-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und entsprechende Vorrichtungen
zur kapazitiven Abtastung von Messgrößen, die die Kapazität zwischen
zwei Elektroden beeinflussen. Solchen Messgrößen sind z.B. der Abstand zwischen
beiden Elektroden, die Position eines mit Elektrode ausgestatteten
Gegenstandes (zur Ortung desselben), die Größe oder Position eines zwischen
den Elektroden befindlichen Objektes, die Dielektrizitätskonstante
eines solchen Objektes, wenn es sich in einem Messraum zwischen den
Elektroden befindet, oder auch die Erkennung der Anwesenheit eines
solchen Objektes. Entsprechende Geräte finden Anwendung etwa zur
Kontrolle der Position von Maschinenteilen, als Endschalter, zur
Zählung
oder zur Abstandsmessung.
-
Bekannt
sind kapazitive Näherungsschalter, bei
denen mittels einer Elektrode ein elektrisches Wechselfeld erzeugt
wird, wobei die Annäherung
eines beliebigen Körpers
an die Elektrode gemessen werden kann durch die Erhöhung der
an der Elektrode auftretenden elektrischen Kapazität. Diese
Kapazitätsmessung
erfolgt gegenüber
dem festem Bezugspotenzial (Masse) und reagiert daher auf jeden Gegenstand,
der sich in der Umgebung befindet und das Feld beeinflusst; es wird
stets die Kapazität
zwischen der Elektrode und der Umgebung gemessen. Die Anordnung
erzeugt, bezüglich
der beiden Enden der Feldlinien, eine unsymmetrische Feldverteilung, da
die Feldlinien an ihrem einem Ende in der Elektrode münden und
am anderen Ende in der Umgebung, welche unter anderem auch das Messobjekt
beinhaltet. Erkannt wird dementsprechend eine einseitige Annäherung aus
der Umgebung zu dieser Elektrode. Wenn solche Geräte zur Messung
eines Abstandes verwendet werden, können sie daher bei Annäherung verschiedenster
Fremd-Gegenstände
gestört werden.
Außerdem
ist der Empfindlichkeits-Bereich nicht
gerichtet, d.h. die Beeinflussung kann aus verschiedensten Richtungen
erfolgen. Diese Rundum-Charakteristik ist umso ausgeprägter, je
größer die
Tastweite ist, da sich das elektrische Fern-Feld von einer einzelnen Elektrode ausgehend
naturgemäß kugelförmig ausbildet.
Das ist nachteilig, wenn größere Abstände gemessen
werden sollen. Ein weiterer Nachteil ist, dass mehrere nahe nebeneinander angeordnete
Näherungsschalter
sich gegenseitig stören
können.
-
DE 3616390 beschreibt eine
Vorrichtung zu berührungslosen
Abstandsmessung mit Messung der Kapazität zwischen jeweils mehreren
Elektroden und einem Messobjekt, bei dem die an verschiedenen Elektroden
benutzten Frequenz sich unterscheidet, um mehrere parallele Messungen
zu erhalten, die nicht voneinander beeinflusst werden. Dies erfordert
jedoch eine spezielle Kopplung aller verwendeten Elektroden untereinander.
Es erfolgt ebenso wie die eingangs beschrieben eine Messung gegenüber Masse-Potential.
-
EP 6572368 beschreibt eine
Anordnung von Meßsensoren
mit einer Vielzahl empfindlicher Flächen und einer phasendiskriminierenden
Auswertschaltung, wobei durch Verwendung eines gemeinsamen Oszillators
Störeinstreuungen
zwischen den einzelnen Teilflächen
vermieden werden.
-
DE 3242621 A1 beschreibt
einen kapazitiven Abstandsmesser, bei dem mit einer Sendeelektrode und
einer Empfangselektrode ein kapazitiver Spannungsteiler aufgebaut
wird, der die Annäherung
von Objekten durch Beweinflussung des Feldes erkennt, wobei eine
Abschwächung
der kapaztiven Kopplung zwischen den Elektroden erfolgt. Auch hier
erfolgt die Messung gegenüber
einem Gegenstand, der Erdpotential aufweist.
