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Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsgerät mit einem Berührungssensor zur Gerätebedienung, der die Berührung einer auf der Gehäusewand vorgesehenen sensitiven Fläche durch die geschlossene Gehäusewand hindurch erfasst, sowie ein Verfahren zum Erfassen der Bedienung eines Automatisierungsgeräts, wobei das Automatisierungsgerät ein Gehäuse aufweist und die Bedienung in Form einer Berührung des Gehäuses an einer dafür vorgesehenen sensitiven Fläche durch eine geschlossene Gehäusewand hindurch erfolgt.
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Die Automatisierungstechnik umfasst im Wesentlichen das Messen physikalischer Größen, das Steuern von Geräten, Maschinen oder Anlagen sowie das Regeln von Prozessen. Die hierfür eingesetzten (Mess-)Geräte und Einrichtungen zur Energieversorgung, Signalübertragung usw. sind zum Zwecke der Inbetriebnahme und/oder der Parametrierung und/oder Überprüfung und/oder Ablesung lokal bedienbar. Dazu weisen diese Geräte an der Gehäuseaußenseite zugängliche Bedienelemente auf. Regelmäßig werden hierzu Tasten und Schalter verwendet, die durch eine Öffnung in einer Gehäusewand hindurch betätigt werden.
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Abgesehen von mechanischen Schaltern und Tastern sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, Geräte allein durch eine Berührung durch die geschlossene Gehäusewand hindurch zu bedienen. So ist z.B. eine magnetische Betätigung bekannt, bei der ein Reedkontakt im Geräteinneren durch einen außen am Gehäuse beweglich angebrachten Magneten betätigt wird. Ferner sind eine kapazitive Schalterbetätigung durch eine nicht-leitfähige Gehäusewand sowie eine optisch reflektierende Auslösung durch eine transparente Gehäusewand, beispielsweise eine Glasscheibe eines Anzeigeinstruments, bekannt. Die kapazitive und die optisch reflektierende Auslösung werden regelmäßig im Bereich von Anzeigern eingesetzt. Bspw. ist aus der
DE102005048021B3 ein Automatisierungsgerät bekannt, das mittels eines passiven Infrarotsensors lokal bedienbar ist.
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Alle diese Schalter und Taster benötigen jedoch eine Unterbrechung des Gehäuses, in der z.B. eine Glasscheibe oder dergleichen eingesetzt ist, wodurch sich Dichtigkeitsprobleme ergeben, oder einen an der Gehäuseaußenseite angebrachten, und damit aufwendigen Aufbau, bspw. in Form von Magneten. Außerdem sind sie häufig EMV-empfindlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Bedienung des Automatisierungsgeräts durch die geschlossene Gehäusewand hindurch zu ermöglichen, ohne dass die Gehäusewand hierfür unterbrochen werden muss oder ein Aufbau auf der Gehäusewand notwendig ist, und die EMV-unempfindlich ist.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Automatisierungsgerät sowie durch ein Verfahren zum Erfassen der Bedienung eines Automatisierungsgeräts gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Erkennung des Tastendrucks nach dem kalorimetrischen Prinzip durch Berührung der auf der Gehäusewand vorgesehenen sensitiven Fläche. Dabei wird die durch die Berührung der Taste, d.h. der sensitiven Fläche, hervorgerufene Temperaturänderung der auftretende Wärmetransport bestimmt. Das Heizelement erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung und der Thermistor misst die Temperatur an der sensitiven Fläche, wobei sich die gemessene Temperatur aus der Heizleistung des Heizelements und der Temperatur des die Berührung auslösenden Fingers zusammensetzt. Das Heizelement und der Thermistor sind dabei vorteilhafterweise direkt an der Innenseite sensitiven Fläche der Gehäusewand angeordnet. In der Auswerte-/Steuereinheit wird der auftretende Wärmetransport ermittelt und in ein Schaltsignal umgewandelt, durch welches das Automatisierungsgerät bedient werden kann, bspw. zum An-/Ausschalten oder zur Menüführung.
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Die Gehäusewand besteht dabei aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus Edelstahl. Denkbar sind jedoch auch wärmeleitende Kunststoffe, welche bspw. einen entsprechend hohen Graphitanteil haben.
