DE202009017337U1

DE202009017337U1 - Kapazitive Wandkontakterkennung für Ortungsgeräte

Info

Publication number: DE202009017337U1
Application number: DE202009017337U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2019-12-22

Abstract

Ortungsgerät mit einer Sensoreinheit zur Ortung von Objekten in oder hinter einem zu untersuchenden Gegenstand, insbesondere mit einem kapazitiven Elektrodenpaar (12), und mit einer Wandkontakterkennungsvorrichtung (14), die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand ein Anliegen an dem zu untersuchenden Gegenstand zu erkennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandkontakterkennungsvorrichtung (14) zumindest ein erstes kapazitives Elektrodenpaar (16) aufweist.

Description

Stand der Technik
Es sind bereits Geräte zum Finden von Balken in Leichtbauwänden, so genannte Studfinder, bekannt. Diese Geräte basieren häufig auf kapazitiven Messverfahren. Hierbei werden jedoch unterschiedliche Konzepte hinsichtlich Elektrodengestaltung und Kapazitätsmessung verfolgt. Diesen Konzepten gemeinsam ist die Notwendigkeit einer Kalibrierung nach Aufsetzen auf eine Wand und dies erfordert daher eine Wandkontakterkennung. Diese erfolgt größtenteils manuell und potentiell fehleranfällig, indem ein Benutzer dem Ortungsgerät explizit durch Betätigen eines Kalibrierschalters oder implizit durch Start der Messung einen Wandkontakt anzeigt. Alternativ erfolgt die Wandkontakterkennung auch automatisch durch zusätzliche mechanisch zu betätigende elektrische Schalter, die z. B. durch Anpressen des Ortungsgeräts an die Wand geschaltet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Ortungsgerät mit einer Sensoreinheit zur Ortung von Objekten in oder hinter einem zu untersuchenden Gegenstand, insbesondere mit einem kapazitiven Elektrodenpaar, und mit einer Wandkontakterkennungsvorrichtung, die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand ein Anliegen an dem zu untersuchenden Gegenstand zu erkennen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Wandkontakterkennungsvorrichtung zumindest ein erstes kapazitives Elektrodenpaar aufweist. In diesem Zusammenhang soll unter ”vorgesehen” insbesondere speziell ausgestaltet und/oder speziell ausgelegt verstanden werden.
Durch das erfindungsgemäße Ortungsgerät mit Wandkontakterkennungsvorrichtung kann auf vorteilhafte Weise die Funktion des Ortungsgeräts verbessert werden, da der Kontakt zur Wand während des Betriebs permanent überprüft werden kann. Bei dem Ortungsgerät handelt es sich vorzugsweise um ein Gerät zum Finden von Balken in Leichtbauwänden, einen so genannten Studfinder. Durch das erste kapazitive Elektrodenpaar der Wandkontakterkennungsvorrichtung und vorzugsweise noch durch ein zweites Elektrodenpaar kann über eine Differenz der Kapazitäten der beiden Elektrodenpaare der Wandkontakterkennungsvorrichtung ein Wandkontakt erkannt werden. Die Differenz der Kapazitäten der beiden Elektrodenpaare wird genau dann zu Null, wenn die beiden Elektrodenpaare Wandkontakt haben oder sich sehr weit von einer Wand entfernt befinden. Bei Wandkontakt nimmt die jeweilige Kapazität der Elektrodenpaare einen anderen Wert an, als wenn sich die Elektrodenpaare in großer Entfernung zur Wand befinden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann zudem vorteilhaft ein Anliegen an einer Wand ohne Schwelle und insbesondere unabhängig von einem Wandmaterial erkannt werden. Zudem können dadurch Messfehler vermieden werden, da die Kalibrierung des Ortungsgeräts automatisch gestartet und damit auch erleichtert werden kann. Trotz allem wird außer der kapazitiven Sensorik des Geräts keine weitere Sensorik benötigt. Des Weiteren können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung Kippbewegungen oder Wandstrukturen erkannt werden. Sofern die Kippbewegungen kleine Dimensionen aufweisen und/oder Wandstrukturen geringfügige Abweichungen von einer Referenzstruktur aufweisen und/oder eine Fläche eines zu untersuchenden Gegenstands von den Elektrodenpaaren überdeckt wird, können diese lokalen Ereignisse mittels des zweiten Elektrodenpaars detektiert werden und von einer Recheneinheit herausgerechnet werden. Bei großen Dimensionen kann das Ortungsgerät eine Warnung, insbesondere eine akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung, an den Benutzer ausgeben, um fehlerhafte Messungen auch als solche zu kennzeichnen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein Ortungsgerät mit Elektrodenpaaren zur Ortung eines Objekts und zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
