DE102004051470A1

DE102004051470A1 - Kraftbetätigtes Fenster und Tür mit Einklemmschutz

Info

Publication number: DE102004051470A1
Application number: DE102004051470A
Authority: DE
Inventors: Matthias Knapp
Original assignee: REXTRON GmbH
Current assignee: REXTRON GmbH
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Ein kraftbetätigtes Fenster 1 oder eine Tür (Figur 24) ist mit einer Schutzvorrichtung 11 gegen das Einklemmen eines Körpers 9 versehen. Die Schutzvorrichtung 11 weist einen kapazitiven Annäherungssensor auf, der von einem elektrisch leitenden Bauteil gebildet wird. Das Bauteil ist entweder das Fenster oder die Tür, Bestandteil des Fensters oder der Tür oder steht mit dem Fenster oder der Tür in Wirkverbindung. Ein Schließvorgang des Fensters oder der Tür wird unterbrochen, wenn der Körper dem Fenster nahe kommt oder es berührt. DOLLAR A Als Vorteil ergibt sich, dass der Gefährdungsschutz unabhängig von der Komplexität, Größe und Geometrie des Fensters oder der Tür ohne weitere Einstellmaßnahmen an der Schutzvorrichtung eingesetzt werden kann. Die Schutzvorrichtung soll gleichfalls bei Anbauteilen, wie zum Beispiel Griff, Scharnier, Schloss, Scherengetriebe etc., wirken. DOLLAR A Es ist gleichfalls eine elektronische Schaltung angegeben, die in Verbindung mit der Schutzvorrichtung eingesetzt werden kann. DOLLAR A Optional können parasitäre Störungseinflüsse durch ein Motorfilter 14 kompensiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kraftbetätigtes Fenster mit einer Schutzvorrichtung gegen das Einklemmen eines Körpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine kraftbetätigte Tür mit einer Schutzvorrichtung gegen das Einklemmen eines Körpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In modernen Gebäuden werden sowohl im privat als auch im gewerblich genutzten Bereich (Wohn-, Zweck- und Objektgebäude) zunehmend kraftbetätigte Fenster, Türen und Tore eingebaut.
Als Antriebe dienen in der Regel elektrisch betriebene Motoren. Die Motoren werden dabei mit Spannungen von 230 V AC oder auch 24 DC betrieben.
Dadurch, dass die Fenster, Tore und Türen motorisch bewegt werden können, lassen sie sich nicht nur manuell Vor-Ort bedienen, z.B. durch einen in der Nähe angebrachten Schalter, sondern auch über eine Automatik fernsteuern.
Solche automatisierten Vorgänge mit Fenstern sind beispielshaft:

• automatisches Schließen der Fenster einer Gehäusefront, wenn ein Windsensor (Windrad) auf dem Dach zu starken Wind meldet
• automatisches Schließen von Fenstern, wenn ein Temperatursensor eine zu niedrige Außentemperatur meldet und so eine zu starke Abkühlung des Raumes verhindert
• automatisches Schließen eines geöffneten Fensters, wenn ein Bewegungsmelder die Annäherung von Personenan an das Gebäude meldet (präventiver Einbruchschutz)
• In Verbindung mit der Heizung werden offenstehende Fenster und Türen geschlossen, wenn die Heizung hochgefahren wird.
• in Verbindung mit einer automatischen Nachtauskühlung, wenn in einem Gebäude nachts die Fenster geöffnet werden, damit das Gebäude durch natürliche Lüftung innen gekühlt wird und morgens erst später die Klimaanlage einschaltet (Energiespareffekt)

Eine Fernsteuerung ist aber auch manuell möglich, z.B.

• in Wohngebäuden, wenn beim Verlasssen des Hauses durch das Abschließen der Eingangstür automatisch alle Fenster und Türen (etwa von Wintergärten) geschlossen werden.
• oder wenn per Knopfdruck der Hausmeister eines Gebäudes in der Zentrale die Fenster einer Gebäudeseite schließt, weil die Fensterputzer ihre Arbeit aufnehmen wollen.

Desweiteren können Fenster auch von Positionen aus gesteuert werden, von denen die bedienende Person das Fenster nicht einsehen kann, etwa wenn mehrere Fenster in einem größeren Raum oder einer Halle vorhanden sind, die von einer Stelle gemeinsam bedient werden.
Obwohl der Einsatz kraftbetätigter Fenster viele Vorteile bietet, haftet ihnen aber auch ein Nachteil insbesondere beim Automatikbetrieb an, was auch gleichermaßen für Türen gilt.
Die vorstehenden Beispiele haben eines gemeinsam, nämlich dass das Fenster oder die Tür sich bewegt, ohne dass eine Person, die sich in der Nähe des Fensters befindet oder gar die Hände zwischen Fensterflügel und Rahmen hält, Einfluss auf den Start und Verlauf des Bewegungsvorganges des Fensters hat. Durch ein kraftbetätigtes Fenster besteht also eine Verletzungsgefahr für Personen.
Es entstehen je nach Bauart eines Fensters Quetsch- oder Scherstellen zwischen Fensterflügel und Rahmen. Damit besteht insbesondere an Fingern und Händen die Gefahr von Verletzungen wie Prellungen, Quetschungen und mitunter auch Brüchen.
Eine Verletzungsgefahr für Personen besteht auch analog bei kraftbetätigten Türen.
Von zwei konstruktiven Gegebenheiten gehen Gefahren aus. Sie sind als Quetsch- und Scherkanten ausgeführt:

– Schließkanten an Flügel (beweglicher Teil eines Fensters oder Tür) und Blendrahmen (Teil, der den Bauanschluss herstellt), u.U. als Mehrfachfalz ausgeführt, die beim Schließen ineinander greifen oder sich parallel aufeinander zu bewegen.
– Mechanische Hilfsteile, Scharniere, Schließbolzen, Scheren, Fangscheren, Stabilisatoren, Bänder, Ketten von Motoren usw. = Fenster- oder Türbeschläge. Bei der Fenster- und Türbewegung entstehen Kanten und Bewegungen wie bei einer klassischen Schere oder Beißzange.

Genau genommen geht von sich gegenüberliegenden Schließkanten (Schließkanten-Paar), wie beim Schraubstock, die Gefahr aus. Im folgenden ist mit "Schließkante" in Bezug auf die Auswirkung immer das Schließkanten-Paar gemeint.
Die "gefährlichen Kanten" eines Fensters sind z.B. gegenüber eines Fensterhebers in einem PKW wegen der komplizierteren Geometrie weit aus schwieriger abzusichern.
Der Fensterheber hat lediglich glatte Kanten bei einer Stärke der Scheiben von einigen Millimetern. Bei Fenstern sind neben den Schließkanten auch Scheren, Antriebskette und weitere Beschlagsteile vorhanden, die eine Gefährdungspotenzial für Personen darstellen. Die Quetschgefahr besteht ausserdem erst kurz vor dem Schließen, wenn die gerade oder leicht gebogene Schließkante sich der Endposition nähert Im Gegensatz dazu, besteht an der Scherkante eines Fensters oder einer Tür immer die Gefahr, wann immer es/sie sich bewegt.

