DE3242621A1

DE3242621A1 - Kapazitiver annaeherungsmelder

Info

Publication number: DE3242621A1
Application number: DE19823242621
Authority: DE
Inventors: Stefan 8026 Irschenhausen Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-11-18
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1984-05-24

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung zwischen einem Sensor und einem Meßobjekt nach dem kapazitiven Prinzip. Die Erfindung ermöglicht eine höhere Genauigkeit und größere meß-Distanzen, als nach dem Stand der Technik Kapazitive Abstand sensoren werden - - - in Industrieanlagen benötigt, beispielsweise um Flüssigkeitspegel oder Bewegungen von Teilen zu überwachen.
Das übliche Prinzip beruht auf einer kapazitiven Spannungsteilung. Dabei befindet sich an einer Gehäusewand des Ssnsors oder der Sonde ein Plattenkondensator, dessen eine, an der Innenseite liegende Elektrode an einen Oszillator angeschlossen ist. Die andere, äußere Elektrode weist eine elektrische Kapazität aufReinerseits gegenüber der inneren Elektrode, andererseits in den Außenraum beziehungsweise zum rneßobjekt. Hieraus resultiert an der äußeren Elektrode eine Spannungsteilung der Oszillatorspannung.
Die Annäherung des Dießabjektes bewirkt eine veränderte Spannungsteilung gemäß dar Veränderung der äußeren Teil-Kapazität. Die innere Kapazität ist hierbei die Referenz-Kapazität.Die Auswertung der Spannungsänderung geschieht beispielsweise, indem der Oszillator von der Spannung der äußeren Elektrode gegengekoppelt, also bedämpft wird, so daß er sich im kritischen Zustand des Anschwingens befindet, was eine Abnahme oder ein Abreißen der Oszillator-Schwingung gemäß der Annäherung zur Folge hat.
Neben der kapazitiven Spannungsteilung existieren noch andere Verfahren, denen jedoch allen gemeinsam ist die messung der Kapazität ZZ»r Objekt ,und das Vorhandensein einer Referenzkapazität im Inneren des Gerätes. Nachteile Stand der Technik: Die Spanningsteilung, also das Größenverhältnis zwischen äußerer zu innerer Kapazität, nimmt bei yrößeren Meßdistanzen 8o sterk ab, daß die Auswertung größerer Abstände sehr ungenau wird. Präzise Funktion ist nur möglich in einem geringen Abstandsbereich, der vergleichbar ist mit der mechanischen und daher elektrischen Größenordnung der eingebauten Kapazität.
Wegen dem zum Abstand reziproken Kapazitätsabfall resultiert als Differentialfunktion ein quadratischer Anstieg der Maß-Ungenauigkeit mit dem Abstand, bei höheren Abständen wegen des Kugelfeldes sogar zu dritter Potenz.
Eine weitere Schwierigkeit ist, daß die äußere Kapazität auch bei unendlichem Abstand zum Objekt nicht auf Null verschwindet, sondern eine Restkapazität auch im freien Raum vorhanden ist, die sich nicht ändert, und z.B. ca.
3 Picofarad ausmacht bei einer Elektrode von 50x 50 mm, was mehr als das Hundertfache der variablen Kapazität ausmachen kann.Beim Abgleich spielt also die Konstanz-Anforderung eine große Rolle. Außerdem wird die Genauigkeit durch die Stabilität der Referenzkapazität begrenzt.
Funktionsweise der Erfindung: Die Neuerung beruht darauf, daß die Referenzkapazität im Inneren des Gerätes entfällt, aber eine zweite Außenelektrode vorhanden ist (Sende-Elektrode benannt), die an den Oszillator angeschlossen ist.
Die andere Außenelektrode wirkt als Empfangselektrode und kann in einer Ebene neben der Sendeelektrode angeordnet sein. Das meßfeld ist also ausschließlich auf den Außen-Raum des Gerätes beschränkt. Anstelle einer Referenz-Kapazität wirkt im Außenraum die Kapazität zwischen Sende-Elektrode und Empfangselektrode als Kopplung an den Oszillator, indem die Empfangselektrode im Feld der Sendeelektrode liegt.
Beim Annähern eines Objektes vergrößert sich erstens, wie bisher, die Kapazität Empfangselektrode - Objekt, zweiten verringert sich die Ankopplung zur Sendeelektrode wegen der Abschirmung, die das Objekt bewirkt, wenn ee in das Feld eintaucht. An der :Empfangselektrode resultiert also ein Amplitudenabfall gemäß der Vergrößerung einer Teilkapezität und der gleichzeitigen Abschwächung der anderen Teil-Kapazität. Der Vorteil dabei ist, daß sich beide Teilkapazitäten am selben Ort und im selben Dielktrikum' nämlich der Luft im Aubenraum, Spannungsteiler völlig ausgewogen und störfrei ist.
