DE102016117289A1

DE102016117289A1 - Feldgerät mit einem optoelektronischen Bedienelement sowie Verfahren zur Detektion einer Berührung an dem Bedienelement

Info

Publication number: DE102016117289A1
Application number: DE102016117289.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Seiler
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2018050425A1

Abstract

Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem optoelektronischen Bedienelement, wobei das Bedienelement folgendes umfasst: – Eine Bedienplatte (100), die eine Berührfläche zur Betätigung durch einen Benutzer aufweist; – zumindest eine Sendeeinheit (101), die an einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Bedienplatte (100) angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein mit einer fest vorgegebenen Frequenz amplitudenmoduliertes optisches Signal (103) in Richtung der Bedienplatte (100) auszusenden; – zumindest eine Empfangseinheit (102) zum Empfangen eines optischen Signals; – eine Auswerteeinheit (110), die dazu eingerichtet ist, das von der Sendeeinheit (101) stammende amplitudenmodulierte optische Signal (103) aus dem von der Empfangseinheit (102) empfangenen optischen Signal (109) herauszufiltern und anhand des herausgefilterten amplitudenmodulierten optischen Signals zu erkennen, ob der Finger (108) des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte (100) im Wesentlichen berührt, um so eine Berührung der Bedienplatte (100) zu detektieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem zur Bedienung des Feldgerätes ausgebildeten optoelektronischen Bedienelement und einem Verfahren zur Detektion einer Berührung an einer Bedienplatte eines optoelektronischen Bedienelements eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik.
In der Prozess- ebenso wie in der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z.B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Ein optoelektronisches Bedienelement kann als Ersatz für mechanisch betätigte Tasten, Schalter, Hebel und andere Bedienelemente eingesetzt werden und ermöglicht den Bau von hermetisch gekapselten Geräten, die sich durch Berühren einer Bedienplatte von außen bedienen lassen. Dies ist insbesondere für die zuvor erwähnten Feldgeräte von erheblicher Bedeutung, denn auf diese Weise ist es bspw. möglich, den Anforderungen von verschiedenen Vorschriften zum Explosionsschutz zu genügen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten optoelektronischen Bedienelemente beruhen für gewöhnlich auf dem Prinzip der „offenen Lichtschranke“, bei dem durch ein Sende-/Empfangspaar Infrarot Licht ausgesendet, dieses Licht an einem Finger oder anderem Streuobjekt reflektiert bzw. gestreut und über einen Empfänger, bspw. eine Photodiode, empfangen wird. In dem Fall, dass eine Schwellwertüberschreitung bzw. ein Schaltreferenzpegel überschritten wird, wird eine Berührung des Bedienelementes durch den Finger oder das andere Streuobjekt erkannt, was im übertragenen Sinne einem Tastendruck bei einem mechanischen Taster bzw. Schalter gleichkommt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten optoelektrischen Bedienelemente müssen aufgrund ihrer Bauart „offene Lichtschranke“ spezielle mechanische Vorkehrungen getroffen werden, um Fremdlichteinfall, ein Überkoppeln sowie ungewünschte Reflexionen, bspw. aufgrund von Verschmutzungen zu minimieren.
Der Einfluss von Umgebungslicht wird zum einen durch adaptive Anpassung der Anspruchsschwelle als auch durch Einsatz optischer Filter reduziert. Zur Filterung des Umgebungslichteinflusses werden optische Filter verwendet, die jedoch die Gesamtempfindlichkeit der Anordnung reduzieren. Ebenso werden Erkennungsschwellen eines Tastendruckes bei hohem Umgebungslichtanteil adaptiv erhöht. Eine Anhebung der Anspruchsschwelle verringert jedoch die Signaldynamik des Systems und damit die Genauigkeit. Oftmals ist es auch erforderlich die Sendeleistung der Lichtquelle zu erhöhen, was sich wiederum negativ auf den Stromverbrauch auswirkt.
Der Einfluss des Umgebungslichtes lässt sich insbesondere bei Sonnenlicht jedoch nicht durch optische Filter eliminieren, da darin entsprechend Spektralanteile enthalten sind, die dem Nutzsignal der Anordnung entsprechen.
Ein Überkoppeln kann bei einer sehr kompakten Anordnung mehrerer optischer Sende-/Empfangspaare unmittelbar nebeneinander in Abhängigkeit des Abstandes zur Bedienplatte zu Lichteinkopplungen aus benachbarten Kanälen und somit zu gegenseitigen Beeinflussungen kommen. Um dies zu vermeiden werden die einzelnen Kanäle gewöhnlich zeitlich sequentiell angesteuert.
