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Die
Erfindung betrifft ein kapazitives Messsystem nach dem 3-Elektroden-Messprinzip
mit wenigstens einer Sensoreinheit zur Messung einer in deren Wirkungsbereich
auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen
Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung
der absoluten Kapazitätsänderung während
der Messung dieser Sensoreinheit aufweist.
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Das
3-Elektroden-Messprinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass ein
Generator zunächst zwischen zwei unterschiedlichen Bezugspotentialen eine
Wechselspannung einspeist. Zusätzlich wird eine Messelektrode
daraufhin durch ein zu detektierendes Messobjekt unterschiedlich
an das elektrische Feld zwischen den beiden anderen Potentialen angekoppelt
und die hierbei hervorgerufenen Kapazitätsänderungen
werden absolut erfasst.
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Ein
solches 3-Elektroden-Messprinzip, welches einem Fachmann auf diesem
Gebiet an und für sich bekannt ist und daher nachfolgend
im Wesentlichen nicht weiter ausgeführt wird, ermöglicht
bekanntermaßen ferner eine weite räumliche Trennung zwischen
den rein passiven Sensorstrukturen und der Auswerteelektronik. Damit
können die Sensoren bei entsprechender Ausführung
in einem großen Temperaturbereich betrieben werden, bei
einigen Applikationen z. B. bis 800°C.
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Das
Gesamt-Temperaturverhalten eines solchen Messsystems wird letztlich
durch das Temperaturverhalten der Einzelkomponenten und deren Zusammenwirken
bestimmt. Dabei ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit
der Elektronik durch entsprechende Schaltungsstrukturen weitestgehend
zu eliminieren. Diesbezüglich wird die
DE 100 27 507 C1 in Bezug
genommen und inhaltlich auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden
Erfindung miteinbezogen. So ermöglicht es die dort beschriebene Schaltungsanordnung,
extrem kleine Kapazitätsänderungen zu erfassen.
Die Grenzen der Erfassbarkeit werden bestimmt einerseits u. A. durch
das Eigenrauschen der Wechselspannungsverstärker, und in
weitaus stärkerem Maße jedoch andererseits durch
das Temperaturverhalten der passiven Bauelemente im Sensorbereich.
So sind die wenigstens 2 Elektroden eines Sensors üblicherweise
zwangsläufig durch Isolationswerkstoffe mechanisch miteinander
verbunden und besitzen zumeist noch eine Schutzhülle für
den Einsatz unter Industriebedingungen. Bei räumlicher
Trennung von passiven Sensoren und den elektronischen Komponenten
sind üblicherweise Koaxial- oder Triaxialkabel erforderlich, deren
Isolationswerkstoffe ebenfalls temperaturabhängige Kennwerte
aufweisen. Selbst das für höchste Ansprüche
allgemein in der Elektrotechnik eingesetzte PTFE weist für
die hier zu stellenden Anforderungen zu große Temperaturabhängigkeiten
auf.
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Somit
ist es also nur möglich, mit bestimmten Gestaltungseinschränkungen
solche Messsysteme mit extrem hohen Empfindlichkeiten zu realisieren. Bei
den Sensoren bedeutet das z. B. die Einbeziehung von Luftstrecken
im Isolationsbereich, wodurch jedoch eine geringere Robustheit der
Sensoren in Kauf genommen werden muss. Ein Verzicht auf längere
Kabelverbindungen hingegen, bedeutet einen Kompaktaufbau, wobei
jedoch die Elektronik am Einsatzort der dort herrschenden Temperatur
ausgesetzt ist, so dass sich höhere Umgebungstemperaturen somit
verbieten.
