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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen berührungslosen
Näherungssensor
und insbesondere auf einen Näherungssensor,
der einen vergrößerten Abfühlbereich
hat und dazu fähig
ist, magnetische, ferromagnetische und leitende Ziele abzufühlen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein Näherungssensor ist eine Vorrichtung, die
zum Detektieren des Vorhandenseins eines Objekts verwendet wird.
Die Gestalt eines Näherungssensors
kann auf einer Anzahl von Funktionsprinzipien basieren, wie z.B.:
variable Reluktanz, Wirbelstromverlust, Sättigungskern und Hall-Effekt.
In Abhängigkeit
der Funktionsprinzipien weist jede Sensorart unterschiedliche Leistungsbereiche
für das Abfühlen unterschiedlicher
Arten von Objekten auf. Sensoren mit gesättigtem Kern und Hall-Eftekt-Sensoren werden
im Speziellen in erster Linie dafür verwendet, das Vorhandensein
magnetischer Objekte zu detektieren, während Variable-Reluktanzund
Wirbelstromverlust-Sensoren insbesondere zum Detektieren des Vorhandenseins
von Metallobjekten eingesetzt werden.
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Sensoren mit gesättigtem Kern sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Solche Näherungssensoren
schließen
typischerweise einen Kern aus einem Material ein, das sich magnetisch
sättigt,
wenn es einem Magnetfeld mit einer gewissen Flussdichte ausgesetzt
ist. Wenn ein magnetisches Objekt in Richtung der Kernanordnung
bewegt wird, wird ein Abstand erreicht, bei dem das Magnetfeld des
Objekts den Kern als Weg des geringsten Widerstands erachtet. Der
Fluss des Felds tritt daher in den Kern ein, und die Flussdichte
nimmt zu, da der Abstand verringert wird, und sättigt letztendlich den Kern.
Die Sättigung
des Kerns führt
dazu, dass die Impedanz der Spule sinkt. Durch das Messen der Impedanzveränderungen
in der Spule kann das Vorhandensein des magnetischen Objekts detektiert
werden.
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Ein Beispiel eines Gesättigten-Kern-Sensors findet
sich in der US-A-4.719.362 (Nest kt al., „das Nest-Patent"). Das Nest-Patent
offenbart einen induktiven Näherungssensor,
der einen Kern, eine leitende Spule und eine Oszillatorschaltung
umfasst. Der Kern besteht aus einem Metall, das sich magnetisch
sättigt,
wenn es dem Magnetfeld eines Ziels ausgesetzt wird.
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Variable-Reluktanz-Sensoren sind
im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Solche Näherungssensoren schließen üblicherweise
einen U-Kern und um die Kernbeine gewickelte Spulen ein. Zu anderen typischen
Gestalten von Variable-Reluktanz-Sensoren
gehören:
Schalenkerne, Stifte, T-Kerne, E-Kerne und Platten. Diese Vorrichtungen
umfassen typischerweise auch eine elektronische Antriebsvorrichtung
zum Erzeugen eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes um
die Spule. Rechteckwellen, Sinuswellen, trapezförmige Wellen und andere einzigartige
Wellenformen sind zur Verbindung dieser Sensoren eingesetzt worden.
Wenn ein permeables Objekt in Richtung des Variable-Reluktanz-Näherungssensors
bewegt wird, verringert das permeable Objekt den magnetischen Widerstand
des elektromagnetischen Systems, und diese Reluktanzveränderung
wird als Veränderung
in der Induktivität
und im Wechselstromwiderstand der Spule gemessen. Wenn sich das
permeable Objekt in Richtung eines Variable-Reluktanz-Sensors bewegt, nehmen
die Induktivität
und die Wechselstromverluste der Spule zu.
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Bei manchen Gestaltungsformen werden zwei
Spulen verwendet, und zwar eine zum Erzeugen des elektromagnetischen
Feld und eine andere zum Messen der Reluktanzveränderungen. Bei herkömmlichen
Variable-Reluktanz-Näherungssensoren ist
es allgemein üblich,
einen Eisenkern zu verwenden. Die Abfühlspulen werden auf dem Kern
angeordnet, um das Magnetfeld zu optimieren, das sich zum Zielmaterial
erstreckt. Der Kern ist so geformt, dass er das die Abfühlspule
umgebende elektromagnetische Feld enthält und dieses in eine Abfühlrichtung
erweitert oder das Feld konzentriert oder in andere Richtungen lenkt,
wie z.B. hinter oder seitlich der Spule. Ein Beispiel für einen
Variable-Reluktanz-Sensor wird in der US-A-4.387.339 (Akerblom, „das Akerblom-Patent") gezeigt. Das Akerblom-Patent offenbart
eine Vorrichtung zum Messen des Abstands zwischen zwei sich bewegenden
Objekten.
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Wirbelstromsensoren sind im Stand
der Technik ebenfalls bekannt. Derartige Näherungssensoren weisen ein ähnliches
Design wie Variable-Reluktanz-Sensoren auf, in dem sie üblicherweise Schalenkerne
oder U-Kerne, eine um einen Mittelteil des Kerns oder um die Kernbeine
gewickelte Spule und einen Oszillator zum Erzeugen eines oszillierenden
elektromagnetischen Felds um die Spule herum umfasst. Wie beim Variable-Reluktanz-Näherungssensor
detektiert der Wirbelstromsensor das Vorhandensein eines leitenden
Objekts, indem er reale und imaginäre Wechselstromverluste der
Spule misst. Bei dieser Ausführungsform
jedoch sinkt, wenn das Zielmaterial nur leitend ist, die Induktivität der Spule, wenn
sich das Objekt in Richtung des Ziels bewegt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Näherungssensor
bereit, der als ein Sättigungskern-Näherungssensor,
ein Variable-Reluktanz-Näherungssensor
und ein Wirbelstrom-Näherungssensor
betrieben werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der Kern
aus einem hochpermeablen Metall. Die bevorzugte Ausführungsform
stellt einen stabilen, kostengünstigen,
leichten Näherungssensor
bereit, der eine erhöhte
Empfindlichkeit und zusätzliche Herstellungsvorteile
aufweist.
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Der präzisionsgeformte Metallkern
und die Stützanordnung
sind so gestaltet, dass die Empfindlichkeit der Vorrichtung in den
drei Betriebsarten optimiert wird. Bei einer Betriebsart wird der
Näherungssensor
zum Detektieren des Vorhandenseins eines Magneten verwendet. Wenn
sich der Magnet dem Sensor nähert,
ermöglicht
die einzigartige Form und die Dimensionen des Kerns eine leichte
Sättigung
des Kerns im Magnetfeld. Wenn sich der Magnet nahe der Abfühlvorrichtung
befindet, sättigt
sich der Kern und verändert
die Impedanz einer um den Kern angeordneten Spule wesentlich. Eine
erste Abfühlschaltung,
die mit der Spule verbunden ist, wird dafür verwendet, Veränderungen
in der Impedanz zu detektieren und ist so gestaltet, dass sie ein
Signal bereitstellt, um das Vorhandensein eines magnetischen Objekts
anzeigt, wenn die Impedanz der Spule fluktuiert.
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In einer zweiten Betriebsart wird
der Näherungssensor
zum Detektieren des Vorhandenseins von ferromagnetischen Metallobjekten,
auch als permeable Metalle bezeichnet, verwendet. Bei dieser Betriebsart
stellten die Spulen um den Kern herum ein Quellenfeld sowie ein
Mittel zum Messen von Veränderungen
im Quellenfeld bereit. Wenn sich ein permeables Objekt in das Quellenfeld
bewegt, nimmt der Blindwiderstand bzw. die Induktivität der Spule
zu. Eine zweite mit der Spule verbundene Abfühlschaltung wird zum Detektieren
von Veränderungen
im Blindwiderstand der Spule verwendet und ist so konfiguriert,
dass sie ein Signal erzeugt, um das Vorhandensein eines ferromagnetischen
Ziels anzuzeigen, wenn der Blindwiderstand der Spule fluktuiert.
Der hochpermeable Stahlsensorkern sieht eine Gestaltungsweise vor,
die erhöhte
Empfindlichkeit zum Detektieren ferromagnetischer Objekte in vergrößerten Bereichen
aufweist.
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In einer dritten Betriebsart wird
der Näherungssensor
zum Detektieren des Vorhandenseins von leitenden Objekten, wie Kupfer
oder Aluminium, verwendet. Bei dieser Betriebsart sinkt der Blindwiderstand
der Spule, wenn sich ein leitendes Objekt in das Quellenfeld bewegt.
Die zweite Abfühlschaltung ist
angeschlossen, um Veränderungen
im Blindwiderstand der Spule zu detektieren. Ähnlich wie bei der Variable-Reluktanz-Betriebsart
steigt der Blindwiderstand der Spule, wenn sich ein permeables Objekt
in ein Quellenfeld bewegt. Eine zweite Abfühlschaltung ist mit der Spule
verbunden, um Veränderungen
im Blindwiderstand der Spule zu detektieren, und ist so konfiguriert,
dass sie ein Signal bereitstellt, um das Vorhandensein eines ferromagnetischen
Ziels anzuzeigen, wenn sich der Blindwiderstand der Spule ändert. Der
hochpermeable Stahlsensorkern stellt zudem eine Gestaltungsform
bereit, die eine erhöhte Empfindlichkeit
für das
Detektieren von leitenden Objekten in vergrößerten Bereichen aufweist.
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Eine spezielle Kernform, die in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist ein dünnes, hochpermeables
Metall, das vorzugsweise aus einem einzigen Stück Metall-Blech geformt ist.
Der Kern umfasst ein im Wesentlichen flaches, rechteckiges Element,
das an vier Stellen gebogen ist, um eine Form auszubilden, die einem
rechteckigen griechischen Omega-Zeichen ähnlich ist und einen Kopf, zwei
Beine und zwei Füße aufweist.
Die Biegungen sind rechte Winkel mit Biegungsradien von 60°, so dass
der Kopf senkrecht zu den zwei Beinen, und die zwei Beine senkrecht
zu den zwei Füßen sind.
Die zwei Füße sind
zueinander parallel, nehmen eine gemeinsame Ebene ein und sind zudem
zum Kopf parallel.
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Der Kern ist in einem Gehäuse angeordnet, das
zwei Induktions-Spulen umfasst, wobei jede Spule rund um einen der
Füße des Kerns
angeordnet ist. Eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt auch eine Kern- und Spulenanordnung
mit einem Kalibrierungsbolzen bereit, der durch die Mitte des Kerns
verläuft,
um den Blindwiderstandsbereich des Näherungssensors einzustellen.