Verschmutzungen und Alterungen der Sende-/Empfangspaare werden durch adaptive Änderung der Schaltschwellen entgegnet, ein Verschmutzungsgrad kann in der Regel nicht ermittelt werden. Ein entsprechendes Erkennungssystem, das aufgrund mehrerer Einflüsse wie Sonneneinstrahlung, Alterung oder Verschmutzung, Parameter wie Anspruchschwellen, Empfangsempfindlichkeiten oder Sendeleistungen ändert kann daraus nicht gleichzeitig ableiten wie stark die Sonneneinstrahlung oder die Verschmutzung ist. Unterschiedliche Abstände des Sichtglases oder gar der Betrieb ohne Sichtglas beeinflussen diese Parameter zusätzlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem zur Bedienung des Feldgerätes optimierten optoelektronischen Bedienelement sowie ein Verfahren zur verbesserten Detektion einer Berührung an der Bedienplatte des optoelektronischen Bedienelements des Feldgerätes vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem zur Bedienung des Feldgerätes ausgebildeten optoelektronischen Bedienelement umfasst:

– eine, vorzugsweise transparente Bedienplatte, die an einer Außenseite eines Gehäuses des Feldgerätes eine Berührfläche zur Betätigung durch einen Benutzer aufweist;
– zumindest eine Sendeeinheit, die an einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Bedienplatte angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein mit einer fest vorgegebenen Frequenz amplitudenmoduliertes optisches Signal in Richtung der Bedienplatte auszusenden;
– zumindest eine zu der mindestens einen Sendeeinheit korrespondierende Empfangseinheit zum Empfangen eines optischen Signals, wobei die Empfangseinheit an der Innenseite der Bedienplatte derartig angeordnet ist, dass ein an der Bedienplatte durch einen Finger des Benutzers oder einem anderen Streuobjekt gestreutes optisches Signal zumindest teilweise zu der mindestens einen Empfangseinheit gelangt;
– eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, das von der Sendeeinheit stammende amplitudenmodulierte optische Signal aus dem von der Empfangseinheit empfangenen optischen Signal herauszufiltern und anhand des herausgefilterten amplitudenmodulierten optischen Signals zu erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte an einer ersten definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine Berührung der Bedienplatte zu detektieren.

Erfindungsgemäß wird ein Feldgerät mit einem optoelektronischen Bedienelement vorgeschlagen, bei dem eine Stärke des empfangenen Lichtes bzw. des optischen Signals quantitativ messbar ist. Ein wesentlicher Erfindungsgedanke hierbei ist, dass eine Amplitude des ausgesendeten Lichts/optischen Signals mit einer definierten Frequenz, vorzugsweise im kHz Bereich, besonders bevorzugt mehrere 100 kHz, moduliert wird. Das nicht modulierte Fremdlicht, insb. Sonnenlicht, wird als DC-Anteil messbar, und anschließend durch einen Filter, bspw. einen Bandpass- oder Hochpassfilter, elektronisch vom reflektierten modulierten AC-Nutzsignal getrennt. Das für diese Messung ausgesendete Licht/optische Signal kann sehr klein gewählt sein, und bspw. gemittelt nur ca. 100 µW an elektrischer Leistung erfordern, um so dem Wunsch Rechnung zu tragen, den Energieverbrauch in einem Feldgerät, insb. einem 2-Draht-Feldgerät, möglichst gering zu halten. Es ist somit auch denkbar, dass modulierte optische Signal im Verhältnis zu einem Offsetsignal, welches durch das Fremdlicht, insb. Sonnenlicht, durch die Empfangseinheit erzeugt wird, um einen Faktor von mehr als drei Zehnerpotenzen kleiner zu wählen, so dass das modulierte optische Signal quasi „im Rauschen“ untergeht. Durch diese Möglichkeit, welche bei den aus dem Stand der Technik optoelektronischen Bedienelemente nicht möglich ist, lässt sich die Sendeeinheit mit einer wesentlich geringeren Leistung betreiben, was insbesondere bei Verwendung in 2-Draht Feldgeräten von Vorteil ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit zum Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte im Wesentlichen berührt, das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal mit einem Referenzwert vergleicht. Die Weiterbildung kann darüber hinaus auch vorsehen, dass die Auswerteeinheit den Referenzwert nicht, insb. nicht adaptiv, aufgrund von Fremdlicht und/oder Rauschen verändert bzw. anpasst.