DE202011001009U1

DE202011001009U1 - Sensorsystem mit induktivem Näherungsschalter

Info

Publication number: DE202011001009U1
Application number: DE202011001009U
Authority: DE
Original assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Current assignee: Wenglor Mel De GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-07-31
Anticipated expiration: 2021-04-30

Abstract

Sensorsystem (1) mit mindestens einem induktivem Näherungsschalter (4) mit einer Spule (6) und einer Gütebestimmungseinheit zur Bestimmung der Spulengüte der Spule (6) in Form eines Güte-Istwerts aus Spulenmesssignalen der Spule (6), um die Annäherung eines Gegenstandes zu erkennen, gekennzeichnet durch eine Erkennungseinheit zum Vergleich des Güte-Istwerts mit einem Güte-Sollwert, um eine nicht durch die Annäherung eines Gegenstandes verursachte Verschlechterung der Spulengüte zu erkennen, wobei die Erkennungseinheit zur Ausgabe eines Warnsignals eingerichtet ist, wenn eine Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Warngrenzwert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit induktivem Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Sensorsysteme mit temperaturabhängigen induktiven Näherungsschaltern werden vielfältig in unterschiedlichsten Produktionsanlagen eingesetzt. Um die Temperaturabhängigkeit der bekannten Sensorsystem zu verringern, wurden vielfältige Lösungen vorgeschlagen, wie u. a. in EP 0 399 242 A2 , DE 32 48 169 A1 , DE 84 02 843 U1 oder DE 195 38 575 C2 beschrieben. Durch die gewollte Annäherung eines Metallteils an den Näherungsschalter wird die Güte seiner Spule verstimmt, was von einer Auswerteeinheit als Näherungssignal erkannt wird. Dies geschieht bei bekannten Sensorsystemen z. B. über einen eigenen integrierten Oszillator mit einstellbarer Kopplung, einer sogenannten Phase-Locked-Loop-Schaltung.
Besonders beim Einsatz bei Hochtemperaturanwendungen unterliegen die Näherungsschalter vor allem hitzebedingten Alterungserscheinungen. Denn die Messspulen der bekannten Näherungsschalter sind üblicherweise von einer Isolierung aus Kunststoff umgeben. Die Auswerteelektronik ist bei solchen Hochtemperaturanwendungen außerhalb des Hochtemperaturbereichs angeordnet und über geschirmte Messleitungen mit dem Näherungsschalter verbunden. Die Alterung erfolgt überwiegend dadurch, dass der Kunststoff der Isolierung aufgrund der hohen Temperaturen langsam verkohlt. Der hierdurch entstehende reine Kohlenstoff ist elektrisch leitend, so dass sich die Güte der Spule zunehmend verringert.
Die bekannten Sensorsysteme erkennen diese Langsame Verringerung der Spulengüte nicht, sondern fassen diese wie eine gewollte Verringerung der Spulengüte durch ein sich annäherndes Metallteil auf. Unterschreitet die Spulengüte aufgrund ihrer Alterung dann den für die Näherungserkennung vorgegebenen Grenzwert für ein sich annäherndes Metallteil, so interpretiert dies die Auswerteeinheit fehlerhaft als Näherung eines Metallteils. Da die Spulengüte auch noch anderen äußeren Einflüssen unterliegt, kann dies zunächst nur zu schwer nachvollziehbaren sporadischen Störungen führen. Auf Dauer unterschreitet die Spulegüte dann den Gütegrenzwert für die Näherungserkennung dauerhaft, so dass die betreffende Produktionsanlage nicht mehr weiter ordnungsgemäß betrieben werden kann.