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Die dünne Metallstruktur der Kerns
stellt zudem zahlreiche andere Vorteile in der Herstellung des Näherungssensors
bereit. Der dünne
Metallkern ermöglicht
im Speziellen ein effizienteres Herstellungsverfahren, das im Vergleich
zu U-Metallkernen nach
dem Stand der Technik kaum Maschinenarbeit erforderlich macht. Die
Gestaltungsform des Kerns stellt zudem eine widerstandsfähige, leichte
Struktur bereit, die für
große
Temperaturschwankungen nicht anfällig
ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie
als permeabler Metallzielsensor, Wirbelstromverlustsensor oder Magnetfeldsensor verwendet
werden kann, ohne dass für
die unterschiedlichen Anwendungsarten spezielle Vorbereitungen bei
den Detektoren notwendig sind. Die Näherungssensoren der vorliegenden
Erfindung stellen auch eine Kernform mit erhöhter Empfindlichkeit bereit,
die aber gleichzeitig in einer ausreichend kleinen Größe hergestellt
werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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Die vorherigen Aspekte und viele
der begleitenden Vorteile der Erfindung werden besser ersichtlich,
wenn die Erfindung mit Verweis auf die folgende detaillierte Beschreibung
und in Zusammenhang mit den begleitenden Abbildungen besser verständlich wird,
worin:
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1 eine
perspektivische Vorderansicht einer Ausführungsform eines Näherungssensors
ist, die einen Omega-Kern gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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2 einen
Schnitt entlang der Linie 2-2 in 1 darstellt;
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3 eine
perspektivische Rückansicht
des Näherungssensor
aus 1 ist, wobei gewisse
Abschnitte in Einzelteilen dargestellt sind;
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4A eine
vergrößerte Perspektive
der Kerns ist, der im Näherungssensor
der 1 – 3 verwendet wird; 4B eine Seitenansicht von 4A ist; 4C eine weitere Seitenansicht davon ist; 4D ein Grundriss davon ist; 4E ein vertikaler Querschnitt
in Längsrichtung
davon ist;
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5 ein
Schnitt ist, der der 2 entspricht,
jedoch eine andere Ausführungsform
eines Näherungssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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6A eine
vergrößerte Perspektive
des Kerns zeigt, der im Näherungssensor
der 5 verwendet wird; 6B eine Seitenansicht von 6A ist; 6C eine weitere Seitenansicht davon ist; 6D ein Grundriss davon ist;
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7 eine
in gewisser Weise schematische Ansicht eines Näherungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, der sich in Nachbarschaft zu einem magnetischen Ziel
befindet;
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8 ein
Graph ist, der die Impedanz der Sensorspulen als Funktion der Distanz
zwischen dem magnetischen Ziel und dem Näherungssensor aus 6 darstellt;
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9 eine
in gewisser Weise schematische Ansicht eines Näherungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, der sich in Nachbarschaft zu einem permeablen Ziel
befindet;
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10 eine
Graphik ist, die die Empfindlichkeit der Sensorspulen gegenüber dem
Abstand zum permeablen Ziel darstellt, wenn der Näherungssensor
als Variable-Reluktanz-Sensor
betrieben wird;
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11 ein
Graph ist, der die Empfindlichkeit der Sensorspulen gegenüber dem
Abstand zum permeablen Ziel darstellt, wenn der Näherungssensor
in der Wirbelstromverlust-Betriebsart betrieben wird;
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12 eine
Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
eines Näherungssensors
ist, die einen Schalenkern gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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13A eine
Schnittansicht entlang der Linie 13A-13A in der 12 ist; 13B eine perspektivische Rückansicht
des Näherungssensors
aus 12 ist, wobei Abschnitte
in ihren Einzelteilen dargestellt sind;
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14A eine
Seitenansicht des Kerns ist, der im Näherungssensor von 12 verwendet wird; 14B eine Schnittansicht
entlang der Linie 14B-14B in 14A ist;
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15A ein
axialer Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Näherungssensors
ist, der einen Schalenkern gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet; und 15B eine
perspektivische Vorderansicht der Ausführungsform des Näherungssensors
aus 15A ist, wobei Abschnitte
in ihren Einzelteilen dargestellt sind;
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16 eine
schematische Seitenansicht eines Näherungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, der in Nachbarschaft zu einem magnetischen Ziel ist,
wobei gewisse Teile weggebrochen sind;
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17 eine
Graphik ist, die die Impedanz der Sensorspulen als Funktion der
Distanz zwischen dem magnetischen Ziel und dem Näherungssensor aus 16 darstellt;
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18 eine
schematische Seitenansicht eines Näherungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, der sich in Nachbarschaft zu einem permeablen Ziel
befindet, wobei gewisse Teile weggebrochen sind; und
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19 eine
Graphik ist, die die Empfindlichkeit der Sensorspulen eines Näherungssensors
gegenüber
der Distanz zum permeablen Ziel darstellt, wenn der Näherungssensor
in der Variable-Reluktanz-Betriebsart verwendet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Obwohl bei der Gestaltung von Näherungssensoren
Fortschritte gemacht wurden, um ihren Bereich und ihre Empfindlichkeit
zu verbessern, haben sich die Verbesserungen bei den unterschiedlichen Näherungssensoren
nicht darauf konzentriert, eine Näherungsabfühlvorrichtung bereitzustellen,
die in verschiedenen Betriebsarten effizient funktioniert. Genauer
gesagt können
Näherungssensoren
nach dem Stand der Technik, die als Variable-Reluktanz-Sensoren
entwickelt worden sind, nicht effizient als Sättigungskernsensoren betrieben
werden. Dementsprechend können
auch Näherungssensoren,
die als Sättigungskernsensoren
ausgebildet worden sind, nicht wirksam als Variable-Reluktanz-Sensoren eingesetzt
werden. Die vorliegende Erfindung stellt eine Gestaltungsform des
Kerns bereit, die in beiden Betriebsarten verwendet werden kann
und ebenso als Wirbelstromverlustsensor betrieben werden kann. Die
vorliegende Erfindung stellt eine hoch empfindliche, kostengünstige,
widerstandsfähige
Kernform bereit, die in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden
kann und eine Vielzahl an Klassen von Zielmaterialien detektieren
kann. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen Näherungssensor
bereit, der eine relativ klare Struktur aufweist, die auf Elemente
zurückgreift,
die bei herkömmlichen Sensoren
eingesetzt werden, und so ausgebildet ist, das magnetische und nicht-magnetische
Objekte aufgenommen werden können.
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Zudem stellt die vorliegende Erfindung
eine Kernform bereit, die ein erweitertes Abfühlfeld aufweist, ohne dabei
ein Ferritmaterial oder einen bearbeiteten Metallkern zu benötigen. Näherungssensoren
mit Ferritkernen zeigen aufgrund von Fluktuationen in den Betriebstemperaturen,
Alterung und speziellen Materialeigenschaften, wie Brüchigkeit
und Varianz in der anfänglichen
Materialbeschaffenheit, einen Rückgang
in der Leistungsfähigkeit.
Auch andere Näherungssensoren
mit bearbeiteten Metallkernen oder metallbeschichteten Kernen wurden
im Stand der Technik verwendet. Diese Kernformen sind jedoch üblicherweise
schwieriger und teurer herzustellen. Die Kernform der vorliegenden
Erfindung greift auf ein dünnes
permeables Material zurück
und stellt eine verbesserte Leistung sowie andere Herstellungsvorteile
bereit.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Näherungssensor
bereit, der als Sättingungskern-Näherungssensor,
Variable-Reluktanz-Sensor und Wirbelstromverlustsensor betrieben
werden kann. In einer Betriebsart wird der Näherungssensor dafür verwendet,
das Vorhandensein eines Magneten zu detektieren. Bei einer anderen
Betriebsart detektiert der Näherungssensor
ferromagnetische Objekte oder permeable Ziele. In einer weiteren
Betriebsart wird der Näherungssensor
zum Detektieren von leitenden Zielen, wie Kupfer oder Aluminium
einschließlich
beliebiger Kombinationen davon, verwendet. Zielmaterialerkennung
und das Vereinigen von Materialien in einem Ziel sind bekannte Verfahren,
um Unterscheidungsfunktionen zu verbessern. Die Struktur und die Verfahren
der unterschiedlichen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
besser ersichtlich, wenn diese zusammen mit den begleitenden Abbildungen
betrachtet wird.
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Mit Verweis auf die 1 und 2 schließt eine erste
Ausführungsform
eines Näherungssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Gehäuse 102 mit
einer dem Ziel zugewandten Vorderfläche 104 und vier Seitenwände 106 ein,
die sich im rechten Winkel von der Fläche 104 erstrecken.
Die Seitenwände 106 und
die Vorderfläche 104 bilden
einen hohlen Innenbereich im Gehäuse 102.
Wie in 1 mit strichlierten
Linien schematisch dargestellt, erstreckt sich ein Abfühlbereich 200 von
der dem Ziel zugewandten Vorderfläche 104 im Allgemeinen in einer
Halbkugelform. In einer repräsentativen
Ausführungsform
z.B. kann der Näherungssensor 100 einen effektiven
Abfühlbereich
von etwa 0,8 Zoll in Y-Richtung (um die Vorderfläche 104 herum) und einen effektiven
Bereichsdurchmesser von etwa 1,5 Zoll in der X-Z-Ebene (parallel
zur Fläche 104)
aufweisen. Der Näherungssensor 100 in 1 ist wirksam, um magnetische,
permeable und nichtpermeable leitenden metallische Ziele im Abfühlbereich 200 zu
detektieren.
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Das Gehäuse 102 schließt zwei
Flansche 108 ein, die sich von den gegenüberliegenden
Seitenwänden 106 nach
außen
erstrecken. Die Flansche 108 weisen Öffnungen 110 auf,
damit der Näherungssensor 100 mittels
Bolzen oder Schrauben auf ein Stützelement,
wie ein Rahmen oder Fensterrahmen für ein Verschlusselement, montiert
werden kann. Das Gehäuse 102 besteht
vorzugsweise aus einem stabilen, nicht-magnetischen Material mit
einer relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit, d.h. einer Leitfähigkeit
wie etwa Titan. Bevorzugterweise wird in der Konstruktion des Gehäuses 102 ein
physikalisch festes, nichtkorrodierendes und nicht-magnetisches
Material mit geringer Leitfähigkeit
verwendet, wie Titan oder Edelstahl. Um jedoch die Leistungsfähigkeit
des Näherungssensors
zu maximieren, können
auch andere nicht-leitende Materialien wie formbare Kunststoffe
für die
Ausbildung des Gehäuses 102 verwendet
werden. Die Leistungsfähigkeit
des Sensors steigt, wenn die Leitfähigkeit des Gehäuses 102 abnimmt.
Die Verwendung eines hoch leitfähigen
Materials sollte vermieden werden, da sich auf der Gehäuseoberfläche Wirbelströme bilden können und
den Wirkungsbereich 200 des Näherungssensors 100 verringern
können.
Zusätzlich
sollte die Verwendung von ferromagnetischen Materialien vermieden
werden, da das Gehäuse 102 das durch
den Näherungssensor 100 erzeugte
Abfühlfeld enthalten
kann.
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Das Gehäuse 102 schließt zudem
eine rückwärtige Öffnung zum
hohlen Innenraum ein, um die internen Komponenten einzuführen. Bezugnehmend auf 3 wird der Näherungssensor 100 aufgebaut, indem
die beiden Isolatoren 116 in die Öffnung des Gehäuses 102 geschoben
werden. Die beiden Isolatoren 116 bestehen vorzugsweise
aus einem nicht-leitenden Material wie Kunststoff oder Mylar mit einer
Dicke von etwa drei Mil. Die beiden Isolatoren 116 können in
einer Schalenform gegossen sein, um ein Isolierschild zwischen zwei
Spulenanordnungen 118 und dem Gehäuse 102 bereitzustellen.