Es gibt zur Zeit auf dem Markt keine fensterintegrierte, technisch überzeugende, praktikable Lösung für den Einklemmschutz an Fenstern.

Falls unbedingt erforderlich, werden Lichtgitter oder Lichtschranken im Gefahrenbereich vor den Fenstern platziert, die die Fensterbewegung abschalten, wenn sich eine Person am Fenster befindet. Diese Lösungen sind in der Automations- und Anlagentechnik bekannt, etwa bei Pressen. Allerdings sind diese Lösungen teuer und für den Fenstermarkt unrentabel.

Als eine halbwegs praktikable Lösung für den Einklemmschutz bei Fenstern ist das Anbringen von elektrischen Schaltleisten wie sie auch bei Toren und Türen eingesetzt werden. Diese Schaltleisten (aus ein gummiartiges Material) haben im Inneren zwei elektrische Leiter, die beim Zusammendrücken einen elektrischen Kurzschluss erzeugen, der von einer Elektronik detektiert wird.

Diese Schaltleiste kann auch als Dichtung an den Schließkanten aufgebracht werden

Das Aufbringen von mechanischen Schaltleisten an die Schließkante bei Fenstern und Türen ist teilweise nicht einfach. So können diese bei manchen Fenstern und Türen nicht aufgeklebt werden, weil auf den Lackierungen der Kleber nicht haftet.

Diese Lösung hat weitere Nachteile:

• Die am Fenster immer vorhandenen Scheren und Gestänge zwischen Fensterrahmen und Fensterflügel bleiben ungeschützt
• In der Massenfertigung bereitet das wiederholgenaue Aufkleben der Leisten Probleme
• Optisch eine nicht unbedingt schöne Lösung. Auch die Optik von kraftbetätigten Fenstern (Motoren unsichtbar im Profil) und Türen spielt bei der Auswahl für Architekten eine nicht zu unterschätzende Rolle

Eine weitere theoretische Methode für einen Einklemmschutz könnte die Strommessung des Motors sein, der bei Zunahme der Last (z.B. wenn etwas eingeklemmt wird) einen höheren Strom zieht.

Dieses Verfahren funktioniert wohl bei Fensterhebern in PKWs, versagt aber bei Fenstern und Türen.

Hier wirkt wegen der großen Übersetzung an den gefährlich sich nähernden Schließkanten ein hohes Drehmoment (man denke einmal an ein Drehkippfenster, wenn es in Kippstellung zugefahren wird). Eine Laständerung, wenn jemand z.B. einen Finger oder Bleistift zwischen die Schließkanten steckt, bewirkt eine Stromänderung, die überhaupt nicht zu detektieren ist, aber der Finger ist ab.

Es steht auch zur Diskussion, das Gefährdungspotenzial durch eine Verlangsamung der Flügelbewegung zu reduzieren, was lediglich den Gefährdungszeitraum verlängert, aber keinen zuverlässigen Schutz bietet. Ein solches Verfahren wird möglicherweise nicht angewendet werden können, da dieses wohl nicht in Einklang mit der EU-Maschinenrichtlinie zu bringen sein wird.

Es gibt zur Zeit in Deutschland keine Vorschrift, die genau sagt, wie der Gefährdung eines kraftbetätigten Fensters zu begegnen ist.

Aus BGR 232, Berufsgenossenschaftliche Regeln (BG-Regeln) April 1089, Aktualisierte Fassung 2003 Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik sind beruftsgenossenschaftliche Regeln über kraftbetätigte Fenster, Türen und Tore bekannt. Dort wird beispielsweise verlangt, dass Quetsch- und Scherstellen bis zu einer Höhe von 2,50 m durch Einrichtungen gesichert sind.

Außerdem hat sich der ZVEI mit dem Thema Kraftbetätigte Fenster befasst und den sicherheitstechnischen Kenntnisstand in der Dokumentation „Broschüre RWA aktuell, Kraftbetätigte Fenster ZVEI – Fachkreis elektromotorisch betriebene Rauch- und Wärmeabzugsanlagen zusammengefasst.

Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Fenster oder eine Tür der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass der Gefährdungsschutz unabhängig von der Komplexität, Größe und Geometrie des Fensters bzw. der Tür ohne weitere Einstellmaßnahmen an der Schutzvorrichtung eingesetzt werden kann. Die Schutzvorrichtung soll gleichfalls bei Anbauteilen, wie zum Beispiel Griff, Scharnier, Schloss, Scherengetriebe etc. wirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schutzvorrichtung einen kapazitiven Annäherungssensor aufweist, der von einem elektrisch leitenden Bauteil gebildet wird, welches Bestandteil des Fensters oder der Tür ist oder mit dem Fenster bzw. der Tür in Wirkverbindung steht und mittels dem ein Schließvorgang unterbrochen wird, wenn der Körper dem Fenster nahe kommt oder es berührt.

Durch diese Maßnahme wird ein wesentliches Hindernis bei der Verbreitung automatisch gesteuerter Fenster- und Türeinheiten beseitigt: Die mögliche Personengefährdung durch Quetschgefahr an den Schließkanten zwischen Flügel und Rahmen zu einem vertretbaren Preis. Die Kostenreduktion gegenüber einer herkömmlichen Lösung mit Lichtschranke liegt im Bereich von 65 Prozent.

