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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Abstandssensor, insbesondere betrifft die Erfindung einen Abstandssensor, welcher als kapazitiver Näherungsschalter ausgebildet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Abstandssensoren sind bekannt. Diese können beispielsweise auf dem induktiven oder kapazitiven Prinzip basieren.
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Es gibt Sensoren, die als Abstandsschalter ausgebildet sind und das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein eines Objektes detektieren.
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Weiter gibt es Sensoren, die als analoge Sensoren ausgebildet sind und mittels denen ein Abstand gemessen werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf kapazitive Sensoren. Diese haben den Vorteil, dass auch nichtmetallische Objekte erfasst werden können und sind aufgrund verbesserter Auswerteschaltungen in den letzten Jahren immer zuverlässiger geworden.
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Das Einsatzgebiet derartiger Sensoren ist vielfältig. Diese können beispielsweise als Füllstandssensoren verwendet werden. Weiter ist es denkbar, mit derartigen Sensoren Drehzahlen zu erfassen oder an dem Sensor vorbeilaufende Objekte zu detektieren. Kapazitive Sensoren werden für viele Einsatzzwecke in der Automatisierungstechnik verwendet.
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Die Einsatzorte derartiger Sensoren sind dementsprechend vielfältig. Oft werden die Sensoren rauen Umweltbedingungen wie Nässe, aggressiven Chemikalien und starken Temperaturschwankungen ausgesetzt.
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Problematisch bei bekannten Sensoren ist oft die Befestigung des Sensors. Häufig müssen an der Anlage Haltevorrichtungen kompliziert befestigt werden.
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Weiter problematisch ist die Kalibrierung bekannter Sensoren. In der Regel werden diese über einen Schalter in einen teach-in-Modus versetzt, in welchen der Sensor beispielsweise auf die Bedingung „voll” oder „leer” kalibriert werden kann.
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Derartige Kalibrierschalter sind aufwendig und aufgrund der mechanischen, von außen zugänglichen Komponenten störanfällig.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen einfach und sicher befestigbaren und/oder auf einfache Weise kalibrierbaren Sensor bereit zu stellen, welcher staub- und wasserdicht ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch einen Abstandssensor nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft einen Abstandssensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Abstandssensor, welcher als kapazitiver Näherungsschalter ausgebildet ist, der beim Vorhanden- oder Nichtvorhandensein eines zu erfassenden Objektes ein Schaltsignal aussendet.
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Der Näherungsschalter umfasst ein hermetisch verschlossenes Gehäuse, also ein Gehäuse, welches staub- und flüssigkeitsdicht ist, und welches zumindest ein Profil zur form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird das Sensorgehäuse also unmittelbar kraftschlüssig etwa durch Klemmen und/oder formschlüssig durch miteinander korrespondierende Formschlusselemente befestigt.
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Durch die Bereitstellung eines Profils, welches in einen korrespondierenden Halter eingeschoben oder auf einen korrespondierenden Halter geklemmt wird oder welches der Durchführung eines Halteelements wie beispielsweise eines Kabelbinders dient, wird eine sehr einfache und sichere Halterung des Abstandssensors ermöglicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse als Vergussmasse ausgebildet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die elektronischen Komponenten des Sensors in einer Vergussmasse eingebettet werden, welche gleichzeitig das Gehäuse bildet. Auf sehr einfache Weise kann dabei gleichzeitig das Profil zur Befestigung des Sensors bereitgestellt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vergussmasse eine Härte von Shore A größer 98, bevorzugt größer 95 und besonders bevorzugt größer 93 auf.
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Gleichzeitig sollte die Shore-Härte nach Shore A über 30, vorzugsweise über 50, besonders bevorzugt über 70 liegen.
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Die Verwendung eines Kunststoffs mit dieser Härte ermöglicht zum Einen, dass elektronische Komponenten, insbesondere integrierte Schaltkreise, unmittelbar in der Vergussmasse eingebettet werden können, ohne dass aufgrund der in der Regel verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien die Gefahr besteht, dass die Komponenten bei thermischer Belastung, insbesondere beim Abkühlen der Vergussmasse, beschädigt werden und der Sensor so zerstört wird.
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Das gesamte Gehäuse kann mithin aus einem einzigen Material bereitgestellt werden. Es ist nicht nötig, zunächst die elektronischen Komponenten zu kapseln und die bereits verkapselten elektronischen Komponenten in einem anderen Material einzubetten.
