DE19538575A1 - Inductive proximity sensor with high switching speed - Google Patents
Inductive proximity sensor with high switching speedInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der komplexen Impedanz einer verlustbehafteten Spule, deren Impedanz von einer nichtelektrischen Meßgröße ab hängig ist, und einen nach dieser Vorrichtung aufgebauten induktiven Sensor bzw. Wirbelstromsensor.The invention relates to a device for measuring the complex impedance of a lossy coil whose impedance depends on a non-electrical measured variable is dependent, and an inductive sensor or Eddy current sensor.
Eine von einer nichtelektrischen Meßgröße abhängige Spule - im folgenden als Sen sorspule oder Meßspule bezeichnet - wird in der Betriebsmeßtechnik, Prozeßüberwa chung und Sensorik in vielfältiger Weise als induktiver Abstandssensor oder induktiver Näherungsschalter zur Abstandsmessung und als Wirbelstromsensor zur zerstörungs freien Materialprüfung eingesetzt. Die nichtelektrischen Meßgrößen können der Ab stand s eines Meßobjekts - im folgenden als Steuerfahne bezeichnet - bzw. die physika lischen Eigenschaften des Meßobjekts sein, wie elektrische Leitfähigkeit σ, die Per meabilität µ oder abgeleitete Größen.A coil dependent on a non-electrical measured variable - hereinafter referred to as Sen Sorspule or measuring coil called - is used in operational measurement, process monitoring and sensors in a variety of ways as an inductive distance sensor or inductive Proximity switch for distance measurement and as an eddy current sensor for destruction free material testing. The non-electrical parameters can be from Ab was a measurement object - hereinafter referred to as the control flag - or the physika mical properties of the test object, such as electrical conductivity σ, the Per meability µ or derived quantities.
Wird ein solches, meist metallisches, Meßobjekt in das elektromagnetische Wechselfeld der Spule eines induktiven Sensors eingebracht, wird die komplexe Impedanz der Spule durch die nichtelektrischen Meßgrößen geändert. Die nichtelektrischen Meßgrößen beeinflussen bei geeigneter Frequenz häufig nur eine Komponente der komplexen Impedanz, beispielsweise beeinflußt die elektrische Leitfähigkeit des Meßobjektes den Verlustwiderstand der Spule oder die Permeabilität des Meßobjekts die Induktivität der Spule. Stets ist jedoch die Spule ohne Meßobjekt verlustbehaftet, d. h. ein induktiver Sensor hat neben der Grundinduktivität zusätzliche ohmsche Verluste.If such a, mostly metallic, object to be measured enters the alternating electromagnetic field the coil of an inductive sensor, the complex impedance of the coil changed by the non-electrical measurands. The non-electrical measurands often affect only one component of the complex at a suitable frequency Impedance, for example, affects the electrical conductivity of the test object Loss resistance of the coil or the permeability of the object to be measured Kitchen sink. However, the coil is always lossy without a measurement object, i. H. an inductive In addition to the basic inductance, the sensor has additional ohmic losses.
Die elektrischen Meßschaltungen sollen möglichst nur den Anteil der Impedanz oder eine aus der Impedanz abgeleitete Größe erfassen, die von der nichtelektrischen Meßgröße abhängig ist. Eine Meßschaltung zur Auswertung der Änderung der kom plexen Impedanz oder einer abgeleiteten Größe ist in ihrem Verhalten von den Eigen schaften der Spule abhängig. Die Güte Q bzw. der Verlustfaktor D und das Tempera turverhalten der Spule bestimmen bei ausreichend großer Meßempfindlichkeit die Eigenschaften der Messung. Mit anderen Worten, die Meßeigenschaften werden ganz wesentlich durch die Verluste der Spule bestimmt. Durch geeignete Wahl der Meß schaltung wird versucht, nur den meßgrößenabhängigen Teil der komplexen Impedanz oder einer daraus abgeleiteten Größe zu messen, beispielsweise den Wirkwiderstand oder die Induktivität oder die Güte bzw. den Verlustfaktor. Es sind zahlreiche Meß schaltungen zur Lösung dieses Problems bekannt, aber nur wenige Schaltungen haben sich in der Praxis als brauchbar bewährt. Meistens sind die Auswerteschaltungen zur Verbesserung der Meßeigenschaften direkt an die Sensorspule angepaßt.The electrical measuring circuits should if possible only the proportion of the impedance or detect a quantity derived from the impedance by the non-electrical Measured variable is dependent. A measuring circuit for evaluating the change in com plex impedance or a derived quantity is inherent in its behavior depending on the coil. The quality Q or the loss factor D and the tempera the behavior of the coil determine the sufficiently high sensitivity Properties of the measurement. In other words, the measurement properties become whole largely determined by the losses of the coil. By suitable choice of measuring circuit is attempted, only the part of the complex impedance dependent on the measured variable or measure a quantity derived from it, for example the effective resistance or the inductance or the quality or the loss factor. There are numerous measuring known circuits to solve this problem, but have few circuits has proven itself in practice. Mostly, the evaluation circuits are Improvement of the measuring properties directly adapted to the sensor coil.
Elektrische und elektronische Schaltungen sind in ihrem Verhalten von den Eigen schaften der verwendeten Bauelemente abhängig. Die Güte und das Temperaturverhal ten von Widerständen und Kondensatoren sind mit modernen Technologien beherrsch bar; ebenso sind die Eigenschaften von modernen Halbleiter-Schaltungen durch ge eignete Wahl der Schaltung bestimmbar; jedoch sind nur wenige Schaltungen bekannt, die die Güte und den Temperaturgang einer verlustbehafteten Spule verbessern. The behavior of electrical and electronic circuits is unique depending on the components used. The quality and the temperature behavior Resistors and capacitors are controlled with modern technologies bar; the properties of modern semiconductor circuits are also characterized by ge suitable choice of circuit can be determined; however, only a few circuits are known that improve the quality and temperature response of a lossy coil.
Die wichtigsten berührungslosen Sensoren zur Prozeßsteuerung und Anlagenüber wachung sind induktive Abstands- bzw. Näherungssensoren oder Näherungsschalter und Näherungsinitiatoren. Ein induktiver Näherungssensor enthält eine Spule mit einem gerichteten elektromagnetischen Hochfrequenzfeld. Hierzu verwendet man meist han delsübliche zylinderförmige Einzel- oder Halbschalenkerne aus ferromagnetischem Ferritmaterial. Dadurch entsteht an den offenliegenden Schenkeln dieser rotationssym metrischen Einzelschalenkerne eine Vorzugsrichtung des elektromagnetischen Hochfre quenzfeldes. Wird in dieses gerichtete Hochfrequenzfeld ein elektrisch oder magnetisch leitendes bzw. ferromagnetisches Material - eine sogenannte Steuerfahne - gebracht, tritt eine Dämpfung der magnetischen und elektrischen Komponente des Hochfre quenzfeldes und damit eine Dämpfung der Spule auf.The most important non-contact sensors for process control and plant transfer are inductive distance or proximity sensors or proximity switches and Proximity initiators. An inductive proximity sensor contains a coil with a directional high-frequency electromagnetic field. Mostly han is used for this Standard cylindrical single or half-shell cores made of ferromagnetic Ferrite material. This creates a rotationally symmetrical pattern on the exposed legs metric single-shell cores a preferred direction of the electromagnetic high frequency quenzfeld. An electric or magnetic becomes in this directional high-frequency field conductive or ferromagnetic material - a so-called control flag - brought, occurs a damping of the magnetic and electrical components of the Hochfre quenzfeldes and thus a damping of the coil.
Ein handelsüblicher induktiver Näherungssensor enthält einen Hochfrequenz-Oszillator mit einem LC-Schwingkreis. Die Spule dieses LC-Schwingkreises erzeugt das gerichtete elektromagnetische Hochfrequenzfeld. Durch die oben beschriebenen Dämpfung des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes nimmt die Amplitude der Hochfrequenz- Schwingungen des Oszillators ab. Die Amplitude der Oszillator-Hochfrequenz-Schwin gungen kann als Maß für die Dämpfung des gerichteten elektromagnetischen Hoch frequenzfeldes verwendet werden, also als Maß für den Abstand einer Steuerfahne.A commercially available inductive proximity sensor contains a high-frequency oscillator with an LC resonant circuit. The coil of this LC resonant circuit generates the directed one high frequency electromagnetic field. Due to the damping described above electromagnetic radio frequency field takes the amplitude of the radio frequency Vibrations of the oscillator. The amplitude of the oscillator radio frequency oscillation can act as a measure of the attenuation of the directed electromagnetic high frequency field are used, that is, as a measure of the distance of a control flag.
Zur Auswertung der Dämpfung wird die Amplitude des Oszillator-Hochfrequenzsignals im allgemeinen gleichgerichtet und mit einem Tiefpaßfilter gefiltert. Dieses gleich gerichtete und gefilterte Hochfrequenz-Amplituden-Signal ist ein Gleichspannungs- oder Gleichstrom-Signal und kann entweder direkt in ein analoges Signal zur Anzeige des Abstandes einer Steuerfahne verstärkt oder mit Hilfe einer nachfolgenden Auswerte schaltung in ein Schaltsignal umgesetzt werden, wobei das Schaltsignal bei einem definierten Abstand der Steuerfahne seinen Schaltzustand ändert. Besonders induktive Näherungsschalter, die nach der zuletzt beschriebenen Funktion arbeiten, dienen in zahlreichen Ausführungsformen und in großer Anzahl zur Anlagensteuerung und Anlagenüberwachung. Als Schaltung zur Erzeugung der Hochfrequenz-Schwingungen wird sehr häufig eine Meißner-Oszillator-Schaltung verwendet.The amplitude of the oscillator high-frequency signal is used to evaluate the damping generally rectified and filtered with a low pass filter. This same directional and filtered radio frequency amplitude signal is a DC voltage or DC signal and can either directly into an analog signal to display the Distance of a control flag or with the help of a subsequent evaluation circuit can be converted into a switching signal, the switching signal at a defined distance of the control flag changes its switching state. Particularly inductive Proximity switches that work according to the function described last serve in numerous embodiments and in large numbers for system control and Plant monitoring. As a circuit for generating the high-frequency vibrations a Meissner oscillator circuit is very often used.
Bei einem induktiven Näherungssensor hängt der erzielbare und nutzbare Abstands bereich, d. h. der Abstand der Steuerfahne von der "aktiven" Fläche der Spule, im wesentlichen von der Größe und den Eigenschaften der Hochfrequenz-Spule ab. Die Dämpfung durch die Steuerfahne bewirkt eine Änderung der Güte Q der Spule. Bei Annähern der Steuerfahne wird die Güte Q von einem maximalen Wert Q₀ in Form einer S-Kurve auf einen minimalen Wert reduziert. Den Schaltpunkt bzw. den Meßbe reich legt man zweckmäßigerweise in den steilsten Teil der S-Kurve, i. a. ist das am Wendepunkt. Will man den Meßbereich vergrößern, so muß man auch die flacheren Teile der S-Kurve ausnutzen. Die Messung ist in einem flacheren Teil mit einer wesentlich größeren Unsicherheit behaftet, da eine bestimmte auswertbare Güteände rung hier eine große Änderung im Abstand s der Steuerfahne bedeutet.The distance that can be achieved and used depends on an inductive proximity sensor area, d. H. the distance of the control lug from the "active" surface of the coil, in depend essentially on the size and properties of the high-frequency coil. The Damping by the control flag causes a change in the quality Q of the coil. At Approaching the control flag, the quality Q is in the form of a maximum value Q₀ an S curve reduced to a minimum value. The switching point or the meas It is best to lay rich in the steepest part of the S-curve, i. a. is that on Turning point. If you want to enlarge the measuring range, you also have to use the shallower ones Use parts of the S-curve. The measurement is in a flatter part with a much greater uncertainty, since a certain evaluable quality level here means a large change in the distance s of the control flag.
