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Kapazitiver Näherungsinitiator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungsinitiator
mit einem rohrförmigen Gehäuse, einer im Innern des Gehäuses an dessen Stirnseite
angeordneten Sensorelektrode, der eine Schutzelektrode und eine Schirmelektrode
zugeordnet sind, und mit einer im Innern des Gehäuses angeordneten elektronischen
Schaltung, die über eine Zweidrahtleitung, in der ein Verbraucher liegt, an ein
Wechselstromnetz angeschlossen ist, wobei die elektronische Schaltung einen Bestandteil
enthält, dessen Zustand von der Kapazität zwischen der Sensorelektrode und der Schaltungsmasse
beeinflußbar ist, sowie eine Steuerschaltung, die in Abhängigkeit vom Zustand des
Schaltungsbestandteils den Stromfluß über die Zweidrahtleitung steuert, und ein
Netzteil, das die für den Betrieb der elektronischen Schaltung erforderliche Gleichspannungsenergie
aus der über die Zweidrahtleitung übertragene Wechselspannungsenergie erzeugt, wobei
die Schirmelektrode mit der Schaltungsmasse der elektronischen Schaltung verbunden
ist.
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Kapazitive Näherungsinitiatoren dieser Art, die beispielsweise aus
der DE-OS 21 09 684 bekannt sind, sprechen auf die Annäherung eines die Kapazität
zwischen der Sensorelektrode und der Schaltungsmasse beeinflussenden Körpers an.
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Sie werden für Uberwachungs- und Steuerzwecke verwendet, insbesondere
auch für die Feststellung des Erreichens vorbestimmter Füllstände in Behältern.
Zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit-und Ansprechsicherheit ist es
erforderlich, daß die Kapazitätsänderung, die durch die Annäherung des zu überwachenden
Körpers verursacht wird, möglichst groß in bezug auf die Eigenkapazität der Sensorelektrode
ist. Deshalb muß der Sensorelektrode eine definierte, möglichst großflächige Bezugselektrode
zugeordnet sein.
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Wenn der kapazitive Näherungsinitiator zur Überwachung des Füllstands
in einem metallischen Behälter verwendet wird, ist die Bezugselektrode durch die
Behälterwand gegeben.
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Im Fall von nichtmetallischen Behältern oder bei anderen Anwendungszwecken,
bei denen keine großflächige Gegenelektrode vorhanden ist, besteht eine bekannte
Lösung darin, das Gehäuse des Näherungsinitiators als Metallmantel auszubilden,
der als Gegenelektrode für die stirnseitige Sensorelektrode dient.
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Die mit Wechselstrom betriebenen kapazitiven Näherungsinitiatoren,
wie sie in der DE-OS 21 09 684 beschrieben sind, ergeben den Vorteil, daß sie kein
getrenntes Netzgerät für die zum Betrieb erforderliche Hilfsenergie benötigen, sondern
unmittelbar an das Wechselstromnetz über nur zwei Leiter an das Wechselstromnetz
angeschlossen werden können. Wenn jedoch solche Geräte mit einem als-Bezugselektrode
wirkenden Metallmantel ausgebildet sind, wie dies in der DE-OS 21 09 684 dargestellt
ist, muß dieser
Metallmantel wegen der geltenden Sicherheitsvorschriften
über einen getrennten Schutzleiter geerdet werden. Dadurch geht der Vorteil verloren,
daß nur zwei Leiter für den Anschluß des kapazitiven Näherungsinitiators erforderlich
sind.
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Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines mit Wechselstrom
betriebenen kapazitiven Näherungsinitiators der eingangs angegebenen Art, der ohne
äußere Gegenelektrode eine gute Ansprechempfindlichkeit hat, ohne daß ein zusätzlicher
Schutzleiter für die Erdung erforderlich ist.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Gehäuse nach
außen voll isoliert ist, daß die Schutzelektrode und die Schirmelektrode die Form
von zylindrischen Ringen haben, die im Innern des Gehäuses koaxial zueinander so
angeordnet sind, daß sich die Schutzelektrode in geringem Abstand an die stirnseitig
angeordnete Sensorelektrode und die Schirmelektrode in geringem Abstand an die Schutzelektrode
anschließt, und daß die Schirmelektrode mit der Schaltungsmasse der elektronischen
Schaltung verbunden ist.
