感应式接近开关和用于检测物体的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的接近开关和一种根据权利要求11前序部分的金属元件的检测方法。

背景技术

感应式接近开关在现有技术中是已知的，例如DE4429314B4描述了这样一种接近开关，其中在线圈中产生交变磁场，使得穿透的金属物体影响振动状态。检测到的振动状态的变化通过一个电路进行评估，其中在交变场中布置有两个在直流差分电路(unmittelbarerDifferenzschaltung)中的传感器线圈以用于检测感应电压。传感器线圈的差分电压在此在响应距离内变为零。在根据DE4429314B4的解决方案中，绕组线圈布置在三个平面或三个走廊中。这种解决方案的缺点是绕组线圈容易老化，因此开关距离会随时间偏离。尤其是绕组线圈所能达到的最大开关距离受到严重限制。

因此，已经在DE102006053023A1中提出了一种改进的感应式接近开关，其具有可产生交变磁场的平面发射线圈布置，该发射线圈布置具有发射线圈和同轴环绕该发射线圈的补偿线圈。进一步地，设置有接收线圈，其中向发射线圈和共同的补偿线圈通以反相交流电，并且发射线圈与补偿线圈反接并具有更多的匝数。周围区域的发射线圈的场线通过公共补偿线圈和由它产生的外部场及其场线进行补偿，从而可以使周围区域中的总磁通量为零或基本为零。根据DE102006053023A1，接收线圈布置在发射线圈和补偿发射线圈之间，并且提出了平面布置作为理想的解决方案，其中发射、接收和补偿匝理想地位于一个平面上。然而，通过这种方式，系统只能实现标准开关距离，无法实现扩展的开关距离。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的线圈装置，其中可以实现扩展的开关距离。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的特征的感应式接近开关和根据权利要求11的特征的方法得以实现。有利的设计方案在相应的、附属的从属权利要求中说明。

据此，所述目的由通过具有发生器和/或振荡器的感应式接近开关得以解决，其为产生交变磁场的发射线圈供电，并且其能够被穿透到所述交变场中的金属物体影响其振动状态，并且所述感应式接近开关具有评估电路，所述评估电路用于从所述振动状态的变化获得开关信号。交变场可以由模拟或数字电路产生。

在所述发射线圈的交变场中设置有两个在直流差分电路中的传感器线圈以用于检测在所述两个传感器线圈中感应的电压差，其中，所述传感器线圈通过它们相对于彼此的空间位置并通过相应的匝数被设计成，使得差分交流电压在所需的响应距离处变为零。三个线圈理想地彼此轴向间隔开。

在此，在一个实施方式中，差分交流电压被引导到放大器的输入端处，使得当差分交流电压(UD)过零时，振荡器改变其振动状态，特别是突然改变。振荡器在此在限定的频率范围内工作。在该实施方式中，可以额外设置一个发生器，其在其谐振频率下激励振荡器，在这个变型中可以省略放大器，从而将差分交流电压引导到发生器的输入端处。

在替代实施方式中，放大器也由发生器代替，在这种情况下，可以以任意频率激励发射线圈，因为没有与发射线圈串联布置的电容器。使用电压表以类似的方式评估传感器线圈上存在的电压幅度。

然而，在这种情况下，发射线圈和两个传感器线圈总体上设计为电路板线圈，特别是印刷电路板线圈，其相应的匝位于用于相应电路板的公共平面中，其中，所述线圈中的每一个具有带主绕组方向的主绕组，并且所述两个传感器线圈具有它们的主绕组的彼此相反延伸的主绕组方向，并且其中所述线圈中的至少一个具有与自身主绕组相反延伸的具有至少一匝的补偿绕组，所述补偿绕组布置在所述主绕组的径向外部。线圈的上述彼此轴向间隔开的平面不应理解为数学意义上的平面，而是描述一个狭窄走廊或多个彼此平行或基本平行的走廊。

在感应式接近开关的改进实施方式中，至少发送线圈或两个传感器线圈设计为平行线圈组。它们布置在平行的平面上，其中每个单独的平面由载体或电路板形成。在这种情况下，发射线圈的平面的数量有利地至少为传感器线圈的平面的数量，该数量理想地至少为1.5倍。

在一个典型的实施方式中，为各发射线圈的组设置四到六个平面，其分别在同一层或同一走廊中具有补偿绕组或补偿匝。各传感器线圈的组最多占据四个平面，其中每个单独的传感器线圈具有一个至两个补偿绕组或补偿匝。因此，在一个有利的设计方案中，设置总共8至10个具有单独印刷线圈的平面。

术语“线圈”也在下文中使用，由此也应始终将其理解为在两个平面上的至少两个单独线圈的组。

在每个线圈具有至少一个补偿绕组的实施例中，效果和优点如下：

前传感器线圈的相反延伸的同轴卷绕的补偿绕组确保在金属环境中安装传感器时减少开关距离，因为其不会被识别为要检测的物体。如果没有补偿匝，传感器将检测到环境金属并给出误报信号。