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Weiter kann das weiche Material der Vergussmasse dazu dienen, dass das Profil eine formschlüssige Verbindung durch Klemmen ermöglicht.
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Als Vergussmasse kann insbesondere ein Polyamid verwendet werden, welches eine hohe Reißfestigkeit aufweist. Der Erweichungspunkt des Polyamids sollte bei unter 200°C liegen, da ein Vergießen bei höheren Temperaturen in vielen Fällen die Gefahr der Beschädigung von elektronischen Komponenten nach sich ziehen kann. Polyamid zeichnet sich im Übrigen durch eine hohe Dehnbarkeit sowie durch einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aus und ist im ausgehärteten Zustand in einem breiten Temperaturbereich verwendbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Vergussmasse eine aktive Sensorfläche, beispielsweise die Elektrode eines kapazitiven Sensors, eine Platine mit integrierten Schaltkreisen und ein elektrisches Anschlusskabel eingebettet.
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Auf der Platine können insbesondere integrierte Schaltkreise der Auswerteelektronik angeordnet sein.
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Die elektronischen Bauteile sind vorzugsweise als SMD-Bauelemente ausgebildet, was einen einfachen und kompakten Sensoraufbau ermöglicht.
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Beim Vergießen der Vergussmasse wird zugleich das elektrische Anschlusskabel mit eingebettet, so dass die gesamte Baugruppe in einem Fertigungsschritt mit einem Gehäuse versehen und hermetisch verschlossen wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Profil eine schwalbenschwanzförmige Nut auf. Eine derartige schwalbenschwanzförmige Nut, also eine Nut, die sich vom Sensor aus gesehen mit zunehmendem Abstand verjüngt, kann in Verbindung mit einem korrespondierenden Formschlusselement, wie beispielsweise einer Hutschiene verwendet werden, in welche die Nut eingeschoben wird.
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Denkbar ist aber auch eine Verwendung als reines Klemmelement, bei welchem die schwalbenschwanzförmige Nut auf ein Haltelement mit parallel zu einander verlaufenden Wänden aufgeschoben wird und sich festklemmt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Profil eine Nut aufweisen, welche zur Anbringung eines Kabelbinders ausgebildet ist.
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Die Kombination eines relativ weichen Materials mit der Befestigung über einen Kabelbinder ermöglicht ebenfalls eine sichere und einfache Befestigung, ohne dass der Sensor droht wegzurutschen, da durch die Elastizität des Kabelbinders und/oder die Elastizität des Gehäuses die Verbindung unter Spannung gehalten wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nut, welche zur Anbringung eines Kabelbinders ausgebildet ist, in einer weiteren breiteren Nut, insbesondere der vorstehend beschriebenen schwalbenschwanzförmigen Nut angeordnet.
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Diese Ausführungsform ermöglicht auf sehr einfache Weise wahlweise die Verwendung eines Kabelbinders oder die Verbindung einer Halteplatte, welche mit der schwalbenschwanzförmigen Nut korrespondiert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Profil als eine Nut ausgebildet, welche innerhalb federnder Flügel angeordnet ist. Das Gehäuse endet also im Bereich der Nut in der Regel wenige Millimeter neben der Nut, so dass die so quasi als Flügel ausgestaltete Wand federn kann, was eine kraftschlüssige Verbindung verbessert.
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Eine schwalbenschwanzförmige Nut kann insbesondere auch dazu dienen, dass der Sensor in einer Richtung formschlüssig auf einer Schiene oder Halteplatte gehalten wird, aufgrund des gleichzeitigen Klemmens der Sensor aber nicht auf der Schiene oder Halteplatte verrutscht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse einen kreiszylindrischen Abschnitt. Dieser kreiszylindrische Abschnitt ermöglicht eine weitere Befestigung mittels einer Klemmschelle.
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Ein und derselbe Sensor kann so auf verschiedenste Weise befestigt werden.
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Denkbar ist auch, dass der Sensor auf seiner aktiven Fläche eben ist, so dass als weitere Befestigungsmöglichkeit in Betracht kommt, den Sensor mit der aktiven Fläche auf ein Bauteil aufzukleben, insbesondere mittels eines Klebepads.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse transparent ausgebildet. Insbesondere wird eine transparente Vergussmasse verwendet.