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Bei dem kapazitiven Näherungsinitiator nach der Erfindung wirkt die
im Innern des voll isolierten Gehäuses angeordnete zylindrische Schirmelektrode
als Gegenelektrode für die Sensorelektrode. Diese Schirmelektrode liegt an der Schaltungsmasse
der im Innern des voll isolierten Gehäuses untergebrachten elektronischen Schaltung,
ist also im Normalfall nicht geerdet, liegt aber über das Netzteil. der elektronischen
Schaltung HF-mäßig auf Erdpotential, so daß sie die Funktion der Gegenelektrode
ausüben kann. Es hat sich gezeigt, daß damit eine gute Ansprechempfindlichkeit des
kapazitiven Näherungsinitiators erzielt werden kann, auch wenn die SchuLzelekt rode
, wie s 1)(istieXIsweislb .Ill'i
der DE-AS 27 44 785 bekannt ist,
zur Unterdrückung des Einflusses von äußeren Ansatzbildungen über einen Impedanzwandler
mit der Sensorelektrode verbunden ist, so daß sie stets durch ein Signal angesteuert
wird, das dem an der Sensorelektrode anliegenden Signal bezüglich Betrag und Phase
praktisch gleich ist. Obwohl durch diese gleichphasige Ansteuerung der Schutzelektrode
die Seitenempfindlichkeit des Näherungsinitiators verringert wird, hat es sich gezeigt,
daß die in der angegebenen Weise ausgebildete und angeschlossene Schirmelektrode
eine wirksame Bezugselektrode für die Sensorelektrode bildet.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des kapazitiven
Näherungsinitiators besteht darin, daß er auf besonders einfache Weise hergestellt
und zusammengebaut werden kann. Vorzugsweise sind nämlich die Sensorelektrode auf
der Stirnseite und die Schutzelektrode und die Schirmelektrode auf der Umfangswand
eines in das Innere des Gehäuses eingeschobenen topfförmigen Kunststoffkörpers gebildet.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die ganze Außenseite des topfförmigen
Kunststoffkörpers metallisiert wird und anschließend die Sensorelektrode, die Schutzelektrode
und die Schirmelektrode durch Unterteilung der Metallisierung gebildet werden. Nach
der Bildung der Elektroden kann der topfförmige Kunststoffkörper mit der auf einer
Leiterplatte angeordneten elektronischen Schaltung zusammengebaut werden, worauf
die ganze Anordnung in das rohrförmige Gehäuse eingeschoben wird. Anschließend wird
das Gehäuse durch eine Kappe verschlossen und mit einer Vergußmasse ausgegossen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. Darin
zeigen: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten
kapazitiven Näherungsinitiators, Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild des kapazitiven
Näherungsinitiators von Fig. 1, Fig. 3 eine Schnittansicht der Elektrodenanordnung
des kapazitiven Näherungsinitiators von Fig. 1, Fig. 4 eine Schnittansicht einer
anderen Ausführungsform der Elektrodenanordnung und Fig. 5 eine Schnittansicht einer
weiteren Ausführungsform der Elektrodenanordnung.
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Der in Fig. 1 dargestellte kapazitive Näherungsinitiator hat ein an
der Stirnseite verschlossenes rohrförmiges Gehäuse 10 aus Isoliermaterial, vorzugsweise
Kunststoff. Das offene Ende des Gehäuses 10 ist durch eine Kappe 11 aus Kunststoff
verschlossen. Im Innern des Gehäuses 10 ist an der Stirnfläche anliegend ein topfförmiger
Kunststoffkörper 12 angeordnet, der auf der Außenseite drei durch Metallisierungen
gebildete Elektroden trägt, nämlich eine an der Stirnfläche angeordnete Sensorelektrode
13, die die Form einer flachen runden Scheibe hat, eine Schutzelektrode 14, die
auf der Umfangsfläche des Kunststoffkörpers 12 im Anschluß an die stirnseitigc Sensorclekt
rode irl geringem Abstand von dieser gebildet ist, und eine Schirmelektrode 15,
die im Anschluß an die Schutzelektrode 14
gleichfalls auf der Umfangsfläche
des Kunststoffkörpers 12 gebildet ist. Die Schutzelektrode und die Schirmelektrode
haben somit die Form von zueinander koaxialen zylindrischen Ringen.
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Ferner ist im Innern des Gehäuses 10 eine Leiterplatte 16 angeordnet,
die sich auch teilweise in den topfförmigen Kunststoffkörper 12 erstreckt. Die Leiterplatte
10 ist in der üblichen Weise an der Unterseite mit gedruckten Leiterbahnen versehen
und trägt auf der Oberseite die Bestandteile einer elektronischen Schaltung 17.
