DE3611862A1 - Induktiver naeherungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Näherungs­ sensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein solcher Näherungssensor ist aus der DE-OS 33 18 900 bekannt. Es handelt sich dabei um einen Näherungssensor mit geringem Strombedarf, welcher einen elektrischen LC-Schwingkreis aufweist, dessen Spule durch die Annäherung eines elektrisch leitfähigen Gegen­ standes beeinflußbar ist. Der Schwingkreis wird durch einen Gleichstromimpuls zur Schwingung angeregt und aus dem Abklingvorgang der so erzeugten gedämpften Schwingung wird auf den Grad der Näherung geschlossen.

Dieser Näherungssensor hat deshalb einen verhältnismässig niedrigen Stromverbrauch, weil sein Schwingkreis nicht permanent durch einen Oszillator zum Schwingen angeregt wird , sondern lediglich durch kurze, in periodischen Ab­ ständen auftretende Gleichstromimpulse, deren zeitlicher Abstand so groß bemessen sein muss, dass auch beim lang­ samsten Abklingen der angeregten Schwingung (wenn nämlich das Dämpfungsglied den geringsten Einfluß auf die Spule des Schwingkreises ausübt) die Schwingung bereits abge­ klungen ist, wenn der nächste Gleichstromimpuls auftritt. Die Dauer des Gleichstromimpulses soll groß genug sein, um eine ausreichende Aufladung des Kondensators des LC- Schwingkreises zu ermöglichen, sie soll andererseits klein sein gegenüber der Periodendauer der Schwingkreisfrequenz, damit beim Aufladen des Kondensators des Schwingkreises kein störender Strom über die Spule des Schwingkreises zu fließen beginnt.

Aus der mittels des Gleichstromimpulses im Kondensator des Schwingkreises gespeicherten Energie beginnt der Schwing­ kreis zu schwingen. Die Schwingung verläuft gedämpft. Die Abklingdauer ist abhängig von den Verlusten des Schwing­ kreises, insbesondere von den Verlusten der Spule des Schwingkreises, Wird die Spule durch das Dämpfungsglied von aussen her bedämpft, wird die Abklingdauer verkürzt.

Gemäß der DE-OS 33 18 900 kann die Auswertung des Ab­ klingvorganges der gedämpften Schwingung durch eine Aus­ werteschaltung in verschiedener Weise erfolgen. So kann z.B. die Spannung am Schwingkreis galvanisch oder induktiv ausgekoppelt und gleichgerichtet werden. Der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung über die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden, den Schwingkreis anregenden Gleichstromimpulsen ist ein Maß für die Abklingdauer und damit für die jeweilige Annäherung. Eine andere in der DE- OS 33 18 900 genannte Auswertemöglichkeit besteht darin, jeweils zu bestimmten Zeitpunkten zwischen zwei aufeinander­ folgenden, den Schwingkreis anregenden Gleichstromimpulsen zu prüfen, ob die Schwingung noch andauert oder ob sie schon abgeklungen ist.

