DE4032001C2

DE4032001C2 -

Info

Publication number: DE4032001C2
Application number: DE19904032001
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Phys. Dr. 8990 Lindau De Woelfle
Original assignee: Ifm Electronic 4300 Essen De GmbH
Current assignee: Ifm Electronic 4300 Essen De GmbH
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1993-05-19
Also published as: DE4032001A1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei zu dem Anwesenheitsindikator eine Indikatorimpedanz mit einer Indikatorspule, eine gegensinnig in Reihe zu der Indikatorspule geschaltete Kompensationsspule und ein der Indikatorspule und der Kompensationsspule zugeordneter schalenförmiger Ferritkern gehören und die Indikatorspule an der offenen Seite des schalenförmigen Ferritkerns und die Kompensationsspule unterhalb der Indikatorspule angeordnet ist (vgl. die DE-PS 37 35 694 und 32 44 449, im übrigen auch die DE-OS 35 13 403, die sich für einen entsprechenden Oszillator zeigt).

Wesentlicher Bestandteil eines induktiven Näherungsschalters ist in der Regel ein von außen beeinflußbarer Oszillator. Dabei gilt für den Oszillator, solange ein Metallteil einen vorgegebenen Abstand noch nicht erreicht hat, K × V = 1 mit K = Rückkopplungsfaktor und V = Verstärkungsfaktor des Oszillators; d. h. der Oszillator schwingt. Erreicht das entsprechende Metallteil den vorgegebenen Abstand, so führt die zunehmende Bedämpfung des Oszillators zu einer Verringerung des Verstärkungsfaktors V, so daß K × V < 1 wird; d. h. der Oszillator hört auf zu schwingen. Abhängig von den unterschiedlichen Zuständen des Oszillators wird ein zu dem induktiven Näherungsschalter gehörender Schalter, z. B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac, gesteuert. Zum Stand der Technik wird im übrigen auf die DE-OSen 37 22 334 und 37 22 335 und auf die in diesen vorveröffentlichten Druckschriften aufgeführten deutschen Offenlegungsschriften, Auslegeschriften und Patentschriften verwiesen.

Treten in der Nähe eines induktiven Näherungsschalters starke magnetische Felder auf, so treiben diese magnetischen Felder den Ferritkern in die Sättigung, was die Induktivität der Indikatorimpedanz gravierend verändern und damit den Resonanzwiderstand als detektierte Größe erheblich verfälschen kann. Solche magnetischen Felder, im folgenden Fremdfelder genannt, entstehen z. B. beim Elektroschweißen nahe den stromführenden Teilen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den induktiven Nährungsschal ter, von dem die Erfindung ausgeht, möglichst fremdfeldunabhängig zu machen.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorspule allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferritkern hat, die Kompensationsspule als Flachspule ausgeführt und auf dem Boden des schalenförmigen Ferritkerns angeordnet ist und die Geometrie der Kompensationsspule so gewählt ist, daß sich die Induktivität der Kompensationsspule zu einem Viertel aus dem Luftanteil und zu drei Vierteln aus dem Ferritanteil zusammensetzt. Dadurch läßt sich erreichen, daß die Indikatorimpedanz eine luftspulenähnliche Induktivität mit luftspulenähnlichem Verhalten hat, so daß sich Fremdfelder praktisch nicht auswirken.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentanspruch und auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 das Ersatzschaltbild des Schwingkreises eines zu einem indukti ven Näherungsschalter gehörenden Oszillators,

Fig. 2 den mechanischen und elektrischen Aufbau einer Indikatorimpe danz eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters und

Fig. 3 das zu der Indikatorimpedanz nach Fig. 2 gehörende Schaltbild.

Gegenstand der Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren induktiven Anwesenheitsindikator, z. B. einem Oszillator, einem dem Anwesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac. Das ist in den Figuren nicht dargestellt. Vielmehr wird insoweit auf die DE-PS 37 35 694 sowie die DE-OSen 37 22 334 und 37 22 335 und auf die in diesen vorveröffentlichten Druckschriften aufgeführten deutschen Offen legungsschriften, Auslegeschriften und Patentschriften verwiesen.