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sendeinheit und die Empfangseinheit ein erstes Sende-/Empfangspaar bilden und das Bedienelement zumindest ein weiteres Sende-/Empfangspaar aufweist, wobei sich das weitere Sende-/Empfangspaar von dem ersten Sende-/Empfangspaar darin unterscheidet, dass das weitere Sende-/Empfangspaares mit einer weiteren fest vorgegebenen Frequenz ein weiteres amplitudenmodulierte optisches Signal in Richtung der Bedienplatte aussendet und die Auswerteeinheit, ferner dazu eingerichtet ist, das weitere amplitudenmodulierte optisch Signal aus dem von der Empfangseinheit des weiteren Sende-/Empfangspaar empfangenen weiteren optischen Signal herauszufiltern und anhand des herausgefilterten weiteren amplitudenmodulierten optischen Signals zu erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte an einer weiteren definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine Berührung der Bedienplatte zu detektieren.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Sende-/Empfangspaar und das zumindest eine weitere Sende-/Empfangspaar nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere sieht die Weiterbildung vor, dass die Sendeeinheit des weiteren Sende-/Empfangspaares das weitere amplitudenmodulierte optische Signal mit einer von der Frequenz unterschiedlichen weiteren fest vorgegebenen Frequenz moduliert.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Auswerteeinheit ferner dazu ausgelegt ist, einen Verschmutzungsgrad der Bedienplatte zu erkennen, wobei die zumindest eine Sendeeinheit hierfür in zeitlichen Abständen ein mit einer fest vorgegebenen Referenzfrequenz amplitudenmoduliertes optisches Referenzsignal in Richtung der Bedienplatte aussendet und die zumindest eine Empfangseinheit, das an der Bedienplatte gestreute amplitudenmodulierte optische Referenzsignal zumindest teilweise empfängt und wobei die Auswerteeinheit die in zeitlichen Abständen empfangenen amplitudenmodulierten optischen Referenzsignale miteinander vergleicht und anhand des Vergleiches einen Verschmutzungsgrad der Bedienplatte erkennt.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Feldgerät ein Zweidraht-Feldgerät ist. Das Zweidraht-Feldgerät wird hierbei über eine Zweidraht-Leitung stetig mit der notwendigen Energie, die den Standards und Vorschriften des Explosionsschutzes entspricht, versorgt. Basierend auf der Zweidraht-Leitung findet ebenfalls eine Kommunikation zwischen den angeschlossenen Teilnehmern statt. Hierzu exisitieren verschiedenen Standards, von denen beispielhaft neben dem HART-Protokoll, dem Profibus Protokoll auch das Foundation Fieldbus Protokoll zu nennen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Berührung an einer Bedienplatte eines optoelektronischen Bedienelements eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, weist die folgenden Schritte auf:

– Aussenden eines amplitudenmodulierten optischen Signals durch eine Sendeeinheit, wobei die Sendeeinheit das optische Signal mit einer fest vorgegebenen Frequenz amplitudenmoduliert;
– Empfangen eines optischen Signals, welches in dem Fall, dass ein Finger eines Benutzers oder ein anderes Streuobjekt an der Bedienplatte anliegt zumindest teilweise das gestreute bzw. reflektierte amplitudenmodulierte optische Signal umfasst, durch eine Empfangseinheit;
– Herausfiltern des amplitudenmodulierten optischen Signals aus dem empfangenen optischen Signal;
– Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte an einer ersten definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so die Berührung der Bedienplatte zu detektieren.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zum Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte im Wesentlichen berührt, das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal mittels eines AD-Wandlers gemessen wird und anschließend weiterverarbeitet wird, bspw. mit einem Referenzwert verglichen wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:

– Aussenden zumindest eines weiteren amplitudenmodulierten optischen Signals durch eine weitere Sendeeinheit, wobei die weitere Sendeeinheit das weitere optische Signal mit einer fest vorgegebenen weiteren Frequenz amplitudenmoduliert, wobei die weitere Frequenz von der Frequenz unterschiedlich ist;
– Empfangen zumindest des an der Bedienplatte durch den Finger des Benutzers oder dem anderen Streuobjekt gestreuten bzw. an der Bedienplatte reflektierten weiteren optischen Signals durch eine weitere Empfangseinheit;
– Herausfiltern des amplitudenmodulierten weiteren optischen Signals aus dem empfangenen weiteren optischen Signal;
– Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte an einer weiteren definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine weitere Berührung der Bedienplatte zu detektieren.

Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zum Erkennen eines Verschmutzungsgrades der Bedienplatte, in zeitlichen Abständen ein mit einer fest vorgegebenen Referenzfrequenz amplitudenmoduliertes optisches Referenzsignal in Richtung der Bedienplatte ausgesendet wird und das an der Bedienplatte gestreute amplitudenmodulierte optische Referenzsignal zumindest teilweise empfangen wird und die in zeitlichen Abständen empfangenen amplitudenmodulierten optischen Referenzsignale miteinander verglichen werden, um so anhand des Vergleiches den Verschmutzungsgrad der Bedienplatte zu erkennen. Insbesondere sieht die Ausführungsform vor, dass als fest vorgegebene Referenzfrequenz die fest vorgegebenen Frequenz oder die fest vorgegebenen weitere Frequenz verwendet wird.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Herausfiltern des amplitudenmodulierten optischen Signals und/oder des weiteren optischen Signals, das Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte im Wesentlichen berührt, und das Erkennen des Verschmutzungsgrades der Bedienplatte durch eine Auswerteeinheit ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bedienelements;
2 ein Feldgerät mit einem optoelektronischen Bedienelement, welches als Tastatur ausgebildet ist;
3 einen schematischen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Berührung an einer Bedienplatte eines optoelektronischen Bedienelements eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik.
1 zeigt das Funktionsprinzip eines optoelektronischen Bedienelements. Das optoelektronische Bedienelement bzw. die optoelektronische Taste ermöglicht die Bedienung von Geräten durch Berühren einer vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff bestehenden, vorzugsweise transparenten Bedienplatte 100. Die Bedienplatte 100 kann von der Innenseite her optisch abgetastet werden. Zur optischen Abtastung der Bedienplatte 100 sind an der Innenseite der Bedienplatte 100 eine Sendeeinheit 101, bspw. in Form einer Infrarotdiode, und eine Empfangseinheit 102 vorgesehen.
Die Sendeeinheit 101 emittiert ein amplitudenmoduliertes optisches Signal bzw. Lichtsignal 103. Die Strahlungsrichtung der Sendeeinheit 101 ist im Wesentlichen senkrecht zur Bedienplatte 100 oder weicht nur geringfügig von dieser Senkrechten ab. Die Sendeeinheit 101 ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, eine Amplitude des optischen Signals mit einer festen Frequenz, bspw. von 400 kHz, zu modulieren, so dass ein amplitudenmoduliertes optisches Signal emittiert wird. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten optischen Bedienelementen muss die Strahlung dabei nicht so eng um die Strahlungsrichtung gebündelt sein, da ein Überkoppeln auf benachbarte Kanäle durch unterschiedliche Frequenz für jeden Kanal vermieden werden kann. Vorzugsweise strahlt die Sendeeinheit 101 das amplitudenmodulierte optische Signal im infraroten Spektralbereich ab. Licht im infraroten Spektralbereich eignet sich sehr gut zur optischen Abtastung der Bedienplatte 100 und ist für den Benutzer unsichtbar. Bei dieser Ausführungsform ist die Sendeeinheit 101 als Infrarot-Sendediode ausgebildet, und die Bedienplatte 100 ist für Licht im infraroten Spektralbereich transparent. Das amplitudenmodulierte optische Signal trifft auf der Bedienplatte auf einem ersten Bedienfeldbereich bzw. ersten definierten Stelle auf.
Die Empfangseinheit 102 zum Empfangen eines optischen Signals kann bspw. eine Infrarot-Empfangsdiode, vorzugsweise eine PIN-Diode, und einen AD-Wandler, der einen von der Empfangsdiode stammenden PIN-Diodenstrom zur Weiterverarbeitung digitalisiert, aufweisen. Die Empfangseinheit 102 ist innerhalb eines Strahlungsbereichs, welcher durch das von der Sendeeinheit 101 abgestrahlte und das an der Bedienplatte 100 beim Anliegen eines Fingers diffus gestreuten Lichts 109 festgelegt ist, angeordnet.
Sowohl die Sendeeinheit 101 als auch die Empfangseinheit 102 sind auf einer Leiterplatte 104 angeordnet. Die Empfangseinheit 102 ist derartig an der Bedienplatte 100 angeordnet, dass in dem Fall, dass ein Finger 108 eines Benutzers oder ein anderes Streuobjekt die Bedienplatte 100 in dem Bedienfeldbereich im Wesentlichen berührt, das gestreute optische Signal zumindest teilweise zu der Empfangseinheit 102 gelangt.
In dem in 1 dargestellten Bedienelement ist zwischen der Sendeeinheit 101 und der Empfangseinheit 102 ein lichtundurchlässiges Trennelement 105 angeordnet. Dies ist prinzipiell jedoch nicht nötig, da aufgrund des erfindungsgemäßen Gedankens kein Überkoppeln zwischen den einzelnen Kanälen stattfindet bzw. sich dies durch einen entsprechend ausgestalten Bandpassfilter herausfiltern lässt. Das Trennelement 105 verhindert für gewöhnlich, dass das von der Sendeeinheit 101 emittierte amplitudenmodulierte optische Signal auf direktem Weg zur Empfangseinheit 102 gelangen kann.