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Der Vorteil der Erfindung besteht nun darin, dass die Bedienung durch die geschlossene Gehäusewand hindurch erfolgen kann und auch keine die in die Gehäusewand eingebrachte Öffnungen oder Unterbrechungen notwendig sind. Es ist also durchaus möglich, ein Gehäuse zu verwenden, das hermetisch dicht ist. Auch ist es nunmehr ohne weiteres möglich, Bedientasten an Stellen zu positionieren, die zuvor hierfür nicht genutzt werden konnten, z.B. auf Ecken oder Wölbungen sowie in der Nähe von Kanten oder Rändern, wo sich bislang erhebliche Dichtigkeitsprobleme ergaben. Im Vergleich zu mechanischen Tastern kommt noch hinzu, dass der erfindungsgemäße Taster verschleißfrei arbeitet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Thermistor mit einem pulsierenden Stromsignal Ipuls beaufschlagt und damit abwechselnd bei einem Strom I2 als Heizelement und bei einem Strom I1 als Temperatursensor betrieben wird. Während der Strom I2 fließt befindet sich der Thermistor in der Heizphase und während der Strom I2 fließt in der Messphase. Abhängig davon, ob eine Berührung der sensitiven Fläche vorliegt oder nicht, ändert sich die über dem Thermistor abfallende Spannung Umess, durch dessen Auswertung die Bedienung als elektrisches Schaltsignal weitergegeben werden kann.
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Damit sind die Funktion des Heizelements und des temperaturabhängigen Widerstands in einem Bauteil vereint und müssen nicht als zwei separate Bauteile ausgeführt werden. Die Auswerte-/Steuereinheit, vorzugsweise ein Mikrocontroller, ist dabei zum einen für die Steuerung des pulsierenden Stromsignals Ipuls und zum anderen zur Auswertung des über dem Thermistor abfallenden Spannungssignals Umess vorgesehen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Innenseite des Gehäuses im Bereich der sensitiven Fläche eine Beschichtung, bspw. aus Kupfer, aufweist und der Thermistor direkt auf diese Beschichtung an die Gehäuseinnenwand gelötet wird. Damit ist eine gute thermische Anbindung des Thermistors an das Gehäuse gewährleistet. Alternativ wäre auch ein Wärmeleitkleber denkbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Berührungssensor auf einer flexiblen Leiterplatte – auch Leiterfilm genannt – angeordnet ist. Die Kontaktierung des Thermistors und gegebenenfalls des Heizelements erfolgt demnach nicht mehr über eine Verdrahtung sondern über den Leiterfilm. Das reduziert in hohem Maße den Montageaufwand.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die sensitive Fläche gegenüber der Gehäusewand erhaben ist, d.h. von der übrigen Gehäusewand vorsteht. Damit ist eine haptische Erfassbarkeit der sensitiven Fläche und damit der Bedientaste möglich, ohne dass diese hierfür extra durch Beschriftungen etc. gekennzeichnet werden muss. Alternativ dazu ist es natürlich auch möglich, die sensitive Fläche nicht als erhabenen Bereich auszuführen, so dass die Gehäusewand eine glatte, ebene Oberfläche aufweisen kann.
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Um dann die Bedientaste für den Anwender optisch erkennbar zu machen, ist diese dann entsprechend durch Beschriftungen und dergleichen zu kennzeichnen.
