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DE102010042815A1 - Inductive proximity switch for use in automatic control engineering, has high frequency-compensation winding connected with resistor and electric circuit comprising measuring unit, and control loop controlling reception signals to zero - Google Patents

Inductive proximity switch for use in automatic control engineering, has high frequency-compensation winding connected with resistor and electric circuit comprising measuring unit, and control loop controlling reception signals to zero Download PDF

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DE102010042815A1
DE102010042815A1 DE201010042815 DE102010042815A DE102010042815A1 DE 102010042815 A1 DE102010042815 A1 DE 102010042815A1 DE 201010042815 DE201010042815 DE 201010042815 DE 102010042815 A DE102010042815 A DE 102010042815A DE 102010042815 A1 DE102010042815 A1 DE 102010042815A1
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proximity switch
inductive proximity
compensation winding
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Jaromir Palata
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IFM Electronic GmbH
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IFM Electronic GmbH
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Abstract

The switch (1) has a transmitter coil (2) and two anti-serial switched receiving coils (3) for generating reception signals. A high frequency-compensation winding (4) is coupled with one of the receiving coils. The high frequency-compensation winding is connected with a controllable resistor (9). A control loop controls the reception signals to zero. An electric circuit of the high frequency-compensation winding comprises a direct current measuring unit (10). The transmitter coil is energized by a high frequency generator (6). An independent claim is also included for a method for operating an inductive proximity switch.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to an inductive proximity switch according to the features of the preamble of patent claim 1.

Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt.Inductive proximity switches are used as non-contact electronic switching devices, especially in automation technology.

Sie enthalten eine Sendespule, die ein elektromagnetisches von einem metallischen Auslöser beeinflussbares Magnetfeld erzeugt. Die Beeinflussung des Magnetfeldes durch den metallischen Auslöser wird ausgewertet und bei Überschreiten eines Schwellwerts eine elektronische Schaltstufe angesteuert.They contain a transmitting coil which generates an electromagnetic magnetic field which can be influenced by a metallic trigger. The influence of the magnetic field by the metallic release is evaluated and, when a threshold value is exceeded, an electronic switching stage is activated.

Schaltgeräte dieser Art werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.Switching devices of this type are manufactured and distributed in various designs, inter alia, by the Applicant.

Hierbei kann sowohl die Ansteuerung der Sendespule als auch die Bewertung des Einflusses des metallischen Auslösers auf unterschiedliche Art erfolgen.In this case, both the control of the transmitting coil and the evaluation of the influence of the metallic trigger can be done in different ways.

In vielen Fällen ist die Sendespule Bestandteil eines durch den metallischen Auslöser beeinflussten Oszillators, dessen Amplitude und/oder Frequenzänderung ausgewertet wird.In many cases, the transmitter coil is part of an affected by the metallic shutter oscillator whose amplitude and / or frequency change is evaluated.

Neben der weit verbreiteten sinusförmigen Ansteuerung der Sendespule und der Auswertung von Frequenz- und oder Amplitudenänderungen ist die Ansteuerung mit einem kurzen Rechteckimpuls bekannt. Die Sendespule ist in diesem Fall nicht Bestandteil eines Oszillators, sondern sie wird mit starken Spannungs- bzw. Stromimpulsen beaufschlagt. Das durch die im metallischen Auslöser hervorgerufenen Wirbelströme ausgelöste Echo wird ausgewertet. Diese Auswertung kann sowohl direkt an der Sendespule als auch an einer magnetisch gekoppelten Empfangsspule erfolgen.In addition to the widespread sinusoidal control of the transmitting coil and the evaluation of frequency and or amplitude changes, the control with a short square pulse is known. The transmitter coil is in this case not part of an oscillator, but it is subjected to strong voltage or current pulses. The echo triggered by the eddy currents produced in the metallic trigger is evaluated. This evaluation can be carried out both directly on the transmitting coil and on a magnetically coupled receiving coil.