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Die beiden Spulenanordnungen 118 werden dann
in die beiden Isolatoren 116 eingeführt. Die beiden Spulenanordnungen 118 umfassen
eine Vielzahl von Wicklungen aus einem relativ feinen Kupferdraht mit
einer bevorzugten Gauge (Drahtstärke)
von 37. Obwohl eine Drahtstärke
von 37 bevorzugt ist, können
die beiden Spulenanordnungen 118 aus einem beliebigen isolierten
Drahtmaterial mit einem Gauge-Bereich von 26 bis 50 hergestellt
werden. In die Öffnung
des Gehäuses
hineinblickend werden die Spulenanordnungen durch Wickeln des Drahts
einer Spule im Uhrzeigersinn und durch Wickeln des Drahts der zweiten
Spule gegen den Uhrzeigersinn ausgebildet. Bei jeder Spule wird
der Draht so lange im Uhrzeigersinn gewickelt wie der Draht der
anderen Spule gegen den Uhrzeigersinn gewickelt wird. Ein Draht
der einen Spule sollte mit einem Draht der anderen Spule verbunden
sein, um zwischen den beiden Spulen einen geschlossenen Kreislauf
zu erzeugen. Die anderen beiden offenen Enden der Spulen sind mit
elektrischen Kontakten in einem externen Verbindungselement 140 verbunden.
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Der durch die beiden Spulendrähte ausgebildete
geschlossene Kreislauf ist an eine Schaltung 101 außerhalb
des Gehäuses 102 angeschlossen. An
die beiden Spulenanordnungen 118 können durch das externe Verbindungselement 140 zwei
unterschiedliche Schaltungen angeschlossen werden, um drei Betriebsarten
aufnehmen zu können.
Für die Sättigungskernbetriebsart
wird die durch die beiden Spulenanordnungen geschaffene geschlossene Schaltung
mit einer Schaltung Verbunden, die die Impedanz der beiden Spulen
messen kann. Diese Anordnung ermöglicht
es dem Näherungssensor 100 das
Vorhandensein von magnetischen Zielen zu detektieren. Die in dieser
Konfiguration verwendete Impedanzmessschaltung kann ähnlich einer
Schaltung sein, die im Fachgebiet üblicherweise zum Messen der
Impedanz eingesetzt wird, wie ein Impedanzmessgerät.
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Bei den anderen zwei Betriebsarten
ist die durch die beiden Spulenanordnungen geschaffene geschlossene
Schaltung mit einer Schaltung verbunden, die den Blindwiderstand
der beiden Spulen detektieren kann und die beiden Spulen mit Wechselstrom
versorgen kann. Durch diese Anordnung kann der Näherungssensor 100 das
Vorhandensein von permeablen und leitenden Objekten durch das Abfühlen von
Schwankungen im Blindwiderstand der beiden Spulen detektieren. Die
in diesen Konfigurationen verwendeten Blindwiderstandsmessschaltungen
sind ähnlich
der Schaltungen, die üblicherweise auf
dem Fachgebiet verwendet werden, um herkömmliche Variable-Reluktanz-
und Wirbelstromverlust-Näherungssensoren
oder wiederum ein Impedanzmessgerät zu betreiben.
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Die beiden Spulenanordnungen 118 sind
zudem in einer rechtwinkligen Konfiguration ausgebildet, um die
eingeführten
Fußabschnitte
des Kerns aufzunehmen. Wie unten beschrieben wird, besitzt eine
Ausführungsform
des Kerns 120 Fußabschnitte mit
einer Breite von 0,292 Zoll und einer Länge von 0,275 Zoll, wodurch
der Kern eine Mittelöffnung
von etwa 0,302 × 0,285
Zoll aufweisen sollte. Die Höhe der
Spule in dieser Ausführungsform
sollte etwa 0,250 Zoll betragen.
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Nachdem die zwei Spulenanordnungen 118 eingeführt worden
sind, wird der Kern 120 im Gehäuse 102 angeordnet,
so dass die Beine des Kerns 120 eng in die Öffnungen
der beiden Spulenanordnungen 118 passen. Die 4A – 4E veranschaulichen
verschiedene Ansichten des Kerns 120, um die einzigartigen
Aspekte seiner Gestaltungsform darzustellen. Der Kern 120 umfasst
ein im Wesentlichen flaches, rechteckiges Element, das an vier Stellen
gebogen ist, um eine Form auszubilden, die einem rechtwinkligen
griechischen Omega-Zeichen ähnlich
sieht, mit einem Kopfabschnitt 220, zwei Beinen 222 und
zwei Bußabschnitten
(Füße) 224.
Die Biegungen sind rechtwinklig ausgeführt, so dass der Kopfabschnitt 220 senkrecht
zu den zwei Beinen 222 ist, und die zwei Beine rechtwinklig
zu den zwei Füßen 224 sind. Die
beiden Füße 224 sind
parallel zueinander und koplanar, und erstrecken sich einander gegenüberliegend
vom jeweiligen Bein weg. Beide Fußabschnitte 224 sind
zudem parallel zum Kopfabschnitt 220.
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Der Kopfabschnitt des Kerns 220 hat
eine bevorzugte Breite von 0,370 Zoll und eine bevorzugte Länge von
0,39 Zoll. Die zwei Beine 222, die sich im rechten Winkel
vom Kopfabschnitt 220 erstrecken, sind bevorzugt 0,292
Zoll breit und 0,300 Zoll lang. Die zwei Füße 224 erstrecken
sich von einander weg und haben eine bevorzugte Länge von
0,275 Zoll und eine bevorzugte Breite von 0,292 Zoll. Wie in 4B veranschaulicht wird,
würde der
Omega-förmige Kern,
wenn er so angeordnet wäre,
dass er auf den beiden Füßen 224 steht,
eine Höhe
von 0,320 Zoll und eine Gesamtlänge
von 0,94 Zoll aufweisen.
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Die 4A – 4E zeigen ebenfalls, dass
der Deckbereich jedes der beiden Füße eine Breite hat, die der
Breite des Kopfabschnitts 220 entspricht, und der Bodenbereich
jedes Beins eine Breite aufweist, die schmaler ist als die Breite
des Deckbereichs. Der breitere Deckbereich sollte sich etwa 0,050
Zoll entlang jedes Beins nach unten erstrecken. Dementsprechend
sollte sich der schmale Bodenbereich jedes Beins über den
restlichen Abschnitt jedes Beins erstrecken, der etwa 0,250 Zoll
lang ist.
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4E zeigt
einen seitlichen Querschnitt des Kerns 120, der die Orientierung
der oben beschriebenen Komponenten des Kerns 220 beschreibt.
Genauer gesagt veranschaulicht die 4E,
dass ein Bereich des Kerns einen Kopfabschnitt 220, zwei
Beine 222 und zwei Fußabschnitte (Füße) 224 umfasst.
Wie in 4E ersichtlich
ist, zeigt der Bereich des Kerns, dass sich die zwei Beine 222 in
einer Ebene erstrecken, die im rechten Winkel zu der vom Kopfabschnitt 220 geschaffenen
Ebene liegt. Darüber
hinaus erstrecken sich die beiden Füße 224 von einander
weg, und jeder Fuß schafft
eine Ebene, die vorzugsweise parallel zur jeweils anderen sowie
parallel zur Ebene des Kopfabschnitts 220 ist.
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Der Kern 120 besteht vorzugsweise
aus einem hochpermeablen Material wie Weicheisen, Gusseisen, Transformator-Stahl
oder ein beliebiges anderes Material. Die relative Permeabilität sollte
zumindest 10.000 sein. Obwohl nahegelegt wird, dass die relative
Permeabilität
zumindest bei 10.000 liegt, sind höhere Werte erwünscht, um
die Leistungsfähigkeit
des Sensors zu verbessern. Ein Material, das bevorzugt wird, wird
auf dem Fachgebiet als HyMu „80"® bezeichnet
und ist bei Carpenter Steel Company of New Jersey erhältlich.
Weiters wird der Kern bevorzugt aus einem Stück Metall mit einer Dicke von etwa
0,020 Zoll hergestellt. Obwohl der Kern in dieser Ausführungsform
eine Dicke von 0,020 Zoll hat, kann sich die Kerndicke in einem
Bereich von 0,0005 bis 0,050 Zoll bewegen.
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Bezugnehmend auf die 4A – 4E sollte jede der vier Biegungen
im Metall-Blech,
die den Kern 120 ausbilden, in der bevorzugten Ausführungsform
einen Radius von 0,060 Zoll aufweisen. Genauer gesagt sollte der
Bogen jeder Biegung einen Viertelkreis mit einem Radius von 0,060
Zoll bilden. Diese präzise
Biegungsgestalt gilt für
die Biegungen zwischen sämtlichen
Flächen
des Kerns 120. Darüber
hinaus ist es wichtig festzustellen, dass die Ecken 226 des
Kerns ebenfalls eine radiale Abmessung aufweisen müssen. Jede
Ecke 226 sollte eine Kurvatur haben, die einen Bogen mit
einem maximalen Radius von 0,020 Zoll bildet. Dementsprechend sollten
sämtliche
Ecken oder Kanten, die eine scharfe Kante ausbilden, abgeschliffen
oder geeignet fertigbearbeitet werden, da scharfe Ecken am Kern
die Abfühlleistung
vermindern. Die Toleranzgrenzen für diese Radiusbiegungen und
die oben angeführten Kernabmessungen
liegen bei ± 0,005
Zoll für
lineare Abmessungen und ±5
Grad für
die rechtwinkligen Biegungen.
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Da kaltes Biegen des Metalls die
magnetischen Eigenschaften des Kerns verändern, sollte der Kern einem
Glühverfahren
unterzogen werden, um seine Herstellung entsprechend abzuschließen. Der Kern
sollte daher nachdem die Biegungen ausgeführt worden sind, gesäubert werden,
so dass sämtliche Verschmutzungsstoffe,
wie Öl,
Fett, Lack und Wasser, von der Oberfläche entfernt sind. Zusätzlich sollte
der Kern während
dem Glühverfahren
nicht Kohlenstoff, Schwefel oder Stickstoff ausgesetzt sein. Wenn
der Kern richtig gereinigt worden ist, wird er vorzugsweise in einer
sauerstofffreien, Trockenwasserstoff-Atmosphäre mit einem Taupunkt unter –40°C während dem
gesamten Stickstoff-Glühvorgang
geglüht.
Wenn hierbei eine Vielzahl von Kernen geglüht wird, sollte ein Isolierpulver
verwendet werden, um die Kerne davon abzuhalten, einander oder andere Objekte
zu berühren.
Bevorzugte Isolierpulver umfassen: Magnesium, Aluminiumoxid, reines
Keramikpapier oder ein äquivalentes
reines Keramikmaterial.