Der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die relative Güte Q/Q₀ einer Spule zeigt, daß die Gute mit steigender Temperatur abnimmt. Der Temperatureinfluß auf die Spulengüte schränkt den nutzbaren Abstandsmeßbereich bei induktiven Näherungs sensoren wesentlich ein, da die Güteänderung infolge des Temperatureinflusses in einem vorgesehenen Temperatur-Arbeitsbereich größer werden kann als die durch eine Steuerfahne bewirkte Änderung.The influence of the ambient temperature on the relative quality Q / Q₀ of a coil shows that the good decreases with increasing temperature. The influence of temperature on the Coil quality limits the usable distance measuring range with inductive proximity sensors because the change in quality due to the influence of temperature in an intended temperature working range can be larger than that by a Tax flag effect change.
Bei vielen Anwendungen und in vielen Ausführungsformen wird der Abstandsmeßbe reich so niedrig gewählt, daß keine besonderen Maßnahmen zu einer Temperaturkom pensation notwendig sind. Bei kritischen Einsatzfällen verwendet man temperatur abhängige Widerstände, beispielsweise Heißleiter oder Kaltleiter, um den Temperatur gang des Schaltabstandes zu kompensieren. Dieser zusätzliche Aufwand führt jedoch nur in einem beschränkten Temperaturbereich zu befriedigenden Ergebnissen. Eine wesentliche Vergrößerung des nutzbaren Abstandsmeßbereiches kann damit nicht erreicht werden.In many applications and in many embodiments, distance measurement is used rich selected so low that no special measures to a Temperaturkom pensation are necessary. In critical applications, temperature is used dependent resistors, for example thermistors or PTC thermistors, around the temperature to compensate for the switching distance. However, this additional effort leads only satisfactory results in a limited temperature range. A it cannot significantly increase the usable distance measuring range can be achieved.
Eine verlustbehaftete Spule wird durch die komplexe Impedanz Z beschrieben. Eine an die Spule angelegte Wechselspannung U eilt dem durch die Spule fließenden Wech selstrom I um den Phasenwinkel ϕUI vor, der um den Verlustwinkel δ kleiner ist als 90° (Grad). Das Verhalten einer verlustbehafteten Sensorspule eines induktiven Näherungs sensors wird durch eine Ersatzschaltung beschrieben, in der der Feldverlustwiderstand RF durch einen ohmschen Parallelwiderstand parallel zu einem Blindwiderstand XL durch eine reine Induktivität L und in Reihe zu dieser Parallelschaltung den Wick lungswiderstand RCU der Spule durch einen ohmschen Vorwiderstand berücksichtigt wird, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift OS 38 14 131 in Fig. 2a dargestellt. In dieser an sich bekannten Ersatzschaltung repräsentiertA lossy coil is described by the complex impedance Z. An AC voltage U applied to the coil leads the AC current I flowing through the coil by the phase angle ϕ UI , which is less than 90 ° (degrees) by the loss angle δ. The behavior of a lossy sensor coil of an inductive proximity sensor is described by an equivalent circuit in which the field loss resistance R F through an ohmic parallel resistor in parallel with a reactance X L through a pure inductance L and in series with this parallel connection through the winding resistance R CU of the coil an ohmic series resistor is taken into account, as shown, for example, in German Offenlegungsschrift OS 38 14 131 in FIG. 2a. Represented in this equivalent circuit known per se
- - der Feldverlustwiderstand RF die Wirkverluste des elektromagnetischen Wechselfeldes durch Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste im Spulenkern und im Meßobjekt (Steuerfahne),- the field loss resistance R F is the active losses of the alternating electromagnetic field due to eddy currents and magnetic reversal losses in the coil core and in the test object (control flag),
- - der Blindwiderstand XL die induktiven Verluste der Meßspule und des elektromag netischen Wechselfeldes infolge der Permeabilität µ des Meßobjektes (Steuerfahne) und die dielektrischen Verluste durch die Eigenkapazität der Meßspule und- The reactance X L the inductive losses of the measuring coil and the electromagnetic alternating field due to the permeability µ of the test object (control flag) and the dielectric losses due to the capacitance of the measuring coil and
- - der Wicklungswiderstand RCU die Gleichstrom-Wirkverluste durch den Kupfer widerstand des Spulendrahtes und die Wechselstrom-Wirkverluste durch den Skin- Effekt im Spulendraht.- The winding resistance R CU, the direct current losses through the copper resistance of the coil wire and the alternating current losses through the skin effect in the coil wire.
Die Güte einer Spule ist gegeben durch das Verhältnis aus dem Blindwiderstand Im(Z) und dem Verlustwiderstand Re(Z), wobei Z der komplexe Scheinwiderstand (Impe danz) der Spule ist.The quality of a coil is given by the ratio of the reactance Im ( Z ) and the loss resistance Re ( Z ), where Z is the complex impedance (impedance) of the coil.
Der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die Impedanz Z und auf die Güte Q einer Spule wird im wesentlichen durch die Temperaturabhängigkeit der Verlustwiderstände bewirkt. Bekannt ist der Temperaturkoeffizient α des Gleichstrom-Widerstandes der Kupferwicklung der Spule mit etwa 3,95·10-3/K. Die Temperaturgänge der anderen Verlustwiderstände sind meist kleiner, jedoch in ihrer Größe von der Bauart der Spule abhängig.The influence of the ambient temperature on the impedance Z and on the quality Q of a coil is essentially caused by the temperature dependence of the loss resistances. The temperature coefficient α of the DC resistance of the copper winding of the coil is known to be approximately 3.95 · 10 -3 / K. The temperature responses of the other loss resistors are usually smaller, but their size depends on the type of coil.
Die Güte und damit auch der Temperaturgang einer Spule ist eine zusammengesetzte Größe, die bei verschiedenen Bauarten und sogar von Exemplar zu Exemplar starken Schwankungen unterworfen ist. Deshalb muß eine Kompensation bzw. eine Reduzierung des Temperaturganges mindestens für jede Bauart einer Spule getrennt vorgenommen werden.The quality and thus the temperature response of a coil is a composite Size that is strong in different designs and even from specimen to specimen Is subject to fluctuations. Therefore a compensation or a reduction of the temperature response at least separately for each type of coil will.
Als Maß für den Abstand eines Meßobjektes (Steuerfahne) von der Sensorspule werden im allgemeinen die Meßgrößen komplexe Impedanz Z oder ersatzweise Güte Q oder Scheinwiderstand Z der Meßspule gemessen. Häufig wird die Messung der Güte mit einem LC-Schwingkreis oder die Messung des Scheinwiderstandes in der zerstörungs freien Materialprüfung durchgeführt. Der Nachteil dieser Messungen ist die Abhängig keit von der Temperatur und vom Material des Meßobjektes und damit die reduzierte Genauigkeit der Meßgröße. Bei der Gütemessung mit einem LC-Schwingkreis wird dieser Schwingkreis in einem Oszillator zu Resonanzschwingungen angeregt, wobei die Schwingungsamplitude des Oszillators ein Maß für die Güte ist.As a measure of the distance of a measurement object (control flag) from the sensor coil, the measured variables complex impedance Z or, alternatively, quality Q or impedance Z of the measurement coil are measured. The quality is often measured with an LC resonant circuit or the impedance is measured in the non-destructive material test. The disadvantage of these measurements is the dependency on the temperature and the material of the test object and thus the reduced accuracy of the measured variable. In quality measurement with an LC resonant circuit, this resonant circuit is excited to resonate vibrations in an oscillator, the oscillation amplitude of the oscillator being a measure of the quality.
Der Scheinwiderstand Z läßt sich aus der gleichzeitigen Effektivwert-Messung der an der Meßspule angelegten Spannung Ueff und des durch die Meßspule fließenden Stromes Ieff ermitteln.The impedance Z can be determined from the simultaneous effective value measurement of the voltage U eff applied to the measuring coil and the current I eff flowing through the measuring coil.
Dabei enthält der Scheinwiderstand Z die Wirkkomponente R (Verlustwiderstand) und die frequenzabhängige Blindkomponente XL = ωL. Aus der komplexen Impedanz Z = R + jωL ergibt sich der Scheinwiderstand Z.The impedance Z contains the active component R (loss resistance) and the frequency-dependent reactive component X L = ωL. The impedance Z results from the complex impedance Z = R + jωL.
Ist der Wirkwiderstand R vernachlässigbar, so ergibt sich aus der Strom- und Span nungsmessung der Blindwiderstand XL.If the effective resistance R is negligible, the reactive resistance X L results from the current and voltage measurement.
Um aus den Messungen die Induktivität L zu erhalten, muß noch die Frequenz f = ω/2π der Meßspannung bekannt sein. Zur Messung der eigentlich zu erfassenden komplexen Impedanz Z muß mittels zweier getrennter Meßvorgänge entwederIn order to obtain the inductance L from the measurements, the frequency f = ω / 2π of the measuring voltage must also be known. To measure the complex impedance Z that is actually to be detected, two separate measuring processes must be used either
- - der Wirkwiderstand R als Realteil Re(Z) und der Blindwiderstand XL als Imaginärteil Im(Z) der komplexen Impedanz oder- The effective resistance R as the real part Re ( Z ) and the reactance X L as the imaginary part Im ( Z ) of the complex impedance or
- - der Scheinwiderstand Z und der Phasenwinkel ϕUI zwischen dem durch die Meßspule fließenden Strom I und der an die Meßspule angelegten Spannung U gemessen werden. Bei den meisten Anwendungen wird nur eine der oben dargestellten Meßgrößen gemessen und zwar nur diejenige, die möglichst selektiv auf die zu messende Größe Abstand der Steuerfahne von der Meßspule reagiert und die von Störgrößen wie Temperatur und elektromagnetische Einstrahlungen möglichst wenig beeinflußt wird, so daß die Genauigkeit und Auflösung möglichst hoch ist.- The impedance Z and the phase angle ϕ UI between the current I flowing through the measuring coil and the voltage U applied to the measuring coil are measured. In most applications, only one of the measured variables shown above is measured, and only the one that responds as selectively as possible to the distance to be measured between the control lug and the measuring coil and that is influenced as little as possible by disturbance variables such as temperature and electromagnetic radiation, so that the accuracy and resolution is as high as possible.
