DE69000465T2 - Induktiver naeherungssensor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Näherungssensor zum Feststellen der Nähe eines metallischen Gegenstandes.
• Induktive Näherungssensoren, bei denen ein Resonanzkreis verwendet wird, sind bekannt. Das Funktionsprinzip von diesem Typ Sensor ist das folgende: Bei der Abwesenheit eines metallischen Gegenstandes in der Nähe des Sensors arbeitet der Messstromkreis, der einen Oszillator umfasst, bei Resonanz und schwenkt mit maximaler Amplitude. Die Annäherung eines metallischen Gegenstandes verursacht Verluste durch Foucault-Ströme, die in diesem Gegenstand induziert werden, und demzufolge eine Dämpfung der Resonanzamplitude. Der Vergleich dieser Amplitude mit einem Referenzwert erlaubt deshalb, das Vorhandensein eines metallischen Gegenstandes festzustellen. Der grosse Nachteil dieses Sensortyps besteht in der Empfindlichkeit auf eigene Verluste des resonierenden Stromkreises (Ohm'sche Verluste in der Spule des Stromkreises, Hysteresis-Verluste im magnetischen Kreis der Spule). Im weiteren hängen diese Verluste von der Temperatur ab, was ein Grund ist, für die Ungenauigkeit der Detektionsresultate.
• Ein anderer Typ eines induktiven Näherungssensors stellt auf die Messung der Aenderung der Induktanz einer Spule ab und ist im Patentdokument GB-2 040 054 A beschrieben. Dieses Dokument schlägt ein Verfahren zum Messen der Induktanz durch das Beobachten der Ableitung des Stromes in der Spule in der abklingenden Phase des Stromes vor. Der Hauptnachteil von diesem Sensortyp besteht darin, dass er für gewisse leitende nicht ferromagnetische Materialien wenig empfindlich ist.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen, indem ein neuer Typ eines induktiven Näherungssensors vorgeschlagen wird.
• Zum Erreichen dieses Zieles ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein induktiver Näherungssensor mit einer Spule, Mitteln zum Speisen der Spule, Mitteln zum Messen und zum Verarbeiten von Signalen, die dazu bestimmt sind, beim Vorhandensein eines zu detektierenden Stückes zu reagieren, wobei die genannten Speisemittel zum Liefern eines periodischen Stromes mit der Periode T an die Spule vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Speisemittel an die Spule abgegebene Strom nur während einer Dauer T&sub1;, die kleiner ist als T, in der Spule fliesst und während dem Rest (T-T&sub1;) der genannten Periode, praktisch auf Null gehalten ist, dass ein Schalter (SI&sub1;) während der genannten Restzeit (T-T&sub1;) eine deutliche Impedanzerhöhung zeigt und dass die Mittel zum Messen und zum Verarbeiten von Signalen zum Liefern einer Antwort durch Spannungsmessung an den Anschlüssen der Spule während einer Zeitdauer (T&sub2;) bestimmt sind, wobei die Zeitdauer (T&sub2;) nach der Unterbrechung des Stromes beginnt und beim Vorhandensein des zu detektierenden Stückes kleiner oder gleich der Restzeit (T-T&sub1;) ist.
• Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf beigelegte Zeichnungen bezieht, besser verständlich:
• - die Fig. 1 zeigt das Prinzipschema des erfindungsgemässen Sensors,
• - die Fig. 2 zeigt Spannungs- und Stromzeitdiagramme, die sich auf das Schema gemäss der Fig. 1 beziehen,
• - die Fig. 3 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt der an den Anschlüssen der Spule gemäss der Fig. 1 induzierten Spannung,
• - die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Sensors,
• - die Fig. 5 zeigt Spannungs- und Stromzeitdiagramme, die sich auf das Schema gemäss der Fig. 4 beziehen,
• - die Fig. 6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispieles gemäss der Fig. 4,
• - die Fig. 7 zeigt eine zweite Variante des Ausführungsbeispieles gemäss der Fig. 4,
• - die Fig. 8 zeigt Zeitdiagramme der Signale S&sub4;, S&sub5; und SI&sub1; des Ausführungsbeispieles gemäss der Fig. 7, und
• - die Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Filtermittel 6 in der Fig. 7.
• Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschema des erfindungsgemässen Sensors. Einer der Anschlüsse der Spule 2 des Sensors ist mit der Masse einer Speisespannung verbunden und der andere Anschluss ist über einen Unterbrecher I&sub1;, der durch das Signal SI&sub1; gesteuert ist, mit einer Konstantspannung U verbunden.
• Die Fig. 2 zeigt Zeitdiagramme der Spannungen und Ströme, die sich auf das Schema gemäss der Fig. 1 beziehen. Das Steuersignal SI&sub1; erlaubt den Unterbrecher I&sub1; zu schliessen, dann, wenn es ein hohes Potential (H) aufweist und den Unterbrecher I&sub1; zu öffnen, dann, wenn es ein tiefes Potential (B) aufweist. Der Unterbrecher I&sub1; ist mit einer Zeitperiode T periodisch gesteuert, wobei er während der Dauer T&sub1; geschlossen und während der Dauer T-T&sub1; geöffnet ist. Der Strom i, der durch die Spule 2 fliesst, ist so, wie in der Fig. 2b dargestellt.