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Eine
wesentliche Aufgabe der Erfindung ist, ein kapazitives, das 3-Elektroden-Messprinzip
anwendendes Messsystem mit einer gegenüber dem dargestellten
Stand der Technik nochmals gesteigerten Messempfindlichkeit für
den allgemeinen industriellen Einsatz zu realisieren.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung ist bereits durch
einen Gegenstand mit den Merkmalen nach des anhängenden
unabhängigen Anspruchs gegeben. Vorteilhafte und/oder bevorzugte
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung eines kapazitiven Messsystems nach dem 3-Elektroden-Messprinzip
mit einer im Wesentlichen stabilen und von allen Beeinflussungen
unabhängigen Generatorausgangsspannung und mit wenigstens
einer Sensoreinheit zur Erfassung einer in deren Wirkungsbereich
auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen
Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung
der absoluten Kapazitätsänderung dieser Sensoreinheit
aufweist, zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass in
der elektronischen Auswerteeinheit eine zusätzliche übergeordnete Schaltungseinrichtung
zur Generierung eines Stellsignals zur Veränderung des
Ausgangssignals aus einer nicht unmittelbar aus der Messung resultierenden Größe
vorhanden ist, wobei diese Schaltungseinrichtung sowohl mit schaltungsinternen
als auch mit externen Komponenten zu einem Regelkreis geschlossen
werden kann und damit eine Autokalibration ermöglicht wird.
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Diese übergeordnete
Regelung bei einem das 3-Elektroden-Messprinzip anwendenden Messsystem,
bei welcher ein in praktischer Ausführung am Ausgang einer
Verstärkerkette anliegendes Messsignal der Sensoreinheit
als Istwert einer Stellgrößengenerierungseinrichtung
zugeführt wird und die zur Stellgrößengenerierung
ferner einen in Abhängigkeit von der Applikation mit unterschiedlichen
Methoden gebildeten Sollwert einsetzt, führt als generierte
Stellgröße in bevorzugter Ausführung
zur Beeinflussung des Übertragungsfaktors der Verstärkerkette
eine Spannung für die Offsetverschiebung des Arbeitspunktes
einer oder mehrerer Glieder dieser Verstärkerkette zurück.
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Die
Erfindung hat sich insbesondere für Sonden mit einem Temperatureinsatzbereich
von ca. –100°C bis ca. +250°C, bei speziellen
Ausführungen sogar bis ca. 800°C als besonders
vorteilhaft bewiesen, wobei die Messungen im Wesentlichen vollständig
unabhängig von Verschmutzungen der Sensoren waren. Die
dem 3-Elektroden-Messprinzip mögliche Applikationsbreite,
wie Mehrkanalmessungen, Differenzmessungen als auch die freien Gestaltungsmöglichkeiten
für die Sensoren bleiben erhalten und werden folglich von
der Erfindung mit abgedeckt.
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Weitere,
mit unmittelbar aus der Messung entstehenden Größen
beaufschlagte Regelschaltungen zur Arbeitspunktstabilisierung sind
bekanntermaßen von Vorteil und können bei vorliegender
Anordnung im Wesentlichen beliebig angeordnet werden.
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Bei
der Erfindung ist ferner von Vorteil, dass das verwendete Stellsignal
das Ausgangssignal ohne Änderung der Messempfindlichkeit
bezüglich der absoluten Kapazitätsänderung
beeinflussen kann.
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Applikationsspezifisch
wird ferner zweckmäßig das übergeordnete
Stellsignal aus einem von der Messung unabhängigen, jedoch örtlich
oder zeitlich eindeutig definiertem Zustand gebildet. Hierbei wird das übergeordnete
Stellsignal bevorzugt aus einem Führungssignal generiert,
welches aus dem Ausgangssignal und/oder einem weiteren internen
Signal der zugrundeliegenden Messungsvorgaben nach einem vorgegebenen
funktionellem Zusammenhang abgeleitet ist.
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So
hat sich bewährt, dass der funktionelle Zusammenhang zur
Ableitung des Führungssignals eine Mittelwertbildung des
Ausgangssignals über eine wesentlich größere
Zeit als die Messzeit ist. Ergänzend oder alternativ kann
die übergeordnete Stellgröße auch unter
Verwendung eines zum Messsensor identischen Sensors mit konstanter,
nicht objektabhängiger Ankopplung sowie einem nachfolgenden
zum Messkanal identischen Verstärkerkanal abgeleitet werden.
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Zweckmäßig
kann ferner sein, wenn wischen den identischen Verstärkerkanälen
ein Symmetrieabgleich für den von den angeschlossenen Sensoren definierten
Arbeitspunkt ermöglicht wird.
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Von
Vorteil ist ferner, dass die übergeordnete Stellgröße
modulierend auf eine für einen extrem großen Stellbereich
geeignete Schaltung einwirken kann, der Modulationsgrad frei wählbar
ist und damit resultierend ein Grob – Fein – Stellverhalten
erzielbar ist.
