DE69733278T2

DE69733278T2 - Induktiver näherungssensor mit induktive nachführung aufweisender oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE69733278T2
Application number: DE69733278T
Authority: DE
Inventors: Xuan Mai Tu; Michel Schwab
Original assignee: Detra SA
Current assignee: Detra SA
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2017-08-23
Also published as: CA2296716A1; CA2296716C; EP1004166A1; JP2002519903A; AU3845497A; US6335619B1; EP1004166B1; DE69733278D1; WO1999010981A1; ATE295628T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Abstandssensor mit einem aus 2 gekoppelten Wicklungen bestehenden Resonanzkreis.
Induktive Abstandssensoren mit Resonanzkreis sind bekannt. Siehe beispielsweise die Unterlage US-A-4,942,372. Diese Sensoren funktionieren nach dem folgenden Prinzip: Ist kein metallisches Objekt in der Nähe des Sensors vorhanden, schwingt der aus einem mit Resonanz arbeitenden Oszillator bestehende Messkreis mit einer Amplitude, die von den Eigenverlusten des Oszillators abhängig ist (ohmsche Verluste der Spule des Kreises, Verluste durch Hysterese im Magnetkreis der Spule). Die Nähe eines metallischen Objekts bewirkt Verluste durch in dieses Objekt induzierte Wirbelströme und demzufolge eine Verringerung der Schwingungsamplitude. Der Vergleich dieser Amplitude mit einem Bezugswert ermöglicht die Erkennung des Vorhandenseins metallischer Objekte.
Ein großer Nachteil dieses Sensors besteht in der Empfindlichkeit gegenüber Eigenverlusten des Resonanzkreises.
Denn bei Temperaturschwankungen schwanken auch die Eigenverluste des Kreises und verursachen eine Änderung der Schwingungsamplitude.
Zur Einschätzung dieser Temperaturabhängigkeit gibt es 2 Methoden, die 2 magnetisch gekoppelte Spulen benutzen, wie beispielsweise die in den Patenten DE 40 32 001 C2 und CH 655 414 A5 beschriebenen Methoden. Die Umsetzung dieser Methoden ist jedoch recht aufwendig.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen neuen, leicht einzusetzenden Sensortyp zur Verfügung zu stellen, mit dem die vorgenannten Nachteile beseitigt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen im Patentanspruch 1 beschriebenen induktiven Abstandssensor gelöst.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 das Prinzipschaltbild eines nach dem Stand der Technik allgemein bekannten induktiven Oszillators,
2 das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Oszillators,
3 ein erstes Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Primär- und Sekundärwicklung,
4 die eigenen und gegenseitigen Flüsse der Wicklungen gemäß 3,
5 ein zweites Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Primär- und Sekundärwicklung,
6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors.
In 1 ist das Prinzipschaltbild eines induktiven Oszillators dargestellt. Dieser Oszillator umfasst eine Primärwicklung 10, an deren Klemmen die Kapazität 12 parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand Rp den Gesamtverlustwiderstand des Oszillators darstellt, mit den ohmschen Verlusten, den Verlusten durch Hysterese und den Verlusten durch Wirbelströme, wenn sich das Ziel in der Nähe befindet.
Eine Sekundärwicklung 11 ist mit der Primärwicklung 10 gekoppelt, wobei die Kopplung zwischen 2 Wicklungen symbolisch durch die gegenseitige Induktanz M dargestellt ist. Eine Klemme der Sekundärwicklung 11 ist an Masse gelegt, die andere ist mit einem Eingangswiderstand R1 des Verstärkers 14 verbunden. Ohne die induktive Reaktion lautet der Verstärkungsfaktor g = -Rp/R1. Dabei ist k = U2/U1 das Verhältnis der Primär- und Sekundärspannung unter der Einwirkung der induktiven Kopplung. Die Oszillationsbedingung lautet: g·k > 1
Bei konstanter Temperatur, bei Fehlen des Ziels, wenn man R1 so wählt, dass g·k etwas größer ist als 1, beginnt die Oszillation.
Wenn man sich einem metallischen Objekt der Primärwicklung nähert, verringert sich der Widerstand Rp unter der Einwirkung der Verluste durch Wirbelströme in dem Ziel, was zu einem Anhalten der Oszillationen führt.
Da Rp ebenfalls abhängig ist von den ohmschen Verlusten und den Verlusten durch Hysterese, versteht man ohne weiteres, dass die Funktion eines diesen Kreis benutzenden Sensors nicht sicher ist, außer wenn die Verluste durch Wirbelströme sehr viel größer sind als die Eigenverluste des Kreises. In diesem Fall muss sich das Ziel in nächster Nähe des Sensors befinden, d.h. dass der Sensor nur sehr wenig empfindlich ist.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, schlägt die Erfindung das Schaltbild von 2 vor. Bei diesem Schaltbild wurde ein Lastwiderstand RL mit einem etwas geringeren Wert als der Widerstand Rp bei Abwesenheit des Ziels eingefügt. Wenn Rp demzufolge der Temperatur entsprechend schwankt, bleibt der durch die Parallelschaltung von RL und Pr gegebene gleichwertige Widerstand praktisch konstant.
Handelt man jedoch auf diese Weise, ohne Maßnahmen bezüglich der Anordnung der Primär- und Sekundärwiderstände zu ergreifen, wird der Sensor praktisch unempfindlich, da das Produkt g·k etwa konstant bleibt.
In 3 ist ein erstes Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Primär- und Sekundärwicklung dargestellt. Die Primärwicklung 10 besteht aus einer in einem Ferrittopf 31 gelagerten Spule. Dieser Topf ist in einem Käfig aus isolierendem Material angeordnet, der ebenfalls als Spulenkörper für die Sekundärwicklung 11 dient.
4 zeigt die eigenen und gegenseitigen Flüsse der Primär- und Sekundärwicklung der 3. Dank dieser Anordnung sind der Eigenfluss 01 der Primärwicklung (nur mit der Primärwicklung gekoppelter Fluss) sowie der Eigenfluss der Sekundärwicklung etwas größer als der gegenseitige Fluss 012 zwischen 2 Wicklungen. Die Annäherung eines metallischen Ziels 41 bewirkt eine merkliche Verringerung des Kopplung 012 zwischen 2 Wicklungen und demzufolge den Faktor k. Unter diesen Bedingungen stoppt der Oszillator der 2 die Oszillation bei der Annäherung eines Ziels, da das Produkt g·k kleiner ist als 1.
5 zeigt ein zweites Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Primär- und Sekundärwicklung. Die Primärwicklung 10 besteht aus einer in einem Ferrittopf 31 angeordneten Spule. An der Rückseite 52 (von der dem Ziel ausgesetzten Seite abgewendete Seite) ist die Sekundärwicklung 11 um eine Ferritstange 53 gewickelt, die sich in der Achse des Ferrittopfs 51 befindet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors. Dieser Sensor besteht aus einem Oszillator 61, einem Gleichrichter 62, einem ersten Komparator 63 mit einer Bezugsspannung Vref1, der die An- oder Abwesenheit des zu erfassenden Ziels angibt, je nachdem ob die Eingangsspannung kleiner oder größer ist als Vref1, und einem zwei ten Komparator 64 mit einer Bezugsspannung Vref2 < Vref1. Der Ausgang dieses Komparators beaufschlagt den Schalter 65, wodurch der Faktor des Verstärkers 14 erhöht wird, wenn die Amplitude kleiner ist als Vref2. Dieser Kreis ermöglicht, die Oszillation unter dieser Spannung aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise kann die Schaltfrequenz des Sensors verbessert werden.