-
DD 222806 A1 beschreibt
eine kapazitiven Abstandsmessung zwischen einem Bearbeitungswerkzeug
und Werkstück
mit zwei in festen Abstand voneinander montierten Elektroden (Mess-Elektrode und
Hilfs-Elektrode),
wobei die Kapazitäten
zwischen Mess-Elektrode und Werkstück sowie zwischen Hilfs-Elektrode und Werkstück als Quotient
zur Abstands-Steuerung ausgewertet werden. Auch hier erfolgt die
Messung jeweils gegenüber
dem Werkstück, welches
Masse-Potenzial aufweist.
-
WO
99/28702 beschreibt einen kapazitiven Näherungsschalter mit einer Fühler-Elektrode
und einer Schirm-Elektrode, bei der in einer Auswertschaltung ein
Transistor derart verschaltet ist, dass eine Spannungsdifferenz
zwischen Schirm-Elektrode und Fühler-Elektrode
minimiert wird. Bei dieser Abschirmung handelt es sich jedoch nicht
um ein Erdpotential, sondern ein mitgeführtes Schirm-Potenzial (Wächter).
Ein ähnliches
Prinzip liegt
EP 0723166 zugrunde.
-
Den
obigen Verfahren gemeinsam ist die Messung gegenüber Gegenständen, welche annähernd Erdpotentzial
aufweisen, wobei die eingangs beschriebenen Nachteile auftreten.
-
DE 4009977 A1 beschreibt
eine kapazitive Einrichtung zum Messen von Längen oder Winkeln mittels Verschiebung
zweier parallel angeordneter Elektrodenflächen, wobei eine Elektrodenfläche eine Anzahl
nebeneinander liegender Sende-Elektroden aufweist und in Bezug zu
einer anderen Elektrode (Empfangselektrode) verschiebbar ist. Ein
Impulsgeber beaufschlagt die verschiedenen Sendeelektroden mit in
ihrer Phasenlage gegenseitig verschobenen Signalen. Somit kann aus
dem empfangenen Phasenlage die relative Position bzw. Verschiebung ermittelt
werden.
-
Ein
entsprechendes Grundprinzip ist auch in
DE 33040782 und
GB 2118720 A beschrieben,
wobei die Phasenlage hier zur Ermittlung eines Winkels herangezogen
wird (Winkelgeber).
-
DD 242083 A1 beschreibt
eine kapazitive Abstandsmessung, bei der auf einer Leiterplatte
eine flächige
Elektrode und Gegen-Elektrode aufgebracht sind und die Verschiebung
eines Objektes aufgrund einer resultierenden Kapazitätsänderung
gemessen wird.
-
Die
letzteren Verfahren sind stark auf die jeweilige Anwendung eingeschränkt. Die
Verfahren, bei denen unter mehreren Sendeelektroden eine Unterscheidung
durch Phasenmessung vorgenommen wird, ermöglichen zudem keine scharfe
Trennung der Teil-Signale, die von den einzelnen benachbarten Sendeelektroden
stammen, d.h. es ergibt sich eine "unscharfe" Kanaltrennung. Dies ist ausreichend
bei Anwendungen, bei denen wie beschrieben die Elektroden aneinander
angereiht bzw. angrenzend liegen, wie etwa zur Winkelmessung oder
Verschiebungsmessung, nicht jedoch für allgemeine Anwendungen, etwa
zur Abstandsmessung im freien Raum, da die starken Kapazitätsunterschiede
bzw. Signalpegel-Unterschiede,
die allgemein auftreten können, nicht
sauber getrennt werden können.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist ein für mehrere verschiedene Einsatzbereiche
universell verwendbares kapazitives Mess-Verfahren mit zwei Elektroden,
das wesentlich unempfindlicher auf Störungen der beschriebenen Art
reagiert.
-
Hierzu
sind die kennzeichnenden Teile des Hauptanspruchs vorgesehen.
