
messung durchführen.
Bei Annäherung eines dritten Meßobjekts, beispielsweise einer Kupferplatte, erhält man
nach ähnlichen Herleitungen zwar nicht exakt den Schnittpunkt wie in Fig. 3a mit
Aluminiumplatte, aber die Differenz der Ausgangssignale zwischen Kupfer und Stahl
wird erheblich reduziert. Ebenso verhält es sich mit anderen ferromagnetischen und
nichtferromagnetischen Metallen.
In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer
materialunabhängigen Abstandsmessung eines elektrisch-leitenden bzw. magnetisch
leitenden Meßobjektes dargestellt. Ein LC-Parallel-Schwingkreis, bestehend aus der
Spule 1 und dem Kondensator 2, wird mit einer an sich bekannten Oszillatorschaltung
4, die nicht im einzelnen dargestellt ist, auf seiner Resonanzfrequenz f zu Eigen
schwingungen erregt. Die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises wird gemessen, indem
sie mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler 5 in ein frequenzproportionales
Gleichspannungssignal Uf überführt wird. Dieses Gleichspannungssignal Uf wird danach
mit einem an sich bekannten Spannungsverstärker 6 in die Spannung U′f verstärkt,
dessen Verstärkungsfaktor kf einstellbar ist. Parallel zu 5 und 6 wird das Wechsel
spannungssignal U am Schwingkreis gemessen, in dem die Wechselspannung U mit
einem an sich bekannten Gleichrichter 7 gleichgerichtet und in die Gleichspannung UZ
überführt wird. Dieses Gleichspannungssignal UZ wird anschließend mit einem an sich
bekannten Spannungsverstärker 8 in die Spannung UZ′ verstärkt, dessen Verstärkungs
faktor kz einstellbar ist. Die beiden Gleichspannungssignale UZ′ und U′f werden
nachfolgend mit einem analogen Subtrahierer 9 von einander abgezogen, so daß das
Ausgangssignal
(a) = U′z - U′f (24)
die Differenz der beiden Spannungssignale darstellt. Das Ausgangsspannungssignal (a)
wird mit einem an sich bekannten nicht dargestellten Komparator zum Einstellen des
Schaltpunktes, mit einem an sich bekannten Schmitt-Trigger 10 zum Einstellen einer
eventuell notwendigen Schalthysterese ausgewertet und schließlich auf einen
nachfolgenden Schaltverstärker 11 zum Ansteuern und Schalten größerer Leistungen
ausgegeben. Die Verstärkungsfaktoren kf und kz werden so eingestellt, daß am
vorgesehenen Arbeitspunkt bzw. Schaltpunkt a₀ das Ausgangssignal (a) bei
Annäherung einer elektrisch-leitenden, ferromagnetischen Metallplatte, beispielsweise
aus Stahl, und bei Annäherung einer nichtferromagnetischen Metallplatte, beispiels
weise aus Aluminium, gleich groß ist. Jeder der beiden Spannungsverstärker 6 und 8
kann beispielsweise ein an sich bekannter Differenzverstärker sein. An dem einen
Eingang des Spannungsverstärkers 6 liegt die Spannung Uf und am zweiten Eingang
eine einstellbare Gleichspannungsquelle 12 mit der Konstant-Spannung Urf, wobei Urf
von der Spannung Uf subtrahiert und so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung U′f
nicht die Versorgungsspannung des Subtrahierers 9 erreichen kann. An dem einen
Eingang des Spannungsverstärkers 8 liegt die Spannung UZ und am zweiten Eingang
eine einstellbare Gleichspannungsquelle 13 mit der Konstant-Spannung UrZ, wobei UrZ
von der Spannung UZ subtrahiert wird und so eingestellt wird, daß die Ausgangs
spannung UZ′ nicht die Versorgungsspannung des Subtrahierers 9 erreichen kann. Das
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 realisiert eine Schaltung gemäß Gl. (7), wenn der
Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers 8 auf kz = 1, die Spannung UrZ = 0 und
der Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers 6 auf kf = k eingesetzt wird.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der prinzipiellen Schaltung nach Fig. 4
mit den beiden Vereinfachungen kz = 1 und UrZ = 0 ist in Fig. 5 dargestellt. Wegen
UrZ = 0 entfällt die Gleichspannungsquelle 13 und der Verstärker 8 nach Fig. 4. Bei
der Beschreibung sollen nur die wesentlichen Schaltungsteile näher erläutert werden.