• Die Fig. 2c zeigt die Spannung an den Anschlüssen der Spule 2.
• Eine vergrösserte Darstellung dieser Spannung während der Zeitdauer, wo der Strom in der Spule Null ist, erlaubt die Feststellung, dass die Amplitude der Spannung sehr unterschiedlich ist, wenn sich ein metallisches Stück in der Nähe des Sensors befindet; diese Vergrösserung ist in der Fig. 3 gezeigt.
• Dieses Phänomen erklärt sich durch die Tatsache, dass die Aenderung des Stromes in der Spule während der Dauer T&sub1; Induktionsströme im metallischen Stück hervorruft. Nach der erzwungenen Unterbrechung des Stromes in der Spule durch die Oeffnung des Unterbrechers I&sub1; fliessen die im metallischen Stück induzierten Ströme weiter und induzieren eine an den Anschlüssen der Spule feststellbare Spannung. Der Vorteil von diesem Detektionsverfahren ist die geringe Abhängigkeit des gemessenen Signales von der Temperatur. Im weiteren hängt die in der Spule induzierte Spannung nicht vom Widerstand der Spule ab, sondern nur von der Stärke des im metallischen Stück induzierten Stromes.
• Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Sensors.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spule 2 parallel zu einem Widerstand 4 geschaltet, dessen Wert ungefähr das Fünfzigfache vom Widerstand der Spule ist. Der Zweck von diesem Widerstand ist es, die Schwingungen, hervorgerufen bei der Schaltung des Stromes, zu dämpfen. Durch seinen grossen Wert beeinflusst dieser Widerstand die Messung der induzierten Spannung nicht. Die mit ihren Steuersignalen SI&sub2; und SI&sub3; gesteuerten Unterbrecher I&sub2; und I&sub3; erlauben, die Messung der induzierten Spannung nur während dem Zeitintervall T&sub2;, in welchem der Strom i in der Spule praktisch Null ist. Die so erhaltene induzierte Spannung wird auf den Verstärker 5 geführt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 wird mit einem Referenzwert verglichen, was erlaubt, die Annäherung eines metallischen Stückes festzustellen.
• In der Ausführungsvariante, die in der Fig. 6 gezeigt ist, besitzt die Spule des Sensors einen Mittelabgriff M, durch welchen die Spule in zwei Teile 2a und 2b geteilt ist. Die Widerstände 4a und 4b haben dabei die gleiche Dämpfungsaufgabe wie der Widerstand 4 in der Fig. 4.
• Die Steuersignale SI&sub1;, SI&sub2;, SI&sub3; sind identisch zu denjenigen in der Fig. 5.
• Während der Dauer T&sub1; fliesst der Strom im Teil 2a der Spule. Die Oeffnung von I&sub1; ruft induzierte Spannungen in den Spulenteilen 2a und 2b hervor. Wegen der Wicklungsrichtung sind diese induzierten Spannungen in Gegenphase. Der Teil 2b, der vom metallischen Stück weiter entfernt ist als 2a, liefert eine schwächere induzierte Spannung, woraus folgt, dass die resultierende induzierte Spannung Vi ungleich Null ist.
• Demgegenüber sind bei der Anwesenheit eines magnetischen Störfeldes die in den Teilen 2a und 2b einzeln induzierten Spannungen etwa gleich gross und liefern demzufolge eine resultierende induzierte Spannung Vi, die praktisch Null ist. Diese Ausführungsvariante bringt einen Sensor hervor, der sozusagen unempfindlich gegen äussere Störungen ist.
• Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante gemäss dem Beispiel der Fig. 4. In dieser Figur wird das Steuersignal von SI&sub1; durch die Zusammensetzung von Signalen S&sub4; und S&sub5; erhalten. Das Signal S&sub4; von der Zeitdauer T&sub4; ist auf den Takteingang CK einer ersten Kippstufe D&sub1; geschaltet, wobei der Ausgang Q dieser Kippstufe D&sub1; mit dem Takteingang CK einer zweiten Kippstufe D&sub2; verbunden ist. Der Ausgang S&sub5; der zweiten Kippstufe D&sub2; schaltet dadurch mit einer Periodendauer T, die viermal grösser ist als T&sub4;. Die Zusammenführung der Signale S&sub4; und S&sub5; durch ein UND-Tor liefert das Steuersignal S&sub1; des Sensors.
• Die Fig. 8 zeigt das Zeitdiagramm für die Signale S&sub4;, S&sub5; und SI&sub1;. Das Steuersignal SI&sub1; von dieser Ausführungsvariante erlaubt, eine Pausenzeitdauer P und eine Betriebszeitdauer S zu erzeugen. Die Erzeugung der Pausenzeitdauer hat einen doppelten Vorteil: einerseits erlaubt sie den mittleren Energieverbrauch des Sensors zu reduzieren und andererseits erlaubt sie, die Gleichspannungskomponente (Offset), die durch den Verstärker 5 eingeführt wird, zu bewerten. Zum Beseitigen der durch den Verstärker 5 eingeführten Gleichspannungskomponente ist der Ausgang A&sub1; dieses Verstärkers mit einem Filtermittel 6 verbunden. Dieses Filtermittel kann ganz einfach mittels einem Kondensator und einem Widerstand, wie dies in der Fig. 9 gezeigt ist, aufgebaut sein.