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Dies ermöglicht, dass optische Signalkomponenten wie beispielsweise LEDs mit vergossen werden können, ohne dass für die Komponenten ein Fenster ausgespart werden muss.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Abstandssensor, insbesondere einen Abstandssensor wie vorstehend beschrieben, welcher ebenfalls ein hermetisch verschlossenes Gehäuse umfasst, in welchem ein berührungslos betätigbarer teach-in-Schalter angeordnet ist.
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Durch die Kombination eines hermetisch verschlossenen, insbesondere vergossenen Gehäuses mit einem berührungslos betätigbaren Schalter innerhalb des Gehäuses kann auf mechanische Komponenten auf der Außenseite des Sensors vollständig verzichtet werden.
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Der teach-in-Schalter ist insbesondere als Magnetschalter wie beispielsweise als Reed-Schalter ausgebildet.
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Die Einleitung eines teach-in-Vorganges kann so auf einfache Weise mit einem magnetischen Handhabungswerkzeug erfolgen. Denkbar ist beispielsweise hierfür auch einfach einen magnetisierten Schraubenzieher zu verwenden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter als SMD-Bauteil ausgebildet, welches ebenfalls auf der Platine angeordnet ist.
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Ferner ist vorzugsweise auch zumindest eine optische Signaleinrichtung, beispielsweise eine LED, mit in der Vergussmasse eingebettet, welche zumindest einen teach-in-Zustand anzeigt.
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Es ist insbesondere auch denkbar, dass der Sensor in mehrere teach-in-Modi versetzt werden kann, beispielsweise „voll” oder „leer”.
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Der jeweilige teach-in-Modus kann beispielsweise über die Zeitdauer des Annäherns mit dem magnetischen Handhabungswerkzeug oder durch mehrmaliges wiederholtes Annähern nacheinander ausgewählt werden.
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Beispielsweise kann, nachdem der Benutzer einen Magneten in den Erfassungsbereich des Magnetschalters hält, nach einer gewissen Zeitdauer ein erstes optisches Signal generiert werden, welches beispielsweise den teach-in-Modus signalisiert, bei dem kein zu erfassendes Objekt vor dem Sensor ist. Entfernt der Benutzer nunmehr das magnetische Handhabungswerkzeug, kalibriert sich der Sensor auf den Zustand „leer” bzw. „kein Objekt im Erfassungsbereich”.
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Entfernt der Benutzer das magnetische Handhabungswerkzeug nicht, signalisiert der Sensor nach einer weiteren Zeitspanne ein zweites Signal, wonach er nunmehr in einen Kalibriermodus versetzt ist, bei welchem sich ein zu erfassendes Objekt vor dem Sensor befindet. Nimmt der Benutzer nunmehr das Handhabungswerkzeug weg, kalibriert sich der Sensor auf einen Zustand, in dem das zu erfassende Objekt vor dem Sensor ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung mit einem vorstehend beschriebenen Abstandssensor und einer Halterung, auf welcher der Abstandssensor befestigt ist.
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Die Halterung kann insbesondere als Hutschiene oder Kabelbinder ausgebildet sein.
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Weiter ermöglicht die Erfindung eine besonders flexible Bereitstellung von Halterungen für verschiedene Einsatzzwecke, da die Halterung lediglich einen Abschnitt aufweisen muss, der mit dem Profil, welches der Befestigung des Sensors, korrespondiert.
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Es ist insbesondere denkbar, die Halterungen anwendungsspezifisch mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens, insbesondere mittels selektivem Lasersintern herzustellen. So können auch bei schwierigen Einbausituationen auf sehr einfache Weise anwendungsspezifische Haltevorrichtungen bereitgestellt werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung soll im Folgenden, Bezug nehmend auf die Zeichnungen 1 bis 10, anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Sensors 1, welcher als kapazitiver Abstandssensor ausgebildet ist.
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Der Sensor umfasst eine ebene Sensorfläche 2, welche die Erfassungsrichtung des Sensors widerspiegelt.
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Das Gehäuse des Sensors ist als Vergussmasse aus z. B. Polyamid ausgebildet und weist ein Befestigungsprofil 3 aus. Ein Anschlusskabel 4 ist teilweise mit in die Vergussmasse des Gehäuses eingebettet und dient dem Anschluss des Sensors 1. Das Gehäuse kann im Bereich der aktiven Sensorfläche 2 kreiszylindrisch ausgebildet sein und kann als eine Befestigungsmöglichkeit aufgeklebt oder als weitere Befestigungsmöglichkeit mittels einer Klemmschelle befestigt werden.