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Der Kern sollte für 7 bis 8 h bei einem Temperaturbereich
von 1121 bis 1177°C
geglüht
werden. Nach den 7 bis 8 h sollte der Kern im Ofen auf eine Temperatur
von etwa 593°C
abgekühlt
werden. Wenn der Kern auf 593°C
abgekühlt
worden ist, sollte er um einen Gradbereich zwischen 260 und 316°C pro Stunde
auf 371°C
abgekühlt
werden, und dann im Ofen gekühlt
werden, bis er Raumtemperatur erreicht.
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Wieder auf 3 bezugnehmend, wird, nachdem der Kern
120 im Gehäuse 102 angeordnet worden
ist, über
dem Kern 120 ein Ankerstern 122 eingeführt, um
den Kern 120 und die beiden Spulenanordnungen 118 zu
befestigen. Der Ankerstern 122 ist vorzugsweise aus einem
nicht-leitenden Material wie z.B. einem glasgefüllten Polymer gefertigt. Ein Kleber
kann dazu verwendet werden, um den Ankerstern 122 an den
Spulen 118 zu befestigen. Anschließend werden eine Feder 124 und
eine Unterlegscheibe 126 auf dem Ankerstern 122 angeordnet,
und ein Sprengring 128 wird verwendet, um die Feder 124 und
die Unterlegscheibe 126 am Ankerstern 122 zu fixieren.
In die Innenwand des Gehäuses 102 eingearbeitete
Rillen nehmen den Sprengring 128 auf, um diesen auf der
Unterlegscheibe 126 und der Feder 124 zu halten.
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Die Abdeckung 130 kann durch
Metallschweißen
am Gehäuse 102 befestigt
werden, wobei die minimale Schweißtiefe bei 0,010 Zoll liegt. Ähnlich wie
das Gehäuse 102 ist
auch die Abdeckung 130 vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Material
mit niedriger Leitfähigkeit,
wie z.B. Titan oder Edelstahl, hergestellt.
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Eine geeignete Dichtung zwischen
der Metallabdeckung 130 und dem Metallgehäuse 102 verhindert
nachteilige Wirkungen durch Blitzschläge oder andere externe elektrische
Stromquellen. Dadurch wird ermöglicht,
dass der Näherungssensor 100 selbst
bei relativ starken elektromagnetischen Feldern, die durch Strom
von einer Quelle außerhalb der
Sensoranordnung erzeugt werden, konsistente, wiederholbare Näherungsdetektionsinformation
liefern kann. Wenn der Näherungssensor 100 z.B.
in einem Flugzeug installiert ist, kann das Flugzeug von Blitzen
getroffen werden, die einen Spitzenstrom von 200 kA oder mehr aufweisen.
Dieser Strom, der entlang der Außenhaut des Flugzeugs verläuft, erzeugt elektromagnetische
Felder mit einer Intensität
von 10.000 Amp/M oder mehr, die den Näherungssensor 100 unterbrechen
können,
wenn dieser nahe der Außenhaut
des Flugzeugs angeordnet ist. Solche Felder könnten vorübergehend den Betrieb des Näherungssensors 100 nachteilig
beeinflussen, indem sie den Kern sättigen und dadurch den Blindwiderstand der
Spule auf ein Niveau herabsetzen, das auf ein magnetisches Ziel
hinweist.
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Die in 5 dargestellte
Ausführungsform des
Näherungssensors 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist auf ähnliche
Art konstruiert wie der Näherungssensor
in den 2 und 3. Der Hauptunterschied der
Ausführungsform
von 5 liegt darin, dass
ein Kalibrierungsbolzen 132 durch die Mitte des Kerns 120' eingeführt ist.
Der Kalibrierungsbolzen 132 wird dazu verwendet, das Maß an Blindwiderstand
zu verändern,
das von den Spulen gemessen wird, um den externen Schaltkreis aufzunehmen.
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Wie das Material des Kerns 120' ist auch der Kalibrierungsbolzen 132 vorzugsweise
aus einem hochpermeablen Material wie Weicheisen, Gusseisen, Transformator-Stahl oder einem
beliebigen anderen ähnlichen
Material hergestellt. Der Kalibirierungsbolzen 132 sollte
eine relative Permeabilität von
etwa 90 oder mehr aufweisen. Wie beim Material des Kerns 120', erhöht sich
die Leistung der Vorrichtung, wenn die relative Permeabilität des Kalibrierungsbolzens 132 zunimmt.
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Wie in 5 gezeigt
wird, sollte der Kalibrierungsbolzen 132 so angeordnet
sein, dass er sich durch die Mitte des Kerns 120' und in ein
Loch 121 in der Mitte des Ankersterns 122 erstreckt.
Der Kalibrierungsbolzen 132 sollte so positioniert sein,
dass er im Wesentlichen senkrecht zur Kopffläche des Kerns 120' ist. Der Kalibrierungsbolzen 132 kann
als Gewindeschraube ausgebildet sein, um den Kalibrierungsprozess
zu vereinfachen.
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Der in der Ausführungsform verwendete Kern
mit dem in den 6A – 6D veranschaulichten Kalibrierungsbolzen
ist dem Kern in den 4A – 4D ähnlich. Der Kern 120' der 6A – 6D umfasst
ein im Wesentlichen flaches, rechteckiges Element, das an vier Stellen
gebogen ist, um eine Form auszubilden, die einem rechteckigen griechischen
Omega-Zeichen ähnlich
ist, und weist einen Kopfabschnitt 220', zwei Beine 222' und zwei Fußabschnitte
(Füße) 224' auf. Der Kern
in den 6A – 6D umfasst zudem eine Öffnung in
der Mitte des Kopfabschnitts 220', die so groß ist, dass sie den Kalibrierungsbolzen 132 aufnehmen
kann. Zusätzlich
hat die Mitte des Kopfabschnitts 220' eine erweiterte Breite, um der
Kernstruktur zusätzliche
Festigkeit zu verleihen und die Empfindlichkeit des Näherungssensors
zu verbessern.
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Der Kern 120' der 6A – 6D weist auch Biegungen im
rechten Winkel auf, so dass der Kopfabschnitt 220' senkrecht zu
den beiden Beinen 222' und
die beiden Beine senkrecht zu den zwei Füßen 224' sind. Die beiden Füße 224' sind parallel
zu einander und koplanar, und erstrecken sich einander gegenüberliegend
vom jeweiligen Bein. Beide Fußabschnitte 224' sind zudem
zum Kopfabschnitt 220' parallel.
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Die Deckbereiche jedes der zwei Beine
weisen eine Breite auf, die mit der Breite des Kopfabschnitts 220' übereinstimmt,
und der Bodenbereich jedes Beins 222' hat eine Breite, die schmäler ist
als die Breite des oberen Bereichs. Der breitere obere Bereich sollte
sich etwa 0,050 Zoll entlang jedes Beins nach unten erstrecken.
dementsprechend sollte sich der schmälere Bodenbereich jedes Beins über den
restlichen Abschnitt jedes Beins erstrecken, der etwa 0,250 Zoll
lang ist.
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Ähnlich
zum Kern 120 in den 3A – 3D sollte jede der vier Biegungen
im Blech, die den Kern 120' ausbilden,
in der bevorzugten Ausführungsform einen
Radius von 0,060 Zoll aufweisen. Genauer gesagt sollte der Bogen
jeder Biegung einen Viertelkreis mit einem Radius von 0,060 Zoll
bilden. Diese präzise
Biegungsgestalt gilt für
die Biegungen zwischen sämtlichen
Flächen
des Kerns 120'.
Darüber hinaus
ist es wichtig festzustellen, dass die Ecken 226' des Kerns ebenfalls
eine radiale Abmessung aufweisen müssen. Jede Ecke 226' sollte eine
Kurvatur haben, die einen Bogen mit einem maximalen Radius von 0,020
Zoll bildet. Dementsprechend sollten sämtliche Ecken oder Kanten,
die eine scharfe Kante ausbilden, abgeschliffen oder geeignet fertigbearbeitet
werden, da scharfe Ecken am Kern die Abfühlleistung vermindern. Die
Toleranzgrenzen für
diese Radiusbiegungen und die oben angeführten Kernabmessungen liegen
bei ±0,005
Zoll für
lineare Abmessungen und ±5
Grad für
die rechtwinkligen Biegungen.
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Wie oben beschrieben worden ist,
wird der Näherungssensor 100 zum
Detektieren dreier unterschiedlicher Arten von Objekten verwendet.
In einer Betriebsart wird der Näherungssensor 100 zum
Detektieren des Vorhandenseins von Objekten herangezogen, die ein
Magnetfeld emittieren, wie z.B. magnetisch geladenes Eisen. Bei
der Verwendung in dieser Betriebsart dient der Näherungssensor 100 als
ein Sättigungskernsensor.
In einer anderen Betriebsart detektiert der Näherungssensor 100 das Vorhandensein
von permeablen Objekten, auch bekannt als ferromagnetische Metalle.
Wenn der Näherungssensor 100 in
dieser zweiten Betriebsart verwendet wird, wird er als Variable-Reluktanz-Sensor betrieben.
In einer weiteren Betriebsart wird der Näherungssensor 100 zum
Detektieren des Vorhandenseins von leitenden Metallen oder eisenfreien Objekten,
wie Aluminium, Kupfer, Messing oder anderen ähnlichen Metallen, verwendet.
In dieser dritten Betriebsart wirkt der Näherungssensor 100 als Wirbelstromverlustsensor.
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7 veranschaulicht
den Näherungssensor 100,
der als Sättigungskernsensor
zum Detektieren eines magnetischen Objekts 301 eingesetzt
wird. Die dem Ziel zugewandte Fläche 104 des
Näherungssensors 100 ist
in Richtung eines magnetischen Objekts 301 ausgerichtet,
das ein Magnetfeld 302 erzeugt. Wenn sich das magnetische
Objekt 301 zum Näherungssensor 100 hin
bewegt, wird ein Punkt erreicht, an dem die Flusslinien 302 beginnen, in
den Kern 120 einzudringen und dem Kern als Weg des geringsten
Widerstands zu folgen. Wenn der Näherungssensor 100 tiefer
in das Magnetfeld bewegt wird, fängt
der Kern 120 an, auf das Magnetfeld zu reagieren und verändert dadurch
den Impedanzwert der den Kern 120 umgebenden Spulen. Der
Kern erreicht schließlich
einen Sättigungsgrad,
wo der Impedanzwert der Spule deutlich auf den veränderten
Zustand des Kerns 120 reagiert. Diese Reaktion im Impedanzwert
im Bezug auf den Sättigungsgrad
ist in 8 veranschaulicht.
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8 ist
ein Graph, der die Spulenimpedanz gegenüber der Distanz zwischen dem
magnetischen Objekt und dem Näherungssensor 100 veranschaulicht.