Nach den Ausführungen in der DE-OS 33 18 900 ist der Strom­ verbrauch des Näherungssensors so niedrig , dass bei Speisung aus kleinen galvanischen Elementen (Knopf­ zellen) Betriebsdauern von mehr als einem Jahr ohne Batteriewechsel erzielt werden. Für gewisse Anwendungen sind jedoch Betriebsdauern von mehr als 5 Jahren ohne Batteriewechsel erwünscht: So besteht beispielsweise bei Wasserzählern und bei Wärmezählern die Forderung nach einem wartungsfreien Betrieb über 5 Jahre hinweg. Mit Knopfzellen als Batterien ist diese Forderung bislang nicht erfüllbar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Näherungssensor der eingangs genannten Art den Stromverbrauch auf möglichst einfache Weise noch weiter abzusenken.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Näherungssensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Durch die Verwendung eines Transformators anstelle einer einzelnen Spule erreicht man eine Spannungsverstärkung der abklingenden Schwingung, die vom Übersetzungsver­ hältnis des Transformators abhängt. Die hiermit ver­ knüpfte Steigerung der Empfindlichkeit des Näherungs­ sensors erlaubt es umgekehrt, die primärseitig in den Schwingkreis eingespeiste Energie zu verringern, was beim Batteriebetrieb zu einer längeren Lebensdauer führt. Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung des Näherungssensors kann man dadurch erreichen, dass man für den Transformator einen Schalenkern verwendet; das ist ein insbesondere aus einem Ferritwerkstoff bestehender topfförmiger Kern mit einem koaxial darin angeordneten Zapfen, welcher die bei­ den Transformatorwicklungen trägt. Ein solcher Schalenkern hat eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit in seiner Empfindlichkeit gegen Bedämpfen von aussen: Die Dämpfungs­ wirkung ist dann besonders stark, wenn das elektrisch leitende Dämpfungsglied an das offene Ende des Schalen­ kernes herangeführt wird. Die Dämpfung hat ihre Ursache in Wirbelströmen, welche im elektrisch leitfähigen Dämpfungs­ glied bei dessen Annäherung an den Transformator induziert werden. Gegen magnetische Beeinflussung hingegen ist der erfindungsgemäße Näherungssensor recht unempfindlich: Durch Annähern eines Ferrites an die Wicklungen ändert sich das Antwortsignal des Sensors praktisch nicht. Diese Un­ empfindlichkeit gegen magnetische Beeinflussung ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Näherungssensors.

Die durch den Transformator bewirkte Spannungsverstärkung des Antwortsignals des Näherungssensors bedingt wegen der nur induktiven Kopplung zwischen den beiden Transformator­ wicklungen keinen ins Gewicht fallenden Strommehrverbrauch, dieser wird vielmehr durch die erreichte Empfindlichkeits­ steigerung reichlich überkompensiert.

Die Anregung des Schwingkreises kann durch in gleichen zeitlichen Abständen auftretende kurze elektrische Impulse erfolgen, wobei der zeitliche Abstand der Impulse an den jeweiligen Verwendungszweck des Näherungs­ sensors angepaßt werden kann, wobei darauf Rücksicht zu nehmen ist, dass der zeitliche Abstand der den Schwing­ kreis anregenden Impulse wenigstens so groß sein soll, dass die angeregten gedämpften Schwingungen in dieser Zeitspanne jedenfalls abgeklungen sind. Eine Anpassung an unterschiedliche Auswerteschaltungen, die unterschied­ liche Eingangsamplituden erfordern mögen, kann durch An­ passung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators geschehen.

Die elektrischen Impulse, die den Schwingkreis anregen, müssen jedoch nicht in periodischen Abständen auftreten; ihr Auftreten kann auch fremdgesteuert werden, beispiels­ weise in Abhängigkeit von Bewegungsabläufen in Maschinen oder Geräten, in Zusammenhang mit denen ein solcher Näherungssensor eingesetzt wird. Insbesondere in solchen Anwendungen kann es von Vorteil sein, die Impulse für die Erregung des Schwingkreises mittels eines Wiegand-Impuls­ generators zu erzeugen. Ein solcher Wiegand-Impulsgenerator ist beispielsweise in der DE-OS 21 57 286 offenbart. Er hat den Vorteil, dass er keine elektrische Stromquelle zum Erzeugen der elektrischen Impulse benötigt, so dass der Stromverbrauch des Sensors weiter gesenkt werden kann (es wird dann nur noch eine Stromversorgung für die Auswerteschaltung benötigt.)

