DE20307931U1

DE20307931U1 - Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor

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Publication number: DE20307931U1
Application number: DE20307931U
Authority: DE
Original assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM; SIE SENSORIK INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM; SIE SENSORIK INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2013-05-22

Abstract

Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor zum Anschluss an eine elektrische Oszillatorschaltung, zur berührungslosen, kantengenauen Detektion von Gegenständen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, mit einer gegenüber einer geerdeten oder minus gepolten Masseelektrode eine elektrische Kapazität aufweisenden Sensorelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (2) in den Sensorkopf (1) integriert ist und dass der Sensorkopf (1) in seiner Schnittebene parallel zur Annäherungsrichtung (A) des zu detektierenden Gegenstandes aus mehreren parallelen, rechtwinklig zur Annäherungsrichtung (A) angeordneten, gegeneinander elektrisch isolierten Schichten besteht, von denen eine Schicht die Sensorelektrode (4) und eine andere Schicht die Masseelektrode (2) ist, eine Schicht eine zwischen Masseelektrode (2) und Sensorelektrode (4) angeordnete erste Kompensationselektrode (3a) ist und eine Schicht eine auf der der Masseelektrode (2) abgewandten Seite der Sensorelektrode (4) angeordnete, zweite Kompensationselektrode (3b) ist, wobei die Kompensationselektroden (3a, 3b) miteinander elektrisch leitend verbunden sind und eine elektrische Kapazität gegenüber der Sensorelektrode (4) aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor zum Anschluss an eine elektrische Oszillatorschaltung, zur berührungslosen, kantengenauen Detektion von Gegenständen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, mit einer gegenüber einer geerdeten oder minus gepolten Masseelektrode eine elektrische Kapazität aufweisenden Sensorelektrode, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Um die Annäherung eines festen Gegenstandes oder die Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Schüttgutes zu detektieren, sind berührungslose, kapazitive Annäherungssensoren entwickelt worden, welche die bekannte Eigenschaft eines Kondensators nutzen, dass sich dessen Kapazität in Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl des zwischen den Elektroden angeordneten Dielektrikums verändert. Zu detektierende Gegenstände, unabhängig davon ob sie fest, flüssig oder gasförmig sind, weisen meist eine höhere Dielektrizitätszahl auf, als Luft oder gar Vakuum.
Bekannte kapazitive Annäherungssensoren bestehen aus einem an eine elektronische Oszillatorschaltung angeschlossenen Sensorkopf, wobei der Sensorkopf im wesentlichen aus einer Sensorelektrode und einer von dieser beabstandet angeordneten Masseelektrode, beispielsweise der Erde oder einer der Sensorelektrode gegenüberliegenden Behälterwand besteht. Die Sensorelektrode ist auf deren rückwärtigen, von dem zu detektierenden Gegenstand abgewandten Seite, durch eine von der Sensorelektrode beabstandete Kompensationselektrode abgeschirmt, so dass der Sensorkopf eine für die Detektion aktive Vorderseite und eine abgeschirmte Rückseite aufweist. Der Sensorkopf ist an die Oszillatorschaltung derart angeschlossen, dass bei Überschreiten einer bestimmten Kapazität das Schwingungsverhalten der Oszillatorschaltung plötzlich verändert wird, so dass durch Zuordnung eines Schaltpunktes zur Änderung des Schwingungsverhaltens der Annäherungssensor wie ein Schalter verwendet werden kann.
Aus der DE 16 73 841 ist ein kapazitiver Annäherungssensor bekannt, der einen aus einer Sensorelektrode und einer geerdeten Masseelektrode bestehenden, Sensorkopf aufweist, welcher mit einer RC-Oszillatorschaltung (Resistor Capacity) verbunden ist, so dass die Kapazitätsänderung des Sensorkopfes durch einen zwischen Sensorelektrode und Masseelektrode geratenden zu detektierenden Gegenstand entweder den Schwingungseinsatz oder den Schwingungsabriss in der Oszillatorschaltung verursacht. Hierbei ist die in der Vorderansicht kreisrunde Sensorelektrode konzentrisch von einer becherförmigen Abschirmelektrode umgeben. Ein zu detektierender Gegenstand dringt parallel zu der von den konzentrisch angeordneten Elektroden gebildeten Ebene radial von außen zwischen Sensorelektrode und gegenüber der Sensorelektrode angeordnete Masseelektrode und beeinflusst kontinuierlich mit dem Eindringen die Kapazität der Sensorelektrode gegenüber der Masseelektrode. Die Sensorelektrode, die Kompensationselektrode und die Masseelektrode sind derart an die Oszillatorschaltung angeschlossen, dass das elektrische Feld der Kompensationselektrode um 180° gegenüber dem der Sensorelektrode phasenverschoben in die Oszillatorschaltung eingekoppelt wird, so dass eine Dämpfung des Signals der Sensorelektrode bewirkt wird, um eine fehlerhafte Anzeige oder das frühzeitige oder verspätete Auslösen des Schalters zu kompensieren, wobei die Kompensation materialabhängig für jeden zu detektierenden Gegenstand voreingestellt werden muss.