Claims (5)

1. Induktiver Näherungssensor mit einer Spule, Mitteln zum Speisen der Spule, Mitteln zum Messen und zum Verarbeiten von Signalen, die dazu bestimmt sind, beim Vorhandensein eines zu detektierenden Stückes zu reagieren, wobei die genannten Speisemittel zum Liefern eines periodischen Stromes mit der Periode T an die Spule vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Speisemittel an die Spule abgegebene Strom nur während einer Dauer T&sub1;, die kleiner ist als T, in der Spule fliesst und während dem Rest (T-T&sub1;) der genannten Periode praktisch auf null gehalten ist, dass ein Schalter (SI&sub1;) während der genannten Restzeit (T-T&sub1;) eine deutliche Impedanzerhöhung zeigt und dass die Mittel zum Messen und zum Verarbeiten von Signalen zum Liefern einer Antwort durch Spannungsmessung an den Anschlüssen der Spule während einer Zeitdauer T&sub2; bestimmt sind, wobei die Zeitdauer T&sub2; nach der Unterbrechung des Stomes beginnt und beim Vorhandensein des zu detektierenden Stückes kleiner oder gleich der Restzeit (T-T&sub1;) ist.

2. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen und zum Verarbeiten von Signalen nur zum Messen der Spannung an den Anschlüssen der Spule während einer Zeitdauer T&sub2;, die kleiner als (T-T&sub1;) ist, ausgeführt sind.

3. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule zu einem Widerstand (4) parallel geschaltet ist, dessen Widerstandswert bedeutend grösser ist als derjenige der Spule.

4. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule einen Zwischenanschluss aufweist, durch den die Spule des Sensors in zwei Teile aufgeteilt ist, wobei die Wicklungsrichtungen der beiden Teilspulen zum Liefern einer induzierten resultierenden Spannung, die gleich der Summe von zwei induzierten Teilspannungen mit gegenläufiger Phase ist, ausgeführt sind.

5. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal SI&sub1; für den periodischen Strom mit der Periode T aus der Multiplikation eines periodischen Signales mit der Periode T&sub4; und einem periodischen Signal mit der Periode T, welche grösser ist als T&sub4;, erhalten wird und dass das Antwortsignal des Sensors nach einer Verstärkung (A&sub1;) an ein Filtermittel (6) geschaltet ist, um die durch den Verstärker (5) eingeführte Gleichstromkomponente zu beseitigen.