Die Art und besondere Empfindlichkeit des erfindungs­ gemäßen Näherungssensors bringen es mit sich, dass trotz des extrem niedrigen Stromverbrauches in der abklingenden Schwingung des Schwingkreises noch zahl­ reiche Perioden beobachtet werden können. Das ermöglicht in Weiterbildung der Erfindung eine besonders elegante Art und Weise der Auswertung des Abklingverhaltens mittels einer Zählschaltung , die die Anzahl der Perioden zählt, in denen die abklingende Schwingung in der Sekundär­ wicklung L ₂ Amplituden oberhalb einer vorgegebenen Schwelle hat. Diese Schwelle wird so gelegt, dass eventuell auf­ tretende Störimpulse zum Zählergebnis nicht beitragen. Das Zählergebnis ist unmittelbar ein Maß für die Abkling­ dauer der gedämpften Schwingung. Der Vorteil einer solchen Auswertung liegt darin, dass sie mit einfachen, preis­ werten, schnellen, digitalen, elektronischen Schaltungen vorgenommen werden kann, die nur einen minimalen Strom­ verbrauch haben. Die Auswertung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass man eine nach den Umständen des Anwendungsfalls deutliche Dämpfung als Signal für die Annäherung des Dämpfungsgliedes wertet und registriert, beispielsweise das Auftreten von höchstens 5 Perioden der abklingenden Schwingung oberhalb der vorgebbaren Schwelle anstelle von 10 Perioden im ungedämpften Fall.

Es ist aber sogar möglich, aus der jeweils gezählten Anzahl von Perioden der abklingenden Schwingung eine quantitative Aussage über den Grad der Annäherung des Dämpfungsgliedes abzuleiten, so dass der Näherungs­ sensor nicht nur als Schwellwertdetektor, sondern auch als Wegmeßsensor einsetzbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn als Transformatorkern ein Schalenkern ver­ wendet wird, der dem Sensor eine ausgeprägte Empfindlich­ keit in Richtung der Längsachse des Schalenkerns gibt. Die besondere Eignung als Wegmeßsensor hängt auch un­ mittelbar damit zusammen, dass durch den Einsatz eines Transformators anstelle einer einzigen Wicklung im Schwingkreis die Empfindlichkeit des Sensors erhöht und die Anzahl der Perioden der abklingenden Schwingung in der Sekundärwicklung des Transformators erhöht ist. (Die Sekundärwicklung verhält sich wie ein Energie­ speicher; infolge geringerer Dämpfung kommt es in der abklingenden Schwingung zu einer größeren Anzahl von Perioden).

Anstatt die Anzahl der Perioden bis zum Absinken der Amplitude der abklingenden Schwingung bis auf einen vorgegebenen Schwellenwert zu bestimmen, könnte man auch umgekehrt den Spannungsabfall ermitteln, den die Amplitude der abklingenden Schwingung während einer vorgegebenen Anzahl von Perioden erleidet; eine derartige Auswertung ist jedoch aufwendiger.

Erfindungsgemäße Näherungssensoren eignen sich auch be­ sonders zur Verwendung in einem Drehzahlgeber, in welchem ein mit der zu bestimmenden Drehzahl rotierendes Dämpfungs­ glied sich infolge seiner Drehung dem Kern des Trans­ formators annähert und sich von ihm entfernt. Ein jedes Annähern kann durch den Näherungssensor ermittelt, ge­ meldet und anschließend registriert werden. Eine be­ sondere Anwendung eines solchen erfindungsgemäß ausge­ statteten Drehzahlgebers findet sich in Wasserzählern und Wärmemengenzählern und anderen Mengenzählern, die wie diese den Durchfluß eines strömenden Mediums beispiels­ weise mittels eines Flügelrades messen und in eine Dreh­ bewegung umsetzen. Wegen des extrem niedrigen Stromver­ brauchs eines erfindungsgemäßen Näherungssensors können Wasserzähler und dergleichen Mengenzähler mit einer Knopf­ zelle über einen Zeitraum von 5 Jahren und mehr ohne Batteriewechsel betrieben werden.