Claims

Induktiver Abstandssensor mit einem induktiven Schwingungskreis, bestehend aus: einem Verstärker (14), einer an eine Ausgangsklemme des besagten Verstärkers angeschlossenen Primärwicklung (10), einer an eine Eingangsklemme des besagten Verstärkers angeschlossenen Sekundärwicklung (11), einer zu der besagten Primärwicklung parallel geschalteten Kapazität (12), dadurch gekennzeichnet, dass er weiters umfasst einen zu der besagten Primärwicklung parallel geschalteten Lastwiderstand (15), wobei der Wert des besagten Lastwiderstands so gewählt ist, dass bei Oszillationsbetrieb die ohmschen Verluste dieses Widerstands etwas größer sind als die ohmschen Verluste in der Primärwicklung, und dass die Primär- und Sekundärwicklung (10, 11) so angeordnet sind, dass der gegenseitige Fluss (012) zwischen den 2 Wicklungen etwas geringer ist als der Eigenfluss einer jeden Wicklung (01; 02).
Induktiver Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Primärwicklung aus einer in einem Ferrittopf (31) gelagerten Spule besteht, dass die besagte Sekundärwicklung aus einer mit der ersten koaxialen Spule besteht, die außerhalb des besagten Ferrittopfs angeordnet ist, und dass die Primär- und Sekundärwicklung sich auf der gleichen Seite in Bezug auf das zu erfassende Ziel befinden.
Induktiver Abstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Sekundärwicklung aus einer Spule besteht, die auf einem Spulenkörper aus isolierendem Material (32) sitzt, der um den Ferrittopf der Primärwicklung herum angeordnet ist.
Induktiver Abstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Sekundärwicklung aus einer Spule besteht, die um eine Ferritstange (53) gewickelt ist, die sich an der Rückseite des Ferrittopfs der Primärwicklung befindet, wobei die Vorderseite des Topfs die Seite ist, die dem zu erfassenden Ziel am nahesten liegt.
Induktiver Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Gleichrichterschaltung (62), einen Komparator (63) mit einer Bezugsspannung Vref1, die die An- oder Abwesenheit des zu erfassenden Ziels anzeigt, und einen Komparator (64) mit einer Bezugsspannung Vref2 < Vref1, dessen Ausgang mit einem auf den Faktor des Verstärkers (14) wirkenden Aufrechterhaltungskreis der Oszillation (65) verbunden ist, umfasst.