Zur Realisierung der Ziele der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 entwickelt worden. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren.
Es zeigen:
1 Ein Übersichtbild zur Erfindung
2 Relevante ohmsch-kapazitive Verhältnisse für die Erfindung
3 Zusammenfassen von Sensor und Objekt zur Last
4 Ersatzschaltbild mit Last als Spannungsteiler für die Objekterkennung
5 Amplitudenverlauf von U_M über die Lastkapazität C_L für unterschiedliche R_L
6 Verlauf der Spannungen U_M und U_REF bei Änderung von C_L und R_L
7 Verlauf der Phasenverschiebung zwischen U_M und U_Ref bei Änderung von C_L und R_L
8 Aufbereitung der Messgrößen
9 Ausgangssignale der Komparatoren
10 Exklusiv-Oder-Verknüpfung als Phasendetektor
11 Erweiterte Schaltungsanordnung mit Phasenschieber im Referenzpfad
12 Referenz- und Messsignal mit dem geschobenen Referenzsignal
13 Ausgangssignale des Flip-Flops bei Phasenschiebung
14 Komplette Schaltungsanordnung mit zwei Phasenschiebern
15 Phasenverschiebung für die Grundlast mit Verschiebung bei Änderung
16 Phasenrauschen bei kleiner Amplitude von U_D
17 Phasenrauschen bei großer Amplitude von U_D
18 Komponenten einer Fenstersteuerung
19 Kraftbetätigtes Fenster besitzt Gefährdungspotenzial für Personen
20 Beispiel für die Integration des Einklemmschutz-Moduls in die Fenstersteuerung
21 Aufbau der Hardware des Einklemmschutz-Moduls
22 Erweiterung um ein Motorfilter
23 Aufbau eines Motorfilters
24 Beispiel für die Integration des Einklemmschutz-Moduls in die Fenstersteuerung zur Erläuterung der Zusammenfassung
18 zeigt beispielhaft die Ausführung einer Fenstersteuerung:
Es ist das kraftbetätigte Fenster 1 mit dem Antriebsmotor M, der sich im oder auf dem Fensterrahmen 3 befindet, zu sehen. Über eine Kette, einem Seilzug o.ä. wird dann ein Flügel 5 geöffnet oder geschlossen. Der Motor M ist über die Motorleitung an ein Motorsteuergerät 7 angeschlossen.
Die Steuerbefehle zum Öffnen oder Schließen des Fensters 1 werden über einen Befehlsgeber 4 ausgelöst. Dieses kann ein einfacher Schalter sein, manuell betätigt in der Nähe des Fensters oder aber Schaltkontakte, gesteuert von einer Automatik. Es ist auch möglich, dass in Gebäuden mit Gebäudeleittechnik, die Steuerbefehle über einen Gebäudebus (z.B. EIB) zum Motorsteuergerät übertragen werden. Wird das Fenster 1 in der 18 durch eine Tür ersetzt, dann ergibt sich beispielhaft die Ausführung einer Türsteuerung.
Die folgenden Beschreibungen für 19 und 20 gilt sinngemäß auch für Türen.
Die Darstellung von 18 ist in 19 um eine Person 9 ergänzt worden, deren Finger z.B. zwischen die Schließkanten des Fensters geraten könnten.
In der Darstellung von 20 ist in die Motorsteuerung ein Einklemmschutz-Modul 11 beispielhaft integriert worden.
Das Einklemmschutz-Modul 11 wird quasi zwischen Motorsteuergerät 7 und Motor M geschaltet und ist in der Lage, den Motorstrom über einen Schaltkontakt abzuschalten und damit die Schließbewegung zu stoppen.
Wegen der Selbsthemmung des Fensters 1 kommt es übrigens zu keinem "Nachlauf" des Fensterflügels 5, wenn der Motorstrom abgeschaltet wird.
Weiter wird das Fenster 1 über eine Sensorleitung 13 an das Einklemmschutz-Modul 11 angeschlossen. Der Sensoranschluss MA stellt eine dauerhaft leitende Verbindung dar.
Dieser Sensorsanschluss MA kann z.B. durch einen in der Fenstertechnik gebräuchlichen Nutenstein erfolgen, der in eine Nut des Fensterrahmens 3 eingeschoben und durch eine Schraube fixiert und festgezogen wird.
Die Sensorleitung 13 besteht aus einer handelsüblichen, einadrigen isolierten Leitung mit einem Querschnitt von ca. 1 bis 1,5 qmm.
Die Versorgung des Einklemmschutz-Moduls 11 kann über Netz AC 230 V oder einer anderen Spannung erfolgen, je nach Ausführung des Netzteiles innerhalb des Gerätes.
Durch den Anschluss der Sensorleitung 13 an das Fenster 1 wird das Fenster 1 aus Sicht des Einklemmschutz-Moduls 11 zum Sensor, die Person 9 zum Objekt oder Körper, welcher bei Berührung des Fensters 1 erkannt wird.
Berührt nun die Person 9 das Fenster 1, dann wird eine Schließbewegung des Fensters 1 sofort gestoppt oder gar nicht erst zugelassen.
Die folgende Zusammenstellung listet mögliche Geräteausführungen für das Einklemmschutz-Modul auf:

• als Auf-Putz-Gerät, z.B. zum Anschrauben an die Wand oder Zwischendecke
• als Unter-Putz-Gerät, z.B. zum Einbau in handelsübliche Schalterdosen
• als Reiheneinbaugerät für die Montage auf Hutschienen, z.B. in den Einbau in Elektroverteilern
• als Einbaugerät für den Einbau in das Fensterprofil
• als Einbaugerät, z.B. für die Montage in Kabelkanälen
• als Gerät in einem Gehäuse, welches in eine handelsübliche Steckdose gesteckt werden kann
• auch ist es möglich, die Funktionen des Einklemmschutz-Moduls und des Motorsteuergerätes in einem Gerät zu integrieren.

Das Einklemmschutz-Modul 11 kann eingesetzt werden:

• in Neubauten
• in der Nachrüstung bei der Renovierung

Beispiele für Fenster sind:

• Drehfenster
• Kippfenster
• Dreh-Kippfenster
• Dreh-/Drehstulpfenster
• Dreh-Kipp-/Drehstulpfenster
• Kipp-vor-Dreh-Fenster
• Oberlichtfenster
• Oberlichtfenster und zusätzlich Dreh-, Kipp-, oder Kipp-vor-Dreh-Fenster
• Klappfenster
• Senk-Klappfenster
• Schwing-Wendefenster
• Schwingflügel-Fenster
• Wendeflügel-Fenster
• Schiebefenster vertikal und horizontal
• Schiebe-Drehfenster
• Rundbogenfenster
• Rundfenster
• Schräg-Fenster
• Lamellenfenster
• Ausstellfenster
• Parallel-Ausstellfenster
• Parallel-Einstellfenster
• Dachflächenfenster
• Dachflächenfenster mit Drehfenster
• Stulpfenster
• Kastenfenster
• Verbundfenster

Beispiele für Türen sind:

• Drehtüren
• Dreh-Kipptüren
• Doppeltüren ohne Zwischenpfosten
• Doppeltüren mit Zwischenpfosten
• Schiebtüren
• Falt-Schiebetüren
• Karusseltüren