Nachteilig bei den bekannten kapazitiven Annäherungssensoren ist, dass die Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber der Masseelektrode kontinuierlich erfolgt, je nachdem wie weit der zu detektierende Gegenstand parallel zur aktiven Vorderseite des Sensorkopfes radial von Außen zwischen Sensorelektrode und Masseelektrode vorgedrungen ist, so dass der Schaltpunkt der Oszillatorschaltung davon abhängig ist, welche Dielektrizitätszahl der Gegenstand aufweist, und welchen Teil des zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode befindlichen Volumens von dem Gegenstand ausgefüllt ist, unabhängig von der Orientierung des Gegenstandes zum Annäherungssensor. Eine genaue Position, beispielsweise die exakte Höhe eines Stapels unabhängig von dessen Material, ist dem Schaltpunkt nicht zuzuordnen.
Technische Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor zu entwickeln, bei dem eine deutliche Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber der Massenelektrode beim Erreichen einer bestimmten Position des zu detektierenden Gegenstandes, weitgehend unabhängig von dessen Dielektrizitätszahl erfolgt, zur kantengenauen Detektion von Objekten, beispielsweise zur Bestimmung der Höhe eines Papierstapels sowie zur Positionsabfrage von Kunststoff- und Metallgegenständen, wobei der Annäherungssensorkopf insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit kleinen Behältern klein ausführbar, sowohl außerhalb als auch innerhalb eines Behälters, beispielsweise als Füllstandsmelder in Flüssigkeitsbehältern, anordbar und unabhängig vom Werkstoff der Behälterwand anwendbar sein soll.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile
Die Lösung der Aufgabe bei einem Sensorkopf der eingangs genannten Gattung besteht darin, dass die Masseelektrode in den Sensorkopf integriert ist und dass der Sensorkopf in seiner Schnittebene parallel zur Annäherungsrichtung (A) des zu detektierenden Gegenstandes aus mehreren parallelen, rechtwinklig zur Annäherungsrichtung (A) angeordneten, gegeneinander elektrisch isolierten Schichten besteht, von denen eine Schicht die Sensorelektrode und eine andere Schicht die Masseelektrode ist, eine Schicht eine zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode angeordnete erste Kompensationselektrode ist und eine Schicht eine auf der der Masseelektrode abgewandten Seite der Sensorelektrode angeordnete, zweite Kompensationselektrode ist, wobei die Kompensationselektroden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und eine elektrische Kapazität gegenüber der Sensorelektrode aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Ausgestaltung des vom Gegenstand beeinflussbaren Sensorkopfes eines kapazitiven Annäherungssensors, der Aufbau einer Oszillatorschaltung oder der Anschluss eines Sensorkopfes an eine solche Schaltung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Der erfindungsgemäße Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Masseelektrode in den Sensorkopf integriert ist und dass der Sensorkopf in seiner Schnittebene parallel zur Annäherungsrichtung des zu detektierenden Gegenstandes aus mehreren parallelen, rechtwinklig zur Annäherungsrichtung angeordneten, gegeneinander elektrisch isolierten Schichten besteht, von denen eine Schicht die Sensorelektrode und eine andere Schicht die Masseelektrode ist, eine Schicht eine zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode angeordnete erste Kompensationselektrode ist und eine Schicht eine auf der der Masseelektrode abgewandten Seite der Sensorelektrode angeordnete, zweite Kompensationselektrode ist, wobei die Kompensationselektroden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und eine elektrische Kapazität gegenüber der Sensorelektrode aufweisen und derart mit der Oszillatorschaltung verbunden werden können, dass deren elektrische Kapazität gegenüber der Sensorelektrode dämpfend auf den Schwingungseinsatz oder Schwingungsabriss in der Oszillatorschaltung einwirkt, so dass durch die gegenüber der Annäherungsrichtung des zu detektierenden Gegenstandes beidseitige Abschirmung der Sensorelektrode mittels der beiden Kompensationselektroden eine plötzliche Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber der Masseelektrode durch die Veränderung der Dielektrizitätszahl genau zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Gegenstand die rechtwinklig zur Annäherungsrichtung orientierte, durch den Spalt zwischen Masseelektrode und der zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode angeordneten Kompensationselektrode definierte Detektionskante überschreitet, da das elektrische Feld zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode erst beim Überschreiten der Detektionskante durch den Gegenstand gegenüber dem in der Oszillatorschaltung gegengekoppelten elektrischen Feld zwischen den Kompensationselektroden und der Sensorelektrode überwiegt, wodurch in der Oszillatorschaltung genau dann der Schwingungseinsatz oder der Schwingungsabriss erfolgt und so eine kantengenaue Detektion des Gegenstandes möglich ist, unabhängig davon, ob es sich bei dem Gegenstand um einen Festkörper, die Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Schüttgutes oder ein in einem Raum vom Boden her aufsteigendes Gas handelt.