In der deutschen Offenlegungsschrift 35 13 403 wird ein Verfahren angegeben, nach dem der Temperaturkoeffizient des Wicklungskupferwiderstandes der Schwingkreisspule zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Güte des Schwingkreises ausgenutzt wird, wobei eine zum Kupferwiderstand der Schwingkreisspule proportionale Spannung mit einer zweiten Spule an den Schwingkreis angelegt wird. Diese Temperaturkom pensation ist aber nur unter ganz speziellen Bedingungen zu realisieren. Der Kupferwi derstand der zweiten Spule muß wesentlich größer sein als der Kupferwiderstand der Schwingkreisspule, während die Induktivität beider Spulen gleich groß sein muß. Diese Bedingungen sind in der Praxis nur sehr schwer zu erfüllen.In German Offenlegungsschrift 35 13 403, a procedure is specified according to which is the temperature coefficient of the winding copper resistance of the voice circuit coil used to compensate for the temperature coefficient of the quality of the resonant circuit is a voltage proportional to the copper resistance of the voice circuit coil is applied to the resonant circuit with a second coil. This temperature comm However, compensation can only be realized under very special conditions. The Kupferwi the level of the second coil must be significantly greater than the copper resistance of the Voice coil, while the inductance of both coils must be the same. This In practice, conditions are very difficult to meet.
In der deutschen Offenlegungsschrift 38 14 131 wird ein Verfahren und eine Vor richtung angegeben, in dem der Wirkwiderstand der Sensorspule als Feldverlustwider stand direkt mit einer Leistungsmessung gemessen wird. Dieser Feldverlustwiderstand der Sensorspule, hervorgerufen durch die Verluste des elektromagnetischen Feldes infolge des Streufeldes und infolge einer elektromagnetischen Dämpfung durch eine Steuerfahne, ist bei der Wahl einer geeigneten Frequenz abhängig vom Abstand s der Steuerfahne. Bei Verwendung einer Vier-Leiter-Schaltung ist die Messung in einem weiten Temperaturbereich temperaturunabhängig, da hierbei der temperaturabhängige Wicklungswiderstand der Spule (auch als Kupferwiderstand bezeichnet) und die Lei tungswiderstände der vier Zuleitungen nicht in die Messung eingehen. Durch phasen richtige Multiplikation des Spulen-Wechselstromes und der induzierten Spulen-Wechsel spannung und nachfolgender Tiefpaßfilterung wird die Wirkleistung in der Spule gemessen, die umgekehrt proportional dem Feldverlustwiderstand ist.In German Offenlegungsschrift 38 14 131 a procedure and a Vor Direction specified in which the effective resistance of the sensor coil as field loss resistance stand is measured directly with a power measurement. This field loss resistance the sensor coil, caused by the loss of the electromagnetic field due to the stray field and due to electromagnetic damping by Control flag, when choosing a suitable frequency depends on the distance s Tax flag. When using a four-wire circuit, the measurement is in one wide temperature range independent of temperature, as this is the temperature dependent Winding resistance of the coil (also called copper resistance) and the lei The resistance of the four leads is not included in the measurement. By phasing correct multiplication of the coil alternating current and the induced coil alternation voltage and subsequent low-pass filtering becomes the active power in the coil measured, which is inversely proportional to the field loss resistance.
In ähnlicher Weise läßt sich mittels einer phasenrichtigen Multiplikation des um 90° phasenverschobenen Spulen-Wechselstromes und der induzierten Spulen-Wechselspan nung und nachfolgender Tiefpaßfilterung die Blindleistung in der Spule messen, die ebenfalls umgekehrt proportional dem Spulen-Blindwiderstand bzw. der Spuleninduktivi tät ist. Zur einfachen Trennung der Primär- und Sekundärseite, d. h. des Spulenstromes und der induzierten Spulenspannung, wird die induzierte Spulenspannung mittels einer zweiten Wicklung ausgekoppelt. Im einfachsten Fall sind die beiden Wicklungen identisch und bifilar gewickelt.In a similar way, the phase can be multiplied by 90 ° phase-shifted coil alternating current and the induced coil alternating voltage voltage and subsequent low-pass filtering measure the reactive power in the coil also inversely proportional to the coil reactance or the coil inductance act. For easy separation of the primary and secondary side, i.e. H. of the coil current and the induced coil voltage, the induced coil voltage is measured using a second winding decoupled. In the simplest case, the two windings are wrapped identically and bifilar.
In der deutschen Offenlegungsschrift 43 28 097 wird eine Vorrichtung zum Messen der Impedanz von passiven Sensoren (induktive, kapazitive und ohmsche Sensoren) mit doppelt rückgekoppelter Phasenregelschleife PLL (phase locked loop) beschrieben, wobei in der einen Rückkopplungsleitung ein Meßphasenschieber als Tiefpaß- oder Hochpaß-Filter mit dem Sensor-Bauelement angeordnet ist. Die frequenzanaloge Signalauswertung einer solchen Phasenregelschleife besitzt eine sehr hohe Meßempfind lichkeit. Weiterhin läßt sich das frequenzanaloge Ausgangssignal in einfacher Weise weiterverarbeiten und in ein digitales Signal umsetzen.German Offenlegungsschrift 43 28 097 describes a device for measuring the Impedance of passive sensors (inductive, capacitive and ohmic sensors) with double-locked phase locked loop (PLL) is described, wherein in one feedback line a measuring phase shifter as a low-pass or High-pass filter is arranged with the sensor component. The frequency analogs Signal evaluation of such a phase locked loop has a very high measuring sensitivity possibility. Furthermore, the frequency-analog output signal can be done in a simple manner further process and convert it into a digital signal.
Bei allen bisher bekannten induktiven Näherungsschaltern ist die Schaltgeschwindigkeit, d. h. die Grenzfrequenz für Schaltvorgänge, durch die Tiefpaßfilterung zur Erzeugung des abstandsabhängigen Ausgangssignals (meist eine Gleichspannung) und besonders durch die im Schwingkreis und die im elektromagnetischen Feld gespeicherte Energie bestimmt und damit erheblich erniedrigt. Die Grenzfrequenz der meßbaren Schaltvor gänge wird hierbei durch elektrische Umladevorgänge und durch Trägheit des stationä ren, elektromagnetischen Wechselfeldes der Sensorspule bestimmt. Das Frequenzverhal ten der Schaltfrequenz eines induktiven Näherungsschalters zeigt insgesamt das Verhal ten eines Tiefpaßfilters, d. h. die niedrigste Grenzfrequenz der Meßkette bestimmt im wesentlichen sein gesamtes Frequenzverhalten. Das oben erwähnte Tiefpaßfilter dient neben der Erzeugung des abstandsabhängigen Ausgangssignals i. a. auch der Störunter drückung innerer und äußerer Störsignale. Meist liegt die Grenzfrequenz der Schaltvor gänge bei etwa 1 kHz, nur mit erheblichen elektronischen Mitteln ist eine Grenzfre quenz von 10 kHz zu erreichen, jedoch nur mit einer niedrigeren Störunterdrückung bzw. einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis.In all previously known inductive proximity switches, the switching speed is d. H. the cut-off frequency for switching operations, through low-pass filtering for generation the distance-dependent output signal (usually a DC voltage) and especially by the energy stored in the resonant circuit and in the electromagnetic field determined and thus significantly lowered. The cutoff frequency of the measurable switching device gears is caused by electrical reloading and by inertia of the stationary Ren, alternating electromagnetic field of the sensor coil determined. The frequency behavior Overall, the behavior shows the switching frequency of an inductive proximity switch ten of a low pass filter, d. H. the lowest frequency limit of the measuring chain determines in essentially its entire frequency response. The low pass filter mentioned above serves in addition to the generation of the distance-dependent output signal i. a. also the interferer pressure of internal and external interference signals. The cut-off frequency of the switch is usually gears at around 1 kHz, only with considerable electronic means is a limit to achieve a frequency of 10 kHz, but only with a lower interference suppression or a poorer signal-to-noise ratio.
Desweiteren begrenzt der Temperaturgang der Impedanz der Sensorspule, insbesondere der Wicklungswiderstand RCU, hier die Meßempfindlichkeit, so daß sinnvollerweise nur solche Meßverfahren verbessert werden sollten, die den Temperaturgang der Sensor spule berücksichtigen bzw. kompensieren.Furthermore, the temperature response of the impedance of the sensor coil, in particular the winding resistance R CU , limits the measuring sensitivity here, so that only those measuring methods should be improved that take into account or compensate for the temperature response of the sensor coil.
Weiterhin ist das analoge Ausgangssignal bzw. der Schaltpunkt vom Material der Steuerfahne abhängig, wodurch die Meßgenauigkeit des induktiven Näherungssensors verschlechtert wird. Diese Abhängigkeit wird entweder durch einen Werkstoffaktor oder durch aufwendige Kompensationsmaßnahmen mit Hilfsspulen auf der Sekundärseite eines Übertragers oder durch ein Differentialverfahren mit einer mathematisch-schal tungstechnischen Signalverarbeitung zur Kompensation des Werkstoffaktors beseitigt. Im deutschen Gebrauchsmuster G 94 12 765.4 wird diese Problematik mittels eines Diffe rentialverfahrens durch Messung der in der Sensorspule induzierten Spannung und der Resonanzfrequenz eines mit der Sensorspule gebildeten LC-Schwingkreises und durch eine mathematisch-technische Verknüpfung dieser beiden Signale gelöst. Auch hier ist die Schaltgeschwindigkeit des induktiven Näherungssensors wegen der Tiefpaßfilterung der beiden Signale und durch die im Schwingkreis gespeicherte Energie erheblich reduziert.Furthermore, the analog output signal or the switching point of the material Control flag dependent, whereby the measuring accuracy of the inductive proximity sensor is deteriorating. This dependency is determined either by a material actuator or through complex compensation measures with auxiliary coils on the secondary side a transformer or by a differential method with a mathematically-stale Technical signal processing to compensate for the material actuator eliminated. in the German utility model G 94 12 765.4, this problem is addressed using a dif rentialverfahren by measuring the voltage induced in the sensor coil and the Resonance frequency of an LC resonant circuit formed by the sensor coil and by solved a mathematical-technical link between these two signals. Here too the switching speed of the inductive proximity sensor because of the low-pass filtering of the two signals and the energy stored in the resonant circuit reduced.
Es zeigt sich also, daß Korrekturverfahren für einige Einfluß- und Störgrößen bekannt sind. Jedoch ist bisher kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, die aufgrund des Verfahrens selbst die oben beschriebenen Beeinflussungen und Störungen der Messung reduzieren bzw. ganz vermeiden.It can be seen that correction methods are known for some influencing and disturbance variables are. However, no method and no device is known to date which are based on the Procedure itself the influences and disturbances of the measurement described above reduce or avoid entirely.
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die nachweisbare Grenzfrequenz eines induktiven Näherungssensors oder Wirbelstromsensors bzw. die maximal meßbare Schaltgeschwindigkeit eines induktiven Näherungsschalter oder Näherungsinitiators wesentlich zu erhöhen, ohne dabei seine Meßeigenschaften zu verschlechtern, so daß die Meßgenauigkeit und Störunanfälligkeit erhalten bleibt bzw. noch verbessert wird. The invention is therefore based on the object of the detectable cutoff frequency an inductive proximity sensor or eddy current sensor or the maximum measurable Switching speed of an inductive proximity switch or proximity initiator to increase significantly without deteriorating its measuring properties, so that the measurement accuracy and susceptibility to interference are maintained or improved.