中间位置的发射线圈的相反卷绕的补偿匝基本上检测周围的螺纹管，并减少了在生产过程中将线圈系统插入到螺纹管中时不利的开关距离变化。此外，螺纹管的任何变形或位移也可以通过这种方式得到部分补偿。

如果后传感器线圈扩展至少一个补偿匝，则由此从本质上改善了振荡器特性，从而可以校正发射电压和接收电压之间的不希望的相移。通过这种方式可以实现非常高的开关距离。

在一个改进的实施方式中规定，至少一个线圈组的至少一个平面通过以下方式形成，即至少一个例如非导电漆、树脂或类似物形式的非导电分离层施加到下平面或单个线圈上，在其上施加位于其上的上平面或上线圈，其中线圈尤其通过印刷或蚀刻方法施加。有利地，保护涂层、漆、树脂或类似物被施加到以这种方式分层的组的最上面的线圈上。在一个有利的实施方式中，涂层也使用一种方法印刷。

在此有利地，发射线圈和两个传感器线圈分别仅具有与自身的主绕组相反延伸的补偿绕组，该补偿绕组设置有至少一匝，该补偿绕组地布置在相应的主绕组的径向外部。此外，有利的是，发射线圈和两个传感器线圈的主绕组的匝彼此平行定向，相应的补偿线圈也是如此。

在一个有利的实施方式中，特别是当使用平齐的感应式接近开关时，发射线圈布置在两个传感器线圈之间，特别是布置成传感器线圈之间具有相同的距离。

在一个对非齐平感应式接近开关特别有利的实施方式中，发射线圈布置在传感器线圈的后面，其中“后面”是指从检测侧的观察方向。

在进一步改进的实施方式中，保持主绕组和补偿绕组的匝间距之间的特殊关系。在此，在一个平面上的各个线圈的主绕组的匝彼此之间具有第一绕组间距。主绕组的最外匝与补偿绕组的最内匝或一匝之间的距离明显大于主绕组的绕组距离。主绕组和补偿绕组之间的该距离尤其是主绕组的绕组间距的至少两倍且至多二十倍。

此外，补偿绕组各匝之间的(内部)绕组间距最大为主绕组绕组间距的五倍。

在这种情况下，三个线圈或线圈组轴向彼此间隔开，其中传感器线圈与发射线圈之间的间距比线圈直径小20至100倍。在单独线圈的组内，间距小于3mm，理想情况下小于1mm。

在一个有利的实施方式中，这两个传感器线圈距中心布置的发射线圈相同或基本相同的距离。这具有两个传感器线圈基本相同的优点，并且以这种方式获得了传感器的齐平度和作用范围之间的最佳折衷。在具有两个传感器线圈与中心布置的发射线圈之间的不同间距的特殊实施例的情况下，必须相应地适配第一传感器线圈与第二传感器线圈的匝数比。

在另一有利的实施方式中规定，至少一个补偿绕组在一个平面上正好具有一匝，并且其中该匝或绕组围绕至少300度角，理想情况下至少340度角。有利地，所有补偿绕组在相应平面上正好具有一匝。

自激励系统的形成在能量上是特别有利的。为此，一个特别有利的实施方式规定：仅设置没有(有源)发生器的振荡器。在此通过作为电感的发射线圈和并联的电容器形成LC谐振器。其与放大器和传感器线圈或附属的补偿线圈串联连接形成LC振荡器，由此可以产生交变场。该交变场尤其是以谐振频率振动的自激励交变场。

本发明还包括一种使用感应式接近开关检测金属物体的方法，该感应式接近开关是根据前述实施方式之一或其组合设计的。

附图说明

现在将使用附图中所示的实施例更详细地解释本发明的进一步的细节和优点。

附图中：

图1示出了具有附属的高度简化的电路的接近传感器的示意性截面图；

图2a、b示出了接近传感器的两种电路变型；

图3示出了接近传感器和三个线圈的匝布置的示意性透视图；

图4示出了接近开关的图1的替代实施方式；以及

图5示出了接近开关的另一电路变型。

具体实施方式

图1示出了接近开关1的示意性结构，其具有示意性表示的壳体3和壳体3中的三个支承板4、5。它们彼此平行地布置在三个平面E1、E2和E3上。在上支承板4和下支承板4的每一个上分别设置有传感器线圈7、8，其中上传感器线圈7布置在由待检测物体50勾勒出的检测侧上。感应式接近传感器1具有电路20，其可以单独容纳或者是接近传感器的组成部分。电路20特别包括电容器17、放大器10和用于检测传感器线圈7、8的电压变化的电压测量单元6，如以下叙述的。

在图1和图2a)所示的示例中，用作电感器的发射线圈2和并联的电容器17被设计为LC谐振器。该LC谐振器与放大器10和一个或更多个传感器线圈2或一个或更多个附属的补偿线圈2.2串联连接形成LC振荡器，由此产生以谐振频率振动的自激励交变场。

