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Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Näherungssensor nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Kapazitive Näherungssensoren oder -schalter sind Sensoren, die berührungsfrei, d. h. ohne direkten Kontakt, auf Annäherung eines leitenden oder nichtleitenden Gegenstandes, aber auch von Flüssigkeiten, mit elektrischen Schaltsignalen reagieren. Diese Näherungsschalter oder Näherungssensoren sind seit dem Ende der sechziger Jahre bekannt, sie ermöglichen die Messung sehr kleiner Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen. Sie arbeiten im Wesentlichen nach dem Prinzip der Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes durch ein Dielektrikum eines Objektes oder Mediums, welches deutlich größer ist als das Dielektrikum von Luft oder Vakuum. Das Einbringen eines derartigen Dielektrikums in das Nahfeld einer oder mehrerer Messelektroden führt dort zu einer entsprechenden Konzentration der elektrischen Feldlinien und damit der Verstärkung des elektrischen Feldes. Hierdurch erhöht sich die Kapazität beispielsweise eines Kondensators, z. B. eines Plattenkondensators, zwischen dessen Platten ein Dielektrikum eingebracht wird, um einen geringen Betrag. Diese Kapazitätsänderung wird in einer Auswerteschaltung ausgewertet. Beispielsweise wird ein Schaltsignal von der Auswerteschaltung ausgegeben, wenn die Kapazität einen vorgegebenen Wert überschreitet. Derartige kapazitive Näherungsschalter kommen in den vielfältigsten technischen Gebieten zum Einsatz. Sie finden z. B. Anwendung in der Überwachung von Grenzfüllständen von Medien aller Art, beispielsweise wässrigen Medien, Granulaten, Pulvern, Ölen und dergleichen. Sie kommen aber auch zur Erfassung von sich annähernden Gegenständen zur Anwendung, beispielsweise in der Automobiltechnik, um beispielsweise das Anschlagen von Türen an Gegenständen zu verhindern. Ein kapazitiver Näherungssensor geht beispielsweise aus der
US 7,138,809 hervor. Dort ist eine Masseelektrode von einer Detektorelektrode, die C-förmig ausgebildet ist, umgeben.
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Ein kapazitiver Sensor zur Messung einer Partikelkonzentration und eines Partikelflusses wird beispielsweise in der
US 5,546,006 beschrieben. Bei diesem Kapazitätssensor sind die Elektroden kreisförmig ausgebildet und liegen konzentrisch ineinander.
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Aus der
US 5,512,836 ist ebenfalls ein kapazitiver Näherungssensor bekannt geworden mit konzentrischen Elektroden, wobei diese Elektroden auf einem Substrat angeordnet sind.
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Die
US 5,223,796 beschreibt eine kapazitive Messanordnung mit konzentrischen Elektroden, die auf einem Nichtleiter angeordnet sind.
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Die
US 4,766,368 beschreibt einen kapazitiven Sensor mit einer Elektrode, die auf einem Substrat angeordnet ist. Die Elektrode ist mit einer ringförmigen Elektrode umgeben. Die Elektrode weist viereckige Gestalt auf.
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Sehr oft kommen kapazitive Näherungssensoren auch in Umgebungen zum Einsatz, welche durch hohe Temperatur, hohe Drücke oder chemisch aggressive Stoffe gekennzeichnet sind.