Wie es in der 1 gezeigt ist, ist die Objekterkennung über die Sensorleitung 13 und den Sensoranschluss MA mit dem metallenen Sensor leitend verbunden. Die Objekterkennung kann nun detektieren, ob ein Objekt, z.B. eine Person, den Sensor berührt oder nicht berührt.
Die Erfindung findet primär praktische Anwendung in einem elektrischen Gerät, welches die gefahrbringende Bewegung eines kraftbetätigten Fensters stoppt, wenn eine Person (das Objekt) das Fenster (den Sensor) berührt.
Das vorliegende Verfahren für den Einklemmschutz kann bei Fenstern oder Türen aus Aluminium oder Stahl, Kunststoff, Holz oder anderen Materialien angewendet werden.
Besteht das Fenster bzw. die Tür aus Aluminium oder Stahl, dann wird der Sensor vom gesamten Fenster bzw. der gesamten Tür gebildet. Besteht das Fenster oder die Tür aus einem anderen, nicht-leitfähigen Material (z.B. Holz, Kunststoff), muss ein leitfähiges Material als Sensor an den gefährlichen Stellen vorhanden sein. Dieses leitfähige Material wird dann mit der Sensorleitung verbunden. Diese Materialien können leitfähige Dichtungen, leitfähige Lacküberzüge, metallisierte Glasscheiben, Abdeckleisten o.a. sein.
Bei der Anwendung handelt sich also um einen Einklemmschutz für kraftbetätigte Fenster oder für kraftbetätigte Türen. Das Gerät, welches den Einklemmschutz bewirkt, wird als Einklemmschutz-Modul bezeichnet.
Die Reaktion des Gerätes auf ein erkanntes Objekt (eine Person berührt das Fenster oder die Tür) kann verschieden sein: Insgesamt soll ja die gefahrbringende Bewegung des sich bewegenden Teils unterbunden werden. Dies kann durch sofortiges Stoppen erfolgen oder aber auch durch eine anschließende Umkehr- oder Reversierbewegung (Öffnen des Fensters) oder ein Auslösen eines Signales oder anderes. Die Reaktion des Gerätes kann also variieren und ist für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung.
Als elektrisch-physikalisches Grundprinzip wird die kapazitive Kopplung zwischen Objekt (Person) und Sensor (Fenster) ausgenutzt. Dieses bietet für die Anwendung äußerst praktische Vorteile hinsichtlich der Anforderungen an die Sensorleitung und dessen Montage am Sensor, ausserdem ist sie universell einsetzbar.
Der Sensor muss lediglich mit einem Draht (einadriger Leiter) mit der Objekterfassung verbunden werden.
Die Sensorleitung besteht aus einer handelsüblichen, einadrigen isolierten Leitung mit einem Querschnitt von ca. 1 bis 1,5 qmm. Weitergehende mechanische Arbeiten entfallen.
Dieser Sensoranschluss kann z.B. durch einen in der Fenstertechnik gebräuchlichen Nutenstein erfolgen, der in eine Nut des Fensterflüges eingeschoben und durch eine Schraube fixiert und festgezogen wird.
Insgesamt sind diese Arbeiten einfach nach Schema auszuführen und für den Fensterbauer bei der Fertigung von Fenstern leicht und wiederholgenau beherrschbar (der Fensterbauer ist kein Feinmechaniker; für ihn sind praktische Lösungen gefragt).
Die relevanten ohmsch-kapazitiven Verhältnisse sind in 2 dargestellt.
Sie zeigt, dass der Sensor über C_O und R_O ohmsch-kapazitiv mit der Umgebung gekoppelt ist. C_O und R_O stehen für die Grundlasten der Objekterkennung, die sich aus Umgebung und Montagebedingungen des Sensors ergeben und die -bedenkt man z.B. den wechselnden Einfluss der Witterung (Feuchtigkeit)- nicht konstant sein müssen.
Das Objekt (die Person) kann, muss aber nicht galvanisch mit Schutzerde PE oder Sensor verbunden sein. Allgemein können ohmsch-kapazitive Kopplungen zur Schutzerde (C_P und R_P) und zum Sensor (C_E und R_E) angenommen werden.
In der Objekterkennung von 3 sind für die aktuellen Betrachtungen zusätzlich eine Koppelkapazität C_K und eine Prüfsignalquelle U_REF ergänzt.
Die Koppelkapazität kann zur Abtrennung von Fremdpotenzial und zum Schutz von Personen vor Ableitströmen bei Defekt im Gerät vorgesehen werden. Die Prüfsignalquelle G_REF erzeugt ein für die Objekterkennung erforderliches Prüfsignal.
Die Objekterkennung "sieht" also sensorseitig

• die Belastung R_O/C_O, wenn nur der Sensor vorhanden ist und kein Objekt zusätzlich
• die Belastungen R_P/C_P, R_E/C_E und R_O/C_O, wenn eine Person berührt.

Hieraus lässt sich ableiten, dass aus der Differenz der Lastverhältnisse, also der Laständerung, ein Objekt erkannt werden kann.
Die Größen, deren Änderungen für die Objekterkennung von Interesse sind, wären also R_P/C_P und R_E/C_E. Wirksam sind außerdem R_O/C_O.
Da es für die Objekterkennung unerheblich ist, welcher kapazitive bzw. ohm'sche Lastteil sich verändert, werden die Kapazitäten R_P/C_P, R_E/C_E und R_O/C_O zu R_L und C_L zusammengefasst (siehe 3).
Wie bereits erwähnt ist R_L wegen der hohen Streuung je nach Anwendung und der Zeitvarianz eher als Stör- denn als Messgröße zu betrachten. Der Einfluss der ohm'schen und der kapazitiven Lastkomponente wird weiter unten untersucht.

• Die Objekterkennung bietet nun ein geeignetes praktisches Verfahren und eine geeignete Messmethode zur Erfassung der Laständerungen. Sie ist in der Lage, kleine Änderungen von C_L über einen möglichst großen Bereich sicher zu erkennen und das weitestgehend unempfindlich gegenüber der absoluten Größe (den tatsächlichen Wert der Belastung) und eventueller Schwankungen von R_L.

Im folgenden werden die Verhältnisse in ein Modell mit Lastkapazität C_L als Element eines Spannungsteilers umgesetzt. Dabei ist in 4 ein Ersatzschaltbild des Sensors und des Objektes als Last R_L/C_L mit einem Messwiderstand R_M und einer Prüfsignalquelle G_REF dargestellt.
Die Lastkapazität C_L ist als masseseitiges Element eines ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers dargestellt. Damit ändern sich Betrag und Phase einer Wechselspannung U_M über C_L und R_L in Abhängigkeit von C_L, R_L und einem (bekannten) Wert des zusätzlichen Widerstands R_M.
Anwendungsbezogen hat R_M übrigens den Vorteil, gleichzeitig als Strombegrenzung für das Prüfsignal zu wirken: Für R_L = 0 (Erdschluss der Messleitung) ist also keine Beschädigung des Prüfsignalgenerators zu befürchten.
Wählt man die Koppelkapazität C_K (siehe 2) zwischen Messsystem und Sensor ausreichend groß, so kann deren Wirkung vernachlässigt werden (fehlt deshalb in 4). Die (parasitären) Grundlasten, die sich aus den räumlichen Verhältnissen um den Sensor und dessen Montage ergeben, lassen sich mit dem zu detektierenden Objekt zu R_L, C_L zusammenfassen.
Die Messspannung U_M ergibt sich in 4 zu:
Gleichung 2 ergibt sich durch Kürzen von R_L in Gleichung 1.
Im folgenden Kapitel wird die erfundene Messmethode dargestellt, zunächst aber auf den Stand der Technik verwiesen.
Die übliche Auswertung der Messspannung erfolgt üblicherweise durch Gleichrichten, Glätten und Vergleichen mit einem (wie auch immer) ermittelten Schwellwert.
In 5 ist der Amplitudenverlauf der Messspannung U_M über die Lastkapazität C_L für unterschiedliche R_L aufgetragen.
Die Amplitudenänderung ist also das Maß für die Änderung der Last (je kleiner die Last, desto größer die Amplitude).
Für das Prüfsignal in 5 wurde eine Referenzspannung U_REF mit einer Frequenz von f = 120 kHz und einer Amplitude von Ȃ = 1,0 V angenommen. Der Messwiderstand R_M ist mit 10 kΩ angesetzt.
Die Auswertung der Amplitude von der Messspannung U_M ist in der praktischen Realisierung und der Auswertegenauigkeit mit einigen Nachteilen behaftet, die die Verwendung der Methode in vielen Fällen ausschließen und unbrauchbar machen:

• Erhebliche Abhängigkeit von R_L, wenn R_L < 3 R_M.
• Problematisch bei Anwendungen, die z.B. mit feuchtigkeitsbedingten Schwankungen von R_L verbunden sind.
• Sehr geringe Änderungen der Amplitude, insbesondere für R_L < R_M oder kapazitive Grundlasten größer 200 pF.
• Für metallische Objekte, die montagebedingt eine im Vergleich zur Kapazitätsänderung im Berührungsfall große Grundlast darstellen, steigt die Wahrscheinlichkeit störungs- oder driftbedingter Fehlmessungen überproportional. Diese können als Sensor kaum verwendet werden.

