DE19959784C1 - Sensorik zur Stellungsmeldung von beweglichen Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die Stellung von beweglichen Bauteilen in einem Gerät kann durch Verstimmung einer kapazitiven Anordnung bestimmt werden. Bekannte Sensoren müssen jedoch aufwendig justiert werden. DOLLAR A Vorgeschlagen wird mit der vorliegenden Sensorik, daß das Bauteil, dessen Stellung zu überwachen ist, so angeordnet oder ausgebildet ist, daß es selbst oder eine an ihm befestigte Platte (4; 8) im Betätigungsfall zwischen mit der hochfrequenten Spannung beaufschlagte, gegenüberliegende Elektroden (1, 2, 3; 5, 6, 7) eintaucht oder sich aus dem Bereich der Elektroden (1, 2, 3; 5, 6, 7) herausbewegt, wobei es selbst oder die an ihm befestigte Platte (4, 8) an Massepotential gelegt ist. DOLLAR A Die Sensorik ist z. B. geeignet für Stellungsgeber innerhalb von Leistungsschaltern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorik zur Stellungsmeldung von beweglichen Bauteilen in Geräten, insbesondere in Niederspan­ nungs-Leistungsschaltern, auf der Basis verstimmbarer Kapazi­ tät zwischen mit einer hochfrequenten Spannung beaufschlagten Elektroden, wobei das Bauteil, dessen Stellung zu überwachen ist, so angeordnet oder ausgebildet ist, dass es selbst oder eine an ihm befestigte Platte im Betätigungsfall zwischen mit der hochfrequenten Spannung beaufschlagte, gegenüberliegende Elektroden eintaucht oder sich aus dem Bereich der Elektroden herausbewegt und die Spannung hinsichtlich ihrer Amplitude durch eine Auswerteelektronik überwacht wird

Eine Sensorik der genannten Art ist durch die DE 195 32 196 A1 bekannt geworden. Sie dient der Überwachung des Schaltzu­ standes von Leitungsschutzschaltern und wird in der Weise an­ gewendet, dass sich der gesamte Leitungsschutzschalter in der Elektrodenanordnung befindet. Durch mehrere Elektrodenpaare kann dabei der Schaltzustand hinsichtlich unterschiedlicher Auslösemechanismen, wie beispielsweise Handauslösung, Über­ stromauslösung oder Kurzschlussauslösung erkannt werden.

Eine solche Anordnung ist bei größeren und mehrpoligen Schaltgeräten, wie sie Niederspannungs-Leistungsschalter dar­ stellen, nicht anwendbar. Einerseits ist es nämlich weder me­ chanisch noch messtechnisch praktikabel, ein solches relativ großes Schaltgerät zwischen Elektroden anzuordnen. Anderer­ seits ist bei einem mehrpoligen Schaltgerät kein für dessen Zustand brauchbares Signal zu gewinnen, wenn sich mehrere Schaltpole zwischen den Elektroden befinden. Deshalb wurden bisher zur Überwachung der Stellung von mechanisch bewegten Bauteilen Stellungsgeber benutzt, die mit Mikroschaltern ar­ beiten. So werden z. B. die Schaltkontakte eines Niederspan­ nungs-Leistungsschalters auf ihre Ein- und Aus-Stellung hin überwacht, um eine Bestätigung über eine erfolgte Schalthand­ lung zu erlangen. Auch vorgeordnete einzelne Bauteile, wie die Federspeicher, die Auslösemagnete oder auch die Positio­ nierung des gesamten Schaltereinschubs lassen sich auf diese Art überwachen, so daß bei Fehlfunktion des Schalters eine Fehlerdiagnose erleichtert wird.