-
Da
die Kapazität
nicht gegenüber
Masse (Erdpotential) gemessen wird, sondern selektiv zwischen zwei
Elektroden, sind die Möglichkeiten
der Störung
geringer. Bei einer Messung des Abstandes zwischen beiden Elektroden
sind erheblich größere Abstände möglich als
nach der bekannten Art der einer einseitigen Messung zwischen einer
Elektrode und einem von der Umgebung geerdeten Körper. Beide zu messenden Teile
werden hierzu mit einer Elektrode ausgestattet. Die Zuführungs-Leitung
kann flexibel sein. Da sich das elektrische Feld in erster Linie
im Raum zwischen den Elektroden aufbaut, ergibt sich eine Richtwirkung,
die besser ist als die der üblichen
kapazitiven Näherungsschalter.
Andere Gegenstände,
die nicht mit einer Elektrode ausgestattet sind, beeinflussen das
elektrische Feld nur dann, wenn sie sich dem Zwischenraum zwischen
beiden Elektroden nähern.
Daher resultiert einerseits eine geringere Störanfälligkeit durch Fremdobjekte.
Andererseits kann das Verfahren auch dazu verwendet werden, um die
Anwesenheit, Position oder Größe von Gegenständen zu
messen, welche in einen zwischen den Elektroden definierten Meßraum eingeführt werden.
In diesem Fall können
sowohl Sende-Elektrode
als auch Empfangs-Elektrode fest montiert werden.
-
Weiteres
erfindungsgemäßes Merkmal
einer Ausführung
besteht darin, dass sowohl die Ankopplung der Sendeelektrode an
die Wechselspannung als auch die Ankopplung der Empfangs Elektrode
an die Meßschaltung
wesentlich niederohmiger erfolgen, als es dem kapazitiven Scheinwiderstand
der Elektroden entspricht. Der auftretende Scheinwiderstand der
Elektroden kann mehrere Kapazitäten
beinhalten: die Kapazität
der Zuleitungen zu den Elektroden, deren rückseitige Befestigung sowie
die Kapazitäten
zu allen Fremdgegenständen,
die in der Nähe
oder im Raum hinter den Elektroden liegen. Indem die Ankopplungen
niederohmiger gemacht werden, wird erreicht, dass zwischen Elektrode
und Erdpotenzial auftretende kapazitive Lasten die Messung nicht
wesentlich beeinflussen.
-
Wenn
sich die Kapazität
der Sendeelektrode verändert,
hervorgerufen zum Beispiel durch die Länge der Zuführungsleitung, oder durch die
Annäherung
eines Fremdkörpers
an die Elektrode, oder durch die Kapazität der rückseitige Befestigung der Elektrode
an einem Objekt, dann wird die Messung nicht beeinflusst, da die
Oszillator-Spannung konstant bleibt. Es verändern sich zwar die vom Osziliator
abgegebenen Ströme,
diese spielen aber bei der Messung, im Unterschied zu gewöhnlichen
kapazitiven Näherungsschaltern,
keine Rolle.
-
Wenn
sich umgekehrt die Kapazität
der Empfangselektrode verändert,
etwa durch die gleichen beschriebenen Einflüsse, dann bleibt dies ebenso
ohne Einfluss auf die Messung, da die niederohmige Impedanz am Eingang
der Meßschaltung verhindert,
dass zwischen Empfangs- Elektrode und Massepotenzial elektrische
Spannungen überhaupt in
der Größenordnung
auftreten können,
die erforderlich wären,
dass störende
Kapazitäts-Änderungen
an der Empfangselektrode oder ihrer Zuführung einem Einfluss hätten. Mangels
elektrischer Spannung kann an den störbaren Zonen auch kein wesentliches
elektrisches Feld entstehen.