Wie durch die Linie 310 angedeutet wird, beginnt sich der
Kern zu sättigen,
wenn das magnetische Objekt 301 einen Abstand von etwa
0,8 Zoll (angezeigt durch Punkt A) erreicht. Von diesem Abstand von
0,8 Zoll weg sinkt die Impedanz, wenn sich das magnetische Objekt 301 in
Richtung des Näherungssensors 100 bewegt,
deutlich, da sich der Kern zu sättigen
beginnt. Wenn sich der Kern sättigt,
fällt die Impedanz
der Spule rapide von einem relativ hohen Wert, der für im Wesentlichen
keine Sättigung
des Kerns steht, auf einen relativ niedrigen Wert, der eine im Wesentlichen
komplette Sättigung
des Kerns bedeutet. Das „keine
Sättigung"-Blindwiderstandsniveau
wird durch den oberen horizontalen Abschnitt der Blindwiderstandkurve 310 in 8 wiedergegeben, und das „vollständige Sättigung"-Blindwiderstandsniveau
durch die unteren horizontalen Abschnitte der Kurve 310.
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Dadurch kann durch das Messen des
Impedanzniveaus in den Spulen das Vorhandensein eines magnetischen
Objekts detektiert werden. Die physischen Dimensionen des Kerns
bestimmen, wann der Kern seine magnetische Sättigung erreicht. Die einzigartige
Gestalt der vorliegenden Erfindung sieht eine optimale Leistung
eines Sättigungskern-Näherungssensors
vor, wie sie im Graph der 8 dargestellt
ist. Als Ergebnis der einzigartigen Gestalt und der Dimensionen
des Kerns, sättigt
sich der Kern in größerem Abstand
von der Magnetfeldquelle als ein herkömmlicher U-Kern derselben Größe.
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Wenn der Näherungssensor 100 als
Variable-Reluktanz-Sensor eingesetzt wird, ist die Konfiguration
des Näherungssensors 100 eine
leicht andere als die in 7 gezeigte
Konfiguration. 9 veranschaulicht
eine Vorrichtung 303 mit einem Näherungssensor 100,
der nahe einem permeablen Ziel 306 liegt. Wenn der Näherungssensor 100 als
Variable-Reluktanz-Sensor verwendet wird, erzeugt der Näherungssensor 100,
wie durch die Flusslinien 304 angedeutet wird, ein alternierendes
Magnetfeld.
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Um das Vorhandensein von permeablen
Materialien zu detektieren, wird eine externe Wechselstromquelle
verwendet, um die Spulen des Näherungssensors 100 anzutreiben.
Wenn das permeable Ziel 306 in das Magnetfeld des Näherungssensors 100 bewegt
wird, verändert
sich der magnetische Widerstand zwischen dem permeablen Ziel 306 und den
Näherungssensor 100.
Diese Widerstandsveränderung
erhöht
den Blindwiderstand der Abfühlspulen.
Somit kann eine Blindwiderstandsmessschaltung zum Detektieren des
Vorhandenseins des permeablen Ziels 306 verwendet werden.
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10 ist
eine graphische Darstellung der Spulenempfindlichkeit als Funktion
des Abstands zwischen einem permeablen Ziel 306 und dem
Näherungssensor 100.
Die Empfindlichkeit des Näherungssensors 100 wird
in Mikrohenry pro Mil gemessen. Wenn sich z.B. das leitende Ziel 306 um
ein Mil bewegt, wobei der Abstand zwischen dem Näherungssensor und dem leitenden
Ziel 0,14 Zoll beträgt, verändert sich der Blindwiderstand
der Spulen um 5 Mikrohenry (wie durch Punkt B angezeigt). Wenn das permeable
Ziel 306 0,02 Zoll vom Näherungssensor 100 entfernt
ist und sich um 1 Mil bewegt, verändert sich der Blindwiderstand
der Spulen um 42 Mirkohenry (wie durch Punkt C angezeigt). Die Empfindlichkeit des Näherungssensors 100 nimmt
in einem exponentialen Maß zu,
wenn sich das permeable Ziel 306 in Richtung des Näherungssensors 100 bewegt.
In dieser Konfiguration steigt der Blindwiderstand der Spule, wenn
sich das permeable Ziel 306 dem Näherungssensor 100 nähert.
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Wenn der Näherungssensor 100 als
Wirbelstromverlustsensor zum Detektieren von leitenden Zielen eingesetzt
wird, ist die Konfiguration des Näherungssensors 100 ähnlich der
Konfiguration des Variable-Reluktanz-Sensors, wie er in 9 gezeigt wird. Der Blindwiderstand
der Spulen reagiert jedoch im Vergleich zu den permeablen Zielen
anders auf die leitenden Ziele.
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Der Näherungssensor in 9 wird auch für die Beschreibung
der Wirbelstromkonfiguration verwendet, wobei lediglich das Ziel 306 nun
in einem leitenden, nicht-permeablen Ziel wie Aluminium oder Kupfer
besteht. Wenn das leitende Ziel 306 in Richtung des Magnetfelds 304 des
Näherungssensors bewegt
wird, unterbricht das leitende Ziel 306 einen Abschnitt
des durch den der Spule zugeführten Wechselstrom
erzeugten Magnetfelds 304. Diese Unterbrechung des Magnetfelds 304 führt zu Wirbelströmen im leitenden
Ziel 306, die vorübergehend
(90 Grad) außer
Phase mit der Stromquelle sind. Diese Wirbelströme verursachen wiederum zwei
Dinge: sie verbreiten Energie in Form von Wärme innerhalb des Leiters und
erzeugen ein anderes Magnetfeld. Das Magnetfeld, das durch die Wirbelströme innerhalb des
leitenden Ziels 306 erzeugt wird, widersetzt sich dem magnetischen
Quellenfeld 304, wodurch schließlich in den Abfühlspulen
zusätzliche
Ströme entstehen.
Wenn das leitende Ziel 306 in das magnetische Quellenfeld 304 eintritt,
nimmt der Strom in den Spulen zu. Diese Veränderung im Stromniveau wird
durch den elektrischen Schaltkreis detektiert, der den Blindwiderstand über die
Spule misst. Wenn das leitende Ziel 306 in Richtung des
Näherungssensors 100 bewegt
wird, sinkt der Blindwiderstand der Spulen, wodurch das Vorhandensein
des leitenden Ziels 306 angedeutet wird. 11 ist ein Graph der Spulenempfindlichkeit
als Funktion des Abstands zwischen einem leitenden Ziel und dem
Näherungssensor. Ähnlich zum
Graphen in 10 wird die Empfindlichkeit
des Näherungssensors 100 in
Mikrohenry pro Mil gemessen. Wenn sich das leitende Ziel z.B. bei
einem Abstand von 0,03 Zoll zwischen dem Näherungssensor und dem leitenden
Ziel um 1 Mil bewegt, verändert
sich der Blindwiderstand der Spulen um 8 Mikrohenry (wie durch Punkt
D angezeigt). In dieser Konfiguration sinkt der Blindwiderstand
der Spulen, wenn das Ziel zum Näherungssensor
hin bewegt wird. Die vorliegende Erfindung stellt einen hoch empfindlichen
Näherungssensor
bereit, der als Wirbelstromverlustsensor betrieben wird, um das Vorhandensein
eines leitenden, nicht-permeablen Ziels durch einfaches Messen des
Blindwiderstands in den Spulen zu detektieren.
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Der Graph in 11 zeigt auch das Leistungsniveau des
Näherungssensors 100 bei
unterschiedlichen Betriebsfrequenzen. Die erste Linie 312 veranschaulicht
die Empfindlichkeit des Näherungssensors
bei einem Quellenstrom von 2 KHz. Wie durch die anderen Linien 314 – 320,
die anderen Betriebsfrequenzen von 5, 6, 7 und 8 KHz entsprechen, ersichtlich
wird, erreicht die Leistung des Näherungssensors bei 8 KHz ihre
Spitze und nimmt dann mit steigender Frequenz ab.
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Wie bei der Ausführungsform, die den Näherungssensor
als Sättigungskernsensor
verwendet, bestimmen die physischen Dimensionen des Kerns zusammen
mit den Dimensionen und der Konfiguration der Spule die Fähigkeit
des Sensors, Ziele in einem optimalen Abstand zu detektieren. Die
einzigartige Gestalt des Kerns und die Plazierung der Spulen stellen
einen Variable-Reluktanz- und einen Stromverlust-Näherungssensor
bereit, die eine in den Graphen der 10 und 11 veranschaulichte Leistung aufweisen.
Aufgrund der einzigartigen Gestalt und der Dimensionen des Kerns
kann der Näherungssensor 100 auch
Veränderungen
im Quellenmagnetfeld (304 in 9)
in einem größeren Abstand
vom Näherungssensor
detektieren, als herkömmliche
U-Kerne gleicher Größe.
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Die 12, 13A und 13B zeigen eine weitere Ausführungsform
eines Näherungssensors 1200 mit
einem Schalenkern 1220 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese Ausführungsform
schließt
ein Gehäuse 1201 ein,
das eine dem Ziel zugewandte Vorderfläche 1251 und eine
zylindrische Seitenwand 1252 aufweist, die sich von der
Vorderfläche 1251 erstreckt.
Die Seitenwand 1252 und die Vorderfläche
1251 bilden einen
hohlen Innenbereich im Gehäuse 1201.
Wie schematisch in strichlierten Linien in der 12 veranschaulicht wird, erstreckt sich
ein Abfühlbereich 1250 von
der dem Ziel zugewandten Vorderfläche 1251 weg in einer
im Allgemeinen halbkugelförmigen
Gestalt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Näherungssensor 1200 einen wirksamen
Abfühlbereich
von etwa 0,3 Zoll in einer senkrecht zur Fläche 1251 liegenden
Richtung aufweisen. Ähnlich
zum Betreiben der Kerne aus den 4A – 4E und 6A – 6D, kann der Näherungssensor 1200 auf 12 wirksam zum Detektieren
von magnetischen, permeablen und nicht-permeablen leitenden metallischen
Zielen im Abfühlbereich 1250 eingesetzt
werden.
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Das Gehäuse 1201 besteht vorzugsweise aus
einem stabilen, nicht-magnetischen Material mit einer relativ geringen
elektrischen Leitfähigkeit,
d.h. einer Leitfähigkeit
wie etwa der von Titan. Vorzugsweise wird eine physikalisch festes,
nichtkorrodierendes und nicht-magnetisches Material, wie Titan oder Edelstahl,
mit geringer Leitfähigkeit
in der Konstruktion des Gehäuses 1201 verwendet.
Um das Leistungsvermögen
des Näherungssensors
zu maximieren, können
jedoch auch andere nicht-leitende Materialien wie formbare Kunststoffe
für das
Gehäuse 1201 herangezogen
werden. Die Leistungsfähigkeit des
Sensors verbessert sich, wenn die Leitfähigkeit des Gehäuses 1201 abnimmt.
Die Verwendung von stark leitenden Materialien sollte vermieden
werden, da sich auf der Gehäuseoberfläche Wirbelströme bilden
können
und dadurch der Wirkungsbereich 1250 des Näherungssensors 1200 verringert
wird. Zusätzlich
sollte auch die Verwendung von ferromagnetischen Materialien vermieden
werden, da das Gehäuse 1200 das
durch den Näherungssensor 1201 erzeugte
Abfühlfeld
umfassen kann.