Verbindungsdrähte 18, 19, 20 verbinden die Sensorelektrode 13, die Schutzelektrode
14 und die Schirmelektrode 15 mit der auf der Leiterplatte 16 angebrachten elektronischen
Schaltung.
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An der Kappe 11 ist ein Anschluß für ein zweiadriges Kabel 21 angebracht,
dessen beide Leiter 22, 23 durch die Kappe 11 hindurchgeführt und mit Anschlußklemmen
auf der Leiterplatte 16 verbunden sind.
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Ein vereinfachtes Blockschaltbild der auf der Leiterplatte 16 angeordneten
elektronischen Schaltung 17 ist in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt in Fig. 2 wieder
die Sensorelektrode 13, die Schutzelektrode 14, die Schirmelektrode 15 und die beiden
Leiter 22, 23 des Kabels 21. Die Schaltung 17 ist über das Kabel 21 mit den Anschlußklemmen
30, 31 eines Wechselstromnetzes verbunden, das beispielsweise eine Spannung von
220 V mit einer Frequenz von 50 Hz führt. Als Beispiel sei angenommen, daß die Klemme
31 geerdet ist. In den Leiter 22
ist ein Verbraucher eingefügt,
der bei dem dargestellten Beispiel ein Schaltschütz 32 ist, das anspricht, wenn
der über den Leiter 22 fließende Wechselstrom eine bestimmte Größe überschreitet.
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Ein in der elektronischen Schaltung 17 enthaltener Brückengleichrichter
33 dient dazu, die für den Betrieb der elektronischen Schaltung erforderliche Gleichspannungsenergie
aus der über das Kabel 21 übertragenen Wechselspannungsenergie zu erzeugen. Eine
Zenerdiode 34, die über einen Widerstand 35 und eine Diode 36 mit der Gleichspannungsseite
des Brückengleichrichters 33 verbunden ist, hält die erzeugte Gleichspannung, die
durch einen Elektrolytkondensator 37 gesiebt wird, auf dem gewünschten Wert.
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Die Gleichspannungsklemmen des Brückengleichrichters 33 sind ferner
durch einen elektronischen Schalter überbrückt, der bei dem dargestellten Beispiel
ein Thyristor 40 ist.
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Wenn der Thyristor 40 gesperrt ist, fließt über das Kabel 21 im wesentlichen
nur der Wechselstrom, der für die Erzeugung der Gleichspannungsenergie benötigt
wird, die von der elektronischen Schaltung verbraucht wird. Wenn dagegen der Thyristor
40 gezündet ist, sind die beiden Leiter 22 und 23 des Kabels 21 jeweils für eine
Halbwelle der Wechselspannung im wesentlichen kurzgeschlossen, so daß über das Kabel
21 ein starker pulsierender Gleichstrom fließt, der das Schaltschütz 32 zum Ansprechen
bringt.
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Die Sensorelektrode 13 ist einerseits mit einem Oszillator 41 und
andererseits mit dem Eingang eines Impedanzwandlers 42 verbunden. An den Ausgang
des Impedanzwandlers 42 ist die Schutzelektrode 14 angeschlossen, so daß an die
Schutzelektrode 14 dauern ein Signal angelegt ist, das nach Betrag und Phase praktisch
gleich dem an der Sensorelektrode 13
liegenden Signal ist. Diese
an sich bekannte Maßnahme dient dem Zweck, die Sensorelektrode vor ungewollten Beeinflussungen,
beispielsweise durch äußere Ansatzbildungen, zu s-chützen.
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Die Schirmeiektrode 15 ist mit der Schaltungsmasse 43 verbunden; sie
dient als Gegenelektrode für die Sensorelektrode 13.
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Der Oszillator 41 ist so ausgebildet, daß sein Schwingungseinsatz
bzw. Schwingungsabriß durch die Kapazität zwischen der Sensorelektrode 13 und der
Schirmelektrode 15 beeinflußt wird. Die Schwingungen des Oszillators 41 werden nach
Verstärkung in einem Verstärker 44 in einer Gleichrichterschaltung 45 gleichgerichtet,
deren Ausgangssignal den Thyristor 40 steuert.