-
Um
eingangsseitig die gewünschte
niederohmige Impedanz zu erreichen, genügt z.B. ein in Basis-Schaltung betriebener
Transistor am Eingang, oder ein niederohmiger Lastwiderstand parallel
zum Eingang. In einem Ausführungsbeispiel
ist ein Eingangsversärker
mit einer so hohen Spannungsverstärkung vorgesehen, dass die
zur Erkennung erforderliche Eingagsspannung sehr klein ist. Zusätzlich wird
dieser Eingang durch ein als Shunt parallelgeschaltetes variables
Impedanzglied belastet, so dass sich verschiedene Empfindlichkeiten
einstellen lassen. Die hohe Empfindlichkeit kann dabei auf den zur Anwendung
passenden Wert heruntergestellt werden bei gleichzeitiger Verminderung
der Eingangs-Impedanz.
-
Obgleich
Senderelektrode und Empfangselektrode schaltungstechnisch eine verschiedene
Rolle spielen, ist das Mess-Resultat symmetrisch bezüglich beider
Elektroden-Arten. Die Feldlinien verlaufen von der Sendeelektrode
zwar nicht ausschließlich
in die Empfangselektrode, sondern münden möglicherweise auch in andere
geerdete Objekte der Umgebung; da aber ausschließlich der Anteil derjenigen Feldlinien
einen Einfluss auf das Messergebnis hat, der in die Empfangselektrode
mündet,
wird stets die kapazitive Kopplung zwischen beiden Elektroden gemessen.
Diese verhält
sich symmetrisch bezüglich der
Elektroden-Art Sender und Empfänger.
Würde man
Sender und Empfänger
an den Anschlüssen vertauschen,
so bliebe das Messergebnis das gleiche. Der Anwender kann beide
Elektroden gleichartig verwenden. Dieser Sachverhalt verdeutlicht
auch eine der Besonderheiten der vorliegenden Erfindung sowie den
Effekt der Eingrenzung des durch das Elektroden-Paar definierten
Messraumes gegenüber einem
herkömmlichen
Näherungsschalter.
-
Die
Auswertung der Amplitude des Empfangssignals kann mithilfe eines
getakteten Gleichrichters erfolgen, der vom Sendesignal getaktet
wird. Hierdurch wird erreicht, dass vom empfangenen Signal nur derjenige
Anteil gemessen wird, der mit Frequenz und Phase exakt mit dem gesendeten übereinstimmt,
sodass eine höhe
Störselektion
erzielt wird. Weiterhin kann der Oszillator ein nicht-periodisches Signal
abgeben. Die Eigenschaft der nicht-Periodizität kann auf einfache Weise etwa
dadurch erreicht werden, dass man die Phasendauer eines rechteckförmigen Signals
unregelmäßig variieren
lässt,
etwa durch Zufallsgenerierung. Es ergibt sich der Vorteil, dass
Störeinstreuungen
durch periodische Vorgänge,
etwa durch fremde Oszillatoren oder durch benachbarte andere kapazitive
Messvorrichtungen, ausgemittelt werden und Aliasing-Effekte vermieden werden.
In Zusammenhang mit der beschriebenen getakteten Auswertung erfolgt
dann auch diese unperiodisch, wodurch eine besonders gute Immunität gegenüber Fremdeinstreuungen
erreicht wird. Die Variierung der Periodendauer kann innerhalb vorgegebenener
Grenzen erfolgen, sodass eine quasi-kontinuierliche Messung möglich ist.
-
Es
können
mehrere Sende-Elektroden vorgesehen werden. Die kapazitive Kopplung
von jeder der Sendeelektroden kann separat erkannt werden. Hierzu
können
deren Sendesignale verschieden markiert werden und aus dem empfangenen
Signal die Anteile der verschiedenen Sendesignale in einer für die Sendesignale
selektiven Erkennungsschaltung unterschieden werden. Eine solche
Markierung und Erkennung kann erfolgen, indem die verschiedenen
Sendeeletroden ihre Signale innerhalb einer Abfolge zu verschieden
definierten Zeitpunkten abgeben und die empfangene Signalfolge entsprechend dieser
Zeiten nach dem Multiplexing-Verfahren zeitselektiv ausgewertet
bzw. abgefragt wird.