Zu dem im übrigen nicht dargestellten Anwesenheitsindikator des im übrigen nicht dargestellten induktiven Näherungsschalters gehört eine Indikatorim pedanz 1 mit einer Indikatorspule 2 und einem der Indikatorspule 2 zugeord neten Ferritkern 3.

Bei der Herleitung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ausge führt worden, daß starke magnetische Felder den Ferritkern 3 der Indikator impedanz 1 in die Sättigung treiben können und daß dadurch die Induktivi tät der Indikatorimpedanz 1 gravierend verändert und damit der Resonanzwi derstand als detektierte Größe verfälscht werden kann. Das ergibt sich aus dem in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild des Schwingkreises eines als Oszillator ausgeführten Anwesenheitsindikators eines induktiven Näherungs schalters. Mit

L = Induktivität der Indikatorimpedanz 1,
R_s = Widerstand der Indikatorimpedanz 1,
C = Kapazität des Schwingkreiskondensators 4,
S = Schaltabstand,
ω = Kreisfrequenz,
B = Induktionsflußdichte,
R_p = Widerstand des Parallelersatzwiderstandes bei Resonanz,

gelten zunächst mit guter Näherung folgende Gleichungen:

R_p = L/C · 1/R_s (1)

Die Beeinflussung des Widerstandes R_p des Parallelersatzwiderstandes wird durch das totale Differential beschrieben:

dR_p = dR_p(S) + dR_p(L) + dR_p(ω) (3)

Die Summanden setzen sich aus den indikatorspezifischen Daten und den schwingkreisspezifischen restlichen Differentialquotienten zusammen:

wobei

steht. Die restlichen Quotienten lassen sich mit Hilfe der abgeleiteten Glei chungen (1) und (2) explizit ausdrücken, so daß man mit den Gleichungen (3) bis (6) erhält:

Der rechte Summand in der Gleichung (7) definiert die magnetische Empfind lichkeit der Indikatorimpedanz 1 in dem in Fig. 1 dargestellten Parallel schwingkreis.

Induktive Näherungsschalter, die den Resonanzwiderstand, also den Parallel ersatzwiderstand des Schwingkreises bei Resonanz, auswerten, können nicht zwischen metallischer Bedämpfung, linker Term in der Gleichung (7), und ihrer Störung unterscheiden, die im Takt von Schwankungen des magneti schen Feldes auftritt. Die Lösung dieses Problems besteht daher erfindungs gemäß in der Unterdrückung der magnetischen Beeinflussung, nämlich dadurch, daß die magnetische Bedämpfung mit der zur Indikatorspule 2 gegensinnig be stromten Kompensationsspule 5 im Wickelraum des Ferritkerns 3 kompensiert wird. Die Fig. 2 zeigt, daß der Ferritkern 3 schalenförmig ausgeführt ist sowie die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 5 innerhalb des scha lenförmig ausgeführten Ferritkerns 3 angeordnet sind.

Bei der beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Realisierung der Indika torimpedanz 1 bilden sich zwei gegensinnig verlaufende magnetische Flüsse aus, nämlich der Indikationsfluß Φ_I und der Kompensationsfluß Φ_K. Der in der Indikatorimpedanz bleibende lokale Kompensationsfluß Φ_K ist im Gegensatz zum Indikationsfluß Φ_I nicht von außen durch metallische Be dämpfung beeinflußbar und vermindert daher die Empfindlichkeit des Nähe rungsschalters. Trotzdem kann mit der beschriebenen Konfiguration die mag netische Beeinflussung bei entsprechender Optimierung des Verhältnisses Kompensationsfluß Φ_K zu Indikationsfluß Φ_I entscheidend vermindert wer den. Wichtig ist hierzu das Dominieren des Indikationsflusses Φ_I gegen über dem Kompensationsfluß Φ_K.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist bei der Indikatorimpedanz 1 die Indikatorspule 2 an der offenen Seite des schalenförmigen Ferritkerns 3 und die Kompensations spule 5 unterhalb der Indikatorspule 2 angeordnet.