Diese Methode der Amplitudenauswertung ist für die Erfassung der Laständerungen für den vorliegenden Fall im praktischen Einsatz deshalb nicht gut geeignet.
In 6 sind die Referenzspannung U_REF und die Verläufe der Messspannung U_M für zwei Lastfälle dargestellt. Es zeigen sich dort die Phasenverschiebungen zwischen U_REF und U_M aufgrund der kapazitiven Last und die Zunahme der Phasenverschiebung bei Vergrößerung der Last um eine Laständerung von 50 pF.
Für das Prüfsignal U_REF wurden f = 120 kHz und eine Amplitude von Ȃ = 10,0 V angenommen, der Messwiderstand R_M ist mit 10 kΩ angesetzt, die Lasten als Parameter sind 200 pF und 250 pF.
In 7 ist nun der Verlauf der Phasenverschiebung zwischen der Messspannung und der Referenzspannung als Funktion der Änderung von C_L mit R_L als Parameter dargestellt.
Bei einer Prüfsignalfrequenz U_REF von f = 120 kHz beträgt die Impedanz einer Kapazität von 50... 1000 pF ca. 26,5... 1,3 kΩ. Dies ist ein für die Realisierung gut handhabbarer Bereich, so dass diese Frequenz in der folgenden Analyse des Teilerverhaltens verwendet wird.
Unterstellt man eine Änderung der Lastkapazität am Sensor von ca. 50 pF in Berührungsfall, so eignet sich die Erfassung der Phasenverschiebung zur Berührungserkennung aus folgenden Gründen in der Praxis:

• Ab R_L ≈ 2R_M ändert sich die Phasenlage nur noch wenig in Abhängigkeit von R_L, aber noch stark mit C_L
• Gewährleistet man R_L ≈ R_M durch Einfügen eines Festwiderstands, so führt jede Änderung von C_L um 50 pF zu einer Änderung der Phasenlage um mindestens 2°, unabhängig von R_L im Bereich 100 Ω... 100 kΩ und bei einer kapazitiven Grundlast von 0... 1000 pF. Die angenommenen Werte sind praxisnah und passen für die vorgesehene Anwendung.

Nachteilig bei der Erfassung der Phasenverschiebung ist jedoch das gegenläufige Verhalten bei steigendem C_L und gleichzeitig fallendem R_L.
Es wurde erkannt, das sich eine Laständerung am Sensor mit dem Prinzip einer Phasenverschiebung zwischen zwei Spannungen detektieren lässt.
Darüber hinaus wird ein praktisches Verfahren bereitgestellt, welches die Phasenlage von U_M gegenüber U_Ref unabhängig von der jeweiligen Amplitude erfasst und eine Änderung kleiner 2° feststellen kann.
Anmerkung: Der Wert von 50 pF entspricht einem allgemein bekannten Erfahrungswert. Die Kapazität von Personen (z.B. bei Entladung, wenn man irgendwo anfasst) wird mit ca. 100 pF angegeben.
Da die Amplituden der beiden Spannungen U_M und U_REF sensorabhängig stark schwanken können und für die Phasenlage unerheblich sind, werden zunächst beide mittels Komparatoren auf TTL-Pegel skaliert. Die Schaltungsanordnung zeigt 8. Die Eingangsgrößen für die Komparatoren Q1 und Q2 (werden über R_M abgegriffen) sind die sinusförmigen Signale U_REF und U_M, die Ausgangsgrößen U_REFD und U_MD. Die Speisung erfolgt über die Prüfsignalquelle G_REF. Die Hysterese ist dabei so klein wie möglich zu wählen, denn sie bringt eine amplitudenabhängige Phasenschiebung mit sich und verfälscht somit die Messung.
In 9 sind Ausgangspegel der Komparatoren dargestellt, wenn sie mit den sinusförmigen Signalen angesteuert werden. Die digitalen Signale zeigen deutlich, welche Phase vor- und welche nacheilt.
Die Erzeugung einer Spannung, die sich zur Phasenverschiebung zwischen U_REF und U_M proportional verhält, kann nun digital erfolgen. Wird die Messfrequenz mittels einer TTL-Schaltung oder eines Mikrocontrollers erzeugt, so entfällt damit der Komparator im Referenzpfad.
Grundsätzlich kann die Information über die Phasenlage nun gewonnen werden, indem man die beiden Rechtecksignale in einem Exklusiv-Oder-Gatter multipliziert und das Produkt über einen Tiefpass filtert.
In 10 ist das Ergebnis der Verknüpfung für zunehmendes C_L dargestellt. Vorteilhaft an dieser Lösung ist – abgesehen vom geringen Aufwand – die damit verbundene Frequenzverdopplung: Die Restwelligkeit der Ausgangsspannung nach Tiefpassfilterung fällt niedriger aus, was unter Umständen den Aufwand für die Filterung reduziert.
Der Detektor arbeitet über den Bereich 0... 180° linear, was in dieser Anwendung eher nachteilig ist. Erkannt werden soll ja nicht die absolute Phasenlage, sondern nur deren Änderung, die sich durch die Berührung ergibt.
Deswegen wird ein anderes Verfahren angewendet, das sich durch einen kleineren Arbeitsbereich aber deutlich höhere Empfindlichkeit auszeichnet.
Das Ausführungsbeispiel sieht vor, ein D-Flip-Flop als Abtast- & Haltestufe in Verbindung mit einem Phasenschieber zu verwenden.
Die Schaltungsanordnung wird deshalb gemäß 11 erweitert. Vor den Komparator Q2 wird ein Phasenschieber Q5 geschaltet. Die Ausgangssignale von Q1 und Q2 werden an das D-Flip-Flop Q3 gelegt, wobei Q2 den Clock-Eingang des Flip-Flops bedient.
Die Steuerung Q6 wird von einem Mikrorechner gebildet. Das invertierte Ausgangssignal U_QT des D-Flip-Flops Q3 geht über ein Tiefpassfilter Q4 zu einem analogen Eingang der Steuerung (des Mikrorechners) Q6.
Der Phasenschieber Q5 erzeugt ein gegenüber U_REF phasenverschobenes Signal U_REFP.
Die Signalverläufe finden sich in 12. Sie zeigt das Referenzsignal, zwei Messsignale bei unterschiedlichen Belastungen sowie das gegenüber U_REF nacheilende Signal U_REFP. Der Phasenschieber kann das Signal so weit verschieben, dass es auch dem Messsignal nacheilt.
Wird das Messsignal U_MD nun bei jeder steigenden Flanke des Referenzsignals U_RefD abgetastet, so lässt sich sehr präzise erfassen, ob U_MD vor- oder nacheilt.
Dieses wird in 13 verdeutlicht. Die Verläufe im Teil A der Figur zeigen das Referenz- und das Messsignal: das Messsignal ist nacheilend.
Im Teil B wird das Signal im mittleren Bereich soweit verschoben, bis es dann dem Messsignal nacheilt. Die Teile C und D zeigen die Ausgänge der Komparatoren Q1 und Q2, die bei jeder positiven Flanke auf logisch 1 gehen. Der invertierte Ausgang des Flip-Flops Q3 in Teil E der Figur fällt auf logisch 0, wenn vorher das Signal U_REFP in der Phasenlage hinter dem Messsignal zurück bleibt.
Da U_MD stets nacheilt ist es allerdings notwendig, die Phase des Referenzsignals möglichst genau und stabil zu verschieben. Zur Realisierung dieses Phasenschiebers Q5 stehen mehrere Varianten zur Auswahl:

• Bei Erzeugung der Messfrequenz per Mikrorechner bietet sich eine Lösung im Rechner selbst an. Das Referenzsignal wäre driftfrei und unabhängig von der Sensorlast. Nachteilig ist die geringe Auflösung, die vom Systemtakt des Controllers begrenzt wird.
• Vor dem Komparator lässt sich über ein RC-Glied mit stellbarem R oder einen durchstimmbar Allpass erster Ordnung eine variable Phasenverschiebung realisieren. Problematisch ist bei diesen Lösungen grundsätzlich die Temperaturdrift und der beschränkte Arbeitsbereich: Abhängig von der Sensorgrundlast sollte der Bereich 0..90° mit nach oben hin zunehmender Auflösung abgedeckt werden.

Da nur noch das Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen U_MD und U_RefD erfasst wird, muss eine Überprüfung des Arbeitspunkts möglich sein.
Die Steuerung prüft mittels einer aufschaltbaren Testlast C_Test, siehe 11, ob die Phasenverschiebung zwischen U_MD und U_RefD noch ausreichend klein zur Erkennung einer Berührung ist. Damit wird außerdem ein periodischer Selbsttest des Systems möglich. Die Testlast liegt in der Größenordnung der Kapazitätsänderung bei Berührung.
Der Tiefpass Q4 am Ausgang des Flipflops wirkt zunächst überflüssig, denn zu erwarten wäre ja eine Gleichspannung. Da die Phasenlagen von U_MD und U_RefD jedoch aufgrund eingekoppelter Störungen oder Instabilität des Phasenschiebers leicht schwanken, ergibt sich am Ausgang des Flipflops eine Wechselspannung. Deren Mittelwert ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass U_MD U_RefD nacheilt. Dieses wird auch aus 13 plausibel: Je häufiger U_MD nacheilt desto häufiger ist der Flip-Flop-Ausgang auf logisch 1 geschaltet.
Hieraus ergibt sich eine Möglichkeit, die die Erfindung benutzt, den Phasendetektor mit einem kleinen Arbeitsbereich und sehr hoher Verstärkung zu realisieren, der für diese Anwendung notwendig ist.
Die Wechselspannung U_Q, die sich am Ausgang des Flipflops aufgrund stochastischer Störungen ergibt, wird erfindungsgemäß mit einer Erweiterung der Signalkonditionierung zur Einstellung der Empfindlichkeit des Phasendetektors genutzt:
Erfolgt das Schwanken einer der Phasen nicht mehr zufällig, sondern gleichverteilt innerhalb eines definierten Bereichs, so wird die mittlere Pulsbreite und damit der Mittelwert der Spannung U_Q am Ausgang des Flipflops proportional zur Phasenverschiebung zwischen U_MD und U_RefD (siehe auch 13). Je höher der Mittelwert, desto mehr eilt U_RefD gegenüber U_MD.vor.
Deshalb wird dem Eingangssignal U_M ein künstliches Phasenrauschen überlagert. Grundsätzlich ist es für das Ergebnis unerheblich, ob nun U_M oder U_Ref mit einem künstlichen Phasenrauschen überlagert wird.
In 14 ist ein zweiter Phasenschieber Q7 für U_M eingefügt, der mit einer Dreieckspannung U_D vom Dreiecksgenerator Q8 angesteuert wird. Diese Dreieckspannung könnte mit gleicher Wirkung der Ansteuerung des Phasenschiebers im Pfad von U_Ref überlagert werden.
Die Amplitude dieser Ansteuerspannung bestimmt die Empfindlichkeit des Phasendetektors: Je starrer die Phasenlage, desto kleiner ist der proportionale Arbeitsbereich und desto größer die Empfindlichkeit.
Die Frequenz der Dreieckspannung muss für eine ausreichend glatte Eingangsspannung U_QT weit genug über der Eckfrequenz des Tiefpassfilters Q4 liegen.
Das Verhältnis zur Messfrequenz bedarf etwas mehr Beachtung. In Grunde handelt es sich um ein Abtastsystem, in dem die Dreieckspannung mit jeder steigenden Flanke von U_RefD mit einem Grenzwert verglichen wird. Das Ergebnis des Vergleichs bestimmt den Ausgangspegel am Flipflop Q3. Hieraus ergeben sich zwei grundsätzliche Möglichkeiten:

a. Die Frequenz der Dreieckspannung ist von der Messfrequenz abgeleitet
b. Die Frequenz der Dreieckspannung ist von der Messfrequenz unabhängig

Fall a: Hier entspricht das Teilervehältnis der Anzahl der diskreten Stufen, in die die Dreieckflanke aufgelöst wird und damit der Anzahl unterschiedlicher Spannungswerte am Ausgang des Tiefpassfilters.
Fall b: Sind die Frequenzen voneinander unabhängig, so muss mit einer niederfrequenten Mischfrequenz gerechnet werden, die unter Umständen den Tiefpassfilter Q4 passieren kann und der Spannung U_QT überlagert ist.

