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1. Einleitung
und Stand der Technik
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Zur
Steuerung und Kontrolle automatisch ablaufender Fertigungsprozesse
werden Sensoren als Messwertgeber benötigt. Hierbei kommen insbesondere
induktive und kapazitive Nährungsschalter
zum Einsatz. Diese erfassen beispielsweise die Position eines zu
bearbeitenden Objektes relativ zu einem Werkzeug oder einer vorgegebenen
Soll- bzw. Endlage und geben die entsprechenden Positionsdaten über ein
Kabel an eine externe Kontroll- und Steuereinheit weiter. Das Kabel
dient gleichzeitig auch der Versorgung der Sensorkomponenten mit
Energie.
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In
modernen Fertigungsanlagen lassen sich die Position rotierender
Maschinenteile, bewegter Roboterarme oder schnell durchlaufender
Werkstücke
nicht mehr oder nur noch mit erheblichem konstruktivem Aufwand (beweglicher
Kabelkanal, Schleifringübertrager
usw.) mittels leitungsgebundener Näherungssensoren erfassen. Es
wurde daher bereits in [1–4]
vorgeschlagen, den Näherungssensor
mit einer Batterie oder einem Akkumulator als Strom-/Spannungsquelle
auszustatten und die erfassten Positionsdaten nicht mehr über ein
Kabel, sondern per Funk an die externe Kontroll- und Steuereinheit
des Näherungssensors
zu übertragen.
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2.
Ziele und Vorteile der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist die Schaffung eines vielseitig einsetzbaren und
energieautark arbeitenden Näherungssensors.
Weiterhin soll sichergestellt sein, dass der als induktiver Nährungsschalter
ausgebildete Sensor während
der Messdatenerfassung möglichst
energiesparend arbeitet. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
einen Näherungssensor
mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch einen
induktiven Näherungssensor
gemäß Patentanspruch
3 gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der genannten
Näherungssensoren.
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Mit
Hilfe des vorgeschlagenen Sensors lassen sich insbesondere Metalle
(induktiver Sensor) sowie nahezu alle festen und flüssigen Medien
wie Glas, Holz, Kunststoff, Wasser, Öl usw. (kapazitiver Sensor)
berührungslos
mit hoher Schaltfrequenz und Messgenauigkeit erfassen. Das energieeffiziente
Zusammenwirken seiner Komponenten sichert eine lange Betriebsdauer
bei Verwendung einer Batterie als Energiequelle bzw. ermöglicht den
dauerhaften Betrieb durch Einsatz einer kleinen Generatoreinheit (Solarzelle,
Vibrationsgenerator, Thermogenerator usw.). Durch den Wegfall der
Verkabelung wird der Montageaufwand erheblich reduziert und Falschverdrahtungen
während
der Installation verhindert. Der Sensor lässt sich auch in kritischen
Bereichen (bewegliche Teile, hohe Temperatur, mechanische Beanspruchung,
erhöhte
hygienische Anforderungen usw.) ohne weiteres einsetzen.
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3.
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Näherungssensors;
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2:
den Messkopf eines induktiven Nährungsschalters;
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3:
den prinzipiellen Aufbau der Messelektronik des induktiven Nährungsschalters
gemäß 2;
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4:
das Ausschwingverhalten des LC-Serienschwingkreises und das von
einem Komparator der Messelektronik erzeugte Ausgangssignal und
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5:
eine Vorrichtung zur Übertragung
von Daten und Energie auf den Messkopf des Näherungssensors mittels induktiver
Kopplung.
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4. Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 schematisch dargestellte Näherungssensor 1 besteht
im Wesentlichen aus einer im Kopfteil eines Gehäuses 2 angeordneten
Sensoreinheit 3 zur Detektion eines Objektes 4 innerhalb
eines Sensorsbereichs 5, einer Auswerteelektronik 6 zur Erzeugung
eines die Anwesenheit des Objektes 4 innerhalb des Sensorsbereichs 3 anzeigenden
Messsignals, einer Kommunikationseinheit 7 zur drahtlosen Übertragung
des Messsignals und anderer Sensor-/Betriebsparameter an eine mit
einem Kommunikationsmodul ausgestattete externe Steuereinrichtung 8,
einer Energieversorungseinheit 9 zur Bereitstellung der
benötigten
Betriebsspannungen und -ströme
sowie eine die Sensorkomponenten und sämtliche Prozesse initiierende
und/oder überwachende
Steuer- und Kontrolleinheit 10. Insbesondere die Auswerteelektronik 6,
die Steuer- und Kontrolleinheit 10 und ggf. auch die Kommunikationseinheit 7 können in
Form integrierter Bauelemente auf einem gemeinsamen Träger (Platine,
Dickschichtschaltung) angeordnet und ggf. mit einer der Isolation
bzw. dem Schutz dienenden Paste abgedeckt sein. Eine Vergussmasse
fixiert den bestückten
Bauelementeträger
und die übrigen
Sensorkomponenten innerhalb des aus Kunststoff oder Stahl gefertigten
Gehäuses mit
kreisförmigen
oder rechteckigen/quadratischen Querschnitt.