2 eine Anordnung und ein Längenverhältnis eines ebenen, quasizweidimensionalen Elektrodenpaars zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
3 eine Seitenansicht der Wandkontakterkennungsvorrichtung im Abstand d von einer Wand in einer schematischen Darstellung,
4 ein Diagramm von Kapazitäten C für zwei unterschiedliche Abmessungen des Elektrodenpaars als Funktionen eines Wandabstandes d,
5 ein Diagramm einer Differenz der Kapazitäten C aus 4 als Funktion des Wandabstands d,
6 eine alternative Anordnung und ein Längenverhältnis eines Elektrodenpaars mit einem Skalierungsfaktor β (> 0) zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
7 eine weitere alternative Anordnung und ein Längenverhältnis eines Elektrodenpaars mit einem Skalierungsfaktor γ (> 0) zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
8 eine weitere alternative Anordnung und ein Längenverhältnis eines Elektrodenpaars mit einem Skalierungsfaktor δ (> 0) zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
9 eine Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung,
10 eine alternative Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung und
11 eine weitere alternative Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein handgeführtes Ortungsgerät 10, insbesondere einen Studfinder, in einer schematischen Darstellung. Das Ortungsgerät 10 weist ein kapazitives Elektrodenpaar 12 auf, das zur Ortung von Objekten in oder hinter einem zu untersuchenden Gegenstand, wie beispielsweise einer Wand 18 (3), vorgesehen ist. Des Weiteren weist das Ortungsgerät 10 eine Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 auf, die dazu vorgesehen ist, in einem Betriebszustand ein Anliegen an der Wand 18 zu erkennen. Die Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 weist hierbei ein erstes kapazitives Elektrodenpaar 16 und ein zweites kapazitives Elektrodenpaar 20 auf.
2 zeigt eine Anordnung und ein Längenverhältnis von ebenen, quasizweidimensionalen Elektroden des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und/oder des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14. Die Elektroden des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und/oder des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 werden durch eine einzige Länge a charakterisiert. Diese Länge a gibt sowohl eine Elektrodenbreite als auch einen Elektrodenabstand an.
3 zeigt eine Seitenansicht der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 im Abstand d von einer Wand 18 in einer schematischen Darstellung. Im freien Raum hat das erste kapazitive Elektrodenpaar 16 und/oder das zweite kapazitive Elektrodenpaar 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 eine Kapazität C₀, die nicht von a abhängt. Wird das Ortungsgerät 10 mit der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 in Kontakt mit der homogenen Wand 18 gebracht, so wird d = 0 und eine Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und/oder eine Kapazität C2 des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 ändert sich in Abhängigkeit von einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r > 1 der Wand 18 auf den Wert C_w(ε_r) > C₀. Es gilt jedoch weiterhin, dass die Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und die Kapazität C2 des zweiten kapazitiven E lektrodenpaars 20 nicht von a abhängt. Befindet sich das Ortungsgerät 10 mit der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 in einem Abstand d zur Wand 18, so haben das erste und das zweite Elektrodenpaar 16, 20 eine Kapazität C, für die gilt C₀ < C < C_w(ε_r). Insbesondere hängt C ab von einer Wand-Dielektrizitätskonstante ε_r, dem Abstand d von der Wand 18 und der Länge a, also C = C(a, d, ε_r). Hierbei gelten die folgenden Zusammenhänge:

1. C(a₁, d, ε_r) < C(a₂, d, ε_r) für a₁ < a₂,
2. C(a, d₁, ε_r) < C(a, d₂, ε_r) für d₁ > d₂,
3. C(a, d, ε_r,1) < C(a, d, ε_r,2) für ε_r,1 < ε_r,2.

Insbesondere gilt:
C(a, d, ε_r) = C(βa, βd, ε_r).
Somit weist ein kapazitives Elektrodenpaar mit der charakteristischen Länge a im Abstand d die gleiche Kapazität auf wie ein Elektrodenpaar mit charakteristischer Länge a' = βa im Abstand d' = βd. Eine Skalierung des Gesamtsystems ändert nichts an der Kapazität. In diesem Sinne unterscheiden sich zwei Elektrodenpaare mit identischen Kapazitäten C₀ bzw. C_w(ε_r), aber unterschiedlicher charakteristischer Länge a auch in einer ”Eindringtiefe” eines elektrischen Feldes in einen zu untersuchenden Gegenstand.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 haben Inhomogenitäten der Dielektrizitätskonstante eines Materials des zu untersuchenden Gegenstands in einer bestimmten Tiefe, z. B. durch Einschlüsse von Fremdmaterial, Feuchtigkeit oder eine endliche Dicke des zu untersuchenden Gegenstands, insbesondere der Wand 18, einen unterschiedlichen Einfluss auf die Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und die Kapazität C2 des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20. Im Umkehrschluss haben Inhomogenitäten der Dielektrizitätskonstante nur dann denselben Einfluss auf die Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und die Kapazität C2 des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20, wenn sie sich in unterschiedlicher Tiefe befinden. Insbesondere im Hinblick auf endliche Dicken des zu untersuchenden Gegenstands, insbesondere der Wand 18, sind die charakteristischen Längen a des ersten kapazitiven Elektronenpaars 16 und des zweiten kapaziti ven Elektronenpaars 20 so zu wählen, dass die Eindringtiefe jeweils kleiner ist als eine Dicke des zu untersuchenden Gegenstands, insbesondere der Wand 18.
Zur kapazitiven Erkennung des Wandkontakts wird ausgenutzt, dass C_w(ε_r) im Gegensatz zu C(a, d, ε_r) nicht von a abhängt. Für eine Differenz ΔC der Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und der Kapazität C2 des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 mit unterschiedlichen charakteristischen Längen a₁ und a₂ gilt daher ΔC = 0 genau dann, wenn d = 0 oder d = ∞. Gleichzeitig gilt aber für beide Elektroden C_w(ε_r) > C₀. Damit lässt sich der Wandkontakt unabhängig vom Wandmaterial eindeutig und ohne Schwelle aus der Bedingung ΔC = 0, C1, C2 > C₀ bestimmen.
4 zeigt als Beispiel ein Diagramm der spezifischen Kapazitäten C (Kapazität pro Länge) des ersten und des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 16, 20 mit unterschiedlicher charakteristischer Länge a als Funktionen eines Wandabstands d. 5 zeigt des Weiteren ein Diagramm einer Differenz der spezifischen Kapazitäten C aus 4 als Funktion des Wandabstands d. Hierbei können die Kapazität C1 des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und die Kapazität C2 des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 einzeln gemessen werden und später signalverarbeitungstechnisch miteinander verglichen werden, oder aber das erste kapazitive Elektrodenpaar 16 und das zweite kapazitive Elektrodenpaar 20 sind hardwareseitig parallel oder seriell verschaltet und es wird nur der Wert ΔC gemessen, dadurch wird nur ein Empfänger benötigt und es ist keine Umschaltung notwendig.
6, 7 und 8 zeigen alternative Anordnungen und Längenverhältnisse eines Elektrodenpaars mit verschiedenen Skalierungsfaktoren zur Erkennung eines Wandkontakts des Ortungsgeräts in einer schematischen Darstellung. Diesen weiteren einfachen Realisierungsmöglichkeiten liegt zugrunde, dass sich die Geometrie auf eine charakteristische Länge a zurückführen lässt. Darüber hinaus gibt es weitere Realisierungsmöglichkeiten, die nicht auf einer charakteristischen Länge a basieren und für die passende Geometrien des ersten kapazitiven Elektrodenpaars 16 und des zweiten kapazitiven Elektrodenpaars 20 explizit ausgerechnet werden müssen.
Kommen weitere Längenskalen hinzu, wie z. B. eine endliche Wanddicke, eine Dicke des Elektrodenmaterials oder eine Dicke des Trägermaterials der Elektroden, so ist die charakteristische Länge a, die eine Elektrodenausdehnung beschreibt, so zu wählen, dass diese zusätzlichen Längenskalen entweder sehr klein oder sehr groß gegenüber a sind.