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In
praktische Weiterbildung wird die Stellgröße zudem
einer Schaltungsvorrichtung zugeführt, die zur Ableitung
von Warnsignalen geeignet ist.
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Insbesondere
mit dem Einsatz eines Mikrocontrollers lässt sich eine
leistungsfähige und variable Regelungsstruktur aufbauen
und die Stellgröße leicht erzeugen, z. B. durch
Verwendung von Digitalpotentiometern. Besonders bedeutsam ist ferner
die Vielfalt eines Mikrokontrollers bei der Ermittlung von Sollgrößen
bzw. -werten.
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Nachfolgend
werden drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei die Figuren
zeigen:
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1 ein
erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Messsystems mit einem Referenzsensor und einen Messsensor,
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2 ein
zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Messsystems mit einem beweglich angeordneten Messsensor, und
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3 ein
drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Messsystems mit einem stationär angeordneten Messsensor
und daran vorbeibewegten Messobjekten.
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Bevor
auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Messsysteme im Einzelnen Bezug
genommen wird, sei angenommen, dass die Empfindlichkeit eines jeden
solchen nach dem 3-Elektroden-Messprinzip arbeitenden Messsystems
bei vorgegebener Sensorgeometrie im Wesentlichen durch die Gesamtverstärkung der
Auswerteelektronik bestimmt wird. Unter Anwendung der Lehre von
DE 100 27 507 C1 ,
gemäß welcher die Sättigung des Verstärkers
bei hohem Verstärkungsfaktor durch Mischen der Signalspannung mit
einer invertierten Vergleichsspannung verhindert wird, wird gemäß der
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung
eine Offsetverschiebung für die Signalspannung durchgeführt,
welche darüber hinaus auch mehrfach hintereinander durchgeführt
werden kann.
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Durch
die hierdurch mehrfach anwendbare Offsetverschiebungermöglicht
es die Erfindung folglich, den Verstärkungsfaktor der Verstärkerkette
im Wesentlichen beliebig groß zu machen ohne die Sättigung
zu erreichen. Die praktische Obergrenze wird durch das Verstärkerrauschen
erreicht und die Temperaturstabilität wird mit wachsender
Verstärkung vor allem bei DC-Verstärkern immer
aufwendiger.
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Da
es schwierig ist, Verstärkerketten mit extrem hoher Verstärkung
stabil bezüglich Änderung von Temperatur und anderer
Betriebsparameter zu gestalten sowie identisches Übertragungsverhalten mehrerer
Verstärkerketten bei gleichzeitiger Offsetverschiebung
durch Parallelansteuerung zu erzielen und die temperaturabhängigen
Parameter der passiven Sensorperipherie ohnehin vorgegeben sind,
werden Stabilität und Identität zumindest in einem
benötigten Arbeitspunkt durch eine in den Figuren nicht dargestellte
weitere, z. B. der Lehre von
DE 100 27 507 C1 folgende, Regelung bewirkt.
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Außerdem
berücksichtigt die Erfindung auch Möglichkeiten
der Abstimmung der Verstärkerketten in einer Grob-/Feinabgleich-Aufteilung,
wobei das Verhältnis zwischen Grob-/Feinbereich auch variabel sein
kann.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel ist in
1 dargestellt.
In diesem Blockschaltbild sind, ebenso wie in den weiteren Blockschaltbildern,
Strukturen zur Stabilisierung eines Generators
1, bevorzugt
die in der
DE 100
27 507 C1 erläuterten Strukturen zur Stabilisierung
des Generators, nicht dargestellt. Für die nachfolgende
Beschreibung aller in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
wird jedoch grundsätzlich bei allen Ausführungsbeispielen
davon ausgegangen, das die Ausgangsgröße des Generators
1 eine Wechselspannung
zwischen einem schaltungsinternen Bezugspunkt
2 und einem
Schutzleiterpotential bzw. Umgebungspotential
3 ist und
im wesentlichen stabil und von allen Beeinflussungen unabhängig
ist. Auf die Darstellung des Generators ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit bei
2 und bei
3 verzichtet.