Die Induktivität einer mit einem Ferritkern versehenen Spule setzt sich be kanntlich zusammen aus dem Luftanteil und dem Ferritanteil.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Indikatorimpedanz 1 hat die Indikatorspu le 2 allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferrit kern 3 und ist die Kompensationsspule 5 als Flachspule ausgeführt und auf dem Boden 6 des schalenförmigen Ferritkerns 3 angeordnet. Mit

L₂ = Induktivität der Indikatorspule 2,
L_2,l = Luftanteil der Induktivität der Indikatorspule 2,
L_2,f = Ferritanteil der Induktivität der Indikatorspule 2,
L₅ = Induktivität der Kompensationsspule 5,
L_5,l = Luftanteil der Induktivität der Kompensationsspule 5,
L_5,f = Ferritanteil der Induktivität der Kompensationsspule 5,

gilt:

L₂ = L_2,l + L_2,f (8)

L₅ = L_5,l + L_5,f (9).

Dadurch, daß die Indikatorspule 2 allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferritkern 3 hat, gilt angenähert:

L_2,l = L_2,f (10).

Hinsichtlich der Kompensationsspule 5 kann durch eine entsprechende Spulen geometrie erreicht werden, daß gilt:

L₅ = 4 · L_5,l (11).

Mit der Gleichung (9) gilt dann:

3 · L_5,l = L_5,f (12)

bzw.

L_5,l = 1/3L_5,f (13).

Geht man in grober Näherung von der Additivität der Induktivitäten der In dikatorspule 2 und der Kompensationsspule 5 aus, so gilt für die Induktivi tät der Reihenschaltung aus der Indikatorspule 2 und der Kompensationsspu le 5:

L = L_2,l + L_2,f - L_5,l - L_5,f (14).

Macht man nun die Ferritanteile der Induktivität der Indikatorspule 2 und der Induktivität der Kompensationsspule 5 gleich groß, also

L_2,f = L_5,f (15),

so vereinfacht sich die Gleichung (14) zu:

L = L_2,l - L_5,l (16).

Mit den Gleichungen (10), (13) und (15) gewinnt man einen groben Anhaltspunkt dafür, wie die Indikatorspule 2 und die Kompensationsspule 5 für eine opti male magnetische Kompensation ausgelegt sein müssen:

L = L_5,f - 1/3L_5,f = 2/3L_5,f (17)

bzw.

L = 2/3L_2,l (18).

Das Ergebnis ist also eine Indikatorimpedanz 1 und damit ein induktiver Näherungsschalter mit luftspulenähnlicher Induktivität und luftspulenähn lichem Verhalten; sieht man von den induzierten Spannungen ab, so bleiben magnetische Felder, also Fremdfelder, praktisch ohne Einfluß.

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter mit einem von außen beeinflußbaren indukti ven Anwesenheitsindikator, insbesondere einem Oszillator, mit einem dem An wesenheitsindikator nachgeordneten Schaltverstärker und mit einem von dem Anwesenheitsindikator über den Schaltverstärker steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, wobei zu dem Anwesenheitsindikator eine Indikatorimpedanz mit einer Indikatorspule, eine gegensinnig in Reihe zu der Indikatorspule geschaltete Kompensationsspule und ein der Indikatorspule und der Kompensationsspule zugeordneter schalenförmiger Ferritkern gehören, und die Indikatorspule an der offenen Seite des schalenförmigen Ferritkerns und die Kompensationsspule unterhalb der Indikatorspule angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorspule (2 ) allseits einen möglichst großen Abstand zum schalenförmigen Ferritkern (3) hat, die Kompensationsspule (5) als Flachspule ausgeführt und auf dem Boden (6) des schalenförmigen Ferritkerns (3) angeordnet ist und die Geometrie der Kompensationsspule (5) so gewählt ist, daß sich die Induktivität der Kompensationsspule (5) zu einem Viertel aus dem Luftanteil und zu drei Vierteln aus dem Ferritanteil zusammensetzt.

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Ferritanteil resultierende "Ferritindikatorinduktivität" der Indikatorspule (2) etwa so groß ist wie die aus dem Ferritanteil der Kompensationsspule (5) resultierende "Ferritkompensationsinduktivität".