Eine gängige Anwendung derartiger Sensorsysteme mit induktiven Näherungsschaltern findet sich bei Einbrennöfen von Lackieranlagen der Automobilindustrie. Dort sind die Sensorköpfe mit den induktiven Näherungsschaltern üblicherweise dauernd Temperaturen von 230°C und mehr ausgesetzt. Da derartige Einbrennöfen üblicherweise als Durchlaufanlagen mit dauerhaftem Betrieb für die Massenproduktion ausgebildet sind, führen sowohl sporadische als auch dauerhafte Störungen aufgrund eines sensorbedingten Ausfalls zu erheblichen Produktionsstörungen mit entsprechend hohe Kosten. Derartige Ausfälle sollten dort unbedingt vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Sensorsystem mit induktivem Näherungsschalter bereitzustellen, welches die oben genannten N8eile überwindet und einen zuverlässigen Betrieb einer mit dem Sensorsystem ausgerüsteten Anlage zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist gekennzeichnet durch eine Erkennungseinheit zum Vergleich des Güte-Istwerts mit einem Güte-Sollwert, um eine nicht durch die Annäherung eines Gegenstandes verursachte Verschlechterung der Spulengüte zu erkennen, wobei die Erkennungseinheit zur Ausgabe eines Warnsignals eingerichtet ist, wenn eine Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Warngrenzwert überschreitet. Hierdurch können längere, ungeplante Stillstandszeiten bei Anlagen, in denen das Sensorsystem eingesetzt wird, aufgrund eines defekten Näherungsschalters leicht vermieden und der bevorstehende Ausfall des Näherungsschalters frühzeitig erkannt werden, da die langsame, allmähliche Verschlechterung der Spulengüte erkannt und überwacht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Erkennungseinheit zur dauerhaften Erkennung der Verschlechterung der Spulengüte eingerichtet sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Erkennungseinheit zur Ausgabe eines Alarmwarnsignals eingerichtet ist, wenn eine Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Alarmgrenzwert überschreitet.
Hierdurch kann ein sehr kurz bevorstehender Ausfall des Näherungsschalters sicher signalisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Unterdrückungseinheit vorgesehen sein, die das Warnsignal bzw. das Alarmsignals unterdrückt, wenn eine Überschreitung des Warn- bzw. Alarmgrenzwerts durch eine erwünschte Änderung der Spulengüte ausgelöst wird. Solch eine Änderung wird im „Normalbetrieb” des Näherungsschalters hervorgerufen, also wenn sich ein Metallteil an den Näherungsschalter annähert und dieser die Annäherung ordnungsgemäß detektiert. Dabei kann in einer vorteilhaften Weiterbildung die Unterdrückungseinheit zur Bestimmung der Änderungsgeschwindigkeit des Güte-Istwerts und zum Vergleichen der Änderungsgeschwindigkeit mit einem Geschwindigkeitsgrenzwert eingerichtet sein. Hierdurch kann anhand der üblicherweise schneller erwünschten Änderung der Spulengüte im Normalbetrieb der Normalbetrieb und die korrekte Erkennung einer Annäherung eines Metallteils von der unerwünschten, langsamen und alterungsbedingten Änderung der Spulengüte unterschieden werden.
Bevorzugt weist die Gütebestimmungseinheit eine mit der Spule verbundene Messschaltung zur Aufbereitung der Spulenmesssignale für die Erkennungseinheit auf, beispielsweise einen Oszillator, welcher über eine Auswerteeinheit und einen Regelbaustein rückgekoppelt geregelt betrieben werden kann.
Bevorzugt kann eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben des Warnsignals bzw. Alarmsignals in akustischer und/oder visueller Form und/oder als Datensignal vorgesehen sein, um z. B. das Bedienpersonal einer Anlage auf den bevorstehenden Ausfall des Näherungsschalters hinzuweisen.
Bevorzugt kann die Spule von einer Isolierung aus einem Kunststoff umgeben sein, beispielsweise auch in Hartkunststoff eingegossen sein, was die Spule unempfindlich gegenüber Erschütterungen macht. Fertigungstechnisch vorteilhaft kann die Spule in einem Topfkern gewickelt sein. Vorteilhaft kann die Spule und ggf. die Sie umgebende Isolierung der Topfkern in einem Sensorkopf angeordnet sein.
