DE102019128837B4 - Induktiver Näherungssensor und Verfahren zum Anlernen von Targetklassen - Google Patents

Abstract

Induktiver Näherungssensor zur Bestimmung des Abstands (z) eines elektrisch leitfähigen Targets (0), wobei der induktive Näherungssensoreinen Schwingkreis (1), der eine Induktivität (2) und eine Kapazität (3) aufweist,eine Messschaltung (4), die zur Bestimmung der Frequenz (f) des Schwingkreises (1) geeignet ist, sowieeine Steuereinheit (5) mit einem digitalen Speicher (6) aufweist, wobei die Induktivität (2) als Leiterplattenspule mit einem Temperatursensor (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,dass der induktive Näherungssensor dazu ausgebildet ist, das Target (0) in Bezug auf seine Form in einem mindestens zwei Messungen umfassenden Lernvorgang zu klassifizieren, einen Formfaktor (F) zu erzeugen um den Abstand (z) des Targets (0) als absolutes Abstandssignal als Millimeterwert aus dem Formfaktor (F) und der Schwingkreisfrequenz (f) zu bestimmen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungssensor mit einer Messschaltung zur Bestimmung des Abstandes eines elektrisch leitenden Messobjekts gemäß Patentanspruch 1. Der nebengeordnete Anspruch 5 betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren.
• Induktive Näherungssensoren werden in berührungslos arbeitenden elektronischen Schaltgeräten vor allem in der Automatisierungstechnik, aber auch als Messgeräte eingesetzt.
• Derartige induktive Näherungssensoren sind weit verbreitet und werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
• Sie weisen mindestens eine Sensorspule auf und können sowohl mit Stromimpulsen als auch mit kontinuierlichen, meist sinusförmigen Wechselstrom betrieben werden. Im letzteren Fall ist die Sensorspule meistens Bestandteil eines LC-Oszillators und damit frequenzbestimmend.
• Induktive Sensoren sollen gleichermaßen auf Schaltfahnen (Objekte oder Targets) mit hoher Leitfähigkeit und geringer Permeabilität, wie Aluminium und Buntmetalle, aber auch auf Targets mit geringerer Leitfähigkeit und hoher Permeabilität, wie Stahl oder Edelstahl, reagieren. Ein derartiges Verhalten wird mit „K=1“ bezeichnet.
• Die Realisierung ist jedoch alles andere als einfach, da unterschiedliche Effekte zum selben Messergebnis führen sollen.
• Die Schaltabstände werden für eine Umgebungstemperatur von 23°C angegeben. Sie sollen in einem Temperaturbereich von -25°C und +85°C, oder manchmal sogar von -40°C bis 100°C, um weniger als 10% variieren.
• Da die Wechselwirkung zwischen Sendespule und Target bei wachsendem Abstand sehr schnell abnimmt, ist eine Temperaturkompensation von immenser Bedeutung.
• So schlägt die DE 36 06 878 C2 vor, einen dem Effektivwert des Verlustwiderstandes der Schwingkreisspule entsprechenden Temperatursensor in unmittelbarer Nähe der Schwingkreisspule anzuordnen, und diesen mit einem Eingang und dem Ausgang es Oszillatorverstärkers zu verbinden. Da ist zwar äußerst effektiv, reicht aber nicht aus, um auch bei hohem Schaltabständen die genannte Temperaturstabilität zu erreichen.
• Die DE 39 31 892 A1 geht davon aus, einen Sensorschwingkreis weit außerhalb seines Gütemaximums zu betreiben. Das ist jedoch kontraproduktiv für den Schaltabstand, so dass man schließlich unter Ergreifung zusätzlichen Maßnahmen zur Temperaturkompensation zum Betrieb im Gütemaximum zurückkehrte. Es wird vorgeschlagen, die Spulentemperatur mit einer zusätzlichen, als Temperaturfühler wirkenden bifilaren Spulenwicklung zu messen, und die Oszillatoramplitude und/oder die Schaltschwelle des Sensors durch den Temperaturmesswert zu beeinflussen.
• Die EP 0 049 304 B1 offenbart ein Verfahren zur Kompensation temperaturbedingter Messfehler durch Messung des Gleichstromwiderstands der Sensorspule, bei dem anhand des Spannungsabfalls am Messorgan (der Sensorspule) ein die Temperatur repräsentierendes Korrektursignal gebildet wird. Ähnliches lehrt die DE 41 41 065 A1 für einen induktiven Pulssensor.
• Dem technischen Fortschrift Rechnung tragend, schlägt die DE 195 27 174 C2 vor, die Temperaturabhängigkeit der Bauelemente und deren Toleranzen, durch ein von außen anschließbares Programmiergerät in einem Lernverfahren (Teach-in) im fertig montierten Zustand mehrfach (wiederholt) zu erfassen, die Messwerte zu speichern, und die Schaltschwelle in Abhängigkeit von der Temperatur variabel auszubilden. Als Temperaturfühler wird eine in der Nähe des Schwingkreises angeordnete HalbleiterDiode vorgeschlagen.