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In diesem Falle müssen die Sensoren durch entsprechende Einrichtungen wie Kappen, Abschlüsse und dergleichen geschützt werden. Solche Einrichtungen weisen den Nachteil auf, dass das Signal verfälscht oder zumindest gedämpft wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass er einen einfachen Aufbau aufweist, der leicht herzustellen ist, und dass er eine hohe Temperaturfestigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe chemische Resistenz aufweist und auch hohen Drücken ausgesetzt werden kann bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Näherungsschalter zum Bereitstellen eines Signals bei Annäherung eines Objektes oder eines Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Näherungssensor zum Bereitstellen eines Signals bei Annährung eines Mediums oder eines Objektes mit einer inneren Elektrode und mit einer äußeren Elektrode zeichnet sich dadurch aus, dass die äußere Elektrode eine becherförmige Gestalt aufweist, in der die innere Elektrode unter Ausbildung eines umlaufenden Spaltes angeordnet ist, der mit einem hochresistenten, isolierenden Medium ausgefüllt ist, und dass die äußere Elektrode gleichzeitig ein Gehäuse des Sensors bildet. Auf diese Weise ist der kapazitive Näherungssensor nicht nur einfach herzustellen, sondern weist auch eine sehr hohe mechanische Festigkeit auf, denn die äußere Elektrode, die zugleich das Gehäuse der inneren Elektrode bildet, ermöglicht eine Resistenz gegenüber äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Drücken, chemischen Einflüssen und dergleichen. Insbesondere kann durch die Ausbildung der äußeren Elektrode als Gehäuse, das die innere Elektrode aufnimmt, der gesamte Aufbau beider Elektroden nicht so leicht zerstört und in Mitleidenschaft gezogen werden, wie wenn diese Elektroden in einem separaten Gehäuse untergebracht wären. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung ist auch, dass Material eingespart werden kann, denn ein zusätzliches Gehäuse kann vollständig entfallen. Dieses wird durch die äußere Elektrode gebildet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen kapazitiven Näherungssensors möglich.
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Rein prinzipiell können die beiden Elektroden eine beliebige Gestalt, beispielsweise eine quadratische, rechteckige oder polygonale Gestalt aufweisen, sie können aber auch oval oder elliptisch ausgebildet sein. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die innere Elektrode eine zylinderförmige und die äußere Elektrode eine hohlzylinderförmige Gestalt aufweisen, wobei die innere Elektrode konzentrisch in der äußeren Elektrode unter Ausbildung eines Ringspaltes angeordnet ist. Ein solcher Sensor ist besonders gut zu handhaben, er weist eine besonders hohe mechanische Festigkeit auf.
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Die beiden Elektroden bestehen bevorzugt aus einem Metall, wobei beide Elektroden vorteilhafterweise insbesondere aus dem gleichen Metall bestehen. Bei dem Metall handelt es sich insbesondere um Edelstahl.
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Das den Spalt ausfüllende hochresistente, isolierende Medium weist vorteilhafterweise die gleichen mechanischen und thermischen Eigenschaften wie ein Metall, insbesondere wie das Metall aus dem die Elektroden bestehen, auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die innere Elektrode durch eine Kernelektrode und eine diese umgebende Schirmelektrode gebildet wird, wobei zwischen der Kernelektrode und der sie umgebenden Schirmelektrode ein Spalt ausgebildet ist, der von einem hochresistenten, isolierenden Medium ausgefüllt ist, das vorteilhafterweise ebenfalls die gleichen mechanischen und thermischen Eigenschaften wie ein Metall aufweist, insbesondere wie das Metall aus dem die Elektroden bestehen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das hochresistente Medium, das den Spalt zwischen der äußeren Elektrode und der inneren Elektrode ausfüllt und/oder das Medium, das den Spalt zwischen der Kernelektrode und der Schirmelektrode ausfüllt, das gleiche Medium ist, und aus einem oder mehreren der folgenden Medien besteht: Ein Duroplast und/oder eine Keramik, mit einer Dielektrizitätszahl von εr zwischen 1 und 8, insbesondere εr = 1 und einem Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen 10 × 10–6K–1 und 30 × 10–6K–1 liegt.