Die nach Fig. 5 verwendeten Schaltungsbaugruppen zur Realisierung der in Fig. 4
beschriebenen Funktionsblöcke sind an sich bekannt. Der LC-Parallel-Schwingkreis mit
der Meßspule 1 und dem Kondensator 2 wird durch eine Rückkopplung (Widerstand
R1) mit einem Operationsverstärker IC1 auf seiner Resonanzfrequenz erregt; die
dargestellte Anordnung gibt ein mögliches Ausführungsbeispiel für den Oszillator 4
wieder. Der nachfolgende Operationsverstärker IC2 arbeitet als Spannungsfolger bzw.
Impedanzwandler mit der Verstärkung eins, so daß der Oszillator 4 nicht von den
nachfolgenden Schaltungsstufen belastet wird. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 5
arbeitet mit einem Komparator IC3 und einem an sich bekannten integrierten
Phasenregel-(PLL)-Schaltkreis, beispielsweise dem Typ 4046 der Firma RCA. Der
Komparator IC3 formt aus den sinusförmigen Eingangssignalen rechteckförmige Signale
konstanter Amplitude. Der integrierte PLL-Schaltkreis, bestehend aus einem
Phasenkomparator, einem Tiefpaßfilter R6 und C4 und einem spannungsgesteuerten
Oszillator VCO, gibt eine Ausgangsspannung Uf ab, die proportional der Frequenz f
seines Eingangssignales ist. Das Signal Uf wird mit dem Verstärker 6 verstärkt. Der
Verstärker 6 ist als Instrumentenverstärker, bestehend aus den Operationsverstärkern
IC8, IC9 und IC10, ausgeführt, dessen Verstärkung kf mit dem Potentiometer r4 so
eingestellt wird, daß das Ausgangssignal (a) am Schaltpunkt a₀ bei Annäherung von
zwei verschiedenen Metallplatten (beispielsweise Stahl und Aluminium) gleich groß ist.
Am zweiten Eingang des Instrumentenverstärkers liegt die Gleichspannung Urf, die von
der Gleichspannungsquelle 12 in der dargestellten Weise mit einer Zenerdiode und
einem Operationsverstärker IC7 erzeugt wird. Die Amplitude der Gleichspannung Urf
wird mit dem Potentiometer r1 so justiert, daß das Ausgangssignal (a) nicht so groß
wie die Versorgungsspannung Ur des Operationsverstärkers IC11 werden kann. Das
Wechselspannungssignal U des Oszillators 4 wird mit einem an sich bekannten
Präzisions-Vollweggleichrichter 7, bestehend aus den Operationsverstärkern IC4 und
IC5 und den Dioden D1 und D2, in das Gleichspannungssignal -UZ gleichgerichtet. Da
der Verstärker 8 nicht vorhanden ist, ist das Signal -UZ′ gleich dem Signal -UZ. Die
Gleichspannungssignale -UZ′ und U′f werden mit dem als Subtrahierer wirkenden
Addierer 9, bestehend aus dem Operationsverstärker IC11 und den Widerständen R15,
R16 und R17, voneinander subtrahiert und danach das Ausgangsgleichspannungssignal
(a) gebildet, da der Vollweggleichrichter 7 das Signal UZ invertiert.
(a) = -[U′f + (-U′Z)] = U′Z - U′f (25)
Dieses Gleichspannungssignal (a) wird mit dem an sich bekannten Schmitt-Trigger 10
ausgewertet, sodaß am Ausgang des Schmitt-Triggers 10 ein Schaltsignal Us entsteht.
Der nachfolgende Schaltverstärker 11 ist in der Fig. 5 nicht dargestellt. Der Schmitt-
Trigger 10 besteht aus den beiden Komparatoren IC12 und IC13 und einem RS-Flip-
Flop IC14. Mit den beiden Potentiometer r2 und r3 wird der Schaltpunkt a₀ und die
Schalthysterese des Schmitt-Triggers 10 eingestellt.