Die Erfindung löst die Aufgabe in erster Linie gemäß dem Anspruch 1, wonach an einer Sensorspule eines induktiven Näherungssensors die Phasenverschiebung zwischen angelegter Wechselspannung U oder induzierter Wechselspannung U ind und durch fließendem Wechselstrom I unmittelbar während jeder Halbperiode o er einem Viel fachen jeder Halbperiode von Strom und Spannung mit elektronischen Mitteln gemes sen wird. Der Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die komplexe Impedanz Z oder eine abgeleitete Meßgröße der Sensorspule, hier vorzugsweise die Phasenver schiebung ϕUI zwischen Strom und Spannung, möglichst häufig und möglichst sofort nach einer möglichen Änderung gemessen werden kann, wenn die Impedanz Z ohne eine Verzögerung durch zusätzliche Filter bestimmt wird. Jedes Tiefpaß- und Bandpaß- Filter mit seiner Grenz- oder Resonanzfrequenz f₀ verzögert das Signal zwischen seinem Eingang und Ausgang um die Verzögerungszeit T₀ = 1/f₀.The invention solves the problem primarily according to claim 1, according to which on a sensor coil of an inductive proximity sensor, the phase shift between applied AC voltage U or induced AC voltage U ind and by flowing AC current I directly during each half cycle or a multiple of each half cycle of current and Voltage is measured with electronic means. The solution is based on the knowledge that the complex impedance Z or a derived measured variable of the sensor coil, here preferably the phase shift ϕ UI between current and voltage, can be measured as often and as immediately as possible after a possible change, if the impedance Z without one Delay is determined by additional filters. Each low-pass and band-pass filter with its cutoff or resonance frequency f₀ delays the signal between its input and output by the delay time T₀ = 1 / f₀.
In der Meßtechnik setzt sich immer stärker die Anwendung der Digitaltechnik wegen ihrer hohen Signalverarbeitungsgeschwindigkeit bis zu Grenzfrequenzen von einigen GHz und wegen ihrer größeren Störsicherheit und einfacheren Signalverarbeitung gegenüber der Analogtechnik durch. In der digitalen Meßtechnik erfolgt die Verar beitung der Signale wertdiskret und zeitdiskret. Die notwendige Quantisierung der Meßsignale sollte aus obigen Gründen möglichst am Anfang der Meßkette erfolgen, so daß die gesamte Meßeinrichtung mit einfachen und preisgünstigen digitalen Schalt elementen und Baugruppen aufgebaut werden kann. Im einfachsten Fall kann der Wert eines zu messenden analogen Signals (Strom oder Spannung) als binäres Signal aus gegeben werden, d. h., ob das Signal größer oder kleiner als ein Vergleichssignal ist. Diese Aufgabe läßt sich für eine Spannung mit einem Spannungskomparator erfüllen. Als Vergleichsspannung kann beispielsweise der Wert Null dienen, so daß bei einer reinen symmetrischen Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil der Nulldurchgang als Schaltbedingung für das binäre Ausgangssignal des Spannungskomparators verwen det werden kann. Die Schaltbedingung kann in gleicher Weise bei einer endlichen Vergleichsgleichspannung liegen, die ungleich Null ist. Dies wird vorzugsweise bei einer Wechselspannung mit Gleichspannungsanteil angewandt. Das gleiche Verfahren wie oben beschrieben kann in gleicher Weise bei einem analogen Wechselstromsignal durchgeführt werden.The use of digital technology is becoming increasingly prevalent in measurement technology their high signal processing speed up to cut-off frequencies of a few GHz and because of their greater immunity to interference and easier signal processing compared to analog technology. The processing takes place in digital measurement technology Processing of the signals in a value-discrete and time-discrete manner. The necessary quantization of the For the above reasons, measurement signals should occur at the beginning of the electrode, if possible that the entire measuring device with simple and inexpensive digital switching elements and assemblies can be built. In the simplest case, the value of an analog signal to be measured (current or voltage) as a binary signal be given, d. i.e. whether the signal is larger or smaller than a comparison signal. This task can be accomplished for a voltage with a voltage comparator. For example, the value zero can serve as the reference voltage, so that at a pure symmetrical AC voltage with no DC component of zero crossing use as a switching condition for the binary output signal of the voltage comparator can be detected. The switching condition can be finite in the same way Comparative DC voltage are not equal to zero. This is preferred for a AC voltage with a DC voltage component applied. The same procedure as described above can in the same way with an analog AC signal be performed.
Bei einem erfindungsgemäßen induktiven Näherungssensor wird die Messung der kom plexen Impedanz Z bzw. hilfsweise die Messung der Phasenverschiebung ϕUI bei einem Nulldurchgang der Meßspulen-Wechselspannung U und des Meßspulen-Wechselstromes I oder beim Überschreiten bzw. Unterschreiten dieser Wechselsignale gegenüber einem Vergleichs-Gleichsignal vorgenommen. Vorzugsweise werden Spannungssignale verwen det, so daß ausschließlich die oben beschriebenen Spannungskomparatoren verwendet werden können. Hierzu wird das Wechselstromsignal I mit einem Strom-Spannungs- Wandler, vorzugsweise eine reine Referenzimpedanz Z ref, beispielsweise ein ohmscher Widerstand, ein verlustarmer Kondensator oder eine verlustarme Spule, oder eine gemischte Kombination aus diesen Bauelementen in eine proportionale Wechselspan nung U I überführt. Bei der Verwendung eines Kondensators oder einer Spule in der Referenzimpedanz Z ref wird eine zusätzliche Phasenverschiebung ϕI zwischen dem Meßspulen-Wechselstrom I und der Wechselspannung U I erzeugt, die bei der Phasen verschiebung ϕUI vorzeichenrichtig berücksichtigt werden muß.In an inductive proximity sensor according to the invention, the measurement of the complex impedance Z or, alternatively, the measurement of the phase shift ϕ UI at a zero crossing of the measuring coil alternating voltage U and the measuring coil alternating current I or when these alternating signals are exceeded or undershot compared to a comparison direct signal is carried out . Voltage signals are preferably used so that only the voltage comparators described above can be used. For this purpose, the AC signal I is converted with a current-voltage converter, preferably a pure reference impedance Z ref , for example an ohmic resistor, a low-loss capacitor or a low-loss coil, or a mixed combination of these components into a proportional AC voltage U I. When using a capacitor or a coil in the reference impedance Z ref , an additional phase shift ϕ I between the measuring coil alternating current I and the alternating voltage U I is generated, which must be taken into account with the correct sign in the phase shift ϕ UI .
Die Phasenverschiebung ϕUI zwischen Strom und Spannung der Sensorspule ergibt sich zuThe phase shift ϕ UI between current and voltage of the sensor coil results in
und wird als Zeitintervall TUI zwischen dem Komparatorschaltpunkt tU der Sensor spulen-Spannung U und dem Komparatorschaltpunkt tI des Sensorspulen-Stromes I gemessen, wobei die Frequenz f oder die Periodendauer T des Wechselstrom- oder Wechselspannungssignals berücksichtigt werden muß.and is measured as the time interval T UI between the comparator switching point t U of the sensor coil voltage U and the comparator switching point t I of the sensor coil current I , the frequency f or the period T of the alternating current or alternating voltage signal having to be taken into account.
Zur Bestimmung der Phasenverschiebung ϕUI wird also das Zeitintervall TUI bezogen auf die Periodendauer T des Sensorspulen-Wechselsignals gemessen. Durch die schal tungstechnische Verknüpfung der beiden Ausgangssignale der beiden Komparatoren mittels digitaler Gatter, Kippstufen, Speicherglieder oder Flipflops oder Kombinationen aus diesen digitalen Verknüpfungsgliedern entsteht eine Impulsfolge mit einer Im pulsfolgefrequenz oder Impulsrate, die aus der Frequenz f der Meßspulen-Wechselspan nung abgeleitet und damit identisch oder doppelt so groß ist. Es sind auch digitale Verknüpfungsglieder bekannt, die solche Komparatoren als Eingangsstufe enthalten. Im einfachsten Fall kann ein solcher analoger Komparator ein nicht gegengekoppelter Operationsverstärker sein. Das Tastverhältnis der Impulsfolge entspricht also der Phasenverschiebung ϕUI. Die Messung des Tastverhältnisses läßt sich mit hier nicht näher beschriebenen analogen und digitalen elektrischen oder elektronischen Mitteln in ein analoges oder digitales Signal umformen und mathematisch-schaltungstechnisch auswerten, wobei keine Tiefpaßfilterung notwendig ist.To determine the phase shift ϕ UI , the time interval T UI is measured based on the period T of the sensor coil alternating signal. By switching the two output signals of the two comparators by means of digital gates, flip-flops, memory elements or flip-flops or combinations of these digital logic elements, a pulse train with a pulse repetition frequency or pulse rate is obtained which is derived from the frequency f of the measuring coil AC voltage and is therefore identical or twice the size. Digital logic elements are also known which contain such comparators as an input stage. In the simplest case, such an analog comparator can be an operational amplifier that is not fed back. The duty cycle of the pulse train thus corresponds to the phase shift ϕ UI . The measurement of the duty cycle can be converted into an analog or digital signal using analog and digital electrical or electronic means (not described in more detail here) and evaluated mathematically and in terms of circuitry, no low-pass filtering being necessary.
Die Messung der komplexen Impedanz Z erfolgt beispielsweise mittels der oben beschriebenen Messung der Phasenverschiebung ϕUI oder der Scheinleistung Z. Die Scheinleistung Z kann beispielsweise mittels einer Effektivwert-Messung des Meß spulen-Stromes Ieff und der Meßspulen-Spannung Ueff erfolgen.The complex impedance Z is measured, for example, by means of the above-described measurement of the phase shift ϕ UI or the apparent power Z. The apparent power Z can be carried out, for example, by means of an effective value measurement of the measuring coil current I eff and the measuring coil voltage U eff .