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Darüber hinaus weist das oder die Medien eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 200°C und eine Druckfestigkeit von wenigstens 140 Megapascal (MPa) auf. Rein prinzipiell könnten die Medien, die jeweils die Spalte ausfüllen, unterschiedliche Medien sein. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Medien identisch sind, das heißt, dass das hochresistente Medium, das den Spalt zwischen der äußeren Elektrode und der inneren Elektrode ausfüllt, und dass das Medium, das den Spalt zwischen der Kernelektrode und der Schirmelektrode ausfüllt, identisch sind. Dadurch, dass im Falle der Ausbildung der inneren Elektrode als Kernelektrode und Schirmelektrode auch die Kernelektrode oder die Schirmelektrode jeweils ineinander und in die äußere Elektrode mittels eines hochresistenten Mediums der vorstehend beschriebenen Eigenschaften eingebettet ist, sind nicht nur gute elektrische Eigenschaften, sondern insbesondere auch sehr gute mechanische Eigenschaften realisierbar Negative Störeinflüsse, wie beispielsweise mechanische Beanspruchungen oder auch chemische Beanspruchungen sind auf diese Weise weitestgehend ausgeschlossen. Ein besonders großer Vorteil ist darin zu sehen, dass die innere und die äußere Elektrode nach außen freiliegend an einer Gehäusestirnseite angeordnet sind. Durch die Anordnung des Verbunds aus äußerer und innerer Elektrode unter Einschluss des hochresistenten Gießharzes oder der Keramik in dem Gehäuse können frontseitige Abdeckungen, wie sie bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren vorgesehen sind, vollständig entfallen, wodurch die Signalempfindlichkeit verbessert wird und es kann der Sensor, da die beiden Elektroden aus Metall bestehen und das Gießharz bzw. die Keramik hochresistent sind, auch in extremen Umgebungen, beispielsweise in Umgebungen mit hohen Drücken, in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder in Umgebungen mit chemisch aggressiven Stoffen eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Sensors
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2 eine isometrische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Sensors und
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3 eine Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Sensorteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein als Ganzer in 1 in Schnittdarstellung gezeigter erfindungsgemäßer Sensor weist ein beispielsweise zylinderförmiges Metallgehäuse 500 auf, das gleichzeitig die äußere Elektrode des Sensors bildet. Diese Elektrode kann beispielsweise auf Masse liegen, um elektrische Störungen fernzuhalten. In diesem Gehäuse 500 sind Stecker, beispielsweise Triaxialstecker 520 platziert, durch die das Sensorsignal einem (nicht dargestellten) Verstärker bzw. einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit zugeführt wird. Der Sensor kann beispielsweise in einer Öffnung (nicht dargestellt) angeordnet sein. Hierzu kann beispielsweise ein Dichtelement in Form beispielsweise eines Dichtrings 501 vorgesehen sein.
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In diesem Gehäuse 500 ist eine innere Elektrode 100 angeordnet, die im Folgenden in Verbindung mit 2 und 3 näher beschrieben wird. Die innere Elektrode 100 ist in einem hochresistenten (Einbettungs-)Medium 110, das beispielsweise aus Gießharz oder Keramik bestehen kann, eingebettet, welches einen zwischen der inneren Elektrode 100 und dem Gehäuse 500 ausgebildeten Spalt 410 ausfüllt. Dieses Medium 110 weist eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Gestalt auf. In dem Medium 110 ist eine Kernelektrode 200, die eine im Wesentlichen zylinderförmige Gestalt aufweist, konzentrisch in einer Schirmelektrode 300, welche im Wesentlichen eine hohlzylinderförmige Gestalt aufweist, angeordnet, wobei ein Ringspalt 400 ausgebildet ist zwischen der Kernelektrode 200 und der Schirmelektrode 300. Dieser Ringspalt 400 wird ebenfalls mit einem hochresistenten Gießharz oder mit Keramik ausgefüllt, sodass die Kernelektrode 200, die Schirmelektrode 300, das diese beiden Elektroden verbindende hochresistente Medium sowie das die äußere Elektrode 300 umgebende Einbettungs-Medium 110 einen Verbund ausbilden, der als Ganzer handhabbar ist. Die Schirmelektrode 300 ist über einen Anschlussring 305 und die Kernelektrode 200 über ein Anschlussstück 205 jeweils mit den Leitungen 310 bzw. 210 kontaktiert.