Durch geeignete Ausbildung des Dämpfungsgliedes kann man bei einem solchen Drehzahlgeber auch zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf unterscheiden, wenn man das Dämpfungs­ glied in bezug auf Drehrichtungsumkehr unsymmetrisch ge­ staltet. Man könnte das Dämpfungsglied beispielsweise dreieckig ausbilden und derart führen, dass es bei Bewegung in der einen Drehrichtung sich mit einer seiner Ecken der empfindlichen Seite des Näherungssensors nähert, während es sich bei entgegengesetzter Drehrichtung mit einer seiner Seiten der empfindlichen Seite des Näherungs­ sensors nähert. Im ersten Falle wird die Dämpfung lang­ samer einsetzen als im zweiten Falle, so dass im ersten Falle mehr Perioden in der abklingenden Schwingung ge­ zählt werden können als im zweiten Falle, woraus der Drehsinn erkennbar ist. Alternativ könnte man das Dämpfungs­ glied zweiteilig ausbilden und einen ersten, schwach dämpfenden Bereich und einen zweiten, stark dämpfenden Be­ reich vorsehen und beide Bereiche durch einen Luftspalt trennen. Man beobachtet dann bei Drehung des Dämpfungs­ gliedes in der einen Richtung zuerst eine schwach ge­ dämpfte und dann eine stark gedämpfte Schwingung, bei Drehung in der umgekehrten Richtung zunächst eine stark gedämpfte und dann eine schwach gedämpfte Schwingung, woraus der Drehsinn ebenfalls erkennbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors ist in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Sensor,

Fig. 2 zeigt eine Ansicht auf den geöffneten Sensor von der Rückseite her,

Fig. 3 zeigt die Anordnung eines solchen Sensors in einem Wasserzähler, und

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild für einen solchen Sensor.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Sensor befindet sich in einem zylindrischen Gehäuse 1 am einen Ende ein Transformator mit einem Schalenkern 2, der auf seinem zentralen Zapfen 3 übereinander zwei Wicklungen L ₁ und L ₂ trägt, von denen die Sekundärwicklung L ₂ eine größere Wicklungszahl hat als die Primärwicklung L ₁. Der Schalenkern 2 ist so angeordnet, dass sein offenes Ende in dieselbe Richtung weist wie das Gehäuse 1 des Sensors mit seinem vorderen Ende. Durch eine Kunstharz-Verguß­ masse 4 ist der Schalenkern 2 im Gehäuse 1 fixiert und nach aussen hin geschützt. Im mittleren Teil des Gehäuses 1 ist eine Leiterplatte 5 angeordnet, welche den Anregungs­ schaltkreis für den Oszillator trägt. Vom Anregungsschalt­ kreis sind in der Fig. 1 und in der Draufsicht gemäß Fig. 2 folgende Schaltungselemente zu erkennen: Ein Quarz­ oszillator 6 mit seinen beiden Anschlußpunkten 7 und 8; ein integrierter Schaltkreis 9, welcher aus dem Signal des Quarzoszillators durch Frequenzteilung und Signalver­ stärkung ein Impulssignal mit geeigneter Frequenz und Stromstärke bildet; die Anschlußpunkte 10 und 11 für eine Gleichspannungsquelle; die Anschlußpunkte 12 und 13 für die Primärwicklung L ₁ sowie die Anschlußpunkte 14 und 11 für die Sekundärwicklung L _2. Am Anschlußpunkt 14 steht das Antwortsignal des Näherungssensors in Form einer ge­ dämpften Schwingung an, welches einer Auswerteschaltung zugeführt wird, welche auf einer zweiten, nicht dar­ gestellten Leiterplatte im Gehäuse 1 untergebracht sein kann, sich aber auch ausserhalb des Gehäuses befinden kann. Im letztgenannten Falle führt vom An­ schlußpunkt 14 eine Leitung 15 zur Rückseite des Ge­ häuses 1 hinaus. Oberhalb der Leiterplatte 5 ist ferner Platz für eine Knopfzelle 16 für die Stromver­ sorgung des Sensors. Die Knopfzelle 16 ist in Fig. 1 nur gestrichelt angedeutet.