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Gemäß Ausführungsbeispiel
nach 1 integriert das Messsystem zwei Sensoreinheiten,
einen Referenzsensor 4 und einen Messsensor 5,
die identisch aufgebaut sind, bis auf den Unterschied, dass der
Referenzsensor 4 eine feste Ankopplung an das Schutzleiterpotential 3 besitzt
und sich im Wirkungsbereich des Messsensors 5 ein zu detektierendes
Messobjekt 6 befindet, welches eine veränderliche
Ankopplung bewirkt.
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Die
Ausgangssignale der beiden Sensoren 4 und 5 werden
zwei identischen Verstärkerkanälen 7 und 8 zugeführt.
Die Verstärkerkanäle umfassen eine Verstärkereinheit
oder eine Kette von Verstärkereinheiten, und im vorliegendenden
Fall wenigstens eine AC-Verstärkerstufe, einen Gleichrichter
und einer DC-Verstärkerstufe, wobei einzelne oder mehrere Verstärkerstufen
von einer äußeren Stellgröße 9,
bevorzugt von einer Offsetspannung, abhängige Arbeitspunkte
besitzen.
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Das
Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wäre
somit bei fester Stellgröße 9 sowie idealen
Eigenschaften aller seiner Komponenten konstant, ist in der Praxis
jedoch abhängig von der Gesamtwirkung aller einzelnen Driftgrößen.
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Gleiches
gilt für das Ausgangssignal 11 der Verstärkerkette
des Messkanals 8, allerdings wird hier zusätzlich
die Beeinflussung durch das Messobjekt 6 wirksam.
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Das
Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wird
einer Funktionseinheit 12 zur Generierung der Stellgröße 9 als
Istwert zugeführt, wobei die Einheit 12 zur Stellgrößengenerierung
zusätzlich mit einem Sollwert 13 beaufschlagt wird.
Mittels der am Eingang der Einheit 12 anliegenden Signale 10 und 13 wird
das Stellgrößensignal 9 generiert und
am Ausgang der Einheit 12 bereitgestellt, von dem aus das
Stellgrößensignal 9 wiederum an einander
entsprechende Verstärker beider Verstärkerkanäle 7 und 8 gelegt
wird. Selbstverständlich kann die Einheit 12 auch
eine weitere Signalverstärkungsfunktionalität
besitzen.
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Der
Regelkreis, der den Referenzsensor 4, den die Referenzverstärkerkette
umfassenden Kanal 7 und die Einheit 12 integriert,
bewirkt, dass der durch den Sollwert 13 vorgegebene Arbeitspunkt
der Referenzverstärkerkette des Kanals 7 konstant
bleibt und die Gesamtwirkung aller Einzeldriften, z. B. verursacht
durch Verschmutzung oder temperaturbasiert, eliminiert werden. Im
Wesentlichen werden somit alle Drifterscheinungen, also insbesondere
sowohl der passiven Bestandteile des Referenzsensors 4 und
der hier nicht explizit dargestellten Kabel- und Steckverbindungen
zwischen Sensor und Elektronik, als auch aller Bestandteile der
Verstärkerkette ausgeregelt. Die einzig verbleibende Größe,
deren Drift nicht ausgeregelt wird, ist der Sollwert 13.
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Der
Messkanal 8 wird durch parallele Ansteuerung zum Referenzkanal 7 mit
der gleichen Stellgröße 9 auf den gleichen
Arbeitspunkt eingestellt. Bei fehlendem Messobjekt 6 entspricht
folglich das Ausgangssignal 11 des Messkanals 8 dem
Ausgangssignal 10 des Referenzkanals und bei im Wesentlichen
idealer Regelung somit dem Sollwert 13.
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Die
Empfindlichkeit der Messung bezüglich der absoluten Kapazitätsänderung
am Messsensor 5 wird durch diese übergeordnete
Regelung nicht beeinflusst.
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Durch
gleichzeitige Zuführung des Ausgangssignals 11 des
Messkanals 8 sowie des Sollwertes 13 zu einem
Differenzverstärker 14 wird ein Ausgangssignal 15,
beim vorliegenden Beispiel ein analoges Ausgangssignal, gebildet,
das im Wesentlichen driftfrei ist und nur durch das Messobjekt 6 bestimmt
wird.