• Weil ein Parallelschwingkreis im Resonanzfall die Eigenschaften eines ohmschen Widerstandes besitzt, sollte der Temperaturgang des Kupferwiderstandes der Spule trotz seines hohen Wertes von ca. 4000 ppm/°C keinen großen Einfluss auf dessen Resonanzfrequenz haben.
• Derartige Überlegungen führten schließlich dazu, nicht die Spulengüte und/oder die Verluste der Sensorspule anhand einer Amplitude, sondern eine Frequenz, genauer deren durch ein in der Nähe befindliches Target bewirkte Änderung zu messen, und in ein Abstandssignal umzuwandeln. Dieses Messprinzip ist darüber hinaus äußerst vorteilhaft, weil die oben genannte Bedingung K=1 bei Messfrequenzen ab ca. 2 MHz per se erfüllt ist, weil die Weissschen Bezirke in den ferromagnetischen Stoffen nicht mehr folgen können. Auf einem Ferritspulenkern muss allerdings verzichtet werden.
• Die Firma Texas Instruments bietet „Inductance-to-Digital-converter“ (LDC) an, die an Stelle einer Amplitudenmessung (Schwingkreisgüte) das Verhältnis zwischen der Sensorfrequenz und einer selbst erzeugten Referenzfrequenz (ratio of f_sensor/f_ref) in digitalisierter Form mit 28 Bit Auflösung ausgeben. Weitere Angaben können aus dem „Technischen Datenblatt TEXAS INSTRUMENTS: LDC1612, LDC1614 Multi-Channel 28-Bit Inductance to Digital Converter (LDC) for Inductive Sensing. December 2014-Revised March 2018“ und aus dem „Application Report" - „Dallas (TX), 2018 (SNOSCY9A). 67 Seiten. - Firmenschrift TEXAS INSTRUMENTS: Application report - LDC1000 Temperature Compensation. September 2013. Dallas (TX), 2013 (SNAA212). 6 Seiten. - Firmenschrift“ entnommen werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden, und einen induktiven Näherungssensor anzugeben, der trotz unvollständiger Temperaturkompensation ein hochpräzises Abstandssignal (in mm) liefert, und zwar unabhängig von der geometrischen Form und der elektrischen Leitfähigkeit eines als Target bezeichneten (Mess-) Objekts.
• Diese Aufgabe wird entsprechend dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Der nebengeordnete Anspruch 5 betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren.
• Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht zum einen darin, auf eine vollständige Temperaturkompensation zu verzichten und durch Messung der Spulentemperatur mit anschließenden Korrektur der Messergebnisse zu ersetzen. Der Anwender hat die Möglichkeit zu einer Feinkorrektur bei der jedes Target (bezüglich seiner Form) klassifiziert wird, indem dessen Kennlinie durch mindestens zwei Messpunkte approximiert und in einem Speicher hinterlegt wird. Erfindungsgemäß wird jeder Messwert zunächst anhand der Spulentemperatur korrigiert und erst danach an eine in der Steuereinheit des Näherungssensors gespeicherte Kennlinie angepasst, so dass durch die Feinkorrektur eine vom (Target) Material- und dessen Form (Formfaktor) freie Messung des Abstandes möglich wird, so dass der Abstand zum Target in der Längenmaßeinheit (mm) angegeben werden kann.
• Der Näherungssensor wird also dazu ausgebildet, die Spulentemperatur permanent zu messen und das Target in einem mindestens zwei Messungen umfassenden Lernvorgang zu klassifizieren und schließlich den Abstand des Targets aus der mit einem Temperatursensor gemessenen Temperatur T und der Schwingkreisfrequenz f, bzw. deren Änderung zu bestimmen.
• Die Messwerte werden zunächst thermisch korrigiert, indem sie mit als Tabelle oder Polynom abgelegten Temperaturkoeffizienten ϑ (T) multipliziert werden. Anschließend wird der Näherungssensor werksseitig mit einem Normtarget, z. B. einer Stahlplatte von 60 mm x 60 mm, derart kalibriert, dass er einen Abstand in mm anzeigen kann, ohne dass eine weitere (spätere) Kalibrierung notwendig ist.
• Hierzu kann eine (z. B. 32 Messpunkten bestehende) Frequenz- Abstands-Kennlinie (f-z-Kennlinie) aufgenommen und gespeichert werden.
• Eine erfindungsgemäße Sensorspule ist vorteilhaft als ein- oder auch mehrlagige Leiterplattenspule ausgeführt, die mindestens einen Temperatursensor trägt, wobei unter einer Leiterplatte auch ein Keramikkörper oder ein flexibler Träger zu verstehen ist. Der Temperatursensor weist vorteilhaft eine Halbleiterdiode auf.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