Da es sich hierbei um einen geschlossenen Schwingkreis, bzw. einen geschlossenen Spulenstromkreis handelt, wird nur wenig Energie abgestrahlt. Die Wechselwirkung mit dem metallischen Auslöser (Target) ist auf das Nahfeld beschränkt. Sie nimmt etwa mit der 3,5-fachen Potenz des Schaltabstandes ab.Since this is a closed resonant circuit or a closed coil circuit, only little energy is radiated. The interaction with the metallic trigger (target) is limited to the near field. It decreases with about 3.5 times the power of the switching distance.

Um geringen Wechselwirkungen mit dem metallischen Auslöser noch nachweisen zu können, ist es vorteilhaft, das Signal im unbeeinflussten Zustand zu kompensieren und nur die nur die vom Auslöser hervorgerufenen Änderungen auszuwerten.In order to be able to detect minor interactions with the metallic trigger, it is advantageous to compensate the signal in the uninfluenced state and to evaluate only the changes caused by the trigger.

Dazu werden vorzugsweise zwei Empfangspulen in Differenzschaltung betrieben. Der Aufbau wird so gewählt, dass eine der beiden Spulen stärker vom Target beeinflusst wird als die andere.For this purpose, preferably two receiver coils are operated in differential circuit. The design is chosen so that one of the two coils is more affected by the target than the other.

Durch Nullabgleich im unbeeinflussten Zustand erhält man einen äußerst empfindliche Anordnung, die auch als Differentialtransformator (LVDT = linear variable differential transformer) bezeichnet wird.By zeroing in the uninfluenced state, one obtains an extremely sensitive arrangement, which is also referred to as a differential transformer (LVDT = linear variable differential transformer).

Der Differentialtransformator wird so abgeglichen, dass sich die Signale der beiden Empfangsspulen im unbeeinflussten Zustand gegenseitig aufheben.The differential transformer is adjusted so that cancel the signals of the two receiving coils in the uninfluenced state each other.

Je besser dieser Abgleich gelingt, um so höher kann man das Sensorsignal verstärken, ohne dass es zu Übersteuerungen kommt. Da das Magnetfeld mit wachsender Entfernung sehr schnell abnimmt, kommt man bald in Bereiche, wo der Temperaturgang, insbesondere der Kupferwicklungen, aber auch der übrigen beteiligten Materialien und Bauelemente Effekte in der Größenordnung des zu erwartenden Sensorsignals hervorrufen. Deshalb sind höhere Schaltabstände nur dann erreichbar, wenn die Temperaturabhängigkeit der Anordnung über den Arbeitstemperaturbereich kompensiert werden kann.The better this adjustment succeeds, the higher you can amplify the sensor signal, without causing overdriving. Since the magnetic field decreases very rapidly with increasing distance, one soon comes into areas where the temperature response, in particular of the copper windings, but also of the other materials and components involved, cause effects of the order of magnitude of the expected sensor signal. Therefore, higher switching distances can only be achieved if the temperature dependence of the arrangement over the working temperature range can be compensated.

Da dieses Gleichgewicht schon während der Fertigung aber auch durch die Einbausituation gestört werden kann, ist ein nachträglicher Abgleich des Differentialtransformators sowohl werksseitig als auch im späteren Betrieb wünschenswert.Since this balance can be disturbed during production but also by the installation situation, a subsequent adjustment of the differential transformer is desirable both at the factory and during later operation.

In der DE 10 2007 014 343 A1 wird vorgeschlagen, eine Empfangsspule mit trimmbaren Widerständen zu verbinden, mit deren Hilfe der Schaltabstand eingestellt wird. Diese werden von einer Auswerteeinheit (Mikrocontroller) gesteuert, die außerdem mit einem Temperaturfühler verbunden ist, so dass eine Temperaturkompensation vorgenommen werden kann.In the DE 10 2007 014 343 A1 It is proposed to connect a receiving coil with trimmable resistors, with the help of the switching distance is set. These are controlled by an evaluation unit (microcontroller), which is also connected to a temperature sensor, so that a temperature compensation can be made.