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Mit
einem Trigger 19 z. B., lässt sich auf einfachste
Weise aus dem Analogsignal 15 ein Grenzwertsignal 20 bilden.
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Die
erzielbare Messauflösung sowie die Konstanz der Messung
werden in der beschriebenen Schaltungsstruktur nach weitgehender
Eliminierung aller Driftgrößen somit nur noch
durch die Identität der Verstärkerkanäle 7 und 8 bestimmt.
Vorteilhaft ist hier die Integration der Verstärkerkanäle
auf einem Chip.
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Ferner
lässt sich mit einer zweckmäßigen Weiterbildung
das Verhalten der erfindungsgemäßen Anordnung
noch weiter verbessern. Um die Palette der anschließbaren
Sensoren sowie den Wertebereich für den Sollwert 13 sehr
groß zu halten, sieht die Erfindung bevorzugt zusätzliche
Maßnahmen vor, welche auch ohne die Notwendigkeit der Sicherstellung
einer Identität der Verstärkerkanäle 7 und 8 über den
gesamten Arbeitsbereich auskommt.
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In
zweckmäßiger Ausführung ist hierzu zusätzlich
die Möglichkeit eines Symmetrieabgleichs vorgesehen, mittels
welchem die Unsymmetrie beider Kanäle für einen
durch die Sensorauswahl erforderlichen Arbeitspunkt minimiert werden
kann. Basierend auf 1 werden dazu einer Symmetrieerfassungsschaltung 16 die
Ausgangssignale 10 und 11 der beiden Verstärkerkanäle 7 und 8 zugeführt und
die aktuelle Differenz über einen Symmetrieindikator 17,
z. B. in Form eines tolerierbaren Fensters, angezeigt. Bei nicht
vorhandenem Messobjekt 6 kann dann bereits mit Handabgleich 18 dieser
Toleranzbereich eingestellt werden. Es wird angemerkt, dass hauptsächlich
wegen der Sensorvariabilität ein großer Einstellbereich
für die Arbeitspunkte erforderlich ist und der Symmetrieabgleich
in der Regel also nur einmalig bei der Inbetriebnahme durchgeführt werden
muss. Der Aussteuerbereich durch das Messobjekt 6 ist bei
hochempfindlichen Messungen vernachlässigbar klein und
hat damit keinen nennenswerten Einfluss auf das Symmetrieverhalten mehr.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems für eine hochempfindliche selbstjustierende
bzw. autokalibrierende kapazitive Messung ist in 2 dargestellt.
Es sei angenommen, es handelt sich hierbei um ein Messsystem für
eine Kollisionsschutzüberwachung für einen Roboter.
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Gemäß Ausführungsbeispiel
nach 2 integriert das erfindungsgemäße
Messsystem im vorliegenden Fall lediglich eine Mess-Sensoreinheit 5, die
zweckmäßig auf einem beweglichen Roboterteil, beispielsweise
auf dessen Arm, angeordnet ist und in der Bewegung die Umgebung
abtastet. Bei Annäherung eines fremden Objekts im Wirkungsbereich
des Sensors 5 stellt sich somit eine sprunghafte Änderung
der Ankopplung an ein Schutz- oder Umgebungspotential 3 ein.
Das Signal des Sensors 5 kann z. B. über ein bewegliches
Kabel 21 mit der stationären Elektronik verbunden
sein, wobei die Schnittstelle zwischen beweglichen und stationären
Elementen im Rahmen der Erfindung im Wesentlichen an jeder Stelle
des Systems angeordnet sein könnte.
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Das
Signal des Sensors 5 wird wiederum einem Verstärkerkanal 8 zugeführt
und mittels diesem verstärkt. Das Ausgangssignal 11 dieses
Messkanal wird einem ADU (Analog-Digital-Umformer) 28 zugeführt,
wobei der ADU in diesem Beispiel als Bestandteil eines Mikrocontrollers 30 dargestellt
ist. Die aktuelle Position des Roboterarmes wird als Lagesignal 26 aus
einer parallel durchgeführten, nicht näher dargestellten
Messung, ebenfalls dem Mikrokontroller 30 zugeführt.
Das Ausgangssignal 11 des Messkanals nach digitaler Umformung
ist mit dem Bezugszeichen 28 belegt.