Platziert man das erste und das zweite kapazitive Elektrodenpaar 16, 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 und das kapazitive Elektrodenpaar 12 des Ortungsgeräts 10 zur Ortung von Objekten sinnvoll, so lassen sich auch während eines Detektionsvorgangs Kippbewegungen des Ortungsgeräts 10 oder Wandstrukturen erkennen, welche die Messung stören können, z. B. bei Nut- und Federholzbrettern, an Kanten etc. Weisen diese ”Störungen” in der Wandoberfläche kleine Dimensionen auf und/oder ist eine Fläche eines zu untersuchenden Gegenstands von dem ersten oder dem zweiten kapazitiven Elektrodenpaar 16, 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 unüberdeckt, während sich das kapazitive Elektrodenpaar 12 zur Ortung des Objekts auf dem zu untersuchenden Gegenstand befindet, können durch Kompensation des auf dem zu untersuchenden Gegenstand befindlichen ersten oder zweiten Elektrodenpaars 16, 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 diese lokalen Ereignisse detektiert werden und mittels einer Recheneinheit herausgerechnet werden.
Wird eine Wandstruktur oder eine Kippbewegung erkannt, so kann kleineren Störungen der Messung in einer Signalverarbeitung des Ortungsgeräts 10 entgegengewirkt werden. Bei großen Störungen kann das Ortungsgerät 10 eine Warnung an den Benutzer ausgeben, wie z. B. über ein akustisches, optisches oder haptisches Signal, um fehlerhafte Messungen als solche zu kennzeichnen.
9 zeigt eine Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts 10 in einer schematischen Darstellung. Das kapazitive Elektrodenpaar 12 des Ortungsgeräts 10 zur Ortung von Objekten befindet sich zwischen dem ersten kapazitiven Elektrodenpaar 16 und dem zweiten kapazitiven Elektrodenpaar 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14. Nun kann durch das erste kapazitive Elektrodenpaar 16 und das zweite kapazitive Elektrodenpaar 20 mit unterschiedlichen, aber bekannten Kapazitäten C1 und C2 der Einfluss eines Kippens und/oder der Einfluss der Wandstruktur auf die Kapazität C_mess des kapazitiven Elektrodenpaars 12 des Ortungsgeräts 10 interpoliert und mit einem Messsignal verrechnet werden, da die Geometrie einer Anordnung des ersten und des zweiten Elektrodenpaars 16, 20 der Wandkontakterkennungsvorrichtung 14 definiert ist. Diese Störungseliminierung ist bei einer geraden und/oder ebenen und/oder planen Wand 18 durchführbar.
10 zeigt eine alternative Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts 10 in einer schematischen Darstellung. Zur Detektierung von Kippbewegungen sind das erste kapazitive Elektrodenpaar 16 und das zweite kapazitive Elektrodenpaar 20 links und rechts entlang einer Verfahrrichtung 22 des Ortungsgeräts 10 in einem Gehäuse des Ortungsgeräts 10 angeordnet. Eine versetzte Anordnung, beispielsweise kreuzweise, detektiert Kippbewegungen horizontal und vertikal zur Verfahrrichtung 22 des Ortungsgeräts 10. Es ist denkbar, zur Erkennung eines Anliegens des Ortungsgeräts 10 an der Wand 18 und/oder zur Detektierung von Kippbewegungen und/oder von Wandstrukturen mehr oder weniger als das erste kapazitive Elektrodenpaar 16 und das zweite kapazitive Elektrodenpaar 20 vorzusehen. Der Fachmann wird entsprechend einer Anwendung eine sinnvolle Anzahl an Elektrodenpaaren auswählen.
11 zeigt eine weitere alternative Elektrodenanordnung des Ortungsgeräts 10 in einer schematischen Darstellung. Hierbei sind die Elektrodenpaare 16, 20 in einer verschachtelten Struktur angeordnet. Es sind 2n – 1 Elektrodenflächen zur Erkennung eines Wandkontakts nötig, wobei n für eine Anzahl der Elektrodenpaare 16, 20 steht.
Möglich ist auch eine quasikontinuierliche Messung, wobei sehr schnell Messungen an der einen und anschließend an dem/den anderen Elektrodenpaar/en 16, 20 vorgenommen werden, z. B. über einen Schalter oder Multiplexer. Hierbei ist lediglich ein Empfangssystem notwendig, wenn eine Umschaltung schneller geschieht als die Änderungen des Abstands zur Wand 18. Die Geschwindigkeit der Wandannäherung oder der Kippbewegung muss dabei deutlich kleiner sein als eine Umschaltfrequenz des Multiplexers/Schalters.

Claims

Ortungsgerät mit einer Sensoreinheit zur Ortung von Objekten in oder hinter einem zu untersuchenden Gegenstand, insbesondere mit einem kapazitiven Elektrodenpaar (12), und mit einer Wandkontakterkennungsvorrichtung (14), die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand ein Anliegen an dem zu untersuchenden Gegenstand zu erkennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandkontakterkennungsvorrichtung (14) zumindest ein erstes kapazitives Elektrodenpaar (16) aufweist.