-
Die
Abfolge kann z.B. eine fortlaufend wiederholte serielle Folge sein.
Die Folge kann sowohl bezüglich
ihrer Wiederholung als auch bezüglich
ihres Ablaufes regelmäßig oder
unregelmäßig sein. Eine
unregelmäßige Folge
kann die oben beschriebenen Vorteile der Störsicherheit aufweisen.
-
Das
Sendesignal kann mithilfe eines gemeinsamen Oszillators erzeugt
werden und der Reihe nach an mehrere Sendeelektroden geschaltet werden.
Pro Sendeelektrode kann soviel Zeit vorgesehen sein, dass jede Elektrode
ein Pulk bzw. Wellenpaket überträgt, das
aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender zusammenhängender
Oszillator-Takte besteht. Alternativ kann in kürzeren Zeitabständen, etwa
nach jedem Takt oder Halbtakt des Oszillators, auf die folgende
Elektrode durchgeschaltet werden. Die erstere Methode hat den Vorteil,
dass eine sehr hohe Signaltrennung zwischen den einzelnen Kanälen möglich wird.
-
Weiterhin
können
mehrere Empfangs-Elektroden vorgesehen werden. Für jede Empfänger-Elektrode kann eine eigene
Auswertschaltung vorgesehen sein. Alternativ kann auch eine gemeinsame
Auswertschaltung für
mehrere Empfangselektroden verwendet werden, wobei der Eingang der
gemeinsamen Auswertschaltung in einer zeitlichen Abfolge an verschiedene
Empfangselektroden gekoppelt wird, wozu ebenfalls eine Zeitmultiplex-Schaltung
verwendet werden kann.
-
Indem
sowohl mehrere Empfänger
als auch mehrere Sender vorgesehen werden, kann separat die kapazitive
Kopplung von jedem Sender zu jedem Empfänger gemessen werden. Es lassen
sich also eine Vielzahl von Messwerten gewinnen. Die Messwerte lassen
sich als Matrix auffassen, welche die kapazitiven Kopplungen der
Elektroden zueinander anzeigt und somit etwa die Abstände der
Elektroden untereinander.
-
Auch
hier kann durch Umschaltung der Eingangsschaltung an mehrere Empfangselektroden
erreicht werden, dass nur eine gemeinsame Empfangsschaltung verwendet
werden muss, was den Aufwand erheblich reduziert. Die Taktung des Zeit-Multiplexing
für die
Sender und die Empfänger kann
hierzu miteinander kombiniert werden, etwa indem die entsprechenden
Umschalt-Takte miteinander verschachtelt werden. Ferner lässt sich
eine gegebene Elektrode in zeitlicher Abfolge wechselnd sowohl als
Sender als auch als Empfänger
betreiben, indem ihre Zuführung über einen
entsprechenden elektronisch gesteuerten Schalter zwischen Ausgang und
Eingang umgeschaltet wird. Hierdurch ist eine Matrizierung möglich, die
es erlaubt, zwischen beliebigen Elektroden, also auch kettenweise,
die Kopplungen zu messen.
-
Die
Zuführung
zu Elektroden kann über
geschirmte flexible Leitung erfolgen. Die Elektroden können aufgebaut
sein mit einem isolierenden Träger und
einer leitenden Oberfläche.
die Elektroden können
zum Aufkleben auf einen zu messenden Gegenstand eingerichtet sein.
-
1 zeigt Blocksschaltbild
einer entsprechenden Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel
Der Rechteck-Oszillator 11 gibt sein Signal an den Multiplexer 12.
An dessen vier Ausgängen sind über die
abgeschirmten Leitungen 17a–17d die vier
Elektroden 18a–18d verbunden.
Zu jedem Zeitpunkt ist jeweils eine der Elektroden an den Oszillator 11 gekoppelt.
Um für
die jeweils abgeschalteten Elektroden eine niederohmige Anpassung
auf Nullpotential zu erreichen, werden die Leitungen zusätzlich über die
parallelgeschalteten Kondensatoren 16a–16d belastet. Aus dem
Takt des Oszillators 11 wird über die Frequenzteiler 14 und 15 das
Adresßsignal
erzeugt, welches zur Steuerung des Multiplexers 12 dient.