• 1 zeigt einen induktiven Sensor mit der integrierten Schaltung LDC1612,
• 2 zeigt den typischen Verlauf einer Messkurve f(x) und deren Linearisierung.
• Die 1 zeigt einen induktiven Sensor mit der integrierten Schaltung LDC1612 in einer auf die allerwesentlichsten Baugruppen beschränkten Darstellung mit einem Target 0, einem Schwingkreis 1, der aus einer Induktivität 2 und einer Kapazität 3 besteht, einer Messschaltung zur Induktivitätsbestimmung 4, dem genannten LDC, einer Steuereinheit 5, vorzugsweise ein Mikrocontroller µC, ohne die Erfindung darauf zu beschränken und einem Speicherbaustein 6, der auch zu Steuereinheit 5 gehören kann.
• Die Induktivität 2 ist eine auf einer Leiterplatte angeordnete Flachspule. Außerdem trägt die Leiterplatte einen mit dem Spulenbereich gekoppelten Temperatursensor 7, der im einfachsten Fall eine Halbleiterdiode ist.
• Die bevorzugte (Mess-) Frequenz liegt im Bereich größer/gleich 2 MHz, und wird nur durch den LDC beschränkt, so dass Frequenzen von 0,1 - 10 MHz in Frage kommen, ohne die Erfindung auf eine bestimmte Frequenz zu beschränken.
• Zur Feinkorrektur des erfindungsgemäßen induktiven Näherungssensors wird in einem Lernvorgang ein zu erwartendes Target in einem ersten Abstand x1, z. B. in 10% des Messbereichs (Überwachungsbereichs) platziert, und eine erste Messung durchgeführt. Anschließend erfolgt mindestens eine zweite Messung, beispielsweise im Messbereichsende (bei 100%).
• Da jede Messung erfindungsgemäß mit einer Temperaturmessung verbunden ist, liegen danach mindestens zwei (Frequenz) Messwerte f1(x1, T1) und f2(x2, T2) vor, wobei unter f1 und f2 die Quotienten f_sensor1/f_ref bzw. f_sensor1/f_ref zu verstehen sind.
• Die Temperatur T bleibt wegen des kurzen Zeitabstands meistens unverändert, so dass eine Messung oft ausreicht, eine zweite aber nicht ausgeschlossen werden soll. Diese Messwerte werden zunächst thermisch korrigiert, indem sie mit als Tabelle oder Polynom abgelegten Temperaturkoeffizienten ϑ (T) multipliziert werden. Hieraus entstehen thermisch korrigierte Messwerte f1_korr und f2_korr, die den bei 23°C zu erwartenden Messwerten f1 (23°C) und f2 (23°C) entsprechen.
• Die 2 zeigt den typischen Verlauf einer Messkurve und deren Linearisierung, wobei dahingestellt bleiben kann, ob es sich um die Original-Messwerte oder die thermisch korrigierten handelt, denn schließlich gilt f (x, 23°C) = f_korr (x, 23°C).
• Aus diesen Messwerten wird (im einfachsten Fall) ein Formfaktor F = Δf_korr /Δx in Form eines Geradenanstiegs erzeugt. Es versteht sich, auch Approximationen mit Polynomen hören Grades (mit mehreren Messpunkten), Tabellen oder jede andere geeignete mathematische Methode zur Anwendung kommen kann.
• Im Messbetrieb werden alle Messwerte f (x, T) zuerst mit ϑ verrechnet, wobei temperaturkorrigierte Messwerte f_korr (x, T0) mit T0 = 23°C entstehen, die nun mit dem Formfaktor F verrechnet werden, wobei ein Abstandswert z (f, x, T) entsteht: $$\text{z}\left(\text{f}\text{, x}\right)\mathrm{=}\text{x2}+\left(\text{f1}-\text{f2}\right)/\left(\text{x1}-\text{x2}\right)\text{*}\left(\text{f}-\text{f2 }\right)$$
• Für die in 2 gezeigte Messung (bei 23°C) erhält man mit f1= 5, f2=1, x2=5 x1=1 einen Geradenanstieg von (f1-f2) / (x1-x2) = (5-1) / (1-5) = -4
• Gemäß der Gleichung [1] erhält man für f = 3,5 einen Abstandswert z = 2,5 mm.
• Wie bereits oben erwähnt, ist der Sensor werksseitig mit einem Normtarget kalibriert und damit einsatzbereit. Der Nutzer hat jedoch die Möglichkeit einer erneuten Kalibrierung bei Verwendung eines merklich vom Normtarget abweichenden Targets. Das kann bei Verwendung eines anderen Materials, beispielsweise Aluminium oder bei merklicher Abweichung von der angegeben geometrischen Form (Verkleinerung) erforderlich sein. So können verschiedene Objektklassen unterschieden und durch Hinterlegung objektklassenspezifischer Kalibrierungskurven berücksichtigt werden.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können unbekannte Targets durch Testmessungen einer vorhandenen Klasse zugeordnet (klassifiziert) werden, was dem Anwender eine erneute (genauere) Kalibrierung mit mehreren Messpunkten erspart.
• Bezugszeichenliste