Wenn der Benutzer die Bedienplatte 100 oberhalb der Sendeeinheit 101 in dem dafür vorgesehenen Bedienfeldbereich mit dem Finger 108 berührt, wird das von der Sendeeinheit 101 abgestrahlte amplitudenmodulierte optische Signal 103 am Finger 108 diffus gestreut. Der Finger 108 wirkt in diesem Fall als Streukörper. Wenn die Bedienplatte 100 an der entsprechenden Stelle berührt wird, gelangt ein Teil des durch die Sendeeinheit 101 emittierten amplitudenmodulierten optischen Signals 103 zur Empfangseinheit 102. Dies ist in 1 durch den Pfeil 109 dargestellt. Die Empfangseinheit 102 detektiert die Intensität des auf sie einfallenden optischen Signals.
Das Bedienelement weist ferner eine Auswerteeinheit auf, die derartig eingerichtet ist, dass sie das von der Sendeeinheit emittierte amplitudenmodulierte optische Signal aus dem von der Empfangseinheit empfangenen optischen Signal, welches auch einen Teil des amplitudenmodulierten optischen Signals der Sendeeinheit umfasst, herausfiltert. Hierfür kann die Auswerteeinheit bspw. einen entsprechend dimensionierten Hochpassfilter oder Bandpassfilter aufweisen. Ferner ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal mit einem Referenzwert zu vergleichen, um so das Berühren oder nicht Berühren der Bedienplatte zu detektieren. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten optoelektronischen Bedienelementen, verändert die Auswerteeinheit diesen Referenzwert aufgrund von Fremdlichteinfall nicht, da die durch Fremdlicht hervorgerufenen DC-Anteile bereits im Wesentlichen eliminiert sind.
Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit bilden zusammen ein erstes Sende-/Empfangspaar mit Hilfe dessen ein erster Bedienfeldbereich abtastbar ist, so dass eine erste optische Taste entsteht. Das optoelektronische Bedienelement kann auch mehrere optische Tasten aufweisen, die nebeneinander und/oder übereinander in Form eines Bedienfeldes angeordnet sind. Jede optische Taste wird durch jeweils ein weiteres Sende-/Empfangspaar gebildet, welches das entsprechende weitere Bedienfeld abtastet. Somit kann das optoelektronische Bedienelement eine Vielzahl von Sende-/Empfangseinheiten aufweisen, welche im Prinzip analog wie das zuvor beschriebene Sende-/Empfangspaar arbeiten. Lediglich die weiteren Frequenzen mit denen die weiteren Sendeeinheiten die weiteren Amplituden der weiteren amplitudenmodulierten optischen Signalen modulieren, sind derartig gewählt, dass zumindest die Frequenzen zweier benachbarter Sende-/Empfangseinheiten unterschiedliche Frequenzen, vorzugsweise, dass alle Sende-/Empfangseinheiten unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
In 2 ist ein Feldgerät für die Automatisierungstechnik gezeigt, welches mit einer optoelektronisch abgetasteten Bedienplatte 200 ausgestattet ist. Hierfür ist das Bedienelement an einer Außenseite des Feldgerätes angeordnet. Die Bedienplatte 200 sowie ein mögliches Display 205 können bspw. in das Gehäuse des Feldgeräts integriert sein. Die gezeigte Bedienplatte 200 umfasst beispielsweise einen Ziffernblock 201 mit zehn Zifferntasten sowie weitere Eingabetasten 202–204. Außerdem umfasst das gezeigte Feldgerät ein Display 205. Die Zifferntasten des Ziffernblocks 201 sowie die weiteren Eingabetasten 202–204 sind als Berührflächen auf der Bedienplatte 200 realisiert und arbeiten nach dem in 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Funktionsprinzip. Mit Hilfe der Zifferntasten des Ziffernblocks 201 sowie der weiteren Eingabetasten 202–204 ist es bspw. möglich, das Feldgerät vor Ort zu parametrieren bzw. die Parametrierung des Feldgeräts zu verändern. Die Erfindung ist dabei losgelöst davon, welche Bedienaktionen über das optoelektronische Bedienelement am Feldgerät durchgeführt werden.
3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Detektion einer Berührung an einer Bedienplatte 100 eines optoelektronischen Bedienelementes.