Der Wert der Spannungsänderung läßt sich errechnen, indem man zunächst das Potential ermittelt, das gemäß des Feldes an dem angenäherten Objekt anlage, wenn es nicht geerdet wäre (also konstant im Nahfeld der Elektrode und dann reziprok zur Distanz fallend im Kugelfeld).
Dieser.Spannungsunterschied durch das geerdet-sein des Objekts überträgt sich dann kapazitiv zur Empfangselektrode.
Der Sensor funktioniert auch bei Objekten, die nichtleitend oder nicht geerdet sind, und zwar aufgund der inneren und äußeren elektrischen Kapazität, die die Objekte aufgrund ihrer Abmessungen besitzen.
Das Prinzip der Erfindung verbessert die Meßgenauigkeit und den erzielbaren maximalen meßabstand des Sensors um ein Vielfaches. Eine Ausführung in 60 x 150 x 20 mm messendem Gehäuse erreicht einen Abstand von 300 mm mit + 1 mm Genauigkeit. Die Verbesserung ergibt sich durch folgende Prinzipien: 1) Die beschriebene Abschirmeirkung durch das Opjekt.Sie läßt sich noch steigern, indem Sende- und Empfangs-Elektrode zueinender einen Abstand haben und dazwischen eine Abschirmfläche angebracht ist' gemäß Anspruch 8.
2) Das geerdete Gehäuse des Sensors nicht wie bisher die Empfindlichkeit, sondern die Abschirliluny des Nahfeldss.
3) Es entfällt das Kompensieren von Temperaturgang oder sonstigen Schwankungen der Referonzkapa2itbt.
4) Da die Kopplung zwischen Oszillator und Empfangs-Antenne relativ klein ist, entfällt das oben beschriebene Problem der zu geringen Spannungsänderung bzw. der großreumigen Referenzfapazität.
5) An der Empfangselektrode liegt nicht wie bisher eine hohe Grund- Amplitude, unabhängig von Änderungen, also sind Änderungen auch relativ gesehen größer, das bedeutet für die Auswertschaltung weniger Anforderungen an die Gleichtaktunterdrückung.
Erklärung eines Ausführungsbeispiels anhand Figur 1 (Schnitt), Figur 2 (Aufsicht Elektroden) und Figur 3 (Schaltplan,schemat.) Die Untere Gehäusewand des Sensors 1 besteht aus einer Epoxy- Platte,und die Sendeantenne 3 und Empfangsantenne -4 bestehen aus geätzter Kupferbeschichtung. Die Beschichtung kann hierbei auf der Innenseite der Epoxyplatte liegen.
Als Abschirmung ist nach Anspruch 5 urn die Empfangsantenne die Umrahmung 5 als Leiterbahn andeordnet, und hieran ist als rückwärtige Abschirmung das Blechkästchen 5 aufgelötet.
3, 4 und 6 sind elektrisch mit der Elektronik 7 verbunden, Ihr Schaltausgangtsowie Speiseleitung 9 werden aus dem Gehäuse herausgeführt.
Die Umrahmung 5 ist an der Seite zur Sendeantenne breiter, um die Abschirmwirkung des Meßobjekts zu unterstützen, gemäß Anspruch 8.
Die Elektronikschaltung des eises Ausführungsbeispiels zeigt das Schematisierte Schaltschema Figur 3.Die Elektronik ist vorzugsweise in einem Integrierten Schaltkreis untergebracht, der auch die Schaltstufe für den Steuerausgang enthält.
Der Operationsuerstärker 11 liegt mit seinem invertierenden Eingang an der Empfangsantenne 4 und ist also, neben dem Arbeitspunkt- Widerstand 14 , über die Sendeantenne 3 vom Ausgang kapazitiv gegengekoppelt. Das potentiometer 12 im itkoppelzweig ist so abgeglichen, daß sein Teilverhältnis gleich ist dem Teliverhältnis der Antennen. Bei Annäherung eines Objektes verringert sich die Gegenkopplung uno die Schaltung beginnt zu schwingen. Der Verstärker ist also gleichzeitig der Oszillator (Anspruch 2). Der Gleichrichter und eine nicht eingezeichnete Triggerstufe für den Ausgang der Schaltung folgen am Ausgang des Oszillators.
Die Abschirmelektrode 5 liegt am nichtinvertierenden Eingang, damit zwischen ihr und der Antenne 4 keine wesentliche Spannung auftritt und somit kein Feld. Die Abschirmung ist also als Wächter (Guard) angeschlossen.
Gemäß Anspruch 6 bzw.7 kann die Speisespannung des Verstärkers 11 elektrisch dem Gleichtaktsignal bzw. der Guard- Spannung nachgsführt werden, indem die Speiseleitungen an Spanningsfolgern angekoppelt sind (nicht eingezeichnet), die ihrerseits eingangsseitig an den Schleifer des Potentiometers 12 angekoppelt sind. Diese Spannungsmitführung bewirkt, daß für den Operationsverstärker 11, bezogen auf seine Speiseleitungen, keine wesentlichen Gleichtaktsignale mehr auftreten, und dadurch die neben der Antenne 4 störende Eingangskapazität des Verstärkers 11 totgelegt wird, also nicht mehr das kapazitive Teilverhältnis beeinflußt.
Leerseite