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Eine
Batterie oder ein Akkumulator ermöglicht den energieautarken
Betrieb des Näherungssensors 1.
Durch zusätzlichen
Einbau eines beispielsweise auf Kräfte, Schwingungen, Vibrationen, Druckunterschiede,
Temperaturdifferenzen, elektromagnetische Strahlung (Licht) usw.
ansprechenden Energiewandlers (piezoelektrischer oder elektrodynamischer
Wandler, Thermoelement, pyroelektrisches Element, Solarzelle usw.)
lässt sich
die Betriebsdauer des Näherungssensors 1 nahezu
unbegrenzt verlängern.
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Die
Kommunikationseinheit 7 tauscht über eine bidirektionale Funkschnittstelle
Positionsdaten/Messwerte sowie Kontroll- und Steuerinformationen mit der in
einigen Metern Abstand vom Näherungssensor 1 angeordneten
und ggf. weitere Sensoren kontrollierende Steuereinrichtung 8 aus.
Die Kommunikation über
Funk erfolgt gemäß einem
der bekannten Standards (Bluetooth, WLAN, ZigBee, nanoNet, GSM,
UMTS usw.)
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Die 2 zeigt
das Sensorelement 3 eines induktiven Nährungsschalters im Querschnitt.
Eine in einem nach außen
offenen Ferrit-Schalenkern 11 angeordnete und von einem
Wechselstrom durchflossenen Spule 12 erzeugt ein hochfrequentes
magnetisches Streufeld 13, das an der Stirnseite des beispielsweise
mit einer Kunststoffkappe 14 verschlossenen Nährungsschalters 1 austritt.
Der Schalenkern 11 und die Spule 12 bilden hierbei
die Induktivität
L, ein in Reihe mit der Induktivität L geschalteter Kondensator 15 die
Kapazität
C des in 3 schematisch dargestellten
Serienschwingkreises. Entsprechend dem aus [1] bekannten Messverfahren,
wird der Serienschwingkreis nicht permanent, sondern nur zu diskreten
Messzeitpunkten mittels eines von der Spannungsquelle 16 erzeugten
Impulses zu Schwingungen angeregt. Aufgrund der stets vorhandenen
Verluste, klingt die angeregte Schwingung gedämpft ab, d. h. die Amplitude
des an der Induktivität L
abgegriffenen Signals verringert sich entsprechend der in 4 dargestellten
Kurve a in Abhängigkeit von
der Zeit.
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Ein
in das Streufeld der Sensoreinheit 3 eingebrachtes metallisches
Objekt wirkt aufgrund der in ihm induzierten Wirbelströme und deren
Rückkopplung
auf den LC-Serienschwingkreis zusätzlich dämpfend. Die angeregte Schwingung
wird daher entsprechend schneller, beispielsweise gemäß der in 4 dargestellten
Kurve b abklingen.
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Durch
Auswertung des zeitlichen Verhaltens der Amplitude des an der Induktivität L abgegriffenen Signals
lässt sich
somit das Vorhandensein eines metallischen Objektes in das magnetische
Streufeld des Näherungssensors
feststellen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein
erster Eingang des Komparators 17 mit einem einen Schwellenwert
definierenden Referenzsignal und der zweite Eingang des Komparators 17 mit
dem an der Induktivität
L abgegriffenen Signal beaufschlagt wird. Der Komparator 17 ist
hierbei nur zwischen dem ersten und dem zweiten Nulldurchgang des
Signals aktiviert. Überschreitet
der Signalpegel innerhalb dieses Zeitintervalls den im Komparator 17 vorgegebene Schwellenwert,
schaltet der Komparator 17 durch (erster Schaltzustand
des Nährungsschalters)
und erzeugt einen im unteren Teil der 4 dargestellten Spannungsimpuls
(Schwellenwert: = 0,5 Pegeleinheiten). Erreicht der Signalpegel
innerhalb des genannten Zeitintervalls hingegen nicht den vorgegebenen
Schwellenwert, erzeugt der Komparator 17 kein Ausgangssignal,
was einem zweiten Schaltzustand des Nährungsschalters entspricht.
