DE4036475A1 - Kapazitiver sensor - Google Patents
Kapazitiver sensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige kapazitive Sensoren werden insbesondere zum
Schutz aufgehängter oder auf- und/oder ausgestellter
Wertgegenstände, Bilder, Kunstgegenstände und derglei
chen eingesetzt. Diese kapazitiven Sensoren sind
darauf eingestellt, daß bei einer unbefugten Annäher
ung auf eine vorbestimmte Distanz ein Alarm ausgelöst
wird. Zu diesem Zweck sind diese kapazitiven Sensoren
mit einem Alarmgerät verbunden. Für derartige Sensoren
stehen zahlreiche Alarmgeräte zur Verfügung, an die
diese angeschlossen werden können, beispielsweise der
in der Druckschrift der Fa. Fritz Fuss GmbH beschrie
bene kapazitive Melder KN 10.
In Museen, Bildergalerien und Kunstausstellungen
werden bereits kapazitive Sensoren verwendet. Bei
einem bekannten kapazitiven Sensor ist auf der Bil
drückwand die heiße Kondensatorbelegung ausgebildet
und auf der gegenüberstehenden Wand die kalte. Wird
das Bild berührt, ändert sich die Kapazitität und es
wird ein Alarm ausgelöst. Diese Ausführungsform weist
den außerordentlichen Nachteil auf, daß an dem Bild
bzw. am Bildrahmen Montagearbeiten vorgenommen werden
müssen, die außerordentlich umständliche und gewissen
hafte Vorsichtsmaßnahmen erfordern und derartige
Arbeiten können lediglich unter Aufsicht eines Konser
vators durchgeführt werden.
Bei einer anderen bekannten Ausführungsform ist der
Sensor in dem Wandabschnitt eingebaut, vor dem das
Bild hängt bzw. vor dem der zu schützende Gegenstand
steht. Dieser Sensor weist einen Kasten, dessen
Kastenmaterial die kalte Kondensatorbelegung darstellt
auf und in diesem Kasten verläuft, sich stabförmig er
streckend, der unter Spannung stehende Kondensatorab
schnitt. Dieser bekannte kapazitive Sensor der immer
ein räumliches Volumen beansprucht, einen stationären
Einbau in die Wand erfordert, bei dem Material aus der
Wand herausgenommen werden muß. Der geschützte Ort ist
ein für allemal festgelegt.
Das in erschreckendem Maße zunehmende Delikt der
Kunstdiebstähle, insbesondere auch aus sakralen
Räumen, Bildergalerien und dergleichen zeigt, daß ein
großer Bedarf an einfachen und sicher wirkenden
Schutzeinrichtungen besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
einfach aufgebauten und sicher wirkenden kapazitiven
Sensor zur Verfügung zu stellen, der ohne wesentlichen
Aufwand an beliebigen Orten leicht installiert werden
kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die vom
Inhalt des Anspruchs 1 gegebene technische Lehre
gelöst.
Aus einer Anzahl elektrischer Leiter wird erfindungs
gemäß dadurch ein technischer Kondensator gebildet,
daß diese Leiter einander benachbart in einer ebenen
und/oder gekrümmten flächenhaften Konfiguration
elektrisch voneinander isoliert angeordnet und alter
nierend entgegengesetzt polbar oder alternierend heiß
und kalt schaltbar sind und zwar derart, daß benach
barte Leiter alternierend Quellen und Senken sich im
wesentlichen senkrecht zur flächenhaften Konfiguration
erstreckender, inhomogener elektrischer Quellenfelder
bilden.
Die bekannten kapazitiven Sensoren sind derart ausge
legt, daß Feldlinien von einer Kondensatorbelegung zu
gemäße Anordnung der elektrischen Leiter in einer
flächenhaften Konfiguration werden Quellenfelder
zwischen den Leitern ausgebildet, die sich zwar zur
Ausübung einer Sensorfunktion senkrecht in den Raum
vor der flächenhaften Konfiguration hineinerstrecken,
aber sowohl von dieser Konfiguration ausgehen als auch
in dieser Konfiguration enden. Eine Störung dieser
Quellenfelder durch eine nicht autorisierte Annäherung
an einen zu schützenden Gegenstand führt zu Änderungen
der Kapazität des technischen Kondensators und damit
zu einer Alarmauslösung. Mit Vorteil sind die elektri
schen Quellenfelder, die eine Sensorfunktion haben, in
der Umgebung des zu schützenden Gegenstandes bündel-
oder zusammenfaßbar.