In einer betrieblich günstigen Ausgestaltung kann benachbart der Spule ein Temperatursensor zur Messung der Spulentemperatur angeordnet sein, so dass temperaturbedingte Spulengüteänderungen bei der Bestimmung der Spulengüte in der Gütebestimmungseinheit berücksichtigt werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung insbesondere bei großen Produktionsanlagen, können eine Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern vorgesehen sein, wobei in einer Ausgestaltung jeder Näherungsschalter einer eigenen Erkennungseinheit zugeordnet sein kann oder in einer anderen Ausgestaltung mehrere Näherungsschalter einer Erkennungseinheit zugeordnet sein können.
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Zeichnung.
In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 gezeigt, wie es beispielsweise in einem Einbrennofen von Lackiereranlagen der Automobilindustrie verwendet wird. Im Innenraum 2 des Einbrennofens, in dem Temperaturen von etwa 230°C herrschen, befindet sich ein Sensorkopf 3 mit einem an sich bekannten induktiven Näherungsschalter 4. Der Näherungsschalter 4 weist eine auf einen Topfkern 5 aufgewickelte Spule 5 auf die über Messleitungen 7 mit einem außerhalb des Innenraums 2 des Einbrennofens angeordneten Oszillators 8 elektrisch leitend verbunden ist.
Der Oszillator 8 weist einen Rückkopplungsbaustein 9, einen Gleichrichter 10, eine Hysterese 11 und einen Verstärker 12 auf, der über einen Schaltausgang 13 mit einem Eingang 14 einer Auswerteeinheit 15 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 15 ist ihrerseits über einen Regelausgang 16 und einen Regelbaustein 17 mit einem Regeleingang 18 des Oszillators 8 verbunden, der das vom Regelbaustein 17 kommende Signal der Rückkopplung 9 zuführt.
Weiter ist im Sensorkopf 3 in unmittelbarer Nähe der Spule 6 einen Temperatursensor 19 vorgesehen, der über eine Temperaturmessleitung 20 mit der Auswerteeinheit 15 verbunden ist.
Von der Auswerteeinheit 15 gehen Leitungen 21 zu einem Ausgangsverstärker 22. Der Ausgangsverstärker 22 weist einerseits einen Schaltausgang 23 zur Weiterleitung eines Näherungssignals an andere Steuervorrichtungen des Einbrennofens oder der Lackieranlage auf. Andererseits weist der Ausgangsverstärker 22 Signalausgänge 24, 25 auf, deren Funktion später beschrieben wird.
Bei dem Regelungsbaustein 17 handelt es sich um einen Digital-Analog-Wandler, der die aus der digitale Werte liefernden Auswerteeinheit 15 kommenden digitalen Signale in analoge Signale für den analog betriebenen Oszillator 8 umwandelt.
Die Auswerteeinheit 15 ist vorliegend als Prozessrechner ausgebildet, kann aber auch digital und/oder analog aufgebaut sein. Die Auswerteeinheit 15 weist einen nichtflüchtigen Datenspeicher auf.
Die Auswerteeinheit 15 weist eine Oszillatorbetriebseinheit auf, welche den Oszillator 8 betreibt, insbesondere den durch Oszillator 8, Auswerteeinheit 15 und Regelbaustein 17 gebildeten Phasenregelkreis abstimmt. Vorliegend bildet die Auswerteeinheit 15 zusammen mit dem Oszillator 8 eine Gütebestimmungseinheit, mittels der über die Spulenmesssignale der Spule 6 deren Spulengüte in Form eines Güte-Istwerts der Spule 6 bestimmt wird. Bei dieser Bestimmung kann auch die Temperatur des Näherungsschalters aus den vom Temperatursensor 19 gelieferten Temperatursignalen in an sich bekannter Weise berücksichtigt werden. Anstelle den Oszillator 8 zur Auswertung der Messsignale von der Spule zu verwenden, können auch andere geeignete, an sich bekannte Messschaltungen zur Bestimmung des Güte-Istwerts verwendet werden. Im einfachsten Fall kann die Gütebestimmungseinheit die Messsignale direkt zur Bestimmung des Güte-Istwerts verwenden.