Als nachteilig wird hierbei angesehen, dass die Temperaturkompensation aus einem relativ langwierigen Prozess von der Messung durch den Temperaturfühler, der Berechnung der Korrekturwerte im Mikrocontroller, die anschließende digitale Ausgabe der Korrekturwerte und die Digital-Analogwandlung bis zur Ansteuerung der trimmbaren Widerstände besteht. Eine Linearisierung von beispielsweise –25C bis +70°C erscheint angesichts dieser langen Kette problematisch.A disadvantage here is that the temperature compensation consists of a relatively lengthy process of the measurement by the temperature sensor, the calculation of the correction values in the microcontroller, the subsequent digital output of the correction values and the digital-to-analog conversion to the triggering of the trimmable resistors. A linearization of, for example, -25C to + 70 ° C appears problematic in view of this long chain.

In der WO 2007/012502 A1 wird ein Regelkreis mit einer den Sensor umfassenden Regelstrecke vorgeschlagen. Regelgröße ist u. a. die Amplitude des Sensorkreises. Die Regelung erfolgt senderseitig, d. h. die Amplitude wird entgegen der Bedämpfungsstörgröße konstant gehalten.In the WO 2007/012502 A1 a control loop with a control system comprising the sensor is proposed. Controlled variable is, inter alia, the amplitude of the sensor circuit. The regulation takes place transmitter side, ie the amplitude is kept constant against the Entämpfungsstörgröße.

Die zur Ausregelung der Amplitude notwendige Energie wird über einen einstellbaren Widerstand zugeführt. Die Steuergröße für diesen Widerstand wird als Größe für die momentane Bedämpfung und somit als Messgröße ausgekoppelt.The energy required to control the amplitude is supplied via an adjustable resistor. The control variable for this resistance is decoupled as a quantity for the instantaneous damping and thus as a measured variable.

Nachteilig ist hierbei, dass der einstellbare Widerstand, vorzugsweise ein Transistor, sowohl einen Temperaturgang als auch eine nichtlineare Kennlinie aufweist.The disadvantage here is that the adjustable resistor, preferably a transistor, both a temperature response and a non-linear characteristic has.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dieses Verfahren weiter zu verbessern. Die Temperaturabhängigkeit der Schaltung soll verringert, die Kennlinien des Stellglieds linearisiert und die Abhängigkeit von der Parameter-Streuung des Stellgliedes beseitigt werden.The object of the invention is to further improve this process. The temperature dependence of the circuit is to be reduced, the characteristics of the actuator linearized and the dependence on the parameter dispersion of the actuator can be eliminated.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved according to the features of patent claim 1. The subclaims relate to the advantageous developments of the invention.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die Stellgröße anstatt ihrer temperaturgangbehafteten Steuergröße direkt zu messen. Also wird der Widerstand des HF-Stellgliedes mit Gleichstrom und nicht seine Steuerspannung gemessen.The essential idea of the invention is to measure the manipulated variable directly instead of its temperature-dependent control variable. So the resistance of the RF actuator is measured with DC and not its control voltage.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass der Temperaturgang der Regelstrecke zugelassen werden kann, weil die Stellgröße in Form des Bedämpfungswiderstandes unmittelbar am Stellglied gemessen wird.The main advantage is that the temperature response of the controlled system can be allowed because the manipulated variable is measured directly in the form of the damping resistor on the actuator.

Da es sich bei dem HF-Stellglied in der Regel um einen Transistor handelt, soll weder seine Steuerspannung noch sein Steuerstrom, sondern der Bahnwiderstand mit Gleichstrom gemessen und als analoge Spannung ausgegeben werden.Since the RF actuator is usually a transistor, neither its control voltage nor its control current, but the track resistance is measured with DC and output as an analog voltage.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters, 1 Schematic representation of an inductive proximity switch according to the invention,

2 Ausführungsbeispiel mit einem Feldeffekttransistor (kleiner MOSFET) als Stellglied. 2 Embodiment with a field effect transistor (small MOSFET) as an actuator.