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Das Einbettungs-Medium 110, das die Schirmelektrode 300 umgibt, und das Medium in dem Ringspalt 400 können aus dem gleichen hochresistenten Gießharz bzw. aus der gleichen Keramik gebildet sein. Dies hat insbesondere herstellungstechnische Vorteile.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist die Kernelektrode 200 mit einer Leitung 210 verbunden, die nach außen geführt ist. Die Schirmelektrode 300 ist ebenfalls mit einem elektrischen Leiter 310 verbunden, der aus dem Einbettungs-Medium 110 herausgeführt ist. Dies kann beispielsweise durch eine gemeinsame Koaxialleitung 220 geschehen. Wie der 2 ebenfalls zu entnehmen ist, ist der Ringspalt 400 auf seiner der Stirnseite abgewandten Seite durch einen Abstandshalter 160 abgeschlossen, der beispielsweise aus einem für Leiterplatten üblichen Material bestehen kann.
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Ein wesentliches Merkmal des kapazitiven Näherungssensors besteht darin, dass er stirnseitig keine Abdeckung erfordert, vielmehr ist die Metallplatte, die die Kernelektrode 200 bildet, sowie die stirnseitige Fläche des die Schirmelektrode 300 bildenden Hohlzylinders wie auch die stirnseitige Fläche der äußeren Elektrode 500 nach vorne, d. h. zur Stirnseite des Sensors, freiliegend ausgebildet. Dies erhöht die Signalempfindlichkeit. Da die beiden Elektroden beispielsweise aus Edelstahl bestehen können und das Gießharz bzw. die Keramik eine hohe Resistenz aufweisen, ist der Sensor so auch in Umgebungen einsetzbar, die beispielsweise durch chemisch aggressive Stoffe, durch hohe Drücke oder durch hohe Temperaturen gekennzeichnet sind. Gerade in diesen Umgebungen sind Frontabdeckungen besonders störanfällig. Darüber hinaus wird durch die Ausbildung der Kernelektrode 200 als Zylinderplatte und der äußeren Elektrode als Hohlzylinder, die beide aus Metall bestehen, auch eine hohe mechanische Festigkeit des Sensors erzielt, die beispielsweise die Festigkeit von Plattenanordnungen, wie sie bei aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Näherungssensoren bekannt sind, bei weitem übertrifft.
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Das hochresistente Medium, das den Spalt zwischen der äußeren Elektrode und der Schirmelektrode wie auch den Spalt zwischen der Schirmelektrode und der Kernelektrode ausfüllt, kann beispielsweise ein Duroplast und/oder eine Keramik mit einer Dieelektrizitätszahl von εr zwischen 1 und 8, insbesondere εr = 1 und einem Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen 10 × 10–6K–1 und 30 × 10–6K–1 liegt, sein.
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Das Medium weist eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 200°C und eine Druckfestigkeit von wenigstens 140 MPa auf.
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Rein prinzipiell können auch die Medien, die jeweils die Spalte ausfüllen, unterschiedliche Medien sein. Bevorzugt sind die Spalten jedoch durch ein einziges Medium ausgefüllt. Auf diese Weise werden nicht nur gute mechanische Eigenschaften realisiert, sondern auch optimale elektrische Eigenschaften.
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Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die äußere Elektrode das Gehäuse 500 bildet und in diesem Gehäuse eine innere Elektrode 100 in Form einer Schirmelektrode 300 und einer Kernelektrode 200 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist, sondern dass rein prinzipiell die innere Elektrode auch nur als einzige Elektrode ausgebildet sein kann. Auch in diesem Falle bildet die äußere Elektrode gleichzeitig das Gehäuse.
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Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass die Elektroden nicht zylinderförmig ausgebildet sein müssen. Rein prinzipiell können sie eine beliebige Gestalt aufweisen, beispielsweise eine ovale, elliptische Gestalt oder eine polygonale Gestalt, sie können beispielsweise auch quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet sein. In jedem Falle sind sie ineinanderliegend unter Ausbildung eines umlaufenden Spalts anzuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7138809 [0002]
- US 5546006 [0003]
- US 5512836 [0004]
- US 5223796 [0005]
- US 4766368 [0006]