Weitere weist die Auswerteeinheit 15 eine Näherungserkennungseinheit für die normale Näherungserkennung (Normalbetrieb) aufgrund eines sich annähernden Metallteils auf. Diese stellt bei der Annäherung eines Metallteils an den Näherungsschalter 4 ein Unterschreiten eines vorgegebenen Näherungsgütewerts fest und gibt daraufhin über den Verstärker 22 ein Näherungssignal am Schaltausgang 23 aus.
Die oben beschriebene Ausbildung und Funktionen des Sensorsystems sind an sich bekannt und bedürfen deshalb keiner werteren Erläuterungen.
Zur erfindungsgemäßen Erkennung der alterungsbedingten Verschlechterung der Güte der Spule 6 weist die Auswerteeinheit 15 weiter eine Erkennungseinheit auf Darin wird der von der Gütebestimmungseinheit bestimmte Güte-Istwert der Spule 6 mit einem in der Auswerteeinheit gespeicherten Güte-Sollwert verglichen. Überschreitet die Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Warngrenzwert, so wird ein Warnsignal an einem oder beiden Signalausgängen 24, 25 des Ausgangsverstärkers 22 ausgegeben. Der Warngrenzwert kann in der Auswerteeinheit 15 gespeichert sein oder auch von einer übergelagerten Anlangensteuerung bereitgestellt werden.
Um die unerwünschte, altersbedingte, langsame, dauerhafte, geringfügige Verschlechterung der Spulengüte von der erwünschten, schnellen, temporären relativ starken Verschlechterung der Spulengüte durch die Annäherung eines Metallteils unterscheiden zu können, wird der zeitliche Verlauf der Verschlechterung der Spulengüte berücksichtigt. Hierzu ist in der Auswerteinheit 15 eine Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit vorgesehen, die bei einer Verschlechterung der Spulengüte in an sich bekannter Weise die Änderungsgeschwindigkeit der Spulengüte bestimmt und mit einem Geschwindigkeitsgrenzwert vergleicht.
Übersteigt die Änderungsgeschwindigkeit den Geschwindigkeitsgrenzwert, so handelt es sich um eine erwünschte Verschlechterung der Spulengüte aufgrund der Annäherung eines Metallteils an den Näherungsschalter. In diesem Fall unterdrückt die Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit die Ausgabe des Warnsignals, da bei der erwünschten starken Verschlechterung der Spülengüte stets auch der kleinere Warngrenzwert für die unerwünschte Verschlechterung überschritten wird.
Übersteigt die Änderungsgeschwindigkeit den Geschwindigkeitsgrenzwert nicht, so handelt es sich um eine unerwünschte Verschlechterung der Spulengüte. In diesem Fall wird die Ausgabe des Warnsignals nicht durch die Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit unterdrückt.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die erstmalige Erkennung einer unerwünschten Verschlechterung ein dauerhaftes Warnsignal an den Ausgängen 24 und 25 ausgibt, während nach wie vor ankommende Näherungssignale von erwünschten Verschlechterungen weiterhin ausgegeben werden. Somit kann der Einbrennofen noch weiter ordnungsgemäß betrieben werden.