In Fig. 6 sind die Meßergebnisse des erfindungsgemäß korrigierten Ausgangssignal
(a) in Abhängigkeit vom Abstand a zweier Metallobjekte (Stahl und Aluminium) für
ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bei einer Oszillatorarbeitsfrequenz f von etwa 120
kHz dargestellt. Der Vergleich mit der Oszillatoramplitude U nach Fig. 2a, die bei
den bisher bekannten induktiven Näherungssensoren ausgewertet wird, zeigt einen
wesentlich verbesserten Gleichlauf der Abstandsabhängigkeit des Ausgangssignals. Nach
den Fig. 2a und 2b ist bei einem ferromagnetischen Metallobjekt und bei großem
Abstand des Objekts die Abstandsabhängigkeit der Oszillatoramplitude U wesentlich
größer als die Abstandsabhängigkeit der Resonanzfrequenz f. Bei einem nichtferro
magnetischen Metallobjekt und bei großem Abstand des Objekts ist das Verhalten
umgekehrt; d. h. die Abstandsabhängigkeit der Oszillatoramplitude U ist in diesem Fall
wesentlich unempfindlicher als die Abstandsabhängigkeit der Resonanzfrequenz f. Das
bedeutet, daß die Messung des Abstandes bei einem nichtferromagnetischen Metall
objekt mit Hilfe der Oszillatorspannungsamplitude U, d. h. damit der induktiven
Spannung U der Meßspule, weniger gut geeignet ist als mittels der Resonanzfrequenz
f.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat sich nach Fig. 7 die Verwendung von
digitalen Bauelementen für eine digitale Signalverarbeitung zur Erhöhung der Genauig
keit und zur Reduzierung der elektronischen Schaltungsmittel bewährt. Hierzu wird die
induzierte Spannung U des LC-Parallel-Schwingkreises bzw. der induzierte Strom I des
LC-Serien-Schwingkreises mit einem Gleichrichter 7 in das Gleichspannungssignal UZ
und dieses mit einem an sich bekannten Analog/Digital-Umsetzer 14 in ein hierzu
proportionales digitales Signal XZ umgesetzt. Weiterhin wird die Resonanzfrequenz f
des Schwingkreises mit einem an sich bekannten digitalen Frequenz-Umsetzer 15,
vorzugsweise ein Frequenz-Zähler, in ein frequenz-proportionales digitales Signal Xf
umgesetzt. Mittels eines an sich bekannten digitalen Subtrahierers 16 wird die
Subtraktion der beiden digitalen Signale XZ und Xf durchgeführt, indem beispielsweise
das eine digitale Signal in einen an sich bekannten digitalen Speicher geschrieben wird
und von diesem Speicherinhalt das zweite digitale Signal subtrahiert wird, so daß der
verbliebene Speicherinhalt die Differenz der beiden digitalen Signale XZ und Xf
darstellt. Die Quantisierungen des Analog/Digital-Umsetzers 14 bzw. des Frequenz-
Umsetzers 15 werden so eingestellt, daß die Differenzen für zwei verschiedene
Meßobjekte aus verschiedenen Materialien in Arbeitspunkt a₀ gleich groß werden. Die
oben näher ausgeführten Zusammenhänge gelten bei einer Digitalisierung der Signale
entsprechend, so daß hier auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Bei einem ferromagnetischen Metallobjekt wird im wesentlichen die Änderung der
Oszillatorspannungsamplitude und damit die induzierte Spannung U der Meßspule
erfaßt. Die Änderung der Amplitude der induzierten Spannung der Meßspule ist im
wesentlichen ein Maß für die Änderung der Güte Q der Meßspule. Bei einem
elektrisch-leitenden, nichtferromagnetischen Metallobjekt, beispielsweise aus
Aluminium, wird dagegen die Änderung der Resonanzfrequenz f und damit im wesent
lichen die Änderung des Kehrwertes der reinen Spuleninduktivität L bzw. die Änderung
der Imaginärteils des komplexen Spulenleitwertes erfaßt.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender Näherungssensor verknüpft in
vorteilhafter Weise die an sich bekannte Messung der Güte einer Meßspule mit der
gleichzeitig gemessenen Spuleninduktivität. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahren ist die wesentliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit für nichtferro
magnetische Metallobjekte bei gleichzeitiger Beibehaltung der Meßempfindlichkeit für
ferromagnetische Metallobjekte mit den bekannten Gütemeßverfahren.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist die Verwendung von
Resonanzfrequenzen wesentlich über 10 kHz, so daß die Verwendung von Spulen mit
kleinen Abmessungen möglich ist und damit die Bedingung nach Gleichung (22) erfüllt
wird.