In 16 ist die Phasenlage zwischen U_MD und U_MD für eine kleinere, in 17 für eine größere Amplitude von U_D dargestellt.
Die beiden Signale sind für U_D = 0 V genau in Phase. Am Ausgang des Flipflops ergäbe sich also für U_Q eine rechteckförmige Spannung mit der Frequenz von U_D und exakt 50 % Tastverhältnis.
Verschiebt sich nun die Phase von U_MD geringfügig gegen die von U_RefD, so ändert sich das Tastverhältnis von U_Q und damit die Spannung am Ausgang des Tiefpassfilters U_QT solange proportional zur Phasenverschiebung bis der Ausgang des Flipflops über eine Periode von U_D nicht mehr umschaltet.
Diese Linearitätsgrenze hängt vom Betrag des Phasenrauschens und damit vom Scheitelwert der Dreieckspannung U_D ab.
Als Sonderfall einer praktischen Realisierung ist der Einsatz einer PLL für Q7 und Q1 zu betrachten: Der Phasenkomparator der PLL regelt die Ansteuerspannung des internen VCO's so aus, dass das VCO-Ausgangssignal U_MD phasenstan zum Eingangssignal U_M wird. Überlagert man nun der VCO-Ansteuerspannung die Dreieckspannung U_D, wird im Ergebnis das oben beschriebene Verhalten erreicht: Eine Steuerbarkeit der Empfindlichkeit des Phasendetektors über die Amplitude von U_D.
Der Aufbau der Hardware mit den relevanten Komponenten ist in 21 aufgezeigt. Als Steuerungselement wird ein Mikrorechner eingesetzt.
Die Steuerung Q6 erzeugt die Referenzspannung U_REF über einen Puls-Breiten-Ausgang mit einem nach geschalteten Sinusfilter Q10. Aus der Frequenz der Referenzspannung, die die Steuerung ja vorgibt, wird auch das Abtastsignal für das D-Flip-Flop Q3 vom Mikrorechner generiert.
Über den Schalter S1 lassen sich verschiedenen Frequenzen für das Referenzsignal einstellen. Dieses hat den praktischen Nutzen, das sich Einklemmschutz-Module, die an Fenster (Sensoren) angeschlossen sind, die relativ nahe bei einander eingebaut sind, durch Einstellung unterschiedlicher Frequenzen nicht gegeneinander beeinflussen.
Das Dreiecksignal U_D wird in der Steuerung gebildet und ergibt sich nach Filterung durch Q9 und steuert den Phasenschieber Q7 an.
Das tiefpassgefilterte Signal U_Q wird über einen Analogeingang vom Mikrorechner eingelesen.
Über den Meldeausgang, der als potenzialfreier Relaiskontakt ausgeführt ist, kann der Mikrorechner melden, ob ein Objekt erkannt wurde oder nicht.
Das Netzteil stellt die zur Versorgung der internen Elektronik erforderlichen Potenziale zur Verfügung.
Die Kopplung zum Schutzleiter erfolgt über die Bauteile C_V und R_V.
Die Erzeugung des Referenzsignals muss nicht im Mikrorechner erfolgen, kann auch extern generiert werden. Allerdings zeigt sich die hier verwendete Variante als sehr bauteilsparend.
Die Steuerung wird durch einen Mikrorechner realisiert (siehe 21) und hat zunächst die Adaption der Sensorgrundlast zu bewältigen. Dieser Vorgang kann beim Einschalten des Gerätes erfolgen oder aber auch während des Betriebes.
Die Adaption der Sensorgrundlast R_O/C_O erfolgt so, dass U_RefD so weit verschoben wird, dass U_MD gerade noch voreilt (siehe 15, Teilverläufe G).
Bei Aufschalten der Testlast C_Test über den Schalter S_Test durch die Steuerung (siehe 14) wird nun der Spannungshub am Ausgang des Tiefpassfilters Q4 gemessen und aus diesem die beiden Schaltschwellen für „Berührung erkannt" und „Berührung beendet" ermittelt.
Ist der Spannungshub zu niedrig für eine sichere Auswertung, so wird die Empfindlichkeit durch Verkleinerung der Amplitude des Dreiecksignals U_D erhöht und die Adaption wiederholt.
Während des laufenden Betriebs wird die Spannung U_QT am Ausgang des Tiefpassfilters periodisch gemessen und mit den während der Adaption der Sensorlast ermittelten Schwellen „Berührung erkannt" und „Berührung beendet" verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird dann an die Relaisansteuerung übergeben.
Falls keine Berührung erkannt ist, wird in regelmäßigen Abständen ein Selbsttest durchgeführt. Dabei werden die Schaltschwellen bei Bedarf nachgeführt, um eventuelle Driftprobleme auszugleichen und langsame Änderungen der Sensorgrundlast zu adaptieren.
Schlägt ein Selbsttest fehl, so wird das Relais zunächst abgeschaltet und der Selbsttest nach einiger Zeit wiederholt. Gelingt dieser, so wird zurück in Normalbetrieb gewechselt. Anderenfalls erfolgt nach einer definierten Anzahl von Fehlversuchen eine Neuinitialisierung.
Da der Antriebsmotor mit dem Fenster oder der Tür mechanisch verbunden ist, das Gehäuse des Motors in der Regel aus Metall ist, so ist besonders bei Fenstern bzw. Türen, die aus Metall sind, eine kapazitive Kopplung zum Motor und zu dessen elektrischen Anschlussleitungen bis hin zur Motorsteuerung unter Umständen vorhanden. Diese unerwünschte Kopplung führt dazu, dass sich die Lastkapazität verändert.
Die 22 zeigt den Einsatz eines Motorfilters 14, welches diese unerwünschte Rückwirkung kompensiert. Durch das Motorfilter wird die kapazitive Belastung auf der Ansteuerseite für das Einklemmschutz-Modul "unsichtbar".
Die 23 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Motorfilters. In vorliegenden Fall ist es als zweistufiges Filter ausgelegt, was nicht unbedingt erforderlich sein muss. Die Resonanzfrequenz des Filters ist auf die Messfrequenz abgestimmt.
Das Motorfilter kann als eigenes Gerät eingesetzt werden, kann aber auch im Einklemmschutz-Modul integriert sein.
Damit ein Einklemmschutz auch seinen Zweck erfüllen kann, muss die verwendete Technik bei Fenstern auch praxisgerecht für den Fensterbauer handhabbar sein (bei Aluminiumfenstern ist das der Metallbauer). Hier finden kompliziert einzubauende Lösungen ihre Grenzen.
Mit dem vorliegenden Einklemmschutz-Modul und dem beschriebenen Verfahren ist eine Lösung realisiert worden, die diese Anforderungen erfüllt.
Es handelt sich um eine "fensterintegrierte Lösung", wenn das Fenster selbst der Sensor für die Personenerkennung ist.
Daraus folgt:

• Alle metallenen Fensterteile sind Sensor, auch die Scheren, Gestänge und auch Antriebskette (alles metallische Teile) zwischen Fensterflügel und Rahmen. Greift also jemand zwischen die Scheren, dann wirkt auch dort der Einklemmschutz.
• nicht nur die Schließkanten sind gesichert
• die geometrischen Formen sind unerheblich
• Konturen der Fensterkanten spielen keine Rolle