Das Verfahren sieht in einem ersten Verfahrensschritt S301 vor, dass ein amplitudenmoduliertes optisches Signal 103 durch eine Sendeeinheit 101 ausgesendet bzw. emittiert wird. Das optische Signal 103 wird dabei derartig von der Sendeeinheit 101 ausgesendet, dass die Amplitude des Signals mit einer fest vorgegebenen Frequenz, bspw. einer Frequenz aus dem kHz-Bereich, vorzugsweise ca. 400 kHz, moduliert ist. Das amplitudenmodulierte optische Signal 103 wird von der Sendeeinheit 101 in Richtung der Bedienplatte 100, vorzugsweise in einem Winkel von im Wesentlichen 90°, ausgesendet. Das amplitudenmodulierte optische Signal 103, wird wie zuvor beschrieben, in dem Fall, dass ein Finger 108 eines Benutzers oder ein anderes Streuobjekt die Bedienplatte 100 berührt, an dieser gestreut.
In einem zweiten Verfahrensschritt S302 wird ein optisches Signal durch eine Empfangseinheit empfangen. Das empfangene optische Signal 109 weist zumindest Anteile des von der Sendeeinheit emittierten und an der Bedienplatte 100 gestreuten amplitudenmodulierten optischen Signals 103 auf, wenn der Finger oder das Streuobjekt die Bedienplatte berührt. Das von der Empfangseinheit 103 empfangene optische Signal 109 weist für gewöhnlich aber auch noch eine Reihe anderer optischer Signale auf, wie bspw. Anteile eines Fremdlichtsignals (Sonnenlicht), ungewünschte überlagerte optische Signale von weiteren Sendeeinheiten, etc..
In einem dritten Verfahrensschritt S303 wird das von der Sendeeinheit 101 stammende amplitudenmodulierte optische Signal 103 aus dem von der Empfangseinheit 102 empfangenen optischen Signal 109 herausgefiltert. Hierfür wird das von der Empfangseinheit 102 empfangene optische Signal 109 bspw. über einen Hochpassfilter oder einen Bandpassfilter geleitet, so dass nach dem Filter ein weiterverarbeitbares Nutzsignal erhalten wird.
In einem vierten Verfahrensschritt S304 wird erkannt, ob der Finger 108 des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte 100 im Wesentlichen berührt hat oder nicht. Hierzu wird das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal bzw. das weiterverarbeitbare Nutzsignal gemessen und mit einem Referenzwert verglichen und in dem Fall, dass das Signal den Referenzwert überschreitet, das Berühren des Fingers 108 oder des Streuobjektes an der Bedienplatte 100 festgestellt. In diesem Fall wird eine entsprechende Bedienaktion, bspw. eine Parametrierung des Feldgerätes, ausgeführt. In dem Fall, dass der Referenzwert nicht überschritten wird, wird natürlich keine Bedienaktion durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls vorsehen, dass weitere amplitudenmodulierte optische Signal durch weitere Sendeeinheiten ausgesendet bzw. emittiert werden, um so ein optoelektronisches Bedienelement mit einer Vielzahl von optischen Tasten 202–204 zu realisieren.
Die weiteren amplitudenmodulierten optischen Signale werden hierbei vorzugsweise jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz amplitudenmoduliert. Beispielsweise kann eine Sendeeinheit mit einer Frequenz von ca. 400 kHz und die weiteren Sendeeinheiten das mit einer Frequenz von 600 kHz, 800 kHz, 1000 kHz, etc. das optische Signal amplitudenmodulieren. Ein von einer benachbarten Sendeeinheit übergekoppeltes Signal wird durch einen auf die jeweilige Frequenz eingestellten Bandpass herausgefiltert. Übergekoppelte Signal werden somit eliminiert. Aufgrund der jeweils unterschiedlichen Frequenzen mit denen die optischen Signale amplitudenmoduliert werden, ist es auch möglich, alle amplitudenmodulierte optische Signal vorzugsweise zeitlich überlappend, besonders bevorzugt zeitlich parallel auszusenden. Dies führt zu einer schnelleren Ansprechzeit der einzelnen Sende-/Empfangspaare und somit der optischen Tasten 202–204.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Gedankens ist es ebenfalls möglich, einen Verschmutzungsgrad der Bedienplatte 100 zu erkennen bzw. festzulegen. Hierzu wird in zeitlichen Abständen ein mit einer fest vorgegebenen Referenzfrequenz amplitudenmoduliertes optisches Referenzsignal von zumindest einer Sendeeinheit 101 ausgesendet. Die entsprechende Empfangseinheit 102 empfängt anschließend ein optisches Signal, welches anteilig das an der Bedienplatte 100 gestreute amplitudenmodulierte optische Referenzsignal aufweist. Das empfangene optische Signal und durch den AD-Wandler wird wiederum gefiltert, so dass das amplitudenmodulierte optische Referenzsignal zur Verfügung steht. Anschließend wird dieses mit anderen bereits im Verlauf der Zeit empfangenen gefilterten amplitudenmodulierten optischen Referenzsignalen verglichen, um auf diese Weise den Verschmutzungsgrad der Bedienplatte