Fig. 1 zeigt ferner die Verbindungsleitungen 17 zwischen dem Transformator und der Leiterplatte 5.

Der Näherungssensor ist auf seinem vorderen Abschnitt mit einem Aussengewinde 18 versehen, mit dessen Hilfe er bis zum Anschlag an einer Bundfläche 19 in eine passende Bohrung eines Gerätes eingeschraubt werden kann, beispielsweise in das Gehäuse eines Wasserzählers, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Wasserzähler hat ein Ge­ häuse 20 mit Zulaufstutzen 21 und Ablaufstutzen 22. In einer zwischen diesen beiden Stutzen liegenden Meßkammer ist ein Flügelrad 23 frei drehbar gelagert, welches durch die Wasserströmung angetrieben wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ansicht befindet sich das Flügelrad unter einer Gehäusezwischenwand 24 und ist deshalb nur gestrichelt eingezeichnet. Im Raum oberhalb der Gehäusetrennwand 24 ist ein Dämpfungs­ glied 25 um eine Achse 26 frei drehbar gelagert, welche koaxial zur Achse des Flügelrades 23 verläuft. Das Dämpfungsglied 25 rotiert synchron mit dem Flügelrad 23 und ist mit diesem beispielsweise mittels einer berührungslos wirkenden Magnetkupplung gekoppelt.

In die Gehäusetrennwand 24 ist ferner ein erfindungs­ gemäßer Näherungssensor 27 eingebaut, und zwar in der Weise, dass seine Längsachse, welche mit der Wicklungs­ achse zusammenfällt, parallel zur Drehachse 26 des Dämpfungsgliedes 25 verläuft. Der Näherungssensor 27 ist so angeordnet, dass das Dämpfungsglied 25 während jeder Umdrehung einmal über die Vorderseite des Näherungs­ sensors hinwegbewegt wird und diesen dabei bedämpft. Jeder Vorbeilauf des Dämpfungsgliedes 25 wird anhand der hervorgerufenen Dämpfung der abklingenden Schwingung im Näherungssensor erkannt und kann registriert werden. Um erkennen zu können, ob das Dämpfungsglied rechtsherum oder linksherum läuft, ist es als rotierende dreieckige Platte ausgebildet, die bei Drehrichtung rechtsherum mit einer Spitze voraus dem Näherungssensor 27 ange­ nähert wird, während sie bei Drehung linksherum mit einer radial verlaufenden Seite des Dreiecks dem Näherungs­ sensor 27 angenähert wird. Im ersten Falle setzt die Dämpfung des Sensors langsamer ein als im zweiten Falle, so dass im zweiten Falle die gedämpfte Schwingung rascher abklingt als im ersten Falle, wodurch die Drehrichtung erkannt und die jeweilige Umdrehung entsprechend positiv oder negativ gezählt werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild für einen Näherungs­ sensor, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist und in einem Wasserzähler gemäß Fig. 3 verwendet werden kann. Der Sensor wird aus einer Gleichstromquelle, ins­ besondere aus einer Batterie mit der Batteriespannung U _B betrieben. Die Anregungsschaltung für die Primärwick­ lung L ₁ des Transformators umfaßt einen Quarzoszillator 30 (in den Fig. 1 und 2 gegenständlich dargestellt und mit der Bezugszahl 6 bezeichnet), dessen Ausgangssignal einer Teilerschaltung 31 zugeführt wird, die daraus eine Impuls­ folge mit niedrigerer Impulsfrequenz bildet, welche auf den jeweiligen Verwendungszweck des Sensors abgestimmt ist.