Claims

Käpazitiver Annäherungsmelder Ansprüche Verfahren zur kapazitiven Messung des Abstandes zu einem Objekt, und entsprechendes Gerät (Sensor) hierzu, das einen elektrischen Oszillator und eine Antennen-Anordnung enthält, gekennzeichnet dadurch, daß als Antennenanordnung mindestens ZWEi voneinender isolierte Elektroden vorhanden sind, die beide eine direkte Kapazität zum Außenraum des Sensors hin aufweisen, und von denen eine, die Sendeelektrode, mit dem Ausgang des Oszillators verbunden ist, und eine andere, die Empfangselektrode, mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist.
2) Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator mit einer Verstärkerschaltung aufgebaut ist, die rückgekoppelt ist bis zum kritischen Zustand des Anschwingens, und deren invertierender oder nichtinvertierender Eingang mit der Empfangselektrode verbunden ist, wadurch die Elektrodenanordnung und der Verstärker Bestandteile des Oszillators darstellen.
3) Sonde oder zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer isolierenden Platine besteht, auf der die Sende- und Empfangs-Elektrode als metallische Leiterbahnen oder Flächen angebracht sind.
4) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sendeelektrodi und Empfangselektrode in getrennten Geräteteilen eingebaut sind.
5) Sensor nach einer der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine innenseitige Abschirmung hinter der Empfangselektrode enthält, die elektrisch als Wächter (Guard) wirkt, indem sie an einen Punkt der Schaltung angeschlossen ist mit einer im Wesentlichen gleichen Amplitude wie an der Empfangselektrode,zum Beispiel an einen komplementären Differenzeingang, odar den Ausgang eines Spannungsfolgers.
6) Elektronische Schaltung des Sensors nach Anspruch 1, 2, oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß ihre wesentlichen Bestandteile als integrierter Schaltkreis aufgebaut sind, der mindestens einen Operationsverstärker enthält und einen Verstärker oder Spannungsfolger, dessen Ausgang mit der Speiseleitung des Operationsverstärkers verbunden ist, weiterhin einen Gleichrichter und eine Schaltstufe, deren Eingang mit dem Gleichrichter verbunden ist.
7) Integrierter Schaltkreis für den Aufbau von Sensoren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dessen Innenscnaltung einen Differenzverstärker und mindestens zwei Spannungsfolger enthält, gekennzeichnet dadurch, daß die positive und die negative Speiseleitung des Differenzverstärkers an je einen Ausgang der Spannungsfolger ist, und die Eingänge der Spannungefolger miteinender sind.
8) Sensor nach einem der vorausgegengenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Leiter, der'aids Abschirmung zwischen Sendeelektrode und Empfangselektrode wirkt, indem er sich zwischen ihnen befindet.