Bevorzugt wird der Warngrenzwert so eingestellt, dass der normale Betrieb des Sensorsystems 4 und somit des Einbrennofens noch über eine längere Zeit sichergestellt ist, beispielsweise über mehrere Wochen. Das Warnsignal zeigt dann an, dass in mehreren Wochen mit einem Ausfall des Näherungsschalters 4 zu rechnen ist und dieser ausgetauscht werden muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zusätzlich zu dem Warngrenzwert auch ein Alarmgrenzwert festgelegt werden, der bei einer stärkeren Abweichung des Güte-Sollwerts vom Güte-Istwert bei einer unerwünschten Verschlechterung der Spulengüte ein Alarmsignal ausgibt. Diese signalisiert, dass ein Ausfall des Näherungsschalters 4 unmittelbar bevorsteht, beispielsweise innerhalb der nächsten Stunden, und deshalb einen Austausch des Näherungsschalters 4 bzw. des Sensorkopfes baldmöglichst durchzuführen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können eine Vielzahl von Sensorköpfen 3 und Oszillatoren 8 vorgesehen werden, welche von einer gemeinsamen Auswerteeinheit 13 betrieben werden. Hierbei kann in der Auswerteeinheit 15 entweder eine Erkennungseinheit und eine Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit für jeden Sensorkopf 3 oder eine Erkennungseinheit und eine Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit für mehrere oder sogar alle Sensorköpfe 3 vorgesehen werden. Da im unerwünschten altersbedingten Fall die Verschlechterung der Spulengüte dauerhaft ist, aber langsam von statten geht, reicht eine gemeinsame Erkennungseinheit und Änderungsgeschwindigkeitserkennungseinheit, die die einzelnen Näherungsschalter 4 nacheinander abprüft, in der Regel für eine frühzeitig Erkennung der unerwünschten Verschlechterung der Spulengüte aus.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 können so mit längere, ungeplante Stillstandszeiten des Einbrennofens bzw. derartiger Anlagen aufgrund eines defekten Näherungsschalters 4 leicht vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0399242 A2 [0002]
DE 3248169 A1 [0002]
DE 8402843 U1 [0002]
DE 19538575 C2 [0002]

Claims

Sensorsystem (1) mit mindestens einem induktivem Näherungsschalter (4) mit einer Spule (6) und einer Gütebestimmungseinheit zur Bestimmung der Spulengüte der Spule (6) in Form eines Güte-Istwerts aus Spulenmesssignalen der Spule (6), um die Annäherung eines Gegenstandes zu erkennen, gekennzeichnet durch eine Erkennungseinheit zum Vergleich des Güte-Istwerts mit einem Güte-Sollwert, um eine nicht durch die Annäherung eines Gegenstandes verursachte Verschlechterung der Spulengüte zu erkennen, wobei die Erkennungseinheit zur Ausgabe eines Warnsignals eingerichtet ist, wenn eine Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Warngrenzwert überschreitet.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit zur dauerhaften Erkennung der Verschlechterung der Spulengüte eingerichtet ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit zur Ausgabe eines Alarmsignals eingerichtet ist, wenn eine Abweichung zwischen Güte-Istwert und Güte-Sollwert einen vorgegebenen Alarmgrenzwert überschreitet.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Unterdrückungseinheit zur Unterdrückung des Warnsignals bzw. des Alarmsignals aufweist, wenn eine Überschreitung des Warn- bzw. Alarmgrenzwert durch eine erwünschte Änderung der Spulengüte ausgelöst wird.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdrückungseinheit zur Bestimmung der Änderungsgeschwindigkeit des Güte-Istwerts und zum Vergleichen der Änderungsgeschwindigkeit mit einem Geschwindigkeitsgrenzwert eingerichtet ist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gütebestimmungseinheit eine mit der Spule (6) verbundene Messschaltung (8) zur Aufbereitung der Spulenmesssignale für die Erkennungseinheit aufweist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ausgabeeinheit (24, 25) zum Ausgeben des Warnsignals bzw. Alarmsignals in akustischer und/oder visueller Form und/oder als Datensignal aufweist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) von einer Isolierung aus einem Kunststoff umgeben ist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) in einem Topfkern gewickelt ist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der Spule (6) ein Temperatursensor (19) zur Messung der Spulentemperatur angeordnet ist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) in einem Sensorkopf angeordnet ist.
Sensorsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern (4) vorgesehen sind.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Näherungsschalter (4) einer eigenen Erkennungseinheit zugeordnet ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Näherungsschalter (4) einer Erkennungseinheit zugeordnet sind.