Die aus der Frequenzteilerschaltung 31 kommenden Gleich­ spannungsimpulse werden nach Verstärkung in einer Ver­ stärkerschaltung 32 einem aus einem Kondensator C und der Wicklung L ₁ bestehenden LC-Serienschwingkreis zuge­ führt, welcher durch jeden der Impulse zu einer gedämpften Schwingung angeregt wird. Die gedämpfte Schwingung wird induktiv übertragen in die Sekundärwicklung L ₂ des Trans­ formators, dessen Primärwicklung L ₁ ist. Das Abklingver­ halten der in der Sekundärwicklung L ₂ auftretenden ge­ dämpften Schwingung wird durch eine Auswerteschaltung beobachtet, welche aus einer Diskriminatorschaltung 33 und aus einer Zählerschaltung 34 besteht. Die Diskriminator­ schaltung 33 gibt für jede Schwingungsamplitude der ge­ dämpften Schwingung in der Wicklung L ₂, welche einen vor­ gegebenen Schwellwert übersteigt, einen elektrischen Norm­ impuls an eine Zählerschaltung 34 ab, welche die während jeder gedämpften Schwingung auftretenden Impulse zählt und ihre Anzahl vergleicht mit der bei ungedämpftem Sensor auftretenden Impulszahl und aus diesem Vergleich auf die vorhandene oder nicht vorhandene Dämpfung schließt. Die von der Zählerschaltung 34 ermittelten Dämpfungsereignisse können in an sich bekannter Weise einem Anzeige- oder Registrierungsgerät 35, beispielsweise einem Rollenzähl­ werk oder einer Flüssigkristallanzeige zugeführt werden.

In einem ausgeführten Beispiel des Sensors für den Einsatz in einem Wasserzähler wurde ein Quarzoszillator 30 mit einer Frequenz von 32 kHz mit niedrigem Stromverbrauch ausgewählt; durch die Teilerschaltung 31 wurde aus dem Ausgangssignal des Schwingquarzes 30 eine Impulsfolge mit einer Frequenz von 256 Hz gebildet. Nach der Ver­ stärkung durch die Verstärkerschaltung 32 hatten diese Impulse eine Höhe von 1 Volt bei einer Strömstärke von knapp 1 µA. Für den Kondensator C wurde eine Kapazität von 400 pF gewählt. Die Primärwicklung L ₁ wurde mit 140 Windungen, die Sekundärwicklung L ₂ mit 800 Windungen aus­ geführt.

Claims (7)

1. Induktiver Näherungssensor mit einem durch elektrische Impulse angeregten, durch Annähern eines elektrisch leitenden Gegenstandes (Dämpfungs­ glied) bedämpfbaren LC-Schwingkreis, und mit einer Auswerteschaltung zur Ermittlung der durch das Dämpfungs­ glied hervorgerufenen Schwingungsdämpfung, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Induktivität des LC-Schwingkreises durch die Primärwicklung L ₁ eines Transformators ge­ bildet ist, dessen Sekundärwicklung L ₂ eine höhere Windungszahl als die Primärwicklung L ₁ hat, und dass die Auswerteschaltung (33/34) im Kreis der Sekundärwicklung L ₂ liegt.

2. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern ein Schalenkern (2) ist.

3. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Impulse für den LC-Schwingkreis ein Wiegand-Impulsgenerator vorge­ sehen ist.

4. Induktiver Näherungssensor nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (33, 34) eine Zählschaltung ist, die die Anzahl der Perioden zählt, in denen die abklingende Schwingung in der Sekundärwicklung L ₂ Amplituden zwi­ schen vorgegebenen Werten hat.

5. Verwendung eines Näherungssensors mit den Merkmalen nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Dreh­ zahlgeber, in welchem ein mit der zu bestimmenden Dreh­ zahl rotierendes Dämpfungsglied (25) sich infolge seiner Drehung dem Kern (2) des Transformators annähert und sich von ihm entfernt.

6. Drehzahlgeber nach Anspruch 5 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (26) des Dämpfungs­ gliedes (25) und die Achse des Schalenkerns (2) (welche mit der Wicklungsachse übereinstimmt) parallel zueinander sind.

7. Drehzahlgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (25) in bezug auf seine Drehrichtungsumkehr unsymmetrisch gestaltet ist.