Die Schaltschwelle kann programmiert und/oder über die bidirektionale Funkschnittstelle
der Kommunikationseinheit 7 eingestellt werden.
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Nähert sich
anstelle eines metallischen Gegenstandes ein zumindest teilweise
aus einem magnetisierbaren Material bestehendes Objekt dem Messkopf
des Nährungsschalters 1,
wird die angeregte Schwingung weniger stark gedämpft, die Frequenz der Schwingung
als Folge der erhöhten
Induktivität
L jedoch verringert (siehe Kurve c in 4). Die
durch das angenäherte
Objekt hervorgerufene Frequenzverschiebung des an der Induktivität abgegriffenen
Signals kann in einfacher Weise gemessen werden, indem man den Zeitpunkt
des Auftretens eines bestimmten Signalmaximums oder -minimums registriert
und diesen Zeitpunkt mit einem Referenzwert vergleicht. Die gemessene
Zeitdifferenz ist dann der Änderung
der Periodendauer proportional, der Änderung der Frequenz umgekehrt
proportional.
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Die
Betriebsdauer eines mit einer erschöpfbaren Energiequelle ausgestatteten
Näherungssensors 1 lässt sich
mittels eines intelligenten Energiemanagements deutlich verlängern. So
können,
unabhängig
von dem jeweils angewandten, durch das Sensorelement vorgegebenen
Messprinzips (induktiv, kapazitiv, photoelektrisch, Halleffekt,
Ultraschallmessung usw.) folgende, von der eignen oder der externen
Kontroll- und Steuereineinheit initiierte und überwachte Maßnahmen
ergriffen werden:
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Messrate:
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Die
Messrate wird auf den zu überwachenden
Prozess/Vorgang abgestimmt und ggf. während des Betriebes (z.B. über die
Funkschnittstelle) geändert
bzw. angepasst. So kann die Messrate beispielsweise von zwei Millisekunden
auf die deutlich niedrigere Messrate von z.B. 100 Millisekunden
herabgesetzt werden, sofern es der jeweilige Prozess zulässt.
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Funkübertragung:
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Der
Austausch von Daten über
die Funkschnittstelle erfolgt ereignisgesteuert, geschieht also nur
dann, wenn sich der Schaltzustand des Näherungssensors geändert hat.
Zusätzlich überträgt der Näherungssensor
in fest vorgegebenen oder zufällig ausgewählten Zeitabständen ein
Signal an die externe Steuervorrichtung 8, um die Qualität der Funkverbindung
zu überprüfen oder
eine Parametrierung des Sensors, auch ohne Änderung des Schaltzustandes, durchführen zu
können.
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„Sleep-Mode"
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Während längerer Pausenzeiten
(über Nacht,
am Wochenende, Betriebsurlaub usw.) wird der Näherungssensor in einen Zustand
mit erheblich vermindertem Energieverbrauch versetzt („Sleep-Mode"). In diesem Betriebszustand
findet keine Positions- oder
Abstandsmessung statt. Innerhalb vorgegebener Zeitabstände wird
lediglich die Kommunikationseinheit 7 kurzzeitig aktiviert,
um den Näherungssensor 1 mit
Hilfe der externen Steuereinrichtung 8 wieder in den normalen
Betriebszustand zu schalten. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, den „Sleep-Mode" nur für ein bestimmtes
Zeitintervall (z.B. 48 Stunden) zu aktivieren und den Näherungssensor 1 nach
Ablauf dieser Zeitspanne automatisch in den normalen Betriebszustand
zurückzuschalten.
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Automatischer „Sleep-Mode"
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Der
Näherungssensor 1 schaltet
selbstständig
in den „Sleep-Mode", wenn er innerhalb
einer vorgegebenen Zeit nach Übermittlung
eines Signals an die externe Steuereinrichtung 8 keine
dieses Signal bestätigende
Antwort von der Steuereinrichtung 8 empfängt.
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Abschaltung:
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Die
geringste Energie benötigt
der Näherungssensor 1 im
abgeschalteten Zustand, wenn jede zyklische Steuerung unterbleibt.