Durch den kompakten, aus mehreren ebenen Schichten bestehenden einfachen Aufbau des Sensorkopfes ist dieser einfach zu Miniaturisieren und kann so leicht für beliebige Anwendungen hergestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kompensationselektroden die Sensorelektrode seitlich und auf der Rückseite umfassen, so dass Gegenstände nur an der aktiven Vorderseite des Sensorkopfes die Kapazität zwischen Sensorelektrode und Masseelektrode beeinflussen können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Annäherungssensor einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, so dass der Sensorkopf stirnseitig in einen kreiszylinderförmigen Behälter, eine Spritze oder dergleichen integriert werden kann.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Annäherungssensor in seiner Querschnittsform viereckig ausgebildet ist, so dass der Sensorkopf beispielsweise in eine Seitenwand eines kubischen Behälters integriert werden kann, wobei die Detektionsgenauigkeit einer Kante bei einem viereckig ausgeführten Sensorkopf am genauesten ist.
Eine zusätzliche, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in Annäherungsrichtung vor der ersten Kompensationselektrode eine geerdete oder minus gepolte Vorlaufsignalelektrode angeordnet ist, wobei die Vorlaufsignalelektrode, die Sensorelektrode und die Kompensationselektroden mit einer zusätzlichen Vorlaufsignaloszillatorschaltung verbunden sind, so dass die Sensorelektrode gegenüber der Vorlaufsignalelektrode beim Überschreiten des Spaltes zwischen Vorlaufsignalelektrode und Kompensationselektrode durch den zu detektierenden Gegenstand eine Kapazitätsänderung erfährt, wodurch in einer zusätzlichen, an der Vorlaufsignalelektrode, der Sensorelektrode und den Kompensationselektroden angeschlossene Vorlaufsignaloszillatorschaltung ein Schwingungseinsatz oder ein Schwingungsabriss erzeugbar ist, wobei die Vorlaufoszillatorschaltung eine gegenüber der an Sensorelektrode und Massenelektrode angeschlossene Oszillatorschaltung unterschiedliche Arbeitsfrequenz aufweist, und wobei die Kompensationselektroden derart an die Vorlauf signaloszillatorschaltung angeschlossen sind, dass deren Kapazität gegenüber der Sensorelektrode dämpfend auf die Vorlaufsignaloszillatorschaltung wirkt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen
1 einen Querschnitt durch einen Sensorkopf in der Vorderansicht und
2 das Schaltbild einer Oszillatorschaltung mit daran angeschlossenem Sensorkopf.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein in 1 dargestellter Sensorkopf 1 für einen kapazitiven Annäherungssensor besteht in seinem Querschnitt parallel zur Annäherungsrichtung A des zu detektierenden Gegenstandes aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Elektroden, welche schichtenweise rechtwinklig zur Annäherungsrichtung A übereinander angeordnet sind. Im Sensorkopf 1 ist eine Massenelektrode 2 angeordnet, welche gegenüber einer Sensorelektrode 4 beim Anlegen einer Spannung eine elektrische Kapazität aufweist. Zwischen der Masseelektrode 2 und der Sensorelektrode 4 ist eine erste Kompensationselektrode 3a angeordnet, welche eine Verstärkung des elektrischen Feldes und damit die Steigerung der Kapazität zwischen Masseelektrode 2 und Sensorelektrode 4 beim Annähern des zu detektierenden Gegenstandes aus der Annäherungsrichtung A so lange unterbindet, bis der Gegenstand die Detektionskante D zwischen der ersten Kompensationselektrode 3a und der Masseelektrode 2 überschreitet. Auf der der Massenelektrode 2 abgewandten Seite der Sensorelektrode 4 ist eine zweite Kompensationselektrode 3b angeordnet, welche zusammen mit der zwischen Masseelektrode 2 und Sensorelektrode 4 angeordneten ersten Kompensationselektrode 3a durch Erzeugung eines elektrischen Feldes gegenüber der Sensorelektrode 4 diese abschirmt, bis der zu detektierende Gegenstand die Detektionskante D überschreitet. Hierzu sind die Kompensationselektroden 3a und 3b miteinander elektrisch leitend verbunden.
Das in 2 dargestellte Schaltbild einer Oszillatorschaltung mit daran angeschlossenem Sensorkopf 1 verdeutlicht die Zusammenwirkung der einzelnen Schichten mit der Oszillatorschaltung. Der Schwingungseinsatz bzw. Schwingungsabriss ist am Signalausgang S feststellbar.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der berührungslosen, kapazitiven Annäherungssensoren zur kantengenauen Detektion von Gegenständen mit beliebigen Materialeigenschaften gewerblich anwendbar.