Ebenso ist damit der WirkwiderstandSo is the effective resistance
und der Blindwiderstandand the reactance
der Sensorspule bestimmt, wobei die Berechnung der Größen R und XL mittels einer mathematisch-schaltungstechnischen Verknüpfung mit an sich bekannten elektrotech nischen Mitteln erfolgen kann. Die komplexe Impedanz Z der Sensorspule eines induk tiven Näherungssensors setzt sich wie oben beschrieben aus der Parallelschaltung des Feldverlustwiderstandes RF und des reinen Blindwiderstandes XL und dem Wicklungs widerstand R₁ als Vorwiderstand zusammen. Der größte Anteil der Wirkkomponente der komplexen Impedanz Z ist der stark temperaturabhängige Wicklungswiderstand RCU, der im folgenden mit R₁ bezeichnet wird.the sensor coil is determined, the calculation of the quantities R and X L can be carried out by means of a mathematical circuit combination with known electrical engineering means. The complex impedance Z of the sensor coil of an inductive proximity sensor is composed as described above from the parallel connection of the field loss resistor R F and the pure reactance X L and the winding resistance R 1 as a series resistor. The largest part of the active component of the complex impedance Z is the strongly temperature-dependent winding resistance R CU , which is referred to below as R₁.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung anzugeben, bei dem die Temperaturabhängigkeit der Spule nicht mehr in die Messung des Abstandes der Steuerfahne eingeht, so daß beispielsweise in der Anwendung als Näherungssensor der Abstand oder als Näherungsschalter der Schalt abstand sehr stabil über einen weiten Temperaturbereich gemessen wird. Die erfin dungsgemaße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß Meßmittel vorhanden sind, um den Feldverlustwiderstand RF und den reinen Meßspulen-Blindwiderstand XL direkt zu messen. Dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieser Feldverlustwiderstand RF und der reine Spulen-Blindwiderstand XL abhängig vom Abstand s der Steuerfahne sind, während der Wicklungswiderstand R₁ unabhängig vom Abstand s der Steuerfahne ist.It is therefore the object of the present invention to provide a measuring method and a measuring device in which the temperature dependency of the coil is no longer included in the measurement of the distance of the control flag, so that, for example, in the application as a proximity sensor, the distance or as a proximity switch, the switching distance is very great is measured stably over a wide temperature range. The device according to the invention is characterized in that measuring means are provided to measure the field loss resistance R F and the pure measuring coil reactance X L directly. This device according to the invention is based on the knowledge that this field loss resistance R F and the pure coil reactance X L are dependent on the distance s of the control flag, while the winding resistance R 1 is independent of the distance s of the control flag.
Der Feldverlustwiderstand RF und der reine Blindwiderstand XL der Sensorspule können nicht direkt aus der Meßspulen-Spannung U und aus dem Meßspulen-Strom I gemessen werden, da die Meßspulen-Spannung U um den Spannungsabfall am Wick lungswiderstand R₁ zu groß gemessen wird. Der Erfindung liegt also die weitere Erkenntnis zugrunde, daß der Spannungsabfall an der Parallelschaltung von RF und XL, die sogenannte induzierte Spannung U ind, zu messen ist. Die induzierte Meßspulen- Spannung U ind (jetzt als U 1,ind = U₁ bezeichnet) ist nur mittels einer Hilfsspule L₂ als U 2,ind = U₂ meßbar, die unmittelbar auf der Meßspule L₁ angebracht und mit dieser direkt magnetisch gekoppelt ist, so daß der Kopplungsfaktor k möglichst nahe bei eins liegt. Entsprechend der bekannten Übertragung von Wechselspannungen mittels eines Transformators oder Übertragers verhält sich die induzierte Spannung der Primärseite U 1,ind = U₁ zur induzierten Spannung der Sekundärseite U 2,ind = U₂ wie die Win dungszahl der Primärseite N₁ zu der der Sekundärseite N₂.The field loss resistance R F and the pure reactance X L of the sensor coil cannot be measured directly from the measuring coil voltage U and from the measuring coil current I, since the measuring coil voltage U is measured too large by the voltage drop across the winding resistance R 1. The invention is therefore based on the further finding that the voltage drop across the parallel connection of R F and X L , the so-called induced voltage U ind , is to be measured. The induced measuring coil voltage U ind (now referred to as U 1, ind = U ₁) can only be measured by means of an auxiliary coil L₂ as U 2, ind = U ₂, which is attached directly to the measuring coil L₁ and is directly magnetically coupled to it, so that the coupling factor k is as close as possible to one. Corresponding to the known transmission of alternating voltages by means of a transformer or transformer, the induced voltage of the primary side U 1, ind = U ₁ to the induced voltage of the secondary side U 2, ind = U ₂ is like the number of windings of the primary side N 1 to that of the secondary side N 2 .
Die Sekundärspannung U₂ ist also direkt proportional der nicht direkt meßbaren, induktiven Meßspulen-Primärspannung U₁, wobei das Wicklungsverhältnis N₁/N₂ beliebig sein kann, aber bekannt sein muß. Der Wicklungswiderstand R₂ der sekun dären Hilfswicklung L₂ geht dann nicht in eine Spannungsmessung ein, wenn diese Messung hochohmig erfolgt, d. h., der Meßstrom sehr klein ist, beziehungsweise die Spannung U₂ leistungslos gemessen wird; in diesem Fall ist die induzierte Spannung U₂ gleich der Spannung an den Spulenanschlüssen. Der Vorteil der leistungslosen Messung der induzierten Spannung ist, daß der temperaturabhängige Wicklungswiderstand R₂ die Messung nicht mehr beeinflußt.The secondary voltage U ₂ is therefore directly proportional to the inductive measuring coil primary voltage U ₁, which cannot be measured directly, the winding ratio N 1 / N 2 being arbitrary, but must be known. The winding resistance R₂ of the secondary auxiliary winding L₂ does not go into a voltage measurement if this measurement is carried out with high resistance, ie, the measuring current is very small, or the voltage U ₂ is measured without power; in this case the induced voltage U ₂ is equal to the voltage at the coil connections. The advantage of the powerless measurement of the induced voltage is that the temperature-dependent winding resistance R₂ no longer influences the measurement.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Sekundärspannung U₂ gleich groß wie die Primärspannung U₁ gemacht, indem die Anzahl der Windungen auf der Primärseite N₁ und auf der Sekundärseite N₂ gleich groß gemacht werden. Dieser Fall läßt sich in einfacher Weise realisieren, indem beide Wicklungen gemeinsam bifilar gewickelt werden, so daß die Kopplungsverluste gering sind und die reine Induktivität der Spule L₁ auf der Primärseite nahezu gleich der Induktivität der Spule L₂ auf der Sekundär seite wird.In a preferred embodiment, the secondary voltage U ₂ is made equal to the primary voltage U ₁ by making the number of turns on the primary side N₁ and N₂ equal on the secondary side. This case can be realized in a simple manner by winding both windings together in a bifilar manner, so that the coupling losses are low and the pure inductance of the coil L 1 on the primary side becomes almost the same as the inductance of the coil L 2 on the secondary side.
Die Messung des Meßspulen-Stromes I der beispielsweise durch die Spule L₁ auf der Primärseite fließt, erfolgt vorzugsweise mittels einer Spannungsmessung in der oben beschrieben Weise mit einem ohmschen Widerstand als Strom-Spannungs-Wandler.The measurement of the measuring coil current I which, for example, through the coil L 1 on the Primary side flows, preferably takes place by means of a voltage measurement in the above described way with an ohmic resistor as a current-voltage converter.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bildet die Meßspule die Induktivität eines LC-Reihenschwingkreises oder LC-Parallelschwingkreises, der in einem an sich bekannten Oszillator auf seiner Resonanzfrequenz f₀ zu Eigenschwingungen angeregt wird. Der Vorteil dieser Anregung der Meßspule eines induktiven Näherungssensors ist der minimale externe Energiebedarf eines Oszillators, der in seiner Resonanz betrieben wird, d. h., die Leistungsaufnahme eines Oszillators hat bei Erregung in Resonanz ihr Minimum.In a further embodiment of the invention, the measuring coil forms the inductance an LC series resonant circuit or LC parallel resonant circuit, which is in one known oscillator excited at its resonance frequency f₀ to natural vibrations becomes. The advantage of this excitation of the measuring coil of an inductive proximity sensor is the minimum external energy requirement of an oscillator that operates in its resonance will, d. that is, the power consumption of an oscillator resonates when excited Minimum.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem induktiven Näherungs schalter oder Näherungsinitiator eine mathematisch-schaltungstechnische Verknüpfung mit digitalen elektronischen Mitteln vorgenommen, daß ein binäres Ausgangssignal des Schalters oder Initiators dergestalt erzeugt wird, daß sich der Zustand des binären Ausgangssignals nur dann ändert, wenn die Steuerfahne einen festgelegten Schalt abstand so unterschreitet oder überschreitet, je nach Ausführung des Schalters. Das binäre Ausgangssignal des induktiven Näherungsschalters soll also angeben, ob sich eine Steuerfahne gegenüber einem festgelegten Schaltabstand so weiter entfernt von oder näher an der aktiven Sensorfläche der Meßspule des Näherungsschalters befindet. In a further embodiment of the invention, an inductive approximation switch or proximity initiator a mathematical circuit-technical link made with digital electronic means that a binary output signal of Switch or initiator is generated in such a way that the state of the binary Output signal changes only when the control flag has a fixed switching distance falls below or exceeds, depending on the design of the switch. The binary output signal of the inductive proximity switch should indicate whether there is a Control flag further away from or compared to a specified switching distance is closer to the active sensor surface of the measuring coil of the proximity switch.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sollen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden:The devices according to the invention will be explained in more detail with reference to drawings will:
Fig. 1a zeigt eine verlustbehaftete Spule mit der Impedanz Z; Fig. 1a shows a lossy coil with the impedance Z ;
Fig. 1b zeigt das Ersatzschaltbild einer verlustbehafteten Spule mit der Induktivität L, mit dem Feldverlustwiderstand RF infolge der Dämpfung und Verluste des gerichteten elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes und mit dem Drahtwiderstand R₁; Fig. 1b shows the equivalent circuit diagram of a lossy coil with the inductance L, with the field loss resistor R F due to the damping and losses of the directional electromagnetic high-frequency field and with the wire resistance R₁;
Fig. 2a zeigt eine verlustbehaftete Spule mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen; Fig. 2a shows a lossy coil with two magnetically coupled windings;
Fig. 2b zeigt das Ersatzschaltbild einer verlustbehafteten Spule mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen; FIG. 2b shows the equivalent circuit of a lossy coil with two magnetically coupled windings;
Fig. 3 zeigt das prinzipielle Verfahren zur Messung der Phase ϕUI unabhängig vom Drahtwiderstand R₁; Fig. 3 shows the basic method for measuring the phase ϕ UI regardless of the wire resistance R₁;
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit von U L, I L und daraus abgeleiteten Größen vom Abstand s einer Steuerfahne; Fig. 4 shows the dependence of U L , I L and quantities derived therefrom on the distance s of a control vane;
Fig. 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungssensors mit einer einfachen Meßspule und zwei Spannungskomparatoren; Fig. 5a shows an embodiment of an inductive proximity sensor with a simple measuring coil and two voltage;
Fig. 5b zeigt das Impulsdiagramm des induktiven Näherungssensors nach Fig. 5a; FIG. 5b shows the pulse diagram of the inductive proximity sensor according to FIG. 5a;
Fig. 6 zeigt ein erweitertes Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungssensors mit einer spannungsgekoppelten Hilfsspule nach Fig. 2 und angeregt mittels eines Oszil lators; Fig. 6 shows an extended embodiment of an inductive proximity sensor with a voltage-coupled auxiliary coil according to Figure 2 and excited by means of an oscillator.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungsschalters zur Messung der Phase ϕUI nach Fig. 3 mit einem Phasenschieber und einem Phasenkomparator; FIG. 7 shows an embodiment of an inductive proximity switch for measuring the phase ϕ UI according to FIG. 3 with a phase shifter and a phase comparator;
Fig. 8 zeigt ein erweitertes Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 mit einem Schmitt-Trigger- Ausgang. FIG. 8 shows an extended exemplary embodiment according to FIG. 7 with a Schmitt trigger output.