Claims (29)
1. Induktiver Näherungssensor zur materialunabhängigen Messung des Abstandes
eines elektrisch-leitenden bzw. eines wegen seiner Permeabilität magnetisch-leiten
den, vorzugsweise weichmagnetischen oder ferromagnetischen Meßobjektes (3) unter
Verwendung eines Parallel- oder Serien-Schwingkreises, bestehend aus einer als
induktiver Näherungssensor wirkenden Spule (1) und aus einem Schwingkreis-Kon
densator (2), wobei der Schwingkreis in einem Oszillator (4) auf seiner Resonanz
frequenz f₀ zu Eigenschwingungen angeregt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein elektrischer oder elektronischer Gleichrichter (7) vorhanden ist, um die induzierte Wechselspannung U am Parallel-Schwingkreis oder den induzierten Strom I am Serien-Schwingkreis als Maß für den Resonanzwiderstand Z des Schwingkreises zu messen, so daß die induzierte Spannung U oder der induzierte Strom I in ein resonanzwiderstands-proportionales Signal Uz bzw. Xz überführt wird,
- - daß ein elektrischer oder elektronischer Frequenz-Wandler (5) oder Frequenz- Umsetzer (15) vorhanden ist, um die Resonanzfrequenz f₀ des Schwingkreises zu messen, sodaß die Resonanzfrequenz f₀ des Schwingkreises in ein frequenz proportionales Signal Uf bzw. Xf überführt wird, und
- - daß ein elektrischer oder elektronischer Subtrahierer (9) oder (16) vorhanden ist, um das Differenzsignal bzw. aus dem Signal Uz bzw. Xz und dem Signal Uf bzw. Xf zu bilden.
2. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein Strom/Spannungs-Wandler den induzierten Wechselstrom I des Reihen- Schwingkreises in eine Wechselspannung U umformt und
- - daß ein Gleichtrichter (7) diese Wechselspannung U in die Gleichspannung Uz gleichgerichtet.
3. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strom/Spannungs-Wandler ein ohmscher Widerstand ist, der in dem
Serien-Schwingkreis eingefügt ist, so daß durch diesen ohmschen Widerstand der
induzierte Wechselstrom I des Schwingkreises fließt.
4. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorspule (1) der Strom/Spannungs-Wandler ist, so daß der Wechselstrom
I des Reihen-Schwingkreises an der Sensorspule (1) die Wechselspannung U erzeugt.
5. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (2) der Strom/Spannungs-Wandler ist, so daß der Wechselstrom
I des Reihenschwingkreises am Schwingkreiskondensator (2) die Wechselspannung U
erzeugt.
6. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2 oder 3 oder 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strom/Spannungs-Wandler mit einem seiner zwei Anschlüsse an der
Schaltungsmasse liegt, so daß die Wechselspannung U gegen Schaltungsmasse
erzeugt wird.
7. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Frequenz/Spannungs-Wandler (5) die Resonanzfrequenz f₀ des Schwing
kreises in eine frequenzproportionale Gleichspannung Uf wandelt.
8. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein elektronischer Gleichspannungsverstärker (8) die Gleichspannung Uz in die Gleichspannung U′z verstärkt und
- - daß elektronische Mittel vorhanden sind, um die Gleichspannungsverstärkung kZ einzustellen und zu justieren.
9. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein elektronischer Gleichspannungsverstärker (6) die Gleichspannung Uf in die Gleichspannung U′f verstärkt und
- - daß elektronische Mittel vorhanden sind, um die Gleichspannungsverstärkung kf einzustellen und zu justieren.
10. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 6 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Konstant-Gleichspannungsquelle (13) die Konstant-Gleichspannung UrZ erzeugt, die von der Gleichspannung UZ mit einem Subtrahierer im Gleich spannungsverstärker (8) subtrahiert wird, und
- - daß elektronische Mittel vorhanden sind, um die Konstant-Gleichspannung UrZ einzustellen und zu justieren.
11. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 7 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Konstant-Gleichspannungsquelle (12) die Konstant-Gleichspannung Urf erzeugt, die von der Gleichspannung Uf mit einem Subtrahierer im Gleich spannungsverstärker (6) subtrahiert wird, und
- - daß elektronische Mittel vorhanden sind, um die Konstant-Gleichspannung Urf einzustellen und zu justieren.
12. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 8 oder 9 oder 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß entweder nur der elektronische Gleichspannungsverstärker (6) mit der Konstant-
Gleichspannungsquelle (12) oder nur der elektronische Gleichspannungsverstärker (8)
mit der Konstant-Spannungsquelle (13) oder keiner der beiden Gleichspannungsver
stärker und damit keine Konstant-Spannungsquelle vorhanden ist.
13. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Subtrahierer (9) die Gleichspannung U′f bzw. Uf von der Gleichspannung
U′z bzw. Uz subtrahiert, so daß die Differenzspannung U(a) entsteht, wenn die
Gleichspannung U′z bzw. Uz größer als die Gleichspannung U′f bzw. Uf ist.