Die 1 zeigt einen Induktiven Näherungsschalter 1 mit einer Sendespule 2, zwei Empfangsspulen 3 einer Abgleichwicklung 4 und einer weiteren, die Schaltfahne bzw. das induktiv gekoppelte Target symbolisierende Wicklung 5. Die Sendespule und die beiden Empfangsspulen bilden einen Differentialtransformator (LVDT). Die Sendespule 2 wird von einem Hochfrequenzgenerator 6 gespeist. Die beiden antiseriell geschalteten Empfangsspulen 3 sind mit dem phasenempfindlichen Synchrongleichrichter 7 verbunden. Das gleichgerichtete Signal durchläuft den Integrator 8 und steuert den variablen Widerstand 9. Dieser entzieht dem System über die Abgleichwicklung 4 so lange Energie bis das Signal am Synchrongleichrichter 7 zu Null wird, d. h. die Balance zwischen dem Target 5 und der Abgleichwicklung 4 hergestellt ist. Der durch den im Stromkreis der Abgleichspule 4 befindlichen steuerbaren Widerstand 9 (Stellglied) fließende DC-Strom ist ein Maß für die Bedämpfung. Er bildet zusammen mit einem R einen Spannungs-Teiler dessen DC-Spannung gemessen wird und kann als Analogsignal ausgegeben werden.The 1 shows an inductive proximity switch 1 with a transmitting coil 2 , two receiving coils 3 an adjustment winding 4 and another, the switching flag or the inductively coupled target symbolizing winding 5 , The transmitting coil and the two receiving coils form a differential transformer (LVDT). The transmitting coil 2 is from a high frequency generator 6 fed. The two anti-serially connected receiver coils 3 are with the phase-sensitive synchronous rectifier 7 connected. The rectified signal passes through the integrator 8th and controls the variable resistor 9 , This deprives the system of the adjustment winding 4 as long as energy up to the signal at the synchronous rectifier 7 becomes zero, ie the balance between the target 5 and the matching winding 4 is made. The through the in the circuit of the tuning coil 4 located controllable resistance 9 (Actuator) flowing DC current is a measure of attenuation. It forms together with an R a voltage divider whose DC voltage is measured and can be output as an analog signal.

Abschließend sei noch bemerkt, dass ein erfindungsgemäßer Aufbau auch mit zwei Sendespulen und einer Empfangsspule realisiert werden kann.Finally, it should be noted that a construction according to the invention can also be realized with two transmitting coils and one receiving coil.

Die 2 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel. Das sinusförmige Sendesignal wird von dem zweikanaligen Analogmultiplexer MUX1 vom Typ 74HC4053, der als Inverter im LC-Oszillator arbeitet, erzeugt. Für die Frequenz f gilt die Beziehung: f = 1/(2π·√LS·(C1·C2)/(C1 + C2)).The 2 shows a detailed embodiment. The sinusoidal transmit signal is generated by the type 74HC4053 dual channel analog multiplexer MUX1, which operates as an inverter in the LC oscillator. For the frequency f, the relation holds: f = 1 / (2π * √LS * (C1 * C2) / (C1 + C2)].

Die Sendespule LS ist mit den beiden Empfangsspulen L1 und L2 über die transformatorischen Koppelfaktoren, über gemeinsame Induktivitäten M1 und M2, verbunden. Diese werden so eingestellt, dass die in den Empfangswicklungen L1 und L2 erzeugten Spannungen im unbelasteten Zustand gleich sind.The transmitting coil LS is connected to the two receiving coils L1 and L2 via the transformer coupling factors, via common inductors M1 and M2. These are adjusted so that the voltages generated in the receiving windings L1 and L2 are equal in the unloaded state.