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Die
praktische Umsetzung einer Schaltungseinrichtung zur Generierung
eines übergeordneten Stellsignals 23 sieht gemäß 2 vor,
dass in einem Sollwertspeicher 31 des Mikrokontrollers 26,
z. B. in einem teach-in-Lauf, die zu bestimmten Position zugehörigen
Werte bei ungestörter Umgebung eingegeben und abgespeichert
sind. Das geschieht vorteilhafterweise in ausgesuchten Positionen
des Roboters, wo die Anwesenheit fremder Objekte sicher ausgeschlossen
werden kann.
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Im
laufenden Betrieb wird jedesmal beim Erreichen einer solchen bestimmten
bzw. ausgesuchten Position im Funktionsblock 30 der einen
Sollwertabgleich durchführt, ein Vergleich des entsprechenden
aktuell verstärkten und umgeformten Messwertes 28 mit
dem im Speicher 31 zu der Position abgelegten Wert durchgeführt.
Im Funktionsblock 29 wird daraus eine Stellgröße 23 für
ein Digitalpotentiometer 22 gebildet und das Signal 11 auf
den abgelegten Wert angeglichen. Damit werden wiederum alle die Messungen
verfälschenden Einflüsse eliminiert, also neben
den bereits erwähnten Drifterscheinungen auch Ablagerungen
oder andere Veränderungen am Sensor 5. Je langsamer
die durch diese Einflüsse verursachten Veränderungen
gegenüber echten Signaländerungen durch zu erfassende
Messobjekte ablaufen, desto größere Zeitintervalle
reichen aus, diese Korrekturen vorzunehmen. Der Messwert 28 wird
ferner einem Funktionsblock 32 zur Bildung eines Ausgangssignals 24 zugeführt,
der somit wiederum ein im Wesentlichen driftfreies und nur durch fremde
Objekte bei gestörter Umgebung des Wirkbereichs des Sensors
beeinflusstes Ausgangssignal 24 ausgibt.
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Für
den Fall, dass z. B. durch mechanische Beschädigungen am
Sensor 5 ein Abgleich nicht mehr möglich ist,
wird zweckmäßig mit einer Funktionseinheit 33 zur Überwachung
der Stellgröße 23 zusätzlich
ermittelt, ob ein vorgegebener Stellbereich verlassen wird und gegebenenfalls über
einen Alarmausgang 34 ein Alarmsignal 35 ausgegeben.
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Eine
weitere vorteilhafte, bei den Figuren jedoch nicht dargestellte
Ausgestaltung für das Stellverhalten ist die Parallelschaltung
eines normalen Potentiometers zum Digitalpotentiometer 22.
Damit ist eine Aufteilung in einen Grobabgleich, im wesentlichen
für die Anpassung an den Sensor, sowie ein Feinabgleich
möglich, wobei der Feinabgleich die Aussteuerung durch
den Sensor sowie die Gesamtwirkung aller Drifterscheinungen umfasst.
Da die Parallelschaltung zweier Potentiometer herkömmlicherweise
zu nichtlinearem Stellverhalten führt, ist es in diesem
Fall ferner vorteilhaft, über anwendungsspezifisch geeignet
angepasste Schaltungsanordnungen sowohl eine Linearisierung als
auch eine Wichtung des Anteiles des Digitalpotentiometers 22 zu
bewirken.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems für eine hochempfindliche selbstjustierende
kapazitive Messung ist in 3 dargestellt.
Eine solche eignet sich beispielsweise für eine Fließ-
oder Bewegungsüberwachung, z. B. ob Material 6 auf
einem Förderband bewegt wird oder das Band leer bzw. verstopft
ist.
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Gemäß Ausführungsbeispiel
nach 3 integriert das erfindungsgemäße
Messsystem im vorliegenden Fall eine Messsensoreinheit 5,
dessen verstärktes Messsignal 11 und anschließend über
den ADU 27 digitalisiertes Signal 28 gleichzeitig
den Funktionseinheiten 36 und 38 zugeführt
wird. Die Funktionseinheit 36 bildet periodisch den Mittelwert des
Signals 28 über eine längere Zeit, z.