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Die Anordnung ist beispielsweise so getroffen, daß der Oszillator
41 nicht schwingt, wenn sich kein die Kapazität beeinflussender Körper im Ansprechbereich
der Sensorelektrode 13 befindet. Bei Annäherung eines Körpers an die Sensorelektrode
13 verändert sich die Kapazität zwischen der Sensorelektrode 13 und der Schirmelektrode
15, und beim Überschreiten einer bestimmten Kapazitätsschwelle beginnt der Oszillator
41 zu schwingen. Die dadurch Gleichrichtung der Schwingungen erhaltene Steuerspannung,
die an den Thyristor 40 angelegt ist, löst das Ansprechen des Schaltschützes 32
aus. Das Schaltschütz 32 bleibt solange erregt, wie der Oszillator 41 schwingt.
Wenn sich der Körper wieder von der Sensorelektrode 13 entfernt, reißen die-Schwingungen
des Oszillators 41 wieder ab, so daß am Thyristor 40 keine Steuerspannung mehr anliegt.
Das Schaltschütz 32 fällt dann wieder ab.
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Die Diode 36 verhindert, daß sich der Kondensator 37 über den Thyristor
40 entlädt, wenn dieser gezündet ist.
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Der beschriebene kapazitive Näherungsinitiator läßt sich auf besonders
einfache Weise herstellen und zusammenbauen.
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Fig. 3 zeigt den Kunststoffkörper 12 von Fig. 1 mit den darauf angebrachten
Elektroden 13, 14 und 15. Der Kunststoffkörper 12 kann als Kunststoffspritzteil
hergestellt werden. Zur Bildung der Elektroden wird auf die ganze Außenfläche des
Kunststoffkörpers 12 eine Kupferschicht von etwa 30 ijin Dicke galvanisch aufgebracht.
Anschließend werden ringförmige Einstiche 24 und 25 dadurch gebildet, daß das Kupfer
entfernt wird. Dies kann beispielsweise mechanisch durch Drehen erfolgen. Nachdem
den Elektroden 13, 14 und 15 auf diese Weise die gewünschte Form erteilt worden
ist, wird der Kunststoffkörper 12 mit der Leiterplatte 16, die die fertige elektronische
Schaltung 17 trägt, zusammengebaut, und die Verbindungsdrähte 18, 19 und 20 zwischen
den Elektroden 13, 14 und 15 und der Leiterplatte 16 werden angebracht. Nachdem
auch noch die durch die Kappe 11 hindurchgeführten Leiter 22, 23 mit der Leiterplatte
16 verbunden worden sind, wird die ganze Anordnung in das rohrförmige Gehäuse 10
eingeschoben, das gleichfalls als Kunststoffspritzteil hergestellt sein kann. Dann
wird die Kappe 11 auf das freie Ende des rohrförmigen Gehäuses 10 aufgesetzt und
durch Ultraschall mit dem Gehäuse verschweißt Schließlich wird der ganze Innenraum
des Gehäuses 10 durch eine in der Kappe 11 vorgesehene öffnung mit Vergußmasse ausgegossen.
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Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Ausbildung des Näherungsinitiators
besteht darin, das die Empfindlichkeit und Ansprechcharakteristik des kapazitiven
Näherungsinitiators durch geeignete Formgebung der Elektroden 13,
14
und 15 den jeweils herrschenden Bedingungen in optimaler Weise angepaßt werden kann.
Dies kann durch geeignete Wahl der Lage und Breite der Einstiche 24 und 25 nach
der Bildung der Kupferschicht geschehen. Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei andere
Möglichkeiten für die Formgebung der Elektroden. Bei der Ausführungsform von Fig.
4 liegt der Einstich 24 an der Stirnseite des Kunststoffkörpers 12, sa daß die Schutzelektrode
14 die Kante des Kunststoffkörpers übergreift. Bei der Ausführungsform von Fig.
5 liegt dagegen der Einstich 24 auf der Umfangsfläche des Kunststoffkörpers 12,
so daß in diesem Fall die Sensorelektrode 13 über die Kante des Kunststoffkörpers
12 greift. In jedem Fall bildet die Schirmelektrode 15 infolge ihrer Form, Lage
und Beschaltung eine wirksame Gegenelektrode, die eine gute Empfindlichkeit des
kapazitiven Näherungsinitiators gewährleistet. Da diese Gegenelektrode völlig isoliert
im Innern des Kunststoffkörpers 10 liegt, ist kein zusätzlicher Schutzleiter erforderlich,
auch wenn die an Schaltungsmasse angeschlossene Schirmelektrode, wie bei der Ausführungsform
von Fig. 2, nicht im vorgeschriebenen Sinne geerdet ist.
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