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Das Gehäuse 1201 schließt eine Öffnung zum
hohlen Innenraum ein, die vorzugsweise gegenüber der Vorderfläche 1251 angeordnet
ist. Die Öffnung
des Gehäuses 1201 ermöglicht das
Einführen interner
Komponenten des Näherungssensors 1200. Wie
Fachleuten auf dem Gebiet der Technik bekannt ist, kann ein hohles
Zylindergehäuse
wie das Gehäuse 1201 durch
einen Bearbeitungsvorgang hergestellt werden. Bezugnehmend auf die 13A und
13B
wird der Näherungssensor 1200 in
einer Ausführungsform
zusammengefügt,
indem ein Isolator 1202 in die Öffnung des Gehäuses 1201 eingebracht
wird. Der Isolator 1202 besteht vorzugsweise aus einem nicht-leitenden
Material wie Kunststoff oder Mylar mit einer Dicke von etwa 3 Mil.
Der Isolator 1202 kann in einer Schalenform gegossen sein,
um ein Isolierschild zwischen einer Spulenanordnung 1203 und dem
Gehäuse 1201 auszubilden.
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Wie in 13A ersichtlich
ist, ist die Spulenanordnung 1203 an einer Kabelschaltung 1204 befestigt,
und in einer Ausführungsform
ist die Kabelschaltung 1204 durch eine Lötverbindung
oder ein anderes ähnliches
Bindematerial an der Spulenanordnung 1203 festgemacht.
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Die Spulenanordnung 1203 besteht
aus einem scheibenförmigen
Gestell mit einer solchen Größe, dass
sie in den Isolator 1202 eingeführt werden kann. Genauer gesagt
ist die Spulenanordnung 1203 zu einer Scheibe geformt,
die in der Mitte der Scheibe eine Öffnung aufweist. Die Spulenanordnung 1203 umfasst
auch eine Hülse,
die mit einem hohlen Innenraum ausgestattet ist, um eine Drahtspule
aufzunehmen. Die Drahtspule innerhalb der Spulenanordnung 1203 ist
so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Drahtwicklungen die Öffnung der
Spulenanordnung 1203 umgeben kann. Die Kabelschaltung 1204 besteht
vorzugsweise aus einem dünnen,
flexiblen Polyimidstreifen mit eingeschlossenen Kupferspuren (nicht
dargestellt). Die Kupferspuren erstrecken sich von der Spulenanordnung 1203 zu
einem Leiterpaar 1211 und stellen die elektronische Kommunikation zwischen
der Spulenanordnung 1203 und den Leitern 1211 her.
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Wie in den 13A und 13B zudem
gezeigt wird, ist ein Schalenkern 1220 mit einer durch
diesen verlaufenden Öffnung
so angeordnet, dass die Kabelschaltung 1204 durch die Öffnung des
Spulenkerns 1220 läuft.
Die Konstruktionsdetails des Schalenkerns 1220 werden untenstehend
mit Verweis auf die 14A und 14B detaillierter beschrieben.
Allgemein weist der Schalenkern 1220 eine Größe auf,
die das Aufnehmen in der Öffnung
des Gehäuses
ermöglicht.
Zudem umfasst der Schalenkern 1220 eine ringförmige Rille,
die so ausgebildet ist, dass sie die Spulenanordnung 1203 aufnehmen
kann. Wie in den 13A und 13B ersichtlich ist, werden
die im Gehäuse
eingebetteten Drahtspulen, wenn die Spulenanordnung 1203 in
die ringförmige
Rille des Schalenkerns 1220 eingeführt worden ist, so angeordnet, dass
sie sich um die ringförmige
Rille des Schalenkerns 1220 wickeln. Zusätzlich sind
die leitenden Enden der Drahtspule in der Spulenanordnung 1203 so positioniert,
dass sie durch die Öffnung
des Schalenkerns 1220 verlaufen und der Kabelschaltung 1204 folgen,
so dass sie zu dem Paar an Leitern 1211 geführt und
elektronisch geleitet werden. In einer Ausführungsform umfasst der Draht
in der Spulenanordnung 1203 etwa 474 Windungen an 42-Gauge-Draht. Wenn die Spulenanordnung 1203,
die Kabelschaltung 1204 und der Schalenkern 1220 zusammengefügt sind,
werden die Komponenten gleitbar in den Isolator 1202 im Gehäuse 1201 eingeführt.
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Details des Schalenkerns 1220 sind
in den 14A und 14B am besten ersichtlich.
In einer Ausführungsform
umfasst der Schalenkern 1220 eine im Allgemeinen zylindrisch
geformte Schale, die eine ringförmige
Rille in einer oberen Fläche 1221 des Schalenkerns 1220 aufweist.
Die obere Fläche 1221 des
Schalenkerns 1220 ist im Wesentlichen planar, und ist,
wenn sie im Gehäuse 1201 installiert
ist, im Wesentlichen parallel zur Abfühlfläche 1251 des Gehäuses 1201.
Der Schalenkern 1220 umfasst weiters eine Bodenfläche 1223 mit
einem kreisförmigen Hohlraum,
der sich von der Bodenfläche 1223 zur oberen
Fläche 1221 erstreckt.
Der kreisförmige
Hohlraum ist in der Mitte des Schalenkerns 1220 angeordnet
und so konfiguriert, dass er sich in einem rechten Winkel von der
Bodenfläche 1223 erstreckt.
Der Schalenkern 1220 umfasst weiters eine Öffnung 1222,
die sich von der Bodenfläche 1223 des
Schalenkerns 1220 nach innen erstreckt, um das Durchlaufen
der Kabelschaltung 1204 und/oder des Drahtes (nicht dargestellt)
zu ermöglichen.
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Wie in 14B ersichtlich
ist, umfasst ein diametrialer Bereich des Schalenkerns 1220 einen Kopfabschnitt 1231,
zwei Beine 1232 und zwei Fußabschnitte (Füße) 1233.
Der Kopfabschnitt 1231 bildet einen im Wesentlichen planaren
Bereich entlang der oberen Fläche 1221 und
ist senkrecht zu der durch die beiden Beine 1232 geschaffenen
Schnittrichtung. Die Schnittrichtung der zwei Beine 1232 verläuft senkrecht
zur Schnittrichtung der beiden Füße 1233.
Die beiden Füße 1233 liegen
in einer gemeinsamen Ebene entlang der Bodenfläche 1223. Beide Füße 1233 sind
parallel zum Kopfabschnitt 1231. Zusätzlich umfasst der Bereich
des Schalenkerns 1220 zwei Schwanzabschnitte (Schwänze) 1234.
Jeder Schwanz 1234 erstreckt sich von den Außenkanten
der zwei Füße 1233.
Die Schnittrichtung der Schwänze 1234 verläuft senkrecht
zur Schnittrichtung der beiden Füße 1233.
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In einer exemplarischen Ausführungsform, wie
in der Schnittansicht in 14B ersichtlich,
besitzt der Kopfabschnitt 1231 des Schalenkerns 1220 eine
Breite von 0,200 Zoll, was dem Außendurchmesser des Mittelteils 1235 in 14A entspricht. Die zwei
Beine 1232 erstrecken sich im rechten Winkel vom Kopfabschnitt 1231 und
haben – gemessen von
der Deckfläche
zur Bodenfläche – eine bevorzugte
Höhe von
0,144 Zoll. Die zwei Beine 1232 bilden eine Seite eines
kreisförmigen
Rings, der eine Tiefe von 0,124 Zoll besitzt. Die beiden Füße 1233 erstrecken
sich von den zwei Beinen von einander weg. Jeder Fußabschnitt 1233 hat
eine bevorzugte Länge von
0,16675 Zoll, und zwar gemessen vom Außendurchmesser des Kerns zur
Innenseite der zwei Beine 1232. In dieser Ausführungsform
besitzt jeder Schwanz 1234 eine bevorzugte Länge von
0,144 Zoll und ist im Allgemeinen parallel zu den Beinen 1232. Die
Flächen
der Kopf- 1231, der Bein- 1232, der Fuß- 1233 und
der Schwanzabschnitte 1234 sind 0,02 Zoll dick.
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Die kreisförmige Rille wird durch die
Flächen der
Bein- 1232, Fuß- 1233 und
Schwanzabschnitte 1234 ausgebildet. In einer Ausführungsform
beträgt die
Tiefe der ringförmigen
Rille 0,124 Zoll. Jede der vier Eckkanten oder
Ausrundungen 1240 im Boden der ringförmigen Rille sollte einen Radius
von 0,015 Zoll aufweisen, wobei jede Biegung oder Ausrundung 1240 die
Form eines Viertelkreises mit diesem Radius haben sollte. Die Schwanzabschnitte 1234 sind bevorzugt
0,144 Zoll hoch.
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In einer anderen Ausführungsform
erstrecken sich die zwei Beine des Schalenkerns im rechten Winkel
vom Kopfabschnitt und haben – gemessen
von der Deckfläche
zur Bodenfläche – eine bevorzugte
Höhe von
0,174 Zoll. Die zwei Beine bilden eine Seite des kreisförmigen Rings,
der in dieser Ausführungsform
eine Tiefe von 0,154 Zoll aufweist. Jeder Schwanz ist bevorzugt
0,174 Zoll lang und verläuft
im Wesentlichen parallel zu den Beinen. In dieser Ausführungsform
haben die Flächen
der Kopf-, Bein-, Fuß-
und Schwanzabschnitte eine Dicke von 0,02 Zoll.
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Der Schalenkern 1220 besteht
vorzugsweise aus einem hochpermeablen Material wie Weicheisen, Gusseisen,
Transformator-Stahl oder einem beliebigen ähnlichen Material. Die relative
Permeabilität sollte
zumindest 10.000 betragen. Obwohl eine relative Permeabiliät von zumindest
10.000 nahegelegt wird, sind höhere
Werte erwünscht,
um die Leistung des Sensors zu verbessern. Ein bevorzugtes Material
wird auf dem Gebiet als HyMu „80"® bezeichnet, das
bei Carpenter Steel Company of New Jersey erhältlich ist.
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In einer Ausführungsform ist der Schalenkern 1220 durch
einen Bearbeitungsvorgang aus einem einzigen Metallstück ausgebildet.
Da der Bearbeitungsvorgang zu Veränderungen in den magnetischen
Eigenschaften des Kernmetalls führt,
sollte der Kern einem Glühvorgang
unterzogen werden, um seine Herstellung entsprechend abzuschließen. Nachdem
der Bearbeitungsvorgang vollendet ist, um den Schalenkern 1220 mit
den oben beschriebenen Spezifikationen auszubilden, sollte der Schalenkern 1220 gereinigt
werden, so dass sämtliche
Verschmutzungsstoffe wie Öl,
Fett, Lack und Wasser von der Kernoberfläche entfernt sind. Zusätzlich sollte
der Kern während
dem Glühverfahren
nicht Kohlenstoff, Schwefel oder Stickstoff ausgesetzt sein. Wenn
der Kern richtig gereinigt worden ist, wird er vorzugsweise in einer
sauerstofffreien, Trockenwasserstoff-Atmosphäre mit einem Taupunkt unter –40°C während dem
gesamten Stickstoff-Glühvorgang
geglüht.