Durch Experimente oder durch Rechnungen bzw. Abschät
zungen mit Hilfe der Potentialtheorie oder durch
Verwendung konformer Abbildungen können flächenhafte
Konfigurationen elektrischer Leiter derart gestaltet
werden, daß sich gewünschte Formen von Quellenfeldern
ergeben, die für die erforderliche Schutzfunktion
zweckmäßig sind. So können beispielsweise Anordnungen
und Formen von Leitern ermittelt werden.
Mit besonderem Vorteil werden Fäden und/oder Drähte
und/oder Bänder und/oder Streifen und/oder Folien
und/oder Flächengebilde zur Bildung eines technischen
Kondensators mit M-I-M Struktur auf und/oder in einem
Substrat aus elektrisch isolierendem Material angeord
net. Es besteht die Möglichkeit, den Kondensator
lediglich aus Fäden oder aus Drähten oder aus Bändern
oder aus Streifen oder aus Folien oder aus Flächenge
bilden herzustellen. Von besonderer Bedeutung ist
jedoch, daß die angegebenen Leiter zur Bildung von
Kondensatoren in gewünschter Weise miteinander kombi
niert werden. Beispielsweise können Drähte und Flä
chengebilde oder Drähte und Folien oder Drähte und
Streifen kombiniert werden, um spezielle Formen
elektrischer Quellenfelder zu erzeugen. Das Substrat
kann dabei so ausgewählt werden, daß ein einfaches und
billiges Herstellungsverfahren geschaffen werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gegeben,
daß elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte und/oder
Bänder und/oder Streifen auf und/oder in einer Sub
stratbahn gradlinig verlaufen. Eine derartige Ausfüh
rungsform ermöglicht die Anordnung der elektrischen
Leiter auf einer fortlaufenden Substratbahn. Ein
derartiger kapazitiver Sensor kann in Form einer
laufenden Bahn in einfacher Weise hergestellt werden
und dieser Sensor kann dann an der Einbaustelle vom
laufenden Material in den gewünschten Abmessungen
abgetrennt und an der gewünschten Stelle ange
bracht werden. Mit besonderem Vorteil können die
elektrischen Leiter kammartig ineinander greifen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel können beispielsweise die
Leiterkämme quer zur Bahnlängsrichtung sich erstrecken
und an den Bahnrändern verlaufen dann Anschlüsse für
die entgegengesetzte Polung oder für die heiße und
kalte Schaltung.
Zur Erzeugung gewünschter vorgegebener Quellenfelder
können die elektrischen Leiter auch in gekrümmten
Bahnen verlaufen.
Bei einer Ausführungsform, mit der ein vorteilhaftes
Quellenfeld erzeugt werden kann, verlaufen die elek
trischen Leiter mäanderartig.
Um erfindungsgemäß zur Ausbildung vorbestimmter
Quellenfelder Leiter unterschiedlicher geometrischer
und substanzieller Gestalt zu kombinieren, kann
beispielsweise ein flächenhaftes Gebilde, beispiels
weise ein Rechteck, von einem Streifen umgeben werden,
wobei Streifen und Rechteck die beiden Belegungen
eines technischen Kondensators bilden. Es besteht aber
auch die Möglichkeit, flächenhafte Gebilde nebeneinan
der anzuordnen und alternierend zu schalten. Bei
spielsweise können zwei Kreise oder zwei Quadrate oder
zwei Rechtecke oder irgendwelche geometrische Formen
benachbart angeordnet und alternierend geschaltet
werden. Diese Muster können fortlaufend auf Substrat
bahnen ausgebildet werden.