0

Target, (Mess-) Objekt

1

Schwingkreis

2

Induktivität, Schwingkreisinduktivität, z. B. eine zweilagige Leiterplattenspule

3

Kapazität (Schwingkreiskapazität)

4

Messschaltung zur Induktivitätsbestimmung, Inductance-to-Digital-converter

5

Steuereinheit µC (Mikrocontroller, Signalprozessor (DSP), ASIC, o. ä.

6

Digitaler Speicherbaustein, vorzugsweise ein SDRAM

7

Temperatursensor

ϑ(T)

Temperaturkoeffizient, Tabelle oder Polynom, in einem Speicher abgelegt

F

Formfaktor, Geometriefaktor des Targets 0

x

Realer Abstand des Targets (Messobjekts)

Δx

Differenz zweier Abstände x

f(x)

Frequenz als Funktion des Abstandes x, insbesondere normiert als f_sensor/f_ref(x)

Δf

Differenz zweier (Frequenz) Messwerte fsensor2 / fref (x2) - fsensor1 / fref (x1)

T

Temperatur

z

Angezeigter zweifach korrigierter Abstandswert [mm]

Claims (5)

1. Induktiver Näherungssensor zur Bestimmung des Abstands (z) eines elektrisch leitfähigen Targets (0), wobei der induktive Näherungssensor einen Schwingkreis (1), der eine Induktivität (2) und eine Kapazität (3) aufweist, eine Messschaltung (4), die zur Bestimmung der Frequenz (f) des Schwingkreises (1) geeignet ist, sowie eine Steuereinheit (5) mit einem digitalen Speicher (6) aufweist, wobei die Induktivität (2) als Leiterplattenspule mit einem Temperatursensor (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Näherungssensor dazu ausgebildet ist, das Target (0) in Bezug auf seine Form in einem mindestens zwei Messungen umfassenden Lernvorgang zu klassifizieren, einen Formfaktor (F) zu erzeugen um den Abstand (z) des Targets (0) als absolutes Abstandssignal als Millimeterwert aus dem Formfaktor (F) und der Schwingkreisfrequenz (f) zu bestimmen.
2. Induktiver Näherungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, objektklassenspezifische Kalibrierungskurven in dem digitalen Speicher (6) hinterlegt werden können.
3. Induktiver Näherungssensor gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unbekannte Targets durch Testmessung einer vorhandenen Klasse zugeordnet werden können.
4. Induktiver Näherungssensor gemäß einem der vorigen Ansprüche, der dazu ausgebildet ist: - in dem Lernvorgang in wenigstens zwei bekannten Abständen (x1, x2) des Targets Temperatur und Frequenz zu messen, wobei Messwerte f1 und f2entstehen. - diese beiden anhand gespeicherter Temperaturkoeffizienten ϑ(T) zu korrigieren, - den Formfaktor F = Δf/Δx aus den beiden korrigierten Messwerten zu ermitteln, - im folgenden Messbetrieb alle Messwerte f(x, T) mit ϑ(T) zu verrechnen, wobei temperaturkorrigierte Messwerte f_korr (x, T0) mit T0 = 23°C entstehen, - diese temperaturkorrigierten Messwerte mit dem Formfaktor F zu verrechnen, - einen zweifach korrigierten Abstandswert z (f, T) anzuzeigen oder auszugeben.
5. Verfahren zum Betreiben eines induktiven Näherungssensors gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem Lernvorgang in wenigstens zwei bekannten Abständen (x1, x2) des Targets Temperatur und Frequenz gemessen werden, wobei die Messwerte f1 und f2 erzeugt werden, - diese zunächst thermisch korrigiert werden, indem sie anhand gespeicherter Temperaturkoeffizienten ϑ(T) multipliziert werden, und anschließend der Formfaktor F=Δf/Δx erzeugt wird, - im folgenden Messbetrieb alle Messwerte f(x, T) zuerst mit ϑ(T) verrechnet werden, - wobei temperaturkorrigierte Messwerte f_korr (x,T0) mit T0 = 23°C entstehen, - die anschließend mit dem Formfaktor F verrechnet werden, und - ein zweifach korrigierter Abstandswert z (f, T) angezeigt oder ausgegeben wird.