Die Mittelanzapfung der beiden Empfangsspulen liegt auf halber Betriebsspannung.The center tap of the two receiver coils is at half the operating voltage.

Das sorgt als DC-Vorspannung bei unipolarer Stromversorgung für den richtigen Arbeitspunkt an den Komparator-Eingängen OV1.This ensures DC biasing with unipolar power supply for the correct operating point at the comparator inputs OV1.

Die anderen Enden der beiden antiseriell geschalteten Empfangsspulen sind über 2 Dämpfungs-R mit den Eingängen des Komparators OV1 verbunden. Dieser arbeitet als Differenz-Impulsformer.The other ends of the two anti-serially connected receiving coils are connected via 2 attenuation R to the inputs of the comparator OV1. This works as a differential pulse shaper.

Sowie das Gleichgewicht durch Verringerung des mit der symbolisch zu verstehenden Targetwicklung 5 verbundenen Widerstandes Rx gestört wird, liefert der Ausgang von OV1 ein mit dem Oszillator phasensynchrones Rechtecksignal. Der Komparator OV2 liefert ebenfalls ein mit dem Oszillator phasensynchrones Rechtecksignal. Beide Komparatoren befinden sich in einem Doppel-Komparator, in einem gemeinsamen Gehäuse, was gleiche Laufzeiten garantiert. Der Multiplexer MUX2 arbeitet als phasenempfindlicher Gleichrichter. Der Differenz-Integrator mit dem Operationsverstärker OV3 integriert das vom MUX2 gelieferte Signal und steuert damit den Transistor Ti, einen kleinen MOSFET. Der Transistor T1 entspricht dem steuerbaren Widerstand 9 in 1. Er entzieht dem Differentialtransformator soviel HF-Energie, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.As well as the balance by reducing the with the symbolic to understand Targetwicklung 5 Connected resistor Rx is disturbed, the output of OV1 provides a phase-synchronous square wave signal with the oscillator. The comparator OV2 also provides a phase synchronous with the oscillator square wave signal. Both comparators are located in a double comparator, in a common housing, which guarantees equal running times. The multiplexer MUX2 operates as a phase-sensitive rectifier. The difference integrator with the operational amplifier OV3 integrates the signal supplied by the MUX2 and thus controls the transistor Ti, a small MOSFET. The transistor T1 corresponds to the controllable resistor 9 in 1 , It deprives the differential transformer of enough RF energy until the balance is restored.

Messgröße ist der Drain-Source-Widerstand RDS von T1 bzw. der Drainstrom IDS. Die Messung erfolgt mit einer Strommess-Schaltung mit dem Operationsverstärker OPV4, der die in 1 genannte Spannungsmessung am R-Teiler 10 ersetzt. Für Gleichspannung beträgt seine Verstärkung Vu = –RA/Ra* mit Ra* = Ra + RCu + RDS. (RCu: Kupferwiderstand der Spule, RDS: Drain-Source-Widerstand RDS von T1) Ri und Ci bestimmen die Integrationszeit und sorgen für Stabilität der Schaltung bei hohen Verstärkungen. Für Gleichspannung sind sie ohne Belang.The measured variable is the drain-source resistance R DS of T1 or the drain current I DS . The measurement is carried out with a current measuring circuit with the operational amplifier OPV4, the in 1 called voltage measurement at the R-divider 10 replaced. For DC voltage its gain is Vu = -RA / Ra * with Ra * = Ra + R Cu + R DS . (R Cu : copper resistance of the coil, R DS : drain-source resistance R DS of T1) Ri and Ci determine the integration time and provide stability of the circuit at high gains. For DC they are irrelevant.

Der Abblockkondensator Chf schließt den HF-Stromkreis an der Abgleich-Wicklung 4 und trennt so den HF-Teil von dem DC-Teil, damit die HF nicht an den Eingang des OV4 gelangt.The blocking capacitor Chf closes the RF circuit at the balancing winding 4 and thus separates the RF part from the DC part so that the RF does not get to the input of the OV4.