1: Sensorkopf
2: Masseelektrode
3a, 3b: Kompensationselektroden
4: Sensorelektrode
A: Annäherungsrichtung des zu detektierenden Gegenstandes
D: Detektionskante
S: Signalausgang

Claims

Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor zum Anschluss an eine elektrische Oszillatorschaltung, zur berührungslosen, kantengenauen Detektion von Gegenständen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, mit einer gegenüber einer geerdeten oder minus gepolten Masseelektrode eine elektrische Kapazität aufweisenden Sensorelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (2) in den Sensorkopf (1) integriert ist und dass der Sensorkopf (1) in seiner Schnittebene parallel zur Annäherungsrichtung (A) des zu detektierenden Gegenstandes aus mehreren parallelen, rechtwinklig zur Annäherungsrichtung (A) angeordneten, gegeneinander elektrisch isolierten Schichten besteht, von denen eine Schicht die Sensorelektrode (4) und eine andere Schicht die Masseelektrode (2) ist, eine Schicht eine zwischen Masseelektrode (2) und Sensorelektrode (4) angeordnete erste Kompensationselektrode (3a) ist und eine Schicht eine auf der der Masseelektrode (2) abgewandten Seite der Sensorelektrode (4) angeordnete, zweite Kompensationselektrode (3b) ist, wobei die Kompensationselektroden (3a, 3b) miteinander elektrisch leitend verbunden sind und eine elektrische Kapazität gegenüber der Sensorelektrode (4) aufweisen.
Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden (3a, 3b) die Sensorelektrode (4) seitlich und auf der Rückseite umfassen.
Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (1) in seiner Querschnittsform viereckig ausgebildet ist.
Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Annäherungsrichtung (A) des zu detektierenden Gegenstandes erste Kompensationselektrode (3b) eine größere Abmessung in Annäherungsrichtung (A) aufweist, als die zwischen Sensorelektrode (4) und Masseelektrode (2) angeordnete Kompensationselektrode (3a).
Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Annäherungsrichtung (A) vor der ersten Kompensationselektrode (3b) eine geerdete oder minus gepolte, Vorlaufsignalelektrode angeordnet ist, wobei die Vorlaufsignalelektrode, die Sensorelektrode (4) und die Kompensationselektroden (3a, 3b) mit einer zusätzlichen Vorlaufsignaloszillatorschaltung verbunden sind.