Wenn hierbei eine Vielzahl von Kernen geglüht wird, sollte ein Isolierpulver
verwendet werden, um die Kerne davon abzuhalten, einander oder andere Objekte
zu berühren.
Bevorzugte Isolierpulver umfassen: Magnesium, Aluminiumoxid, reines
Keramikpapier oder ein äquivalentes
reines Keramikmaterial.
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Der Kern sollte für 7 – 8 h bei einer Temperatur
von 1.121° – 1.177°C geglüht werden.
Nach den 7 bis 8 h sollte der Kern im Ofen auf eine Temperatur von
etwa 593°C
abgekühlt
werden. Wenn der Kern auf 593°C
abgekühlt
worden ist, sollte er um einen Gradbereich zwischen 260 und 316°C pro Stunde
auf 371°C
abgekühlt
werden, und dann im Ofen gekühlt werden,
bis er Raumtemperatur erreicht.
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Wieder bezugnehmend auf die 13A und 13B, wird die Konstruktion des Näherungssensors 1200 an
dem Punkt fortgesetzt, wo eine Feder 1206, eine Unterlegscheibe 1207 und
eine Trägeranordnung 1208 jeweils
in das Gehäuse 1201 eingeführt worden
sind, um den Schalenkern 1220, die Spulenanordnung 1203 und
die Kabelschaltung 1204 in Position zu halten. Bei diesem
Schritt kann die Feder durch das Anbringen eines kalthärtenden
Klebers am zylindrischen Gestell 1205 befestigt werden.
Die Trägeranordnung 1208 umfasst
ein hohles zylindrisches Gehäuse
mit zwei Abschnitten, worin ein Leitabschnitt einen solchen Durchmesser
aufweist, dass er in die Bohrung der Feder 1206 und das
zylindrische Gestell 1205 eingeführt werden kann. Der Schwanzabschnitt
der Trägeranordnung 1208 besitzt
einen größeren Durchmesser,
so dass gleitbar in das Gehäuse 1201 eingeführt werden
kann und dennoch groß genug
ist, um eine Schulter auszubilden, die in das angrenzende Ende der
Feder 1206 eingreift. Wenn die Feder 1206, der
Dichtungsring 1207 und die Trägeranordnung 1208 in
das Gehäuse
eingeführt
worden sind, wird eine Verbindungsanordnung 1209 verwendet,
um die Öffnung
des Gehäuses 1201 dicht
zu verschließen
und die Anordnung zusammen mit der Feder 1206 halb zusammengedrückt zu halten.
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Wie in den 13A und 13B gezeigt
wird, umfasst die Verbindungsanordnung 1209 einen im Allgemeinen
zylindrischen Körper
mit einer Größe, dass
er in die Öffnung
des Gehäuses 1201 eingeführt werden
kann und um die Öffnung
des Gehäuses 1201 eine
luftundurchlässige
Dichtung ausbilden kann. Die Verbindungsanordnung 1209 besitzt
zumindest zwei interne elektronische Verbindungselemente 1211 und
zumindest eine externe elektronische Leiter 1210, um einen
elektronischen Kommunikationskanal zwischen dem Außenabschnitt
des Gehäuses 1201 und
den Leitern im Gehäuse 1201 zu erzeugen.
Die Verbindungsanordnung 1209 kann mit der Öffnung des
Gehäuses 1201 eine
Dichtung ausbilden, indem eine Gewindeoder mechanische Sperrvorrichtung
verwendet wird. Obwohl in dieser Ausführungsform Gewinde- und mechanische
Sperrvorrichtungen verwendet werden, kann eine beliebige mechanische
Vorrichtung oder Klebemittel eingesetzt werden, um zwischen der
Verbindungsanordnung 1209 und dem Gehäuse 1201 eine Dichtung auszubilden.
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Wie oben beschrieben wurde, werden
die verschiedenen Ausführungsformen
des Näherungssensors
dafür verwendet,
drei unterschiedliche Arten von Objekten zu detektieren. In einer
Betriebsart wird der Näherungssensor
zum Detektieren des Vorhandenseins von Objekten eingesetzt, die
ein Magnetfeld emittieren, wie z.B. magnetisch geladenes Eisen.
Wenn der Näherungssensor
in dieser Betriebsart verwendet wird, dient er als Sättigungskernsensor.
In einer anderen Betriebsart detektiert der Näherungssensor das Vorhandensein
permeabler Objekte, bekannt als ferromagnetische Metalle. Bei der Verwendung
in dieser zweiten Betriebsart dient der Näherungssensor als Variable-Reluktanz-Sensor.
In einer weiteren Betriebsart wird der Näherungssensor zum Detektieren
des Vorhandenseins von leitenden Metallen oder eisenlosen Objekten,
wie Aluminium, Kupfer, Messing oder andere derartige Materialien. Bei
dieser dritten Betriebsart wird der Näherungssensor als Wirbelstromverlustsensor
betrieben.
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Bezugnehmend auf 13A können
verschiedene Schaltungskonfigurationen (Box 1225), die
einen geschlossenen Kreislauf im Draht der Näherungssensors 1200 ausbilden,
dafür verwendet werden,
jede der obigen Betriebsarten umzusetzen. Jede oben mit Verweis
auf 3 beschriebene Schaltung
kann herangezogen werden, um die verschiedenen Betriebsarten des
Näherungssensors auszubilden.
Jede Schaltung z.B., die so konfiguriert ist, dass sie die Impedanz
misst, kann im Näherungssensor
verwendet werden. In dieser Ausführungsform
kann eine Schaltung dafür
eingesetzt werden, die Impedanz über
den Leiter im Kern zu messen, um letztendlich das Vorhandensein
eines Objekts zu detektieren.
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In einer weiteren Ausführungsform
kann in der Box 1225 in 13A ein
Wirbelstromauf-Neutralisieroszillator (ECKO, eddy current kill oscillator) ausgebildet
sein, um den Näherungssensor 1200 als Wirbelstromverlustsensor
betreiben zu können.
Wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, wird eine ECKO-Schaltung
im Allgemeinen als eine Oszillatorschaltung beschrieben, die mit
einer durch einen Tankkreis definierten Frequenz oszilliert. Ein
Beispiel einer ECKO-Schaltung ist im Handel von der MICRO SWITCH
Abteilung der Honeywell Corporation erhältlich.
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Der Tankkreis setzt sich aus einem
Sensor (Blindwiderstand und Widerstand), der parallel zu einem Kondensator
angeordnet ist, zusammen. Um die ECKO-Schaltung auf eine speziellen
Auslöspunkt zu
kalibrieren, wird ein Kalibrierwiderstand so eingestellt, dass er
mit der Eigenimpedanz des Tankkreises übereinstimmt, z.B. Z bei 0°-Phase. Solange
die Eigenimpedanz des Tanks über
der Impedanz des Kalibrierwiderstands liegt, schwingt die Schaltung. Wie
unten mit Verweis auf die 16 detaillierter
beschrieben wird, erhöhen
sich die realen Verluste, wenn sich ein Ziel dem Näherungssensor
bis über den
Auslöspunkt
nähert,
und der Oszillator stellt letztendlich seinen Betrieb ein.
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In einer weiteren Ausführungsform
kann die ECKO-Schaltung und der Näherungssensor 1200 mit speziellen
Komponenten ausgestattet sein, so dass er als Sättigungskernsensor (SCORE,
saturated core) betrieben werden kann. Diese Ausführungsform kann
als Wirbelstromverlust-Ganzmetallsensorschaltung (ECAMSTM,
eddy current loss all metal sensor) bezeichnet werden. Bei dieser
Ausführungsform
umfasst der Kondensator in der ECKO-Schaltung einen 1.800 Picofarad
Kondensator im Tankkreis. Diese Konfiguration führt dazu, dass der Tank bei
28 kHz oszilliert und das Ausmaß an
Varianz über
die Temperatur verringert wird, wodurch dem Näherungssensor höchste Empfindlichkeit
verliehen wird. Bei dieser Ausführungsform
kann die Spule 900 Windungen an 42-Gauge-Draht umfassen. Wie oben
beschrieben worden ist, ist das beim SCORE-Sensor verwendete Ziel
ein magnetisches Ziel.
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Eine andere Ausführungsform eines Näherungssensors 1500 mit
einem Schalenkern 1220 ist in den 15A und 15B dargestellt.
Die Ausführungsform
in den 15A und 15B umfasst im Allgemeinen
die Komponenten der in den 13A und 13B dargestellten Ausführungsform.
Genauer gesagt umfasst die Ausführungsform
der 15A und 15B ein Gehäuse 1501 mit
einer Abfühlfläche 1550 und eine
zylindrische Wand 1540, die im Wesentlichen senkrecht zur
Abfühlfläche 1550 ist.
Das Gehäuse 1501 umfasst
einen hohlen mittleren Innenraum der zylindrischen Wand 1540 und
eine Öffnung,
um verschiedene untenstehend beschriebene Komponenten einführen zu
können.
Wie in der 15B ersichtlich
ist, ist eine Isolatorschale 1502 gleitbar in die Öffnung des
Gehäuses 1501 eingeführt. Die
Konstruktion der Isolatorschale 1502 ist ähnlich aufgebaut
wie die der in den 13A und 13B dargestellten Ausführungsform,
mit der Ausnahme, dass die Isolatorschale 1502 größenmäßig so gestaltet
ist, dass sie ein elektronisches Isolationsschild zwischen dem Gehäuse 1501 und
einer Spulenanordnung 1503 ausbildet. Der Näherungssensor 1500 umfasst
zudem ein Federpolster 1504, das die Trägeranordnung 1508 in
Position hält.
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Ähnlich
wie in der Ausführungsform
der 13A und 13B umfasst die Spulenanordnung 1503 eine
Kunststoffhülse,
in der eine Vielzahl von Drahtwicklungen enthalten sind, wobei die
Spulenanordnung 1503 und die Drahtwicklungen so dimensioniert
sind, dass sie in den Hohlraum des Schalenkerns 1220 eingeführt werden
können.
Das Federkissen 1504 besteht aus Siliciumgummi, ist scheibenförmig ausgebildet
und größenmäßig so gestaltet,
dass es gleitbar in den Hohlraum des Schalenkerns 1220 eingeführt werden
kann. Das Federkissen 1504 dient als Klammer für die Spulenanordnung 1503,
so dass die Spulenanordnung 1503 innerhalb des Hohlraums des
Schalenkerns 1220 in einer arretierten Position befestigt
werden kann. Die Spulenanordnung 1503, das Federkissen 1504 und
der Schalenkern 1220 werden gleitbar in die Isolatorschale 1502,
die im Gehäuse 1501 angeordnet
ist, eingeführt.
Die Feder 1506 ist über
dem Schalenkern 1220 angebracht worden und kann mittels
eines kalthärtenden
Klebemittels am Schalenkern 1220 fixiert werden.