Mikroschalter haben nur einen kleinen Hub und erfordern des­ halb eine sehr genaue Justierung. Darüber hinaus sind sie we­ gen ihrer Anfälligkeit gegen Erschütterungen und wegen ihrer relativ schnellen Alterung nachteilig. Mechanische Kontakte unterliegen stets einem Verschleiß durch Korrosion. Außerdem treten insbesondere bei der Verwendung in Leistungsschaltern leicht Verschmutzungen auf, bedingt durch die Lichtbogenwir­ kung, durch die Kontaktmaterial verdampfen und sich in der Umgebung, darunter eben in den Mikroschaltern absetzen kann. Auch atmosphärische Verschmutzungen treten innerhalb einiger Zeit auf. Durch Erschütterungen und Verschmutzungen sind leicht Fehlmeldungen möglich, die zu Fehlhandlungen und damit sogar zu Gefahrensituationen führen können.

Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, eine Sensorik der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass sie sich für Niederspannungs-Leistungsschalter eignet und es ermöglicht, die Stellung beweglicher Bauteile inner­ halb des Leistungsschalters zuverlässig zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach ist das Bauteil oder die an ihm befestigte Platte an Massepotential gelegt und es stehen einander mehrere in einer Ebene liegende, mit jeweils Spannungen unterschiedlicher Fre­ quenz beaufschlagte Sendeelektroden einer Empfangselektrode gegenüber, wobei jede Spannung von der Auswerteelektronik se­ parat überwacht ist. Im allgemeinen können die Elektroden das zu überwachende Bauteil direkt umschließen oder so gestaltet werden, daß eine leichte Stellungsauswertung mit den Elektro­ den möglich ist.

Durch das Einführen eines geerdeten bzw. an Masse gelegten Teils zwischen die Elektroden wird die Koppelkapazität dra­ stisch vermindert. Wird auf eine Elektrode eine hohe Fre­ quenz, z. B. 100 kHz, gegeben, so ist auf der gegenüberlie­ genden Elektrode bei direkter Kopplung eine hohe Spannung mit gleicher Frequenz festzustellen. Wird die Platte bzw. das Bauteil zwischen die Elektroden gebracht, so vermindert sich die Koppelkapazität drastisch, so daß die Amplitude an der Empfangselektrode stark vermindert wird, ca. auf 1/10 bis 1/100. Dies kann in einer Auswerteelektronik leicht erfaßt werden.

Die Anordnung hat den Vorteil, das Verschmutzungen und der Abstand des Bauteils oder der Platte zu den Elektroden keine Auswirkungen auf die Funktion der Anordnung haben.

Wesentlich ist bei der Anordnung nach der Erfindung die Ver­ wendung von zwei oder noch mehr Sendeelektroden, die mit un­ terschiedlichen Frequenzen beaufschlagt werden. Die Auswerteelektronik kann dadurch erkennen, welche Frequenz dominiert. Bei Ausfall z. B. einer Sendefrequenz erfolgt noch keine Falschmeldung. Außerdem ist mit dieser Anordnung auch die stufenlose Messung von Zwischenzuständen des Bauteils mög­ lich, indem das Verhältnis der Amplitudenänderung an den je­ weiligen Elektroden zueinander bewertet wird.

Durch Einsatz eines im allgemeinen ohnehin vorhandenen Mikro­ prozessors kann der Aufwand klein gehalten werden. Der Mikro­ prozessor kann sowohl die Sendefrequenzen zur Verfügung stel­ len als auch Empfangsauswertung vornehmen. Bei mehreren Stel­ lungsüberwachungen wird die Anordnung besonders einfach, da die Sendefrequenzen für alle Überwachungen ausgenutzt werden können.

Die Vorteile der Lösung gehen auch aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel hervor.

Durch einen Mikroprozessor µP, der in dem elektronischen Überstromauslöser eines Niederspannungs-Leistungsschalters vorhanden ist, werden die Frequenzen 100 kHz und 150 kHz be­ reitgestellt. Mit den beiden Frequenzen sind Sendeelektroden 1 und 2 eines kapazitiven Stellungssensors beaufschlagt. Die Amplitude der hochfrequenten Spannung zwischen den Sendeelek­ troden 1 und 2 und einer Empfangselektrode 3 wird durch den Mikroprozessor µP überwacht.