14. Induktiver Näherungssensor nach den Ansprüchen 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Subtrahierer (9) die Gleichspannung Uz′ bzw. Uz von der Gleichspannung
Uf′ bzw. Uf subtrahiert, so daß die Differenzspannung (a) entsteht, wenn die
Gleichspannung Uf′ bzw. Uf größer als die Gleichspannung Uz′ bzw. Uz ist.
15. Induktiver Näherungssensor nach den Ansprüchen 1 oder 8 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß elektrische oder elektronische Mittel zur Einstellung der Gleichspannungs
verstärkungen kf bzw. kz der Gleichspannungsverstärker (6) bzw. (8) und elektrische
und elektronischen Mittel zur Einstellung der Konstant-Spannung Urf bzw. Urz der
Konstantspannungsquelle (12) bzw. (13) vorhanden sind, so daß in einem festen
Arbeitspunkt bzw. Schaltpunkt beim Abstand a₀ des Meßobjektes (3) von der Sensor
spule (1) die Differenzspannung A(a₀) bei einem Meßobjekt (3) aus dem Werkstoff
A gleich groß ist wie die Differenzspannung B(a₀) bei einem Meßobjekt (3) aus
dem Werkstoff B.
16. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Umsetzer (14) ein elektronischer Analog/Digital-Umsetzer ist, so daß die
analoge Gleichspannung Uz in ein proportionales Digitalsignal Xz umgesetzt wird.
17. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Umsetzer (15) ein elektronischer Frequenz-Zähler ist, so daß die Resonanz
frequenz f₀ des Schwingkreises in ein frequenzproportionales Digitalsignal Xf
umgesetzt wird.
18. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 bis 6 oder 16 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Subtrahierer (16) ein digitaler elektronischer Subtrahierer ist, so daß das
digitale Differenzsignal X aus der Subtraktion des Digitalsignals Xz und des Digital
signals Xf gebildet wird.
19. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Subtrahierer (16) ein digitaler Halbleiter-Speicher ist.
20. Induktiver Näherungssensor nach den Ansprüchen 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß elektronische Mittel zur Einstellung der Quantisierungsstufen des Umsetzers (14)
und elektronische Mittel zur Einstellung der Quantisierungsstufen des Umsetzers (15)
vorhanden sind, so daß in einem festen Arbeits- bzw. Schaltpunkt beim Abstand a₀
des Meßobjektes (3) von der Sensorspule (1) das Differenzsignal A(a₀) bei einem
Meßobjekt (3) aus dem Werkstoff A gleich groß ist wie das Differenzsignals B(a₀)
bei einem Meßobjekt (3) aus dem Werkstoff B.
21. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 15 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A oder B des Meßobjektes (3) ein elektrisch-leitender
Werkstoff vorzugsweise Metall ist.
22. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 15 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A oder B des Meßobjektes (3) ein wegen seiner Permea
bilität magnetisch-leitender Werkstoff ist, beispielsweise ein weichmagnetischer oder
ferromagnetischer Werkstoff.
23. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 15 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A bzw. B des Meßobjektes (3) ein elektrisch-leitender und
wegen seiner Permeabilität magnetisch-leitender, vorzugsweise ein weichmagneti
scher oder ferromagnetischer, Werkstoff ist.
24. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A bzw. B des Meßobjektes (3) Kupfer, Messing, Alumini
um oder Bronze ist.
25. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A bzw. B des Meßobjektes (3) Ferrit ist.
26. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstoffmaterial A bzw. B des Meßobjektes (3) Eisen oder Stahl ist.
27. Induktiver Näherungssenor nach Anspruch 15 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektronischer Komparator (10) vorhanden ist, der das Differenzsignal (a)
bzw. (a) mit einem einstellbaren konstanten Vergleichssignal vergleicht, so daß
das Ausgangssignal des Komparators (10) angibt, ob das Differenzsignal (a) bzw.
(a) größer oder kleiner als das Vergleichssignal ist und so daß die Größe des
Vergleichssignals den Arbeits- bzw. Schaltpunkt beim Abstand a₀ bestimmt.
28. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß elektrische oder elektronische Mittel vorhanden sind, um die Größe des
Vergleichssignals einzustellen bzw. zu justieren, so daß auf diese Weise der Arbeits-
bzw. Schaltpunkt bei einem Abstand a₀ des Meßobjektes (3) von der Sensorspule I
eingestellt bzw. justiert wird.
29. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elektronische Komparator (10) einen Schnitt-Trigger enthält, so daß eine
Schalthysterese um den Arbeits- bzw. Schaltpunkt vorhanden ist, und
daß elektrische oder elektronische Mittel vorhanden sind, um die Amplitude der
Schalthysterese einzustellen und zu justieren.
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