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Ähnlich
wie bei der Ausführungsform
in den 13A und 13B sind die Spulenanordnung 1503, das
Federkissen 1504 und der Schalenkern 1220 so gestaltet,
dass sie eine Drahtwicklung 1509 aufnehmen, die innerhalb
der Spulenanordnung 1503 eine Drahtspule mit etwa 900 Windungen
ausbildet, wobei die leitenden Enden der Drähte durch das Federkissen 1504,
den Schalenkern 1220 und letztlich durch einen Träger 1508 geführt werden
und schließlich
an eine Substratanordnung 1510 angeschlossen sind. Die
Trägeranordnung 1508 ist ähnlich konstruiert
wie die Trägeranordnung
in den 13A und 13B, umfasst jedoch einen
so großen
hohlen Innenraum, dass die Substratanordnung 1510 aufgenommen werden
kann.
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Die Substratanordnung 1510 kann
eine Schalttafel umfassen, um eine beliebige Art von Schaltkreis
aufnehmen zu können,
die in Verbindung mit dem Näherungssensor 1500 verwendet
werden kann. Der oben beschriebene elektronische Schaltkreis kann
auf der Substratanordnung 1510 ausgebildet sein, und der
Schaltkreis ist über
einen Leitersatz 1511 elektronisch mit dem Draht 1509 und
den externen Leitern 1515 verbunden. Die Substratanordnung 1510 ist
in die Trägeranordnung 1508 eingeführt und wird
durch ein Klebemittel in seiner Position gehalten. Die Verbindungsanordnung 1512 wird
dann an der Öffnung
des Gehäuses 1501 befestigt,
wodurch zwischen der Verbindungsanordnung 1512 und dem
Gehäuse 1501 eine
Dichtung ausgebildet wird.
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Wie untenstehend erklärt wird,
verursacht die Detektion eines Zielobjekts im Zustand der mit der
Spule gekoppelten Schaltung, wobei die Spule wiederum dafür eingesetzt
werden kann, eine Vorrichtung mit Energie zu beaufschlagen, einen
Schalter zu betätigen,
ein Signal auszusenden, etc. 16 zeigt
z.B. eine Ausführungsform
eines Näherungssensors 1200,
der als Sättigungskernsensor (SCORE)
zum Detektieren eines magnetischen Objekts 1251 verwendet
wird. Die dem Ziel zugewandte Fläche 1251 des
Näherungssensors
ist in Richtung eines magnetischen Objekts 901 gerichtet,
das ein Magnetfeld 902 erzeugt. Wenn sich das magnetische Objekt 901 zum
Näherungssensor 1200 hin
bewegt, wird ein Punkt erreicht, an dem die Flusslinien 902 in den
Kern 1220 einzutreten beginnen und dem Kern als Weg des
geringsten Widerstands folgen. Wird der Näherungssensor 1200 tiefer
in das Magnetfeld bewegt, beginnt der Kern 1220 auf das
Magnetfeld zu reagieren, wodurch der Impedanzwert der Drahtspulen 1275 verändert wird,
die in der ringförmigen
Rille des Schalenkerns 1220 angeordnet sind. Der Schalenkern 1220 erreicht
schließlich
ein Sättigungsniveau,
bei dem der Impedanzwert der Spule deutlich auf den veränderten
Zustand des Schalenkerns 1220 reagiert. Diese Reaktion
im Blindwiderstandswert in Bezug auf das Sättigungsniveau ist in 17 dargestellt.
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17 ist
eine graphische Darstellung des Spulenblindwiderstands gegenüber dem
Abstand zwischen dem magnetischen Objekt 901 und dem Näherungssensor 1200.
Wie durch die Linie 910 veranschaulicht ist, beginnt sich
der Kern zu sättigen, wenn
das magnetische Objekt 901 einen Abstand von etwa 0,3 Zoll
(angezeigt durch Punkt A) erreicht. Von diesem Abstand von 0,3 Zoll
an sinkt die Impedanz, wenn das magnetische Objekt 901 in
Richtung des Näherungssensors 1200 bewegt
wird, deutlich, da sich der Schalenkern zu sättigen beginnt. Wenn sich der
Schalenkern sättigt,
fällt die
Impedanz der Spule rapide von einem relativ hohen Wert, der im Wesentlichen
eine Null-Sättigung
repräsentiert,
auf einen relativ niedrigen Wert, der für eine im Wesentlichen vollständige Sättigung
des Schalenkerns steht. Das „keine
Sättigung" Blindwiderstandsniveau wird
durch den oberen horizontalen Abschnitt der Blindwiderstandskurve 910 in 17 wiedergegeben, und das „vollständige Sättigung" Blindwiderstandsniveau
wird durch den unteren horizontalen Abschnitt der Kurve 910 repräsentiert.
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Durch das Messen der Impedanzniveaus
in den Spulen kann das Vorhandensein eines magnetischen Objekts
detektiert werden. Die physikalischen Dimensionen des Kerns bestimmen,
wann der Kern seine magnetische Sättigung erreicht. Die einzigartige
Gestalt der vorliegenden Erfindung sieht eine optimale Leistung
eines Sättigungskern-Näherungssensors
vor, wie sie in der graphischen Darstellung in 17 veranschaulicht ist. Durch die einzigartige Gestalt
und die Dimensionen des Schalenkerns sättigt sich der Schalenkern
bei größerem Abstand
von der Magnetfeldquelle als herkömmliche Kerne nach dem Stand
der Technik mit gleicher Größe.
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Wenn der Näherungssensor 1200 als
Variable-Reluktanz-Sensor verwendet wird, unterscheidet sich die
Konfiguration des Näherungssensors 1200 etwas
von der in 16 dargestellten
Konfiguration. In einem Beispiel kann ein Näherungssensor als Variable-Reluktanz-Sensor
ausgebildet sein, um ein permeables Ziel abzufühlen. 18 zeigt eine Vorrichtung 1800 mit
einem Näherungssensor 1200,
der sich nahe einem permeablen Ziel 908 befindet. Wenn der
Näherungssensor 1200 als
Variable-Reluktanz-Sensor betrieben wird, erzeugt der Näherungssensor 1200,
wie durch die Flusslinien 903 ersichtlich ist, ein alternierendes
Magnetfeld.
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Um das Vorhandensein von permeablem Material
zu detektieren, wird eine externe Wechselstromquelle verwendet,
um die Spulen 1276 des Näherungssensors 1200 anzusteuern.
Wenn das permeable Ziel 908 in das Magnetfeld des Näherungssensors 1200 bewegt
wird, verändert
sich der magnetische Widerstand zwischen dem permeablen Ziel 908 und
dem Näherungssensor 1200.
Diese magnetische Widerstandsveränderung
erhöht
den Blindwiderstand der Abfühlspulen 1276.
Dadurch kann eine Blindwiderstandsmessschaltung, wie z.B. eine der oben
beschriebenen Schaltungen, verwendet werden, um das Vorhandensein
des permeablen Ziels 908 zu detektieren.
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19 ist
eine graphische Darstellung der Spulenempfindlichkeit als Funktion
des Abstands zwischen dem permeablen Ziel 908 und dem Näherungssensor 1200.
Die Empfindlichkeit des Näherungssensors 1200 wird
in Mikrohenry pro Mil gemessen. Wenn das leitende Ziel 908z.B.
um ein Mil bewegt wird und der Abstand zwischen dem Näherungssensor 1200 und
dem Ziel 908 0,060 Zoll beträgt, verändert sich der Blindwiderstand
der Spulen um etwa 19 Mikrohenry (wie durch Punkt B angezeigt).
Wenn das permeable Ziel 908 0,04 Zoll vom Näherungssensor 1200 entfernt
ist und sich um ein Mil bewegt, verändert sich der Blindwiderstand
der Spulen um etwa 28,6 Mikrohenry (wie durch Punkt C angedeutet).
Die Empfindlichkeit des Näherungssensors 1200 nimmt
exponential zu, wenn das permeable Ziel 908 in Richtung
des Näherungssensors 1200 bewegt
wird. In dieser Konfiguration wird der Spulenblindwiderstand erhöht, wenn
das permeable Ziel 908 in Richtung des Näherungssensors 1200 bewegt wird.
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Wenn der Näherungssensor als Wirbelstromverlustsensor
zum Detektieren leitender Ziel verwendet wird, ist der Näherungssensor 1200 ähnlich konfiguriert
wie bei dem veranschaulichten und oben beschriebenen Variable-Reluktanz-Sensor.
Der Blindwiderstand der Spulen reagiert jedoch auf die leitenden
Ziele, im Vergleich zu den permeablen Zielen, anders.
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Der in 18 gezeigte
Näherungssensor 1200 wird
auch für
die Beschreibung der Wirbelstromkonfiguration verwendet, wobei lediglich
das Ziel 908 nun aus einem leitenden, nicht-permeablen Ziel
wie Aluminium oder Kupfer besteht. Wenn das leitende Ziel 908 in
das Magnetfeld 903 des Näherungssensors 1200 bewegt
wird, unterbricht das leitende Ziel 908 einen Bereich des
Magnetfelds 903, das durch den der Spule 1276 zugeführten Wechselstrom
erzeugt wird. Diese Unterbrechung des Magnetfelds 903 führt zu Wirbelströmen im leitenden
Ziel 908, die zeitweise (90 Grad) außer Phase mit der Stromquelle
sind. Diese Wirbelströme
verursachen wiederum zwei Dinge: sie verbrauchen Energie innerhalb
des Leiters als Wärme,
und sie erzeugen ein weiteres Magnetfeld. Das durch die Wirbelströme im leitenden
Ziel 908 geschaffene Magnetfeld widersetzt sich dem Quellenmagnetfeld 903,
wodurch schließlich
zusätzliche
Ströme
in den Sensorspulen erzeugt werden. Wenn das leitende Ziel 908 also
in das Quellenmagnetfeld 903 eindringt, wird der Strom in
den Spulen erhöht.
Diese Reaktion im Stromniveau wird durch einen elektronischen Schaltkreis
detektiert, der den Blindwiderstand über die Spule misst. Wenn das
leitende Ziel 908 in Richtung des Näherungssensors 1200 bewegt
wird, sinkt der Blindwiderstand der Spulen, wodurch das Vorhandensein
des leitenden Ziels 908 angedeutet wird.
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Wie bei der Ausführungsform, bei der der Näherungssensor
als Sättigungskernsensor
verwendet wird, bestimmen die physikalischen Dimensionen des Kerns
zusammen mit den Dimensionen und der Konfiguration der Spule die Fähigkeit
des Sensors, Ziele in einem optimalen Abstand zu detektieren. Die einzigartige
Gestalt jedes oben offenbarten und beschriebenen Kerns sowie die
Anordnung der Spulen stellen einen Variable-Reluktanz- und einen
Wirbelstromverlust-Näherungssensor
bereit, die die in den obigen graphischen Darstellungen beschriebene Leistung
aufweisen. Aufgrund der einzigartigen Gestalt und den Dimensionen
der oben beschriebenen Kerne kann ein Näherungssensor Veränderungen
im Quellenmagnetfeld in einem größeren Abstand
vom Näherungssensor
detektieren als dies herkömmliche Kerne
gleicher Größe können.
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Obwohl die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, wird anerkannt
werden, dass verschiedene Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne dabei den Schutzumfang der Ansprüche zu überschreiten.