Die über dem Abblockkondensator CHF anstehende Gleichspannung erscheint um den o. g. Faktor verstärkt am Ausgang von OPV4 als Nutzsignal. Bei Vernachlässigung des Kupferwiderstandes der Spule erhält man: RDS(T1) = Uref·RA/UA – Ra.The DC voltage present across the blocking capacitor C HF appears amplified by the factor mentioned above at the output of OPV4 as a useful signal. Neglecting the copper resistance of the coil is obtained: R DS (T1) = Uref · RA / UA - Ra.

Für die Ausgangsspannung UA gilt: UA = Uref·RA/(RDS + Ra).For the output voltage UA: UA = Uref * RA / (R DS + Ra).

Für den Strom erhält man: IDS(T1) = (UA – Uref)/RA.For the current one obtains: I DS (T1) = (UA - Uref) / RA.

Der Ra soll die Cds vom T1 an Resonanzen mit der Abgleichwicklung 4 hindern.The Ra is supposed to pick up the Cds from T1 on resonances with the trimming coil 4 prevent.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Induktiver NäherungsschalterInductive proximity switch
22
Sendespuletransmitting coil
33
Empfangsspulenreceiving coils
44
Abgleichwicklungtrim winding
55
Targetwicklung, symbolisiert die induktive Kopplung zum TargetTargetwicklung, symbolizes the inductive coupling to the target
66
Hochfrequenzgenerator, OszillatorHigh frequency generator, oscillator
77
SynchrongleichrichterSynchronous rectifier
88th
Differenz-IntegratorDifferential integrator
99
steuerbarer Widerstand, T1controllable resistance, T1
1010
StrommesseinheitCurrent measuring unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007014343 A1 [0015] DE 102007014343 A1 [0015]
  • WO 2007/012502 A1 [0017] WO 2007/012502 A1 [0017]

Claims (2)

Induktiver Näherungsschalter (1) mit einer Sendespule (2), zwei antiseriell geschalteten Empfangsspulen (3) zur Erzeugung eines Empfangssignals und einer HF-Abgleichwicklung (4), die transformatorisch mit einer der Empfangsspulen (3) gekoppelt ist, wobei die HF-Abgleichwicklung (4) mit einem steuerbaren Widerstand (9) verbunden ist, der Bestandteil einer Regelschleife ist, mit der das Empfangssignal zu Null regelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis der HF-Abgleichwicklung (4) eine DC-Strommesseinheit (10) aufweist.Inductive proximity switch ( 1 ) with a transmitting coil ( 2 ), two anti-serially connected receiver coils ( 3 ) for generating a received signal and an HF tuning winding ( 4 ) which transforms with one of the receiving coils ( 3 ), wherein the RF matching winding ( 4 ) with a controllable resistor ( 9 ), which is part of a control loop, with which the received signal is controlled to zero, characterized in that the circuit of the HF-tuning coil ( 4 ) a DC current measuring unit ( 10 ) having. Verfahren zum Betreiben eines induktiver Näherungsschalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der HF-Abgleichwicklung (4) und im Stellglied (9) fließende Gleichstrom-Strom gemessen und ausgewertet wird.Method for operating an inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the signal in the RF matching winding ( 4 ) and in the actuator ( 9 ) flowing DC current is measured and evaluated.
DE201010042815 2010-10-22 2010-10-22 Inductive proximity switch for use in automatic control engineering, has high frequency-compensation winding connected with resistor and electric circuit comprising measuring unit, and control loop controlling reception signals to zero Pending DE102010042815A1 (en)

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WO2007012502A1 (en) 2005-07-29 2007-02-01 Gerd Reime Method and device for distance measurement by means of capacitive or inductive sensors
DE102007014343A1 (en) 2007-03-26 2008-10-02 Werner Turck Gmbh & Co. Kg Proximity switch has transmission coil, which generates electromagnetic alternating field as part of oscillator, which is influenced in different ways by actuator depending on its distance to proximity switch

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