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Weitere Befestigungsmöglichkeiten liefert das Befestigungsprofil 3, wie im Folgenden Bezug nehmend auf weitere Zeichnungen im Detail erläutert wird.
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2 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Sensors 1.
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Zu erkennen ist insbesondere das Befestigungsprofil 3.
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Dieses Befestigungsprofil 3 besteht zum einen aus einer schwalbenschwanzförmigen Nut, welche randseitig durch die schrägen Klemmflächen 5 begrenzt wird.
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Über diese schwalbenschwanzförmige Nut kann der Sensor 1 beispielsweise auf einer Hutschiene befestigt werden (nicht dargestellt).
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Das Sensorgehäuse ist im Bereich der schwalbenschwanzförmigen Nut nicht kreiszylindrisch ausgebildet sondern endet einige Millimeter nach den Kontaktflächen 5 des schwalbenschwanzförmigen Profils. So werden zwei Flügel 6 gebildet, die aufgrund des verwendeten Materials federn und einer formschlüssigen Befestigung dienen. Der Sensor kann also festgeklemmt werden.
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Mittig im schwalbenschwanzförmigen Profil ist eine weitere, schmälere Nut 7 angeordnet, über welche der Sensor 1 mittels eines Kabelbinders befestigt werden kann.
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3 zeigt ein Handhabungswerkzeug zur Einleitung eines teach-in-Vorgangs, welches aus einem Magnethalter 8 und einem Magnet 9 besteht. Dieses Handhabungswerkzeug ist relativ kompakt und kann beispielsweise in der Nähe des Sensors auf einem ferromagnetischen Bauelement wie etwa einer Hutschiene befestigt werden, so dass dieses dauerhaft in der Nähe des Sensors verbleibt.
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen 5 bis 8 sollen verschiedene Ausführungsvarianten von Haltern erläutert werden, welche der anwendungspezifischen Anbringung des Sensors dienen.
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4 zeigt eine relativ einfache Ausführungsform eines blockförmigen Halters 10a, welcher Bohrungen 12 oder Gewinde zur Befestigung umfasst und welcher eine Halteschiene 11 aufweist, die mit dem schwalbenschwanzförmigen Profil des Sensors korrespondiert.
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Der Sensor kann auf den Halter 10a aufgeschoben oder aufgeklemmt werden. Aufgrund des weichen Materials des Sensorgehäuses sowie den federnden Flügeln ist es nicht nötig, den Sensor von der Seite auf die Halteschiene 11 zu schieben.
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Vielmehr kann der Sensor auch von vorne auf die Halteschiene geschoben werden.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines Halters 10b, welcher ebenfalls eine Halteschiene 11 umfasst, die mit dem schwalbenschwanzförmigen Profil korrespondiert.
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Der Halter 10b ist um 90° abgewinkelt und weist Bohrungen 12 zur Befestigung auf.
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Die Verwendung eines Halters mit Befestigungsbohrungen oder einer Gewinde ermöglicht es, dass auf derartige Bohrungen im Gehäuse verzichtet werden kann, was bei Verwendung eines weichen Materials in der Regel auch nicht möglich wäre.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Halters 10c, welcher eine Haltschiene 11 umfasst, auf die der Sensor aufgeklemmt wird.
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Der Halter 10c umfasst Arme 12 mit Bohrungen, die der Befestigung dienen.
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Im montierten Zustand wird der Sensor (nicht dargestellt) von dem Halter 10c umschlossen. Die aktive Fläche des Sensors liegt in etwa auf einer Ebene mit den mit Bohrungen 12 versehenen Halteflügeln.
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Bezug nehmend auf den in 7 dargestellten Halter 10d soll erläutert werden, inwieweit verschiedenste Halter für verschiedene Einbausituationen verwendet werden. Der Halter 10d entspricht vom Grundprinzip dem in 6 dargestellten Halter mit einer Halteschiene 11.
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Der Halter weist Befestigungsarme auf, welche mit Bohrungen versehen sind, die aus einzelnen Gliedern 13 bestehen und ist mittels eines Rapid-Protoytyping-Verfahrens hergestellt.
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8 zeigt einen weiteren Halter 10e, welcher als Klemmschelle ausgebildet ist.