Die Überführung in
den normalen Betriebszustand erfordert einen direkten äußeren Eingriff
(z.B. Betätigung
eines Tasters, Anlagen einer Kurzschlussbrücke an externe Kontakte oder
Anlagen einer externen Spannung).
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Energiesparende Anzeige
des Schaltzustands:
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Konventionelle
Nährungsschalter
besitzen häufig
ein optisches Element (Leuchtdiode LED), um den Schaltzustand anzuzeigen.
Eine ständig
aktive, d. h. statische Anzeigevorrichtung kommt für einen energieautarken
Nährungsschalter
normalerweise nicht in Betracht, da die für den Betrieb einer Leuchtdiode
erforderliche Stromstärke
im Bereich einiger Milliampere liegt, was die als Energiequelle
dienende Batterie zu stark belasten würde. Andererseits ist die optische
Anzeige des Schaltzustandes am Näherungssensor
selbst, insbesondere während
der Inbetriebnahme, sehr nützlich,
da sich mit diesem Hilfsmittel der Schaltabstand leichter einstellen
lässt.
Folgendes energieoptimiertes Anzeigekonzept bietet den gleichen
Komfort während
der Inbetriebnahme des Näherungssensors
und stellt gleichzeitig sicher, dass die Anzeigeeinrichtung die
Energiequelle in Normalbetrieb nicht oder nur schwach belastet.
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Anzeige aus:
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Im
Normalbetrieb bleibt die LED-Anzeige ausgeschaltet, da sie nach
Inbetriebnahme des Näherungssensors
meist ohnehin nicht mehr benötigt wird.
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Anzeige Pulsmode
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In
dieser Betriebsart wird die Leuchtdiode nur für ein kurzes Zeitintervall
eingeschaltet, um Zustandsänderungen
des Näherungssensors
anzuzeigen. Wegen der Trägheit
des menschlichen Auges reicht eine Impulsdauer im Bereich von etwa
50 Mikrosekunden aus, um das Leuchten der Diode deutlich wahrzunehmen.
Die Anzeigevorrichtung kann hierbei permanent oder nur für eine gewisse
Zeitspanne im Pulsmode betrieben werden. Die Deaktivierung der Anzeigevorrichtung
nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne erfolgt vorzugsweise automatisch
ohne nochmaliges Eingreifen der externen Steuereinrichtung.
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Anzeige statisch:
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Während der
Inbetriebnahme des Näherungssensors
kann die Anzeigevorrichtung den Schaltzustand auch statisch anzeigen.
Solange der Näherungssensor
schaltet, bleibt die Anzeigevorrichtung somit aktiv. Verglichen
mit dem Normalbetrieb führt
dies zu einem extrem hohen Energiebedarf während des einigen Stunden,
höchstens
wenige Tage andauernden Einrichtungsbetriebs, um dann allerdings
durch Abschalten der Anzeigevorrichtung auf Null zurückzugehen.
Bezogen auf die Gesamtlebensdauer macht sich der Anfangs stark erhöhte Energiebedarf
daher kaum bemerkbar. Das Deaktivieren der Anzeigevorrichtung erfolgt
wieder automatisch ohne Eingriff der Steuerung.
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Daten und Energieübertragung über den
Messkopf:
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Die
Parametrierung des Näherungssensors erfolgt
im Normalfall über
die Funkschnittstelle der Kommunikationseinheit 7 und zwar
sowohl während des
Betriebes als auch während
der Inbetriebnahme. Ein weiterer Kommunikationskanal lässt sich
dadurch öffnen,
dass man den induktiven Messkopf des Näherungssensors 1 in
die Nähe
eines mit einem induktiven Koppelelement 19 (z.B. Spule
mit offenen Schalenkern) ausgestattete Kommunikationseinheit 20 bringt.
Die beiden induktiven Kuppelelemente 18 und 19 bilden
dann einen Übertrager, über den
dann sowohl Daten als auch Energie zwischen der externen Kommunikationseinheit 20 und
dem Näherungssensor 1 ausgetauscht
werden können.
Mittels eines entsprechenden Signals der Kommunikationseinheit 20 lässt sich
so beispielsweise auch ein sensorseitiger Spannungsimpuls erzeugen
und auf einen Interrupt-Eingang des Mikrocontrollers der Steuer-
und Kontrolleinheit führen.
Dieser Spannungsimpuls lässt den
Microcontroller wieder anlaufen, auch wenn seine zyklische Bearbeitung
ausgeschaltet war.
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5. Stand der Technik:
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