Zur Stellungsüberwachung eines Bauteils, z. B. der Schalt­ kontakte des Leistungsschalters, ist dieses mit einer geerde­ ten Platte 4 verbunden, die bei Betätigung des Bauteils zwi­ schen die Elektroden 1, 2 und 3 eintaucht.

Durch das Eintauchen wird die Koppelkapazität zunächst zwi­ schen der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 3 ver­ mindert, wodurch das 100 kHz-Signal verändert wird. Nachfol­ gend wird auch die Koppelkapazität zwischen der Sendeelektro­ de 1 und der Empfangselektrode 3 verändert, was bei der Be­ wertung durch den Mikroprozessor µP beispielsweise als Aus- oder Ein-Stellung der Schaltkontakte des Schalters gedeutet werden kann. Durch die zweifache Stellungsmeldung ist eine hohe Überwachungssicherheit gegeben.

Durch Auswertung des Amplitudenverhältnisses der beiden Fre­ quenzen ist auch die stufenlose Messung der Stellung des Bau­ teils während seiner Bewegung möglich.

Angedeutet ist im unteren Teil der Zeichnung ein weiterer Stellungsmelder, der eine gesonderte Anordnung von Sendeelek­ troden 5, 6 und einer Empfangselektrode 7 aufweist. Die Sen­ deelektroden 5, 6 sind mit den gleichen Sendefrequenzen be­ aufschlagt wie die schon erwähnten Sendelektroden 1 und 2 im oberen Teil der Zeichnung. Das in Abhängigkeit von der Bewe­ gung einer Platte 8 an der Empfangselektrode 7 aufgenommene Signal wird an einen weiteren Eingang des Mikroprozessors µP geführt und separat ausgewertet.

Claims (4)

1. Sensorik zur Stellungsmeldung von beweglichen Bauteilen in Geräten, insbesondere in Niederspannungs-Leistungsschaltern, auf der Basis einer verstimmbaren Kapazität zwischen mit ei­ ner hochfrequenten Spannung beaufschlagten Elektroden, wobei das Bauteil, dessen Stellung zu überwachen ist, so angeordnet oder ausgebildet ist, dass es selbst oder eine an ihm befe­ stigte Platte (4; 8) im Betätigungsfall zwischen mit der hochfrequenten Spannung beaufschlagte, gegenüberliegende Elektroden (1, 2, 3; 5, 6, 7) eintaucht oder sich aus dem Be­ reich der Elektroden (1, 2, 3; 5, 6, 7) herausbewegt und die Spannung hinsichtlich ihrer Amplitude durch eine Auswerte­ elektronik überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die an ihm befestigte Platte (4, 8) an Massepotential gelegt ist und dass mehrere in einer Ebene liegende, mit jeweils Spannungen unterschiedlicher Frequenz beaufschlagte Sendeelektroden (1, 2; 5, 6) einer Empfangs­ elektrode (3; 7) gegenüberstehen und jede Spannung von der Auswerteelektronik separat überwacht ist.

2. Sensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik durch einen Mikroprozessor (µP) realisiert ist, der auch die hochfrequente Spannung mit der die Sendeelektroden (1, 2; 5, 6) beaufschlagt sind, bereit­ stellt.

3. Sensorik nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relation der Amplituden der hochfrequenten Spannun­ gen mehrerer Sendeelektroden (1, 2; 6, 7) zur Erkennung der Stellung des Bauteils oder der mit ihm verbundenen Platte (4; 8) zwischen zwei Endpositionen dient.

4. Sensorik nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren zu überwachenden Bauteilen bzw. mit ihnen ver­ bundenen Platten (4; 8) gesonderte Anordnungen von Sendeelek­ troden (1, 2; 5, 6) und Empfangselektroden (3; 7) zugeordnet sind und dass die Sendeelektroden (1, 2; 5, 6) der gesonder­ ten Anordnungen mit den gleichen Frequenzen beaufschlagt sind.