Eine Analyse einer verlustbehafteten Spule mit einer Wicklung nach Fig. 1 ergibt, daß die Phasenverschiebung ϕUI bei den für einen induktiven Näherungsschalter in Frage kommenden Materialien und Frequenzen durch den Drahtwiderstand R₁ der verlustbe hafteten Spule bestimmt wird.An analysis of a lossy coil with a winding according to FIG. 1 shows that the phase shift ϕ UI is determined by the wire resistance R₁ of the lossy coil in the materials and frequencies in question for an inductive proximity switch.
In der Praxis kann man davon ausgehen, daß der Wicklungs- bzw. Drahtwiderstand R₁ wesentlich kleiner als der Feldverlustwiderstand RF ist, so daß sich die Beziehung für die Phasenverschiebung ϕUI vereinfacht.In practice, it can be assumed that the winding or wire resistance R₁ is significantly smaller than the field loss resistance R F , so that the relationship for the phase shift ϕ UI is simplified.
Die Verwendung einer Spule mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen nach Fig. 2 erlaubt den Zugriff auf die Phase ϕUI praktisch ohne - wie oben gezeigt wurde - Einfluß der Drahtwiderstände R₁ und R₂. Mit der Spule, die als erste Wicklung mit der Induktivität L₁ zwischen den Klemmen A und B angeschlossen ist, wird eine zweite Wicklung mit der Induktivität L₂ bifilar gewickelt, die zwischen den Klemmen A′ und B′ herausgeführt ist. Dadurch haben beide Wicklungen dieselbe Induktivität L₁ = L₂ = L, der kombinierte Effekt der GegeninduktivitätThe use of a coil with two magnetically coupled windings according to Fig. 2 allows access to the phase ϕ UI practically without - as shown above - influence of the wire resistors R₁ and R₂. With the coil, which is connected as the first winding with the inductance L 1 between the terminals A and B, a second winding is wound with the inductor L 2 bifilar, which is led out between the terminals A 'and B'. As a result, both windings have the same inductance L₁ = L₂ = L, the combined effect of the mutual inductance
ist aufgehoben und die Anschlüsse A′ und B′ erlauben eine von den Drahtwider ständen R₁ und R₂ praktisch unbeeinflußte Messung. Als Wicklungsdraht kann für beide Wicklungen gemeinsam Litze oder für beide Wicklungen getrennt massiver Kupfer-Lackdraht verwendet werden. Die Anschlüsse A und A′ beziehungsweise B und B′ bezeichnen diejenigen Anschlüsse, die die gleiche Spannungspolarität bei Anlegen einer Wechselspannung besitzen beziehungsweise an denen die Wicklungen im gleichen Wickelsinn angeschlossen sind.is lifted and the connections A 'and B' allow one of the wire twists stands R₁ and R₂ practically uninfluenced measurement. As winding wire can for both windings together stranded or for both windings separately more solid Enamelled copper wire can be used. The connections A and A 'and B and B 'denote those connections that have the same voltage polarity when applied have an alternating voltage or on which the windings in the same Are connected.
Prinzipiell können auch unterschiedliche Wicklungen benutzt werden, dann sind die Parameter der Sekundärseite unter Beachtung des Windungsverhältnisses und des Kopplungsfaktors auf die Primärseite umzurechnen. Diese Rechnung hat aber keinerlei Einfluß auf die auszuwertende Phasenbeziehung.In principle, different windings can also be used, then they are Secondary side parameters considering the turns ratio and the To convert the coupling factor to the primary side. But this bill has none Influence on the phase relationship to be evaluated.
Zur Messung der Phase ϕUI wird nach Fig. 3 eine Wechselstromquelle mit dem Strom I an die Klemmen A und B der Spule gelegt. In die zweite Wicklung wird die Spannung U₂ eingekoppelt, die bei einer leistungslosen, hochohmigen Spannungsmessung mit I₂ = 0 direkt an den Klemmen A′ und B′ gemessen werden kann. Ist der Strom I unbe kannt, so kann die zwischen den Klemmen A und A′ anliegende und dem Spulenstrom I proportionale Spannung U i = R₁·I (bei I₂ = 0) ausgewertet werden. Werden beide Spannungen U und U i leistungslos gemessen, bzw. wird der Strom I direkt ausgewertet und die Spannung U leistungslos gemessen, dann ergibt sich für die Phase:To measure the phase ϕ UI , an alternating current source with the current I is connected to the terminals A and B of the coil according to FIG. 3. In the second winding, the voltage U ₂ is coupled, which can be measured directly at the terminals A 'and B' in a powerless, high-resistance voltage measurement with I ₂ = 0. If the current I is unknown, the voltage U i = R₁ · I (at I ₂ = 0) present between the terminals A and A 'and proportional to the coil current I can be evaluated. If both voltages U and U i are measured without power, or if the current I is evaluated directly and the voltage U is measured without power, the following results for the phase:
Somit gehen vorteilhaft weder die Amplitude von Erregerstrom oder -spannung, noch die temperaturabhängigen Drahtwiderstände in die Messung ein.Thus advantageously neither the amplitude of the excitation current or voltage, nor the temperature-dependent wire resistances in the measurement.
In Fig. 5 ist ein induktiver Näherungssensor mit einer einfachen Meßspule der kom plexen Impedanz Z nach Fig. 1 dargestellt. Die Messung des Nulldurchgangs des Spannungsabfalls U an der Sensorspule bzw. die Messung des Zeitpunktes des Über schreitens und Unterschreitens der ersten Vergleichsspannung UV,U durch die Wech selspannung U erfolgt mit dem Spannungskomparator K₁. Am Ausgang von K₁ entsteht eine Impulsfolge mit der Impulsfolgefrequenz f der Wechselspannung U, die für die positive Halbwelle der Wechselspannung U bzw. bei Überschreiten der Vergleichsspan nung UV,U "Logisch-Eins" hat und für die negative Halbwelle bzw. bei Unterschreiten der Vergleichsspannung UV,U "Logisch-Null" hat oder umgekehrt.In Fig. 5, an inductive proximity sensor with a simple measuring coil of the com plex impedance Z of FIG. 1 is shown. The measurement of the zero crossing of the voltage drop U on the sensor coil or the measurement of the time of exceeding and falling below the first comparison voltage U V, U by the alternating voltage U is carried out with the voltage comparator K 1. At the output of K₁ there is a pulse train with the pulse repetition frequency f of the AC voltage U , the voltage for the positive half-wave of the AC voltage U or if the comparison voltage U V, U is exceeded , "logic one" and for the negative half-wave or if the voltage falls below Has comparison voltage U V, U "logic zero" or vice versa.
Die Messung des Nulldurchgangs des Spulenstromes I als Spannungsabfall U I am Refe renzwiderstand Z ref bzw. die Messung des Zeitpunktes des Überschreitens und Unter schreitens der zweiten Vergleichsspannung UV,I durch die Wechselspannung U I mittels des zweiten Spannungskomparators K₂ ergibt ebenfalls eine Impulsfolge mit der Impulsfolgefrequenz f, die jedoch um die Phasenverschiebung ϕUI∞ phasenverschoben ist. Mit Hilfe eines logischen UND-Gatters UG, welches das Ausgangssignals von K₁ und das invertierte Ausgangssignal von K₂ logisch verknüpft, erhält man eine Impuls folge F mit der Impulsfolgefrequenz f bzw. der Periodendauer T = 1/f und der Im pulsbreite Tip die nach Gleichung 6 direkt proportional zur Phasenverschiebung ϕUI∞ ist. Mit hier nicht dargestellten weiteren digitalen Baugruppen, wie ein Taktgenerator, Zähler, Gatter und Flipflops, kann mittels bekannten Meßanordnungen der Phasen winkel ϕUI∞ oder die Impulsbreite TUI digital gemessen werden.The measurement of the zero crossing of the coil current I as a voltage drop U I at the reference resistor Z ref or the measurement of the time when the second reference voltage U V, I is exceeded and undershot by the AC voltage U I by means of the second voltage comparator K 2 also results in a pulse train with Pulse repetition frequency f, which is however phase-shifted by the phase shift ϕ UI ∞. With the help of a logical AND gate UG, which logically links the output signal of K₁ and the inverted output signal of K₂, you get a pulse sequence F with the pulse repetition frequency f or the period T = 1 / f and the pulse width tip according to the equation 6 is directly proportional to the phase shift ϕ UI ∞. With further digital modules, not shown here, such as a clock generator, counter, gate and flip-flops, the phase angle ϕ UI ∞ or the pulse width T UI can be measured digitally by means of known measuring arrangements.
Nach Fig. 4 beträgt die Phase ϕUI∞ bei Abwesenheit der Steuerfahne bzw. sehr großem Abstand s → ∞ nahezu exakt 90 Grad. Mit geringer werdendem Abstand s verringert sich auch die Phase ϕUI. Bei der erfindungsgemäßen Anwendung eines Näherungsschalters wird die Phase ϕUI mit einem Referenzwert ϕ₁ verglichen, bei dessen Unterschreitung ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Soll trotz einer eventuell driftenden Frequenz f der Erregung ein stabiler Schaltpunkt erreicht werden, so muß die Referenzphase ϕ₁ frequenzunabhängig erzeugt werden, z. B. mit einem Allpaß. Kann jedoch von einer stabilen Frequenz ausgegangen werden, so kann die Referenzphase ϕ₁ mit einer ein facheren Anordnung, z. B. einem Tiefpaß oder einem Laufzeitglied, erzeugt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Wirkung des Phasenwinkels ϕ₁ auch mittels der Referenzimpedanz Z ref durch eine Phasenverschiebung ϕI zwischen dem Meßspulen- Strom I und der Wechselspannung U I zu erzeugen.According to FIG. 4, the phase φ ∞ UI is in the absence of the control vane or very large distance s → ∞ almost exactly 90 degrees. With decreasing distance s, the phase ϕ UI also decreases. In the application of a proximity switch according to the invention, the phase ϕ UI is compared with a reference value ,₁, below which a switching process is triggered. If a stable switching point is to be achieved despite a possible drifting frequency f of the excitation, the reference phase ϕ 1 must be generated independently of frequency, e.g. B. with an all-pass. However, it can be assumed that the frequency is stable, so that the reference phase ϕ₁ with a more simple arrangement, e.g. B. a low-pass filter or a delay element. For example, it is possible to generate the effect of the phase angle ϕ₁ by means of the reference impedance Z ref by a phase shift ϕ I between the measuring coil current I and the AC voltage U I.