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Zur Befestigung weist der Halter 10e Bohrungen 12 oder Gewinde auf. In der kreiszylinderischen Aussparung des Halters 10e kann der kreiszylindrische Abschnitt des Gehäuses des Sensors aufgenommen und mittels der Klemmschraube 14 der Sensor befestigt werden.
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Bezug nehmend auf 9 und 10 sollen die grundsätzlichen elektronischen Komponenten des Sensors erläutert werden.
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In 9 ist eine Platine 15 dargestellt, welche in dem in 1 dargestellten Gehäuse, welches als Vergussmasse ausgebildet ist, vergossen wird.
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9 zeigt die Draufsicht auf die aktive Fläche des Sensors.
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In dieser Ansicht weist der Sensor eine aktive Fläche 16 auf, welche als Elektrode ausgebildet ist.
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Der grundsätzliche Aufbau derartiger kapazitiver Sensoren ist dem Fachmann aus der Praxis bekannt.
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10 zeigt schematisch die gegenüberliegende Seite der Platine 15. Alle elektronischen Komponenten sind als SMD-Bauteile ausgebildet.
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Die Platine umfasst einen IC 18, in welchem sich die Auswerteelektronik/Software befindet, sowie elektrische Anschlüsse 17, an welche das Anschlusskabel (4 in 1) angeschlossen wird.
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Weiter ist auf der Platine 15 ein Reed-Schalter 19, ebenfalls als SMD-Bauelement ausgebildet, aufgebracht.
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Der Reed-Schalter 19 detektiert die Annäherung eines magnetischen Objektes und der Sensor kann über die Annäherung eines magnetischen Objektes in ein teach-in-Modus versetzt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Reed-Schalter 19 im Wesentlichen nach hinten ausrichtet.
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Der jeweilige Betriebszustand des Sensors und/oder der jeweilige teach-in-Modus wird über LEDs 20, 21 angezeigt.
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Über die LEDs 20 und 21 kann zusätzlich zu dem Schaltsignal auch ein optisches Signal erzeugt werden, ob sich ein zu erfassendes Objekt vor dem Sensor befindet oder nicht. Hierzu sind die LEDs 20 und 21 vorzugsweise verschiedenfarbig.
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Der Sensor kann beispielsweise wie folgt kalibriert werden:
Die LED 21, welche grundsätzlich das Nichtvorhandensein eines zu detektierenden Objektes signalisiert, gibt nach Annäherung mit einem magnetischen Handhabungswerkzeug nach einer gewissen Zeit ein Signal, beispielsweise ein Blinksignal, aus, welches dem Benutzer signalisiert, dass der Sensor nunmehr in den teach-in-Modus „leer” bzw. ”Objekt nicht vorhanden” geschaltet wird.
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Der Benutzer entfernt nunmehr das Handhabungswerkzeug und der Sensor wird sodann in einen Kalibriermodus versetzt, welches ebenfalls optisch signalisiert werden kann, insbesondere mittels eines Blinksignals.
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Nachdem der teach-in-Vorgang „leer” beendet ist, leuchtet nunmehr die LED 21, welche signalisiert, dass kein Objekt vorhanden ist. Nähert sich nunmehr ein Objekt, erlischt die LED 21 und es leuchtet die LED 20 in einer anderen Farbe auf.
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Möchte der Benutzer den Sensor auf „voll” bzw. „Objekt vorhanden” kalibrieren, nähert er das magnetische Handhabungswerkzeug so lange an, bis die LED 20 ein periodisches Blinksignal abgibt. Nach Entfernen des Handhabungswerkzeugs kalibriert sich nunmehr der Sensor für den Zustand „voll” bzw. „Objekt vorhanden”.
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Durch die Erfindung konnte ein einfach befestig- und handhabbarer Sensor bereitgestellt werden, welcher auch rauen Umweltbedingungen standhält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Sensorfläche
- 3
- Befestigungsprofil
- 4
- Anschlusskabel
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- Flügel
- 7
- Nut
- 8
- Magnethalter
- 9
- Magnet
- 10
- Halter
- 11
- Befestigungsschiene
- 12
- Bohrung
- 13
- Glied
- 14
- Spannschraube
- 15
- Platine
- 16
- aktive Fläche
- 17
- Kontakt
- 18
- IC
- 19
- Reed- Schalter
- 20
- LED
- 21
- LED