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Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Bedienung eines Automatisierungsgeräts, wobei das Automatisierungsgerät ein Gehäuse aufweist und die Bedienung in Form einer Berührung des Gehäuses an einer dafür vorgesehenen sensitiven Fläche durch eine geschlossene Gehäusewand hindurch erfolgt. Erfindungsgemäß ist ein Berührungssensor mit Thermistor vorgesehen, der mit einem pulsierenden Stromsignal Ipuls beaufschlagt und damit abwechselnd als Heizelement und als Temperatursensor betrieben wird, der Sensor die Berührung des Gehäuses als Änderung der an die Umgebung abgeführten Wärmeleistung gemäß dem kalorimetrischen Prinzip erfasst und eine dem Sensor nachgeschaltete Auswerte-/Steuereinheit bei einer erfassten Berührung ein Schaltsignal generiert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach einer vorgegebenen Zeit, in der keine Bedienung des Automatisierungsgeräts erfolgt ist, die Pulsbreite von Ipuls und/oder die Taktfrequenz von Ipuls und/oder der zum Betreiben des Thermistors als Heizelement benötigte Strom I2 reduziert wird. Bevorzugt beträgt die Taktrate während des Betriebs 20 Hz. Durch die vorgenannten Maßnahmen lässt sich der Energiebedarf reduzieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Bedientaste eines erfindungsgemäßen Automatisierungsgeräts,
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2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Berührungssensor als Blockschaltbild und
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3 eine Darstellung der Signalverläufe gemäß der Ausführungsform nach 2.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 stellt einen Abschnitt eines Automatisierungsgeräts 1 dar. Es ist eine Gehäusewand 2 gezeigt, die einen Bereich 3 zur Bedienung des Geräts 1 aufweist, welcher als sensitive Fläche ausgeführt ist. Diese sensitive Fläche 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gegenüber der Gehäusewand 2 erhaben, d.h. hervorgehoben, so dass der Anwender bei der Berührung des Gehäuses 2 den Tastenbereich für die Bedienung haptisch erfassen kann. Diese Erhebung kann bspw. 1 mm betragen. Bei einer runden Ausführung der Bedientaste hat sich ein Durchmesser von 7 mm als vorteilhaft erwiesen.
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Im Bereich der sensitiven Fläche 3 ist an der Innenwand des Gehäuses 2 ein Thermistor 11 aufgelötet. Da das bevorzugte Material für das Gehäuse 2 Edelstahl ist, weist die Innenseite an dieser Stelle eine Kupferbeschichtung auf, damit einerseits ein Auflöten des Thermistors 11 möglich ist und andererseits eine gute thermische Anbindung des Thermistors 11 an das Gehäuse 2 gewährleistet ist. Damit der Thermistor 11 den durch die Berührung der sensitiven Fläche 3 erzeugten Wärmeeinfluss möglichst schnell erfassen kann, hat sich eine Wandstärke d im Bereich der sensitiven Fläche 3 von max. 0,3 mm als vorteilhaft erwiesen. Ist die sensitive Fläche nicht erhaben ausgeführt, ist es dann ggf. notwendig, die Wandstärke in diesem Bereich zu verringern, wenn die Gehäusewand 2 ansonsten eine allgemeine Dicke von bspw. 1 mm aufweist.
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1 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel, bei dem die Funktion des Thermistors 11 und des Heizelements 12 in einem Bauelement vereint sind. Abgesehen von der dadurch geringeren Anzahl von Bauelementen kann so auch ein Temperaturgradient vermieden werden. Selbstverständlich können beide Bauelemente 11, 12 auch separat ausgeführt nebeneinander angeordnet sein. Die grundsätzliche Funktionsweise ist davon nicht beeinflusst. Der Anschluss des Thermistorbauelements 11 ist in der gezeigten Ausführungsform als Verdrahtung realisiert, welche dann die Verbindung zu einer Platine bzw. Leiterplatte realisiert. Alternativ dazu kann auch ein Leiterfilm bzw. flexible Leiterplatte das Bauelement direkt kontaktieren.
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Wenn mehrere derartige Bedienelemente an dem Automatisierungsgerät 1 vorgesehen werden sollen, müssen diese einen Mindestabstand zueinander aufweisen, damit eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen ist. Je nach Wandstärke des Gehäuses 2 und des verwendeten Materials sollte ein Abstand von 30 mm bereits ausreichend sein.