Die Größen RF und L sind beide unterschiedlich sowohl vom Abstand s und Material der Steuerfahne, als auch von der Frequenz f der Erregung abhängig. Bei richtiger Wahl der Frequenz f kann eine stark verringerte Materialabhängigkeit erzielt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Meßspule als ein frequenzbestimmendes Teil der Erregung zu benutzen, z. B. zusammen mit einem Kondensator C im Parallelschwing kreis eines Oszillators, um so den Energiebedarf zu verringern. Unter Benutzung der Schwingbedingung eines solchen Parallelschwingkreises folgt dann für die Phase:The sizes R F and L are both different depending on the distance s and material of the control flag, as well as on the frequency f of the excitation. If the frequency f is selected correctly, a greatly reduced material dependency can be achieved. There is also the possibility of using the measuring coil as a frequency-determining part of the excitation, e.g. B. together with a capacitor C in the parallel resonant circuit of an oscillator so as to reduce the energy requirement. Using the oscillation condition of such a parallel resonant circuit, the following then follows for the phase:
mitWith
Der bedeutenste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die damit erzielbare hohe Schaltgeschwindigkeit. Bei jedem Nulldurchgang kann die Phasendifferenz be stimmt werden, also z. B. bei einer Frequenz f = 50 kHz kann etwa alle 10 µs ein Schaltvorgang ausgelöst werden. Demgegenüber muß bei herkömmlichen induktiven Näherungssensoren, welche die Amplitude eines Parallelschwingkreises auswerten, erst die im Schwingkreis gespeicherte Energie abgebaut werden. Dabei entsteht die Zeit konstante:The most significant advantage of the method according to the invention is that which can be achieved thereby high switching speed. At each zero crossing, the phase difference can be be true, e.g. B. at a frequency f = 50 kHz can be about every 10 microseconds Switching process are triggered. In contrast, conventional inductive Proximity sensors, which evaluate the amplitude of a parallel resonant circuit, are the first the energy stored in the resonant circuit is reduced. The time arises constant:
Nimmt man z. B. die Zahlenwerte von L = 160 µH und R = 0,3 Ω einer typischerweise in induktiven Näherungssensoren verwendeten Spule an, so beträgt die Zeitkonstante τLC etwa 270 µs. Die allein durch die Energie im Schwingkreis vorhandene Zeit konstante ist also um ein Vielfaches größer als die erzielbare Schaltzeit des erfin dungsgemäßen Näherungsschalters.If you take z. For example, if the numerical values of L = 160 µH and R = 0.3 Ω of a coil typically used in inductive proximity sensors, the time constant τ LC is approximately 270 µs. The time constant solely by the energy in the resonant circuit is thus many times greater than the achievable switching time of the proximity switch according to the invention.
Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit und das rein digitale Ausgangssignal kann in sehr einfacher Weise eine erhöhte Störunterdrückung durch Auswertung mehrerer Nulldurchgänge erfolgen.Due to the high speed and the purely digital output signal, in increased interference suppression by evaluating several in a very simple manner Zero crossings take place.
In Fig. 6 ist ein induktiver Näherungssensor mit einer Meßspule L₁ dargestellt, die eine Hilfsspule L₂ zur Auskopplung der zu messenden induzierten Meßspulen-Spannung U₁ = U₂ besitzt. Ein Kondensator C ist zusammen mit der Meßspule L₁ und einem Widerstand R zu dem frequenzbestimmenden Parallelschwingkreis des Oszillators OSZ verschaltet. Der Widerstand R dient zur Strom-Spannungsumwandlung, da der ebenso verwendbare Drahtwiderstand R₁ der Primärseite (hier zeichnerisch nicht dargestellt) häufig einen zu geringen Wert für eine sichere Auswertung aufweist.In Fig. 6, an inductive proximity sensor is shown with a measuring coil L₁, which has an auxiliary coil L₂ for decoupling the induced measuring coil voltage to be measured U ₁ = U ₂. A capacitor C is connected together with the measuring coil L 1 and a resistor R to the frequency-determining parallel resonant circuit of the oscillator OSZ. The resistor R is used for current-voltage conversion, since the wire resistor R 1 that can also be used on the primary side (not shown here in the drawing) often has a value that is too low for reliable evaluation.
Eine Referenzphase ϕ₁ kann mit einem analogen Allpaß Ph₁ als Phasenschieber erzeugt werden. Die Vorzeichen der so entstehenden Spannungssignale werden mit den zwei Analogkomparatoren K₁ und K₂ in Digitalsignale umgesetzt. Die beiden Ausgangssig nale der Komparatoren K₁ und K₂ werden - wie oben bei der Ausführung nach Fig. 5 beschrieben - mittels eines logischen UND-Gatters UG ausgewertet und so eine Impuls folge mit der Frequenz f = 1/T erzeugt.A reference phase ϕ₁ can be generated with an analog all-pass Ph₁ as a phase shifter. The signs of the resulting voltage signals are converted into digital signals with the two analog comparators K 1 and K 2. The two output signals of the comparators K₁ and K₂ are - as described above in the embodiment according to FIG. 5 - evaluated by means of a logical AND gate UG and thus a pulse sequence with the frequency f = 1 / T is generated.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters zeigt Fig. 7. Ein Kondensator C ist zusammen mit der Meßspule L₁ und einem Widerstand R zu dem frequenzbestimmenden Parallelschwingkreis des Oszillators OSZ verschaltet. Der Widerstand R dient zur Strom-Spannungsumwandlung, da der ebenso verwendbare Drahtwiderstand R₁ der Primärseite (hier zeichnerisch nicht dargestellt) häufig einen zu geringen Wert für eine sichere Auswertung aufweist.An embodiment of a proximity switch according to the invention is shown in FIG. 7. A capacitor C is connected together with the measuring coil L 1 and a resistor R to the frequency-determining parallel resonant circuit of the oscillator OSZ. The resistor R is used for current-voltage conversion, since the wire resistor R 1 that can also be used on the primary side (not shown here in the drawing) often has a value that is too low for reliable evaluation.
Die Referenzphase ϕ₁ wird mit einem analogen Allpaß Ph₁ als Phasenschieber erzeugt. Die Vorzeichen der so entstehenden Spannungssignale werden mit den zwei Analog komparatoren K₁ und K₂ in Digitalsignale umgesetzt. Der Komparator K₁ steuert den Takteingang des flankengesteuerten D-Speicherglieds beziehungsweise D-Flipflops D₁. Dieses wird als digitaler Phasenkomparator eingesetzt; es speichert den zum Zeitpunkt der Taktflanke existierenden Zustand, also das Vorzeichen des Stroms, bis zur nächsten Taktflanke. Dieser Zustand wird auf den Ausgang des Schaltsignals S geführt. Die Funktion eines D-Flipflops ist beispielsweise in E. Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, 5. Auflage auf Seite 330 dargestellt.The reference phase ϕ₁ is generated with an analog all-pass Ph₁ as a phase shifter. The signs of the resulting voltage signals are analog with the two Comparators K₁ and K₂ implemented in digital signals. The comparator K₁ controls the Clock input of the edge-controlled D memory element or D flip-flop D₁. This is used as a digital phase comparator; it saves that at the time the clock edge existing state, i.e. the sign of the current, to the next Clock edge. This state is led to the output of the switching signal S. The The function of a D flip-flop is, for example, in E. Schrüfer, Electrical Measurement Technology, 5th Edition shown on page 330.
Für eine einfache Anwendbarkeit ist es wünschenswert, daß der Näherungsschalter nicht fortlaufend hin und her schaltet, wenn sich die Steuerfahne genau beim Schaltabstand befindet. Eine einfache Verbesserung zeigt das Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungsschalters mit Schalthysterese nach Fig. 8. Die zusätzlichen Vorrichtungen eines zweiten Phasenschiebers Ph₂, eines D-Flipflops D₂ und eines RS-Flipflops RS bewirken das Verhalten eines Schmitt-Triggers. Der Phasenschieber Ph₂ verzögert das Vorzeichensignal des Stroms um eine kleine Hysteresephase ϕ₂. Das entstehende Signal wird auf die Kippstufe D₂ geführt, deren Funktion identisch zur Kippstufe D₁ ist. Das zustandsgesteuerte Kippglied RS bewirkt, daß nur Zustände, welche sich außerhalb des durch Ph₂ festgelegten Hysteresebereichs befinden, eine Änderung des Schaltsignals S hervorrufen.For ease of use, it is desirable that the proximity switch not switch back and forth continuously when the control lug is at the sensing range. A simple improvement shows the embodiment of an inductive proximity switch with switching hysteresis according to Fig. 8. The additional devices of a second phase shifter Ph₂, a D flip-flop D₂ and an RS flip-flop RS cause the behavior of a Schmitt trigger. The phase shifter Ph₂ delays the sign signal of the current by a small hysteresis phase ϕ₂. The resulting signal is performed on the flip-flop D₂, the function of which is identical to the flip-flop D₁. The state-controlled flip-flop RS causes only states that are outside the hysteresis range determined by Ph₂ to cause a change in the switching signal S.
An Stelle des Gatters UG kann ohne eine Änderung der Funktion und der Anordnung der Schaltung nach den Fig. 5 und 6 entweder ein NAND-Gatter oder ein ODER- Gatter oder ein NOR-Gatter eingesetzt werden.Instead of the gate UG, either a NAND gate or an OR gate or a NOR gate can be used without changing the function and the arrangement of the circuit according to FIGS. 5 and 6.
Bei Verwendung entweder eines Exklusiv-ODER-Gatters beziehungsweise Antivalenz- Gatters oder eines Äquivalenz-Gatters an Stelle des Gatters UG in den Fig. 5 und 6 entsteht eine Impulsfolge F mit der doppelten Frequenz 2f beziehungsweise mit der halben Periodendauer T/2 = 1/2f des Meßspulen-Wechselstromes L wobei in diesem Fall die Ausgänge der beiden Komparatoren K₁ und K₂ direkt mit den beiden Eingän gen dieser Gatter verbunden sind.If either an exclusive-OR gate or antivalence gate or an equivalence gate is used instead of the gate UG in FIGS. 5 and 6, a pulse sequence F with twice the frequency 2 f or with half the period T / 2 = 1 is produced / 2f of the measuring coil alternating current L, in which case the outputs of the two comparators K 1 and K 2 are connected directly to the two inputs of these gates.
Ohne eine Änderung der Funktionen können in den Schaltungen nach den Fig. 5 bis 8 die beiden Ausgänge der Komparatoren K₁ und K₂ vertauscht werden.Without a change of functions can in the circuits of FIGS. 5 to 8, the two outputs of the comparators K₁ and K₂ are interchanged.
Ebenso kann der Phasenschieber Ph₁ auch zwischen dem Referenzwiderstand Z ref und dem Eingang des Komparators K₂ eingefügt werden, ohne daß sich das grundsätzliche Verhalten der Schaltungen nach den Fig. 5 bis 8 ändert.Likewise, the phase shifter Ph₁ can also be inserted between the reference resistor Z ref and the input of the comparator K₂ without the basic behavior of the circuits according to FIGS. 5 to 8 changing.
Weiterhin können in Fig. 8 der Ausgang von Komparator K₂ direkt mit den D-Ein gängen der beiden Flipflops D₁ und D₂ und gleichzeitig der Ausgang von Komparator K₁ mit dem Takteingang von D-Flipflop D₂ und der Ausgang des Phasenschiebers Ph₂ mit dem Takteingang des D-Flipflops D₁ verbunden werden, ohne daß sich an dem grundsätzlichen Verhalten der Schaltung etwas ändert.Furthermore, in Fig. 8 the output of comparator K₂ directly with the D inputs of the two flip-flops D₁ and D₂ and at the same time the output of comparator K₁ with the clock input of D flip-flop D₂ and the output of the phase shifter Ph₂ with the clock input of the D -Flipflops D₁ be connected without changing anything in the basic behavior of the circuit.