两个传感器线圈7、8是相同的但相反地缠绕并且在外边缘上具有由单个匝构成的补偿匝7.2、8.2。在此“X”和“O”分别表示电流的相应流动方向。该补偿匝7.2、8.2闭合传感器线圈7、8的相应主绕组7.1、8.1。

以类似的方式，发射线圈2的主绕组2.1也被补偿绕组2.2环抱，该补偿绕组具有与附属的主绕组2.1的最外匝的间距A2。在当前情况下，该间距是主绕组2.1的绕组间距W2的四倍，特别是在图3中可以详细看出。

由此实现了以下有利效果，即当传感器安装在金属环境中时，开关距离得到改善、对螺纹管的任何变形或位移进行补偿并且最后通过后传感器线圈8的后补偿匝8.2改善了振荡器特性，从而可以校正发射电压和接收电压之间的不期望的相移。

如在图2a)看到的和上面解释的，接近开关1由振荡器9激励，该振荡器通过作为电感的发射线圈2、2.2与电容器17一起形成LC谐振器，并通过与放大器10和传感器线圈7、7.2、8、8.2串联的线路19连接形成LC振荡器并产生交变场。两个相反缠绕的传感器线圈7、8布置在直流差分电路中。两个传感器线圈7、8产生的差分交流电压通过线路18输送到放大器10的输入端处，并由由电压表6检测。传感器线圈7、8通过它们在两个相互平行的平面E1、E3上的空间位置和相应的匝数设计为，差分交流电压UD在触发器接近所需的响应距离时变为零，其中振动状态的变化以未示出的方式被检测并转换为开关信号。这种电路原则上是本领域技术人员已知的，例如从DE4429314B4或DE4031252C1中已知。用于不同操作模式以用于不同物体50的与材料相关的检测(金属的、非金属的)的这种电路的设计对于本领域技术人员而言也是已知的，例如从前述的DE4429314B4中已知。

在另一实施方式中(图2b)，放大器10由发生器21代替，并且施加在传感器线圈7、8处的电压幅值借助电压表6进行评估。

为此目的，设置有通过线路19连接的发生器21，该发生器从至少一个发射线圈2和附属的补偿线圈2.2以及电容器17以其谐振频率激励谐振器。如上所述，在本实施方式中可以省略放大器10。

在图2a、2b中，补偿绕组2.2、7.2、8.2也显示在所有三个平面上，特别是振动电容器17也通过补偿绕组2.2包围输入线和输出线。

各线圈板或线圈电路板2、7、8在图3中详细示出。外部传感器线圈7、8构造相同，但沿相反方向横穿。传感器线圈7、8的主绕组7.1、8.1具有未标注的绕组间距W1。到补偿绕组7.2、8.2的间距A1例如是绕组间距W1的10倍。

位于中心位置的发射线圈2具有主线圈2.1的略大于W1的绕组间距W2，由此实现了齐平的传感器的齐平度和作用范围之间的最佳折衷。

中心主绕组2.1和补偿绕组2.1之间的间距A2例如是主绕组2.1的绕组距离W2的五倍。

此外，可以看到焊接和连接点15、16以及外部紧固件13、14。在这里可以看出，为了补偿绕组7.2、8.2的紧凑结构和最大径向外部引导，位于外层的焊接和接触点15、16以及位于边缘上的紧固件被补偿绕组7.2、8.2在一个角度范围内环抱并且补偿绕组为此目的向内具有部分弯曲走向。

图4示出了根据图3的接近开关的剖视图。每两个传感器线圈7、8的组覆盖有涂层11、12，如虚线区域所示。传感器线圈8的后组的特殊之处在于，上部(单个)传感器线圈已直接印刷在下部的支承单独的线圈的涂层11上，该线圈覆盖有另一涂层12，使得两个涂层11、12彼此过渡。上面的单个传感器线圈8因此不具有其自己的线圈载体或电路板。通过省略未示出的下涂层11实现与下线圈的所需接触。

通常，两个传感器线圈7、8将具有相同的设计，即根据上下变型。布置在其间的发射线圈2的组以平面2为中心，并且具有前述的绕线距离W1和距主线圈2.1的间距A2。

显而易见，本领域技术人员将根据需要在其他实施例变型中设置根据图4的实施例的竖直线圈结构的特征。

在另一实施方式(图5)中，设置有通过线路19连接的发生器21，其可以以任意频率激励至少一个发射线圈2和附属的补偿线圈2.2，因为未设置串联连接的电容器17，如在图2b中所示的示例。

附图标记列表

1                接近开关

2                发射线圈

2.1              主绕组

2.2              补偿绕组

3                壳体

4                线圈载体

5                线圈载体

6                张力仪

7                第一传感器线圈

7.1              主绕组

7.2              补偿绕组

8                第二传感器线圈

8.1              主绕组

8.2              补偿绕组

9                振荡器

10               放大器

11               第一涂层

12               第二涂层

13               第一紧固件

14               第二紧固件

15               外部焊接和连接点

16               内部焊接和连接点

17               电容器

18               线路

19               线路

20               电路

21               发生器

50               物体

A1               间距

A2               间距

W1               匝间距

W2               匝间距