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2 zeigt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform, bei der der Thermistor 11 und das Heizelement 12 in einem einzigen Bauteil vereint sind. Im Zentrum steht die als Mikrocontroller ausgeführte Auswerte-/Steuereinheit 13, die für die Steuerung eines pulsierenden Stromsignals Ipuls mit den Stromwerten I1 und I2 sowie zur Auswertung des über dem Thermistor 11 abfallenden Spannungssignals Umess vorgesehen ist. Alternativ zu einem Mikrokontroller kann die Auswerte-/Steuereinheit 13 jedoch auch durch eine Analogschaltung aufgebaut werden. Im oberen Teil von 3 ist das Stromsignal Ipuls abgebildet, wobei während der Zeit, in der der Strom I2 fließt, der Thermistor 11 die Funktion eines Heizers einnimmt, und während der Zeit, in der der Strom I1 fließt, der Thermistor 11 als Temperatursensor arbeitet. Entsprechend sind diese Zeiten als Heiz- bzw. Messphase bezeichnet. Der zu fließende Strom I2 während der Heizphase ist u.a. abhängig vom Material und der Wandstärke des Gehäuses. Der während der Messphase fließende Strom I1 beträgt typischerweise 100 µA. Für ein gutes Messergebnis hat sich herausgestellt, dass I2 mindestens zehnmal so groß wie I1 sein sollte. Die Taktung des pulsierenden Stromsignals Ipuls ist beliebig einstellbar. Letztendlich muss sichergestellt sein, dass auch während eines kurzen Antippens der sensitiven Fläche dann eine Messphase vorliegt. Eine Frequenz von 20 Hz sollte hierfür üblicherweise ausreichend sein, kann aber auch beliebig höher sein bis zu einem Maximum von etwa 1 kHz. Entscheidend ist, ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen Heiz- und Messphase und damit zwischen Energie- bzw. Stromverbrauch und Bedienbarkeit einzustellen, weil während der Heizphase keine Messung möglich ist.
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In 3 sind die beiden Zustände „Bedienelement gedrückt“ und „Bedienelement nicht gedrückt“ am Beispiel eines Thermistors mit positiven Temperaturkoeffizienten gegenübergestellt. Wie zuvor beschrieben beträgt die Taktfrequenz des pulsierenden Stromsignals Ipuls bevorzugt 20 Hz, kann aber auch darüber liegen. In der vorliegenden Abbildung beträgt das Verhältnis zwischen Heiz- und Messphase in etwa 50/50, d.h. beide Phasen sind nahezu gleich lang. In der Praxis kann dieses Verhältnis auch anders gewählt sein oder kann sich auch während des Betriebs ändern, bspw. wenn es darum geht, dass nach einer gewissen Zeit, in der keine Bedienung des Automatisierungsgeräts erfolgt ist, ein Energiesparmodus aktiviert werden soll. Hierzu kann dann z.B. die Pulsbreite von Ipuls während der Heizphase verkürzt werden. Weitere Maßnahmen um den Energiebedarf zu reduzieren sind dann noch die Verringerung der Taktfrequenz von Ipuls und die Reduzierung der zum Betreiben des Thermistors als Heizelement benötigte Strom I2.
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Deutlich zu erkennen ist im mittleren Teil das sich ändernde Spannungssignal Umess, wenn das Bedienelement bzw. die Bedientaste gedrückt ist, weil durch die Eigenwärme des Fingers der durch den Thermistor 11 erfasste Wärmetransport beeinflusst wird. Diese Änderung des Spannungsabfalls über dem Thermistor 11 wird in dem Mikrocontroller 13 in ein digitales Signal mit dem Wert „1“ umgesetzt, während für den Zustand ohne Berührung der Wert „0“ vorgesehen ist. Über den Ausgang 13a gibt der Mikrocontroller 13 diese Signale weiter, so dass dadurch eine Schaltfunktion realisiert werden kann.
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Die Funktion des Umschaltens der Stromquelle kann wahlweise im Mikrokontroller 13 erfolgen oder, wie in 2 gezeigt, durch den Mikrokontroller 13 gesteuert werden. Entscheidend hierfür ist die erforderliche Reaktionszeit des Bedienelements von der Berührung bis zur Auslösung der Schaltfunktion. Um diese Reaktionszeit zu verringern, wird eine höhere Leistung benötigt, d.h. der Wert von I2 für die Heizphase ist zu erhöhen, um den thermischen Einfluss des Fingers bei der Berührung beim Wärmetransport – ausgedrückt durch die Änderung der Spannung Umess – für den Mikrokontroller 13 noch deutlicher und damit schneller erkennbar zu machen. Der durch den Mikrokontroller 13 ausgebbare Maximalstrom ist jedoch begrenzt, so dass bei einem höheren Strom die Erzeugung durch eine separate Stromquelle erfolgen muss und sich die Aufgabe des Mikrokontrollers 13 auf deren Steuerung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048021 B3 [0003]