Bei der Herstellung des Sensors können verschiedene
Verfahren verwendet werden. Es können blanke oder
isolierte Drähte oder Fäden verwendet werden. Mit
Vorteil können die elektrischen Leiter aber auch
gespritzt oder gedruckt werden. Es besteht aber auch
die Möglichkeit, die elektrischen Leiter auf das
Substrat galvanisch oder chemisch abzuscheiden.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen werden Leiter aus
Cu oder Al verwendet.
Bei einer Ausführungsform hat sich als Substrat ein
zellulosehaltiges Material insbesondere Papier als
günstig erwiesen. Beispielsweise können elektrische
Leiter wie Drähte alternierend auf Papierbahnen oder
Papierstreifen angeordnet und geschaltet werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung als Substrat ein
Kunststoffmaterial zu verwenden. Als besonders günstig
haben sich Polystyrol, Polypropylen, Polyäthylentere
phthalat und Polycarbonat erwiesen.
Die elektrischen Leiter können im Substrat oder auf
dem Substrat angeordnet werden. Es besteht z. B. die
Möglichkeit die elektrischen Leiter auf einer Sub
stratbahn anzuordnen und diese Substratbahn dann mit
einer zweiten Substratbahn abzudecken.
Es kann vorteilhaft sein, als Substrat ein Gewebe, ein
Gestricke oder ein Gewirke ggf. aus Kunststoffmaterial
zu verwenden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung die elektrischen
Leiter in ein Gewebe einzuweben, um den technischen
Kondensator zu bilden. Bei dieser Ausführungsform
werden insbesondere leitende Fäden und/oder Drähte als
Schüsse in Kettfäden aus isolierendem Material einge
zogen. Dabei werden dann auf den gegenüberliegenden
Rändern des Gewebes die Schüsse alternierend geschal
tet. Bei dieser Ausführungsform besteht aber auch die
Möglichkeit isolierte Fäden und/oder Drähte als
Kettfäden eines Gewebes zu verwenden, wobei dann diese
Kettfäden alternierend geschaltet werden, um einen
technischen Kondensator herzustellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der
folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Figuren der Zeichnung erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Prinzipskizze eines er
findungsgemäßen Sensors und
Fig. 2-10 schematische Ansichten von Ausführungs
formen dieses Sensors.
In Fig. 1 ist eine Anzahl elektrischer Leiter 1, 2 im
Schnitt dargestellt. Beim dargestellten Ausführungsbei
spiel sind band- oder streifenartige Leiter 1, 2 ge
zeigt. Es sei bemerkt, daß diese Leiter auch als Drähte
oder in anderer Form ausgebildet sein können. Fig. 1
dient lediglich dazu, das Prinzip des erfindungsgemäßen
Sensors zu erläutern.
Wie Fig. 1 zeigt, sind diese elektrischen Leiter 1, 2
in einer flächenhaften Konfiguration A elektrisch
voneinander isoliert angeordnet. Diese Leiter 1, 2 sind
alternierend entgegengesetzt gepolt. Diese Tatsache ist
durch die Zeichen + und - dargestellt. Diese Leiter
können aber auch alternierend heiß (+) und kalt (0)
geschaltet sein.
Die Schaltung und geometrische Anordnung in dieser
flächenhaften Konfiguration A ist derart, daß benach
barte Leiter 1, 2 alternierend Quellen Q und Senken S
von Quellenfeldern B bilden. Wie Fig. 1 schematisch
zeigt, erstrecken sich diese Quellenfelder B in
senkrechter Richtung in den vor der flächenhaften
Konfiguration A liegenden Raum hinein. Wenn diese
flächenhafte Konfiguration A hinter einem zu schützen
den Gegenstand angeordnet ist, erstrecken sich die
Quellenfelder B in den Raum vor diesem Gegenstand
hinein und bilden ein Schutzfeld. Sobald ein nicht
autorisierter Eingriff in dieses Schutzfeld erfolgt,
ändert sich die Kapazität des durch die elektrischen
Leiter gebildeten technischen Kondensators und diese
Änderung wird verwendet, um auf an sich bekannte Weise
einen Alarm