Die Empfangs-Elektrode 21 ist über das abgeschirmte Kabel 22 (dessen
Schirm, ebenso wie bei den Sende-Kabeln, am Massepotenial geerdet
ist) mit dem Eingang des Spannungs Verstärkers 26 verbunden.
Parallel dazu liegen die beiden Dioden 23 und 24.
Sie dienen als variable Widerstände,
deren Impedanz durch den die Dioden durchfließenden Gleichstrom festgelegt
ist. Dieser wird durch die Steuerspannung 25 festgelegt,
und kann zur Einstellung der Empfindlichkeit dienen. Das in 26 verstärkte Empfangssignal
wird durch einen getakteten Gleichrichter, der aus Koppelkondensator 27 und
Umschalter 28 aufgebaut ist, in seiner Amplitude ausgewertet. Der
Umschalt-Takt des Schalters 28 wird direkt vom Oszillator 11 angesteuert,
so dass eine phasengekoppelte Gleichrichtung ermöglicht wird. In den Multiplexer 29 gelangt
gleichgerichtet die Spannung entsprechend der Differenz bzw. dem
Spannungs-Sprung aus Verstäker 26,
der sich zwischen den Phasen High und Low des Oszillators ereignet. Er
wird über
den Kondensator 27 nach jeder Erdungsphase des Schalters 28 ausgekoppelt.
-
Die
Sprunghöhe
entspricht der empfangenen Amplitude, die wiederum von der kapazitiven Kopplung
zwischen den Elektroden abhängt.
Der Demultiplexer 29 verteilt die in zeitlicher Abfolge
eintreffenden empfangenen Amplituden auf die vier S&H- Kondensatoren 30a–30d.
Die dort anliegenden Spannungen sind dadurch den vier Sendeelektroden zugeordnet.
Sie stellen die aus mehreren Oszillator-Phasen zeitlich Bemittelte
Amplitudenwerte dar, die den einzelnen von den Sendeelektroden 18a–18d stammenden
Anteilen der kapazitiven Kopplung entsprechen. Aus diesen Spannungen können in
den Schwell-Schaltern 31a–31d Pegel-abhängige Schaltsignale
erzeugt werden. Alternativ können
die Spannungen als Analogwerte zur Ausgabe oder Weiterverarbeitung
gebracht werden, etwa über
Auskopplungsglied 32. Der Demultiplexer 29 kann
mit einem Inhibit-Eingang derart an einen weiteren Frequenzteiler-Anschluss
angeschlosen werden, dass er vor Weiterschaltung des jeweils nächsten Wellenpaketes
in den nächsten
Kanal eine definierte Zeit unterbricht. Dies ermöglicht eine hohe Kanaltrennung.
-
Der
Zufallsgenerator 13 beeinflusst über einen Steueranschluss am
Oszillator 11 dessen Zeitkonstante und somit die aktuelle
Phasendauer der erzeugten Frequenz. Auf diese Weise wird erreicht, dass
der Oszillator ein nicht-periodisches Signal abgibt und somit periodische
Stör-Einstreuungen,
etwa durch fremde Oszitlatoren, sich bei der Messung ausmitteln
und keine störenden
Interferenzen erzeugen.
-
Bei
Abstandsmessung kann die gemessene Amplitude je nach Feldverlauf
entweder zum Kehrwert des Abstandes proportional sein (bei Distanzen klein
gegenbüber
der Elektrodenflächen-Abmessung)
oder zum Logarithmus (bei einem zylindrischen Feld) oder zum Quadrat
des Kehrwertes (Kugelfeld bei gegenüber Elektroden-Abmessung großen Abständen). Solche
Abhängigkeiten
können
geeignet linsarisiert werden, etwa durch analoge oder (nach Analog-Digital-Wandlung)
digital implementierte Funktionen. Um für verschiedene Anwendungen und
bei den resultierenden großen
Signalpegel-Unterschieden
einen universell brauchbaren und eichbaren Messbereich zu erhalten,
ist als Korrektur ein logarithmisches Verhalten vorgesehen. Hierzu
kann das aus Dioden 23 und 24 bestehende variable
Impedanzglied verwendet werden. Die Steuerspannung (25)
verhält
sich logarithmisch zur in den Dioden erzielten Impedanz. Die Steuerspannung
(25) kann aus einem Ausgangssignal abgeleitet werden, wie über Regelkreis-Integrator 33 dargestellt.