festzustellen bzw. zu erkennen. Vorzugsweise wird zum Vergleich eine Lichtmenge bzw. ein davon abhängiges Signal der in zeitlichen Abständen empfangenen amplitudenmodulierten optischen Referenzsignale miteinander verglichen. Beispielsweise können zumindest bei der Geräteinstallation die optischen Tasten mehrmals bedient werden und dabei Referenzwerte für die Verschmutzungserkennung aufgenommen werden. Eine erste Kalibration erfolgt in der Regel auch in der Fertigung der Anordnung. Danach werden im Normalbetrieb, d.h. im Messbetrieb des Feldgerätes, in definierten zeitlichen Abständen kontinuierlich Werte im nicht betätigten als auch betätigten Zustand aufgenommen. Aus dem Verlauf dieser Werte kann auf eine allmähliche Verschmutzung geschlossen werden. Unterschreitet der Abstand zwischen betätigt und unbetätigt einen zuvor ermittelten Referenzwert, wird eine Verschmutzung signalisiert. Es kann auch aus der Steigung dieses Differenzwertes eine entstandene Verschmutzung erkannt werden. Ist die Steigung < 0 oder flach, wird z.B. eine allmählich zunehmende Verschmutzung beobachtet. Das Verfahren zur Verschmutzungserkennung macht sich hierbei zu nutzen, dass ein möglicher Fremdlichteinfall keine Rolle spielt und somit mit davon unabhängigen Referenzwerten gearbeitet werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Bedienplatte
101: Sendeeinheit
102: Empfangseinheit
103: Amplitudenmoduliertes optisches Signal
104: Leiterplatte
105, 106, 107: Trennelemente
108: Finger eines Benutzers
109: gestreutes amplitudenmoduliertes optisches Signal
110: Auswerteeinheit
200: Bedienplatte
201: Ziffernblock
202, 203, 204: Eingabetasten
205: Display
206: Gehäuse des Feldgerätes
S301–S304: Verfahrensschritte

Claims

Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem zur Bedienung des Feldgerätes ausgebildeten optoelektronischen Bedienelement, wobei das Bedienelement folgendes umfasst: – eine, vorzugsweise transparente Bedienplatte (100), die an einer Außenseite eines Gehäuses (206) des Feldgerätes eine Berührfläche zur Betätigung durch einen Benutzer aufweist; – zumindest eine Sendeeinheit (101), die an einer der Außenseite abgewandten Innenseite der Bedienplatte (100) angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein mit einer fest vorgegebenen Frequenz amplitudenmoduliertes optisches Signal (103) in Richtung der Bedienplatte (100) auszusenden; – zumindest eine zu der mindestens einen Sendeeinheit (101) korrespondierende Empfangseinheit (102) zum Empfangen eines optischen Signals, wobei die Empfangseinheit (102) an der Innenseite der Bedienplatte (100) derartig angeordnet ist, dass ein an der Bedienplatte (100) durch einen Finger (108) des Benutzers oder einem anderen Streuobjekt gestreutes optisches Signal (109) zumindest teilweise zu der mindestens einen Empfangseinheit (102) gelangt; – eine Auswerteeinheit (110), die dazu eingerichtet ist, das von der Sendeeinheit (101) stammende amplitudenmodulierte optische Signal (103) aus dem von der Empfangseinheit (102) empfangenen optischen Signal (109) herauszufiltern und anhand des herausgefilterten amplitudenmodulierten optischen Signals zu erkennen, ob der Finger (108) des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte (100) an einer ersten definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine Berührung der Bedienplatte (100) zu detektieren.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (110) zum Erkennen, ob der Finger (108) des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte (100) im Wesentlichen berührt, das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal mit einem Referenzwert vergleicht.
Feldgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Sendeinheit (101) und die Empfangseinheit (102) ein erstes Sende-/Empfangspaar (101, 102) bilden und das Bedienelement (100) zumindest ein weiteres Sende-/Empfangspaar aufweist, wobei sich das weitere Sende-/Empfangspaar von dem ersten Sende-/Empfangspaar darin unterscheidet, dass das weitere Sende-/Empfangspaares mit einer weiteren fest vorgegebenen Frequenz ein weiteres amplitudenmodulierte optisches Signal in Richtung der Bedienplatte aussendet und die Auswerteeinheit, ferner dazu eingerichtet ist, das weitere amplitudenmodulierte optisch Signal aus dem von der Empfangseinheit des weiteren Sende-/Empfangspaar empfangenen weiteren optischen Signal herauszufiltern und anhand des herausgefilterten weiteren amplitudenmodulierten optischen Signals zu erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das andere Streuobjekt die Bedienplatte an einer weiteren definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine Berührung der Bedienplatte zu detektieren.
Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Sende-/Empfangspaar und das zumindest eine weitere Sende-/Empfangspaar nebeneinander angeordnet sind.
Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sendeeinheit des weiteren Sende-/Empfangspaares das weitere amplitudenmodulierte optische Signal mit einer von der Frequenz unterschiedlichen weiteren fest vorgegebenen Frequenz moduliert.
Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (110) ferner dazu ausgelegt ist, einen Verschmutzungsgrad der Bedienplatte (100) zu erkennen, wobei die zumindest eine Sendeeinheit (101) hierfür in zeitlichen Abständen ein mit einer fest vorgegebenen Referenzfrequenz amplitudenmoduliertes optisches Referenzsignal in Richtung der Bedienplatte (100) aussendet und die zumindest eine Empfangseinheit (102), das an der Bedienplatte (100) gestreute amplitudenmodulierte optische Referenzsignal zumindest teilweise empfängt und wobei die Auswerteeinheit (110) die in zeitlichen Abständen empfangenen amplitudenmodulierten optischen Referenzsignale miteinander vergleicht und anhand des Vergleiches einen Verschmutzungsgrad der Bedienplatte (100) erkennt.
Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Zweidraht-Feldgerät ist.
Verfahren zur Detektion einer Berührung an einer Bedienplatte (100) eines optoelektronischen Bedienelements eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, aufweisend die folgenden Schritte: – Aussenden eines amplitudenmodulierten optischen Signals (103) durch eine Sendeeinheit (101), wobei die Sendeeinheit das optische Signal mit einer fest vorgegebenen Frequenz amplitudenmoduliert; – Empfangen eines optischen Signals (109), welches in dem Fall, dass ein Finger (108) eines Benutzers oder ein anderes Streuobjekt an der Bedienplatte anliegt zumindest teilweise das gestreute bzw. reflektierte amplitudenmodulierte optische Signal umfasst, durch eine Empfangseinheit (102); – Herausfiltern des amplitudenmodulierten optischen Signals (103) aus dem empfangenen optischen Signal (109); – Erkennen, ob der Finger (108) des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte (100) an einer ersten definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so die Berührung der Bedienplatte (100) zu detektieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte (100) im Wesentlichen berührt, das herausgefilterte amplitudenmodulierte optische Signal mittels eines AD-Wandlers gemessen wird und anschließend weiterverarbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, ferner aufweisend die folgenden Schritte: – Aussenden zumindest eines weiteren amplitudenmodulierten optischen Signals durch eine weitere Sendeeinheit, wobei die weitere Sendeeinheit das weitere optische Signal mit einer fest vorgegebenen weiteren Frequenz amplitudenmoduliert, wobei die weitere Frequenz von der Frequenz unterschiedlich ist; – Empfangen zumindest des an der Bedienplatte durch den Finger des Benutzers oder dem anderen Streuobjekt gestreuten bzw. an der Bedienplatte reflektierten weiteren optischen Signals durch eine weitere Empfangseinheit; – Herausfiltern des amplitudenmodulierten weiteren optischen Signals aus dem empfangenen weiteren optischen Signal; – Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte an einer weiteren definierten Stelle im Wesentlichen berührt, um so eine weitere Berührung der Bedienplatte zu detektieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das amplitudenmodulierte optische Signal und das amplitudenmodulierte weitere optische Signal zeitlich überlappend ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei zum Erkennen eines Verschmutzungsgrades der Bedienplatte (100), in zeitlichen Abständen ein mit einer fest vorgegebenen Referenzfrequenz amplitudenmoduliertes optisches Referenzsignal in Richtung der Bedienplatte (100) ausgesendet wird und das an der Bedienplatte (100) gestreute amplitudenmodulierte optische Referenzsignal zumindest teilweise empfangen wird und die in zeitlichen Abständen empfangenen amplitudenmodulierten optischen Referenzsignale miteinander verglichen werden, um so anhand des Vergleiches den Verschmutzungsgrad der Bedienplatte (100) zu erkennen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei als fest vorgegebene Referenzfrequenz die fest vorgegebenen Frequenz oder die fest vorgegebenen weitere Frequenz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Herausfiltern des amplitudenmodulierten optischen Signals und/oder des weiteren optischen Signals, das Erkennen, ob der Finger des Benutzers oder das Streuobjekt die Bedienplatte im Wesentlichen berührt, und das Erkennen des Verschmutzungsgrades der Bedienplatte durch eine Auswerteeinheit ausgeführt werden.