Im folgenden sind nochmals die wesentlichen Merkmale zusammengefasst aufgeführt:
a. Adaption der Grundlast
Durch Aufschalten einer Prüflast kann das Gerät erkennen, ob eine Person als Objekt erkannt wird. Diese Aktion kann jederzeit ausgeführt werden.
b. Selbstadaption
Das Gerät adaptiert automatisch die Grundlast. Diese Aktion kann jederzeit ausgeführt werden.
c. Sensorleitung
Es braucht nur eine einadrige Leitung an den Sensor angeschlossen werden
d. Anforderungen an den Sensoranschluss
Der Sensoranschluss am Sensor verlangt keine besonderen Anforderungen
e. Prinzip der Objekterkennung
Die Objekterkennung reduziert sich auf das Erkennung einer Laständerung und nicht auf die Ermittlung einer absoluten Größe (z.B. berechnen der tatsächlichen Last)
f. Anwendbarkeit der Objekterkennung
Die erfundene Objekterkennung bietet nun ein geeignetes praktisches Verfahren
g. Erfassung der Laständerung
Das Verfahren ist amplitudenunabhängig und eliminiert so Störgrößen durch ohmsche Widerstände
h. Empfindlichkeit der Objekterkennung
Sie ist in der Lage, kleine Änderungen von C_L über einen möglichst großen Bereich sicher zu erkennen und das weitestgehend unempfindlich gegenüber der absoluten Größe (den tatsächlichen Wert der Belastung) und eventueller Schwankungen von R_L
i. Verfahren zur Erkennung einer Laständerung
Die Laständerung wird einem Phasendetektor erkannt. Der Phasendetektor enthält zwei Phasenschieber, eine Abtastkomponente, Tiefpassfilter und Auswertung in der Steuerung.
j. Grundprinzip der Erkennung einer Laständerung
Die Laständerung wird aus der Phasenverschiebung zweier Signale, eines Messsignales und eines Referenzsignales abgeleitet.
k. Schaltungstechnische Realisierung
Der Phasendetektor vergleicht ein Referenzsignal mit dem Messsignal, wandelt diese in digitale Signalimpulse um und tastet das Messsignal mit dem Referenzsignal über ein Flip-Flop ab. Das Ausgangssignal des Flip-Flops entspricht dem Vorzeichen der Phasenlagen.
l. Kompensation von kapazitiven Rückwirkungen
Über den Antriebsmotor, der am Fenster oder an der Tür angebaut ist, kann es zu unerwünschten kapazitiven Rückwirkungen kommen. Diese Rückwirkungen lassen sich durch Ergänzung eines Motorfilters kompensieren.

Claims

Kraftbetätigtes Fenster oder kraftbetätigte Tür mit einer Schutzvorrichtung gegen das Einklemmen eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung einen kapazitiven Annäherungssensor aufweist, der von einem elektrisch leitenden Bauteil gebildet wird, welches Bestandteil des Fensters oder der Tür sind oder mit dem Fenster oder der Tür in Wirkverbindung steht und mittels dem ein Schließvorgang unterbrochen wird, wenn der Körper dem Fenster oder der Tür nahe kommt oder es berührt.
Fenster oder Tür nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Annäherungssensor von mehreren elektrisch leitenden Bauteilen gebildet wird, welche Bestandteile des Fensters oder der Tür sind oder mit dem Fenster oder der Tür in Wirkverbindung stehen.
Fenster oder Tür nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Unterbrechen des Schließvorganges zusätzlich ein Reversiervorgang ausgeführt wird.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er Teil eines Kipp-, Dreh- oder Parallelausstellfensters ist, das mit einem Scherengetriebe ausgestattet ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als leitende Bauteil der Rahmen oder der Flügel oder beides dient
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als leitendes Bauteil eine auf die Glasfläche aufgebrachte Schicht dient.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als leitenden Bauteil ein Dichtgummi oder eine Dichtung dient, welches mit elektrisch leitfähigen Teilchen versetzt ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als leitenden Bauteil ein leitfähiger Lack oder ähnlich leitender Farb- oder Schutzüberzug dient.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als leitendes Bauteil eine Berührfläche dient, welche mit elektrisch leitfähigen Teilchen versetzt ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil einer komplexen, automatisierten Gebäudelüftung ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung eine elektrische Schaltung aufweist, die vorzugsweise innerhalb des Flügels oder innerhalb seines Einbaurahmens integriert ist oder auf dem Fenster oder der Tür montiert ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung eine elektrische Schaltung aufweist, die als externes Gerät in der Nähe des Fensters oder der Tür installiert ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung eine elektrische Schaltung aufweist, die in einer Motorsteuerung oder in einem Motorantrieb integriert ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung über einen Messanschluss (MA) für ein Messsignal verfügt, der über einen einzigen Leiter mit dem Annäherungssensor verbunden ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 11 bis 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung einen Wechselspannungsgenerator (G_Ref) aufweist, der ein Referenzsignal (U_Ref) erzeugt, dessen Phasenlage mit der Phasenlage des Messsignals (U_M) verglichen wird, wobei sich die Phasenlage des Messsignals (U_M) bei Annäherung oder Kontakt des Körpers an den Annäherungssensor ändert und in Abhängigkeit der Änderung ein Steuerungsbauteil (Q6) ein Ausgangssignal abgibt.
Fenster oder Tür nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Referenzsignals so eingestellt wird, dass sie im Nulldurchgang zwischen der Phasenlage des Messsignals (U_M) ohne Berührung/Annäherung und mit Berührung/Annäherung liegt.
Fenster oder Tür nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsgenerator (G_Ref) im Bereich zwischen 100 kHz und 140 kHz liegt.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wechselspannungsgenerators (G_Ref) an einen ersten Phasenschieber (Q5) angeschlossen ist, an dessen Ausgang sich ein erster Komparator (Q2) anschließt, dessen Ausgang an den Takteingang eines Flipflop (Q3) gelegt ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wechselspannungsgenerators (G_Ref) über einen Meßwiderstand (R_M) mit dem Messanschluss (MA) und damit mit dem leitenden Bauteil des Fensters in Verbindung steht.
Fenster oder Tür nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Messignal (Um) zu einem zweiten Komparator (Q1) geführt ist, dessen Ausgang an den Dateneingang (D) des Flipflop (Q3) geführt ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Ausgang des Flipflop (Q3) einem Tiefpassfilter (Q4) oder Integrator zugeführt ist, dessen Ausgang mit dem Steuerungsbauteil (Q6) verbunden ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zweiten Komparator (Q1) ein steuerbarer, zweiter Phasenschieber (Q7) vorgesehen ist, der mit einer Dreiecksspannung (U_D) von einem Dreieckgenerator (Q8) angesteuert wird.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Einsatz für den zweiten Komparator (Q1) und dem zweiten Phasenschieber (Q7) eine PLL eingesetzt wird.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Messanschluss (MA) über die Serienschaltung einer Testkapazität (C_Test) und eines Schalters (S_Test) mit Masse verbindbar ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz des Wechselspannungsgenerators (G_Ref) einstellbar ist.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven Rückwirkungen über den Motorantrieb durch ein Motorfilter kompensiert werden.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorfilter durch stromkompensierte Ringkerndrosseln und Kapazitäten gebildet wird.
Fenster oder Tür nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Motorfilters auf die Messfrequenz abgestimmt ist.