Durch die resultierende Gegenkopplung wird das gewünschte logarithmische
Verhalten erreicht.
-
Alternativ
kann sich der Messbereich bzw. die Linearisierung auf eine Empfindlichkeits-Einstellung
beziehen. Dies ist sinnvoll, wenn Schaltausgänge verwendet werden. Hierzu
kann einfach die (logarithmische) Steuerspannung (25) vom
Benutzer verstellbar gemacht werden. Weiterhin kann ein automatischer
Einlern-Vorgang implementiert werden. Hierzu kann über einen
programmgesteuerten Vorgang ein Wert für die Steuerspannung (25)
festgelegt und digital abgespeichert werden und dieser bei Betrieb über eine
Analog-Digital-Wandlung als Steuerspannung 25 an die Dioden
(bzw. einen verstellbaren Shunt anderer Art) gegeben werden.
-
2 bis 4 zeigen Beispiele von verschiedenen
Elektrodenanordnungen für
verschiedene Anwendungen:
-
2 zeigt eine Anordnung zur
Ortung der Position eines bewegten Maschinenteils 40. Eine Empfangs-Elektrode 41 ist
am Maschinenteil 40 angebracht und über das abgeschirmte Kabel 42 mit der
Auswerteeinheit 43 verbunden. Im festen Raum sind die drei
Sendeelektroden 44a, 44b, 44c angebracht.
Sie sind ebenfalls über
abgeschirmte Leitungen mit drei Ausgängen 45a, 45b, 45c der
Auswert-Einheit verbunden. Die Ausgänge können den Ausgängen des
Multiplexers 12 aus 1 entsprechen;
die Auswerteeinheit kann der in 1 dargestellten
Schaltung entsprechen. Bei einer räumlichem Bewegung ändern sich
die zwischen den Elektroden erzeugten Kapazitäten. Indem die Elektroden an
dreidimensonal verschiedenen Orten befestigt sind, ist eine eindeutige
dreidimensionale Positionsbestimmung möglich. Hierzu werden die drei
analogen Ausgänge 46a, b, c herangezogen.
Diese Ausgangssignale können
aus dem Multiplexer 29 aus 1 stammen.
-
Gegenüber üblichen
in der Robotik verwendeten Meßsensoren,
die in Gelenken, Schubvorrichtungen, Roboterarmen etc. eingebaut
werden müssen,
hat dieses Verfahren erhebliche Vorteile, besonders wenn eine hohe
Stell-Präzision
in der Nähe
von zu bearbeitenden Objekten erforderlich ist. Weil die Lage Messung
direkt in der Nähe
des Objektes und am Ende des Roboter-Arms erfolgen kann, wird die fange
mechanische Kette verschiedener Toleranzquellen, wie sie bei mehreren
hintereinander wirkenden Gelenken auftreten können, umgangen und die Präzision erhöht. Weiterhin
können
die bisher bestandenen hohen Genauigkeits-Anforderungen an die Sensoren
entfallen und die damit verbundenen Kosten vermieden werden.
-
3 zeigt eine weitere Anordnung
zur Positionsmessung an einem linear bewegten Maschinenteil 50.
Die Empfangs-Elektrode 51 ist am bewegten Teil so angebracht,
das sie elektrische Felder aus mehreren Richtungen empfangen kann.
Mehrere Elektroden 52–57 sind
im festen Raum angebracht. Durch ihre Anordnung wirken Elektroden 52 und 57 als
Endschalter, während
die Elektroden 53 und 54 verschiedene Positionen
anzeigen, die angefahren werden können.