Die in den Schaltungen nach den Fig. 7 und 8 angegebenen Speicherglieder bezie hungsweise Flipflops stellen nur ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dar. Das D-Flipflop ist beispielsweise ein getaktetes RS-Flipflop, bei dem das Eingangssignal direkt auf den Setz-Eingang und das invertierte Eingangssignal auf den Rücksetz- Eingang geführt wird. Alternativ ist der Einsatz von transparenten oder zustandsge steuerten D-Flipflops möglich. Es können auch andere Ausführungen digitaler Flipflops, Kippstufen beziehungsweise Speicherglieder verwendet werden, wenn die oben darge stellten Funktionen der erfindungsgemäßen Schaltungen erreicht werden. The rela in the circuits of Figs. 7 and 8 specified memory members hung as flip-flops represent only one embodiment of this invention. The D flip-flop, for example, a clocked RS flip-flop in which the input signal on the set input and the inverted input signal the reset input is routed. Alternatively, the use of transparent or state-controlled D flip-flops is possible. Other versions of digital flip-flops, flip-flops or memory elements can also be used if the functions of the circuits according to the invention presented above are achieved.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Näherungsschalters ist die Drehzahlmessung von hochtourigen Wellen und Scheiben als Drehzahlaufnehmer. Hierzu wird die Bewegung einer auf einer unilaufenden Welle angebrachten Nocke oder dort angebrachten Schlitz von dem feststehenden Drehzahlaufnehmer abgetastet.Another embodiment of the proximity switch according to the invention is Speed measurement of high-speed shafts and disks as speed sensors. For this purpose, the movement of a cam mounted on a single-running shaft or the slot provided there is scanned by the fixed speed sensor.
Claims (28)
- - daß elektronische Mittel vorhanden sind, um eine Pulsfolge zu erzeugen, deren Frequenz f gleich der Frequenz oder der doppelten Frequenz des Wechsel stromes I oder der Wechselspannung U ist und deren Pulsbreite TUI propor tional der Phasenverschiebung ϕUI ist, die zwischen der Spulen-Wechselspannung U und dem Spulen-Wechselstrom I unmittelbar während jeder Halbperiode oder einem Vielfachen jeder Halbperiode des Stromes und der Spannung gemessen wird,
- - daß ein Strom/Spannungs-Wandler den Wechselstrom I in eine zu I proportio nale Wechselspannung U₁ umformt und
- - daß die Pulsbreite TUI durch Vergleich der Wechselspannung U und U I mit einer Vergleichsgleichspannung UV,U und UV,I erzeugt wird, indem der zeitliche Beginn der Pulsbreite TUI bei Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten der Wechselspannung U oder U I gegenüber der Referenzgleichspannung UV,U oder UV,I und das zeitliche Ende bei Unterschreiten beziehungsweise Überschreiten von U I oder U gegenüber UV,I oder UV,U festgelegt wird.
- - That electronic means are available to generate a pulse train, the frequency f is equal to the frequency or twice the frequency of the alternating current I or the alternating voltage U and the pulse width T UI is proportional to the phase shift ϕ UI , which is between the coil AC voltage U and the coil AC current I is measured directly during each half-cycle or a multiple of each half-cycle of the current and the voltage,
- - That a current / voltage converter transforms the alternating current I into an AC voltage U ₁ to I proportio and
- - That the pulse width T UI is generated by comparing the AC voltage U and U I with a comparison DC voltage U V, U and U V, I by the time start of the pulse width T UI when the AC voltage U or U I exceeds or falls below the reference DC voltage U V, U or U V, I and the time end when falling below or exceeding U I or U compared to U V, I or U V, U is determined.
- - daß die Wechselspannung U an der Sensorspule des Näherungssensors an der Impedanz Z vom Meßspulen-Wechselstrom I als Spannungsabfall erzeugt wird,
- - daß die Wechselspannung U I an dem Referenz-Wechselstromwiderstand mit der Impedanz Z ref vom Wechselstrom I als Spannungsabfall erzeugt wird,
- - daß ein erster analoger Komparator K₁ bei Überschreiten oder Unterschreiten der Meßspulen-Wechselspannung U gegenüber der Vergleichsspannung UV,U einer ersten Gleichspannungsquelle einen Signalwechsel seines Ausgangssignals K₁ von "Logisch-Null" nach "Logisch-Eins" oder umgekehrt erzeugt,
- - daß ein zweiter analoger Komparator K₂ bei Überschreiten oder Unterschrei ten der Referenz-Wechselspannung U I gegenüber der Vergleichsspannung UV,I einer zweiten Gleichspannungsquelle einen Signalwechsel seines Ausgangssignals K₂ von "Logisch-Null" nach "Logisch-Eins" oder umgekehrt erzeugt und
- - daß das Ausgangssignal von K₁ und das invertierte Ausgangssignal von K₂ oder das invertierte Ausgangssignal von K₁ und das nichtinvertierte Ausgangssignal von K₂ mit einem UND-Gatter UG eine Pulsfolge F mit der Frequenz f = 1/T des Meßspulen-Wechselstromes I und der Pulsbreite TUI ist, wobei die Puls breite direkt proportional der Phasenverschiebung ϕUI zwischen dem Spulen strom I und der Spulenspannung U ist.
- that the alternating voltage U at the sensor coil of the proximity sensor at the impedance Z is generated by the measuring coil alternating current I as a voltage drop,
- that the AC voltage U I at the reference AC resistance with the impedance Z ref is generated by the AC current I as a voltage drop,
- - That a first analog comparator K 1 generates a signal change of its output signal K 1 from "logic zero" to "logic one" or vice versa when the measuring coil AC voltage U is exceeded or undershot compared to the comparison voltage U V, U of a first DC voltage source,
- - That a second analog comparator K₂ when the reference AC voltage U I exceeds or falls below the reference voltage U V, I a second DC voltage source generates a signal change in its output signal K₂ from "logic zero" to "logic one" or vice versa and
- - That the output signal of K₁ and the inverted output signal of K₂ or the inverted output signal of K₁ and the non-inverted output signal of K₂ with an AND gate UG a pulse train F with the frequency f = 1 / T of the measuring coil alternating current I and the pulse width T. UI is, the pulse width being directly proportional to the phase shift ϕ UI between the coil current I and the coil voltage U.
- - daß die Meßspule aus zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen besteht, wobei die erste Wicklung mit den Anschlüssen A und B, mit der Windungszahl N₁ und mit der Induktivität L₁ mittels des Meßspulen-Wechselstromes I ein elektromag netisches Hochfrequenzfeld erzeugt, und
- - daß die in der ersten Wicklung induzierte Wechselspannung U₁, die der Spannungsabfall an der inneren Parallelschaltung von Induktivität L₁ und Feld verlustwiderstand RF infolge des Stromes I ist, mittels der zweiten Wicklung mit den Anschlüssen A′ und B′, mit der Windungszahl N₂ und mit der Induktivität L₂ als Wechselspannung U₂ gemessen wird, so daß der Wicklungswiderstand R₁ der ersten Wicklung nicht in die Wechselspannung U₂ eingeht.
- - That the measuring coil consists of two magnetically coupled windings, the first winding with the connections A and B, with the number of turns N₁ and with the inductance L₁ by means of the measuring coil alternating current I generates an electromagnetic high-frequency field, and
- - That the induced in the first winding AC voltage U ₁, which is the voltage drop across the inner parallel circuit of inductor L₁ and field loss resistance R F due to the current I , by means of the second winding with the connections A 'and B', with the number of turns N₂ and measured with the inductance L₂ as AC voltage U ₂, so that the winding resistance R₁ of the first winding does not enter the AC voltage U ₂.
- - daß der Ausgang des Komparators auf den Takteingang des flankenge steuerten D-Speichergliedes beziehungsweise D-Flipflops D₁ geführt wird,
- - daß der Ausgang des Komparator K₂ auf den Zustandseingang beziehungs weise D-Eingang des D-Speichergliedes D₁ geführt wird, so daß das D-Speicher glied die Funktion eines digitalen Phasenkomparators hat und der Ausgang des D-Speichergliedes das Schaltsignal S führt, und
- - daß der Schaltpunkt beziehungsweise die Änderung des Zustandes des Schalt signales S mittels der Referenzphase ϕ₁ des Phasenschiebers Ph₁ oder mittels der Phase von Z ref einstellbar ist.
- - That the output of the comparator on the clock input of the flankenge controlled D memory element or D flip-flop D₁ is performed,
- - That the output of the comparator K₂ on the state input, as D input of the D memory element D₁ is performed, so that the D memory element has the function of a digital phase comparator and the output of the D memory element carries the switching signal S, and
- - That the switching point or the change in the state of the switching signal S by means of the reference phase phase₁ of the phase shifter Ph₁ or by means of the phase of Z ref is adjustable.
- - daß entweder der Rücksetz-Eingang oder der Setz-Eingang eines zustandsge steuerten RS-Kippgliedes beziehungsweise RS-Flipflops RS mit dem Ausgang des D-Flipflops D₁ verbunden ist,
- - daß entweder der Setz-Eingang oder der Rücksetz-Eingang des zustandsge steuerten RS-Flipflops RS mit dem Ausgang eines zweiten flankengesteuerten D- Speichergliedes beziehungsweise D-Flipflops D₂ verbunden ist,
- - daß die beiden Takteingänge der beiden D-Flipflops D₁ und D₂ mit demselben Ausgang des Komparators K₁ verbunden sind,
- - daß der Zustandseingang beziehungsweise D-Eingang des D-Flipflops D₁ direkt mit dem Ausgang des Komparators K₂ verbunden ist und
- - daß der Zustandseingang beziehungsweise D-Eingang des D-Flipflops D₂ über einen zweiten Phasenschieber Ph₂ mit dem Ausgang des Komparators K₂ ver bunden ist, wobei das Eingangssignal des D-Eingangs des D-Flipflops D₂ um die Hysteresephase ϕ₂ verschoben wird, so daß sich für das Ausgangssignal bezie hungsweise das Schaltsignals S des RS-Flipflops RS das Verhalten eines Schmitt- Triggers ergibt, d. h. das Ausgangssignal S ändert sich nur dann, wenn die Ände rung der Phasenverschiebung ϕUI zwischen den beiden Ausgangssignalen von K₁ und K₂ größer als ϕ₂ wird.
- - That either the reset input or the set input of a state-controlled RS flip-flop or RS flip-flop RS is connected to the output of the D flip-flop D 1,
- - That either the set input or the reset input of the state-controlled RS flip-flop RS is connected to the output of a second edge-controlled D memory element or D flip-flop D₂,
- - That the two clock inputs of the two D flip-flops D₁ and D₂ are connected to the same output of the comparator K₁,
- - That the state input or D input of the D flip-flop D₁ is connected directly to the output of the comparator K₂ and
- - That the state input or D input of the D flip-flop D₂ is connected via a second phase shifter Ph₂ to the output of the comparator K₂ ver, the input signal of the D input of the D flip-flop D₂ being shifted by the hysteresis phase ϕ₂, so that for the output signal or the switching signal S of the RS flip-flop RS gives the behavior of a Schmitt trigger, ie the output signal S only changes when the change in the phase shift ϕ UI between the two output signals from K₁ and K₂ is greater than ϕ₂ .
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