B. über 10 s. Hierfür ist gemäß 3 ein
Taktgeber 42 mit der Funktionseinheit 37 entsprechend
gekoppelt. Damit wird der Gleichanteil des Signals 28 ermittelt,
der von der Funktionseinheit 29 zur Stellgröße 23 weiterverarbeitet
wird. Über das Digitalpotentiometer 23 wird in
bereits beschriebener Weise die Offsetspannung des Verstärkerkanals 8 verändert.
Dieser damit geschlossene Regelkreis bewirkt die Ausregelung aller gegenüber
den zu überwachenden Fließ- und Bewegungsvorgängen
niederfrequenteren Drift- und Störgrößen.
Besonders vorteilhaft ist dabei die erzielbare Ausregelung der Wirkung
von Ablagerungen am Sensor 5, z. B. auch bei staubabsondernden
Produkten oder Materialien.
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Die
Funktionseinheit 38 wertet hingegen den höherfrequenten
Anteil (bei 3 mit AC-Anteil bezeichnet)
des Signals 28 aus. Die durch die Materialbewegungen hervorgerufenen
und durch den Sensor 5 erfassten AC-Signalanteile weisen
ein charakteristisches Frequenzspektrum auf, wohingegen bei Materialstillstand
nur noch das vernachlässigbare Eigenrauschen der Verstärker
auftritt. Somit kann über die Funktionseinheit bzw. den
Funktionsblock 32 wiederum ein Ausgangssignal 24 gebildet
werden, welches die gewünschte Aussage darstellt. Die Überwachung
des Stellbereiches erfolgt in der bereits in Bezug auf 2 geschilderten
Weise.
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Diese
Ausführungsbeispiele lassen erkennen, dass die Verwendung
der erfindungsgemäßen übergeordneten
Regelung bei vielen weiteren Applikationen möglich ist
und darüber hinaus besonders günstig dann, wenn
zu erfassende Abläufe, insbesondere auch periodische Abläufe,
mit eindeutig definierten Zuständen auftreten.
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Dann
sind extrem empfindliche Messungen bei höchster Konstanz
sowie im Wesentlichen keinerlei Beeinflussung des Zeitverhaltens
möglich, da die zu eliminierenden Driftgrößen
immer in wesentlich größeren Zeiträumen
als die Messzeiträume wirken.
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Die
unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen kapazitiven Messsystems
nach dem 3-Elektroden-Messprinzip sind nicht einschränkend
sondern lediglich beispielhaft. So lassen sich die einzelnen Merkmale,
soweit nicht ausdrücklich anders hervorgehoben auch miteinander
in vielfältiger Weise kombinierbar.
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- 1
- Generator
- 2
- internes
Bezugspotential
- 3
- Schutzleiterpotential
- 4
- Referenzsensor
- 5
- Messsensor
- 6
- Messobjekt
- 7
- Referenz-Verstärkerkanal
- 8
- Mess-Verstärkerkanal
- 9
- Stellgröße
- 10
- Ausgangssignal
Referenzkanal
- 11
- Ausgangssignal
Messkanal
- 12
- Funktionseinheit
zur Generierung einer Stellgröße
- 13
- Sollwert
- 14
- Differenzverstärker
- 15
- Analogsignal
- 16
- Symmetrieerfassungsschaltung
- 17
- Symmetrieindikator
- 18
- Symmetrie-Handabgleich
- 19
- Trigger
- 20
- Grenzwertsignal
- 21
- flexibles
Sensorkabel
- 22
- Digitalpotentiometer
- 23
- Stellgröße
- 24
- Ausgangssignal
- 25
- Lagesignal
- 26
- Mikrocontroller
- 27
- ADU
- 28
- digitalisiertes
Messsignal
- 29
- Funktionseinheit
zur Stellgrößenbildung
- 30
- Funktionseinheit
zur Sollwertabgleichung
- 31
- Funktionseinheit
zur Sollwertspeicherung
- 32
- Funktionseinheit
zur Bildung des Ausgangssignals
- 33
- Funktionseinheit
zur Überwachung der Stellgröße
- 34
- Funktionseinheit
zur Generierung eines Alarms
- 35
- Alarmsignal
- 36
- Funktionseinheit
zur Mittelwertbildung
- 37
- Taktgeber
- 38
- Funktionseinheit
zur Auswertung hoher Frequenzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10027507
C1 [0004, 0023, 0025, 0027]