-
Die
Elektroden 55 und 56 sind als Paar nahe nebeneinander
angebracht. Die ihnen zugeordneten Meßsignale können voneinander subtrahiert
werden. Dies ergibt ein Meßsignal,
welches die genaue Position innerhalb eines zwischen den beiden
Elektroden 55 und 56 sich erstreckenden Wegbereiches
angibt. Dies kann verwendet werden, um über einen Regelkreis das Maschinenteil 50 auf
eine genaue Position zu fahren, wobei etwa Elektrode 51 genau
in die Mitte zwischen die Elektroden 55 und 56 positioniert
wird, und diese Position zu halten. Unter Veränderung eines Sollwertes können auch
verschiedene Positionen innerhalb einer definierbaren Teilstrecke
angefahren werden.
-
Indem
die zu subtrahierenden Meßsignale vorher
logarithmiert werden, wie bei 1 beschrieben,
ergibt sich der zusätzliche
Vorteil, dass das Ergebnis vom Quotienten der Messwerte abhängt, also vom
Kapazitätsverhältnis und
nicht von der Kapazitätsdifferenz.
Abstands-Unterschiede, die zwischen Elektrode 51 und dem
Paar 55–56 auftreten,
verändern
zwar die Differenz der messbaren Kapazitäten, nicht jedoch deren Quotienten.
Daher werden störende
Einflüsse
durch Abstands-Unterschiede ausgeglichen.
-
Alternativ
können
die Funktionen bezüglich Sendeelektrode
und Empfangselektrode vertauscht sein. Dann ist Elektrode 51 der
Sender und Elektroden 52–57 sind
mehrere Empfänger.
-
4 zeigt eine weitere Anordnung
zur Dicke-Messung an Gegenständen 61–64,
die an einem Förderband
zwischen den oberhalb und unterhalb montierten Elektroden 65 und 66 vorbeigeführt werden.
Die Gegenstände
können
elektrisch leiten oder eine von Luft verschiedene Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Wenn die Gegenstände
elektrisch isoliert sind ergibt sich in beiden Fällen eine Verkürzung der Feldlinien
und entsprechend eine Erhöhung
der kapazitiven Kopplung. Da sich das elektrische Feld in der Gesamtstrecke
zwischen den Sonden aufbaut, ist die Messung im Unterschied zu herkömmlichen kapaztiven
Näherungssensoren
nur wenig von der Lage des Objektes abhängig.
-
Eine
entsprechende Anordnung kann auch verwendet werden, um einen Füllstand
zu messen, etwa in Behältern,
die auf einem Förderband
bewegt werden.
-
Ähnliche
Anordnungen können
auch verwendet werden, um die Anwesenheit von Objekten zu erkennen.
Hierzu können
an der Ausgängen Schaltglieder
gekoppelt sein, deren Schwelle justierbar ist.
-
Ferner
kann die Anzahl von Objekten (61, 62, 63)
erkannt werden, die übereinander
oder auch nebeneinander liegen.
-
Als
weitere Anwendung können
Sende- und Empfangs-Elektrode je als Handtaster-Fläche ausgebildet
sein. Beide Haldtaster-Flächen
können
beabstandet abgeordnet werden, sodass zwei Hände einer Bedienperson erforderlich
sind, um beide Flächen
gleichzeitig zu berühren.
Die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden erhöht sich
dann, wenn die Bedienperson beide Hände auflegt und damit Sender
und Empfänger
miteinander koppelt. Die gemessene Erhöhung des Signals kann zur Erzeugung
eines Schaltsignals zur sicherheitsrelevanten Steuerung von Maschinen
verwendet werden, bei denen Verlatzungsgefahr besteht. Vorteilhafterweise kann
dieses Signal nicht ausgelöst
werden, wenn die Handtaster etwa von zwei getrennten Personen einhändig berührt werden
oder wenn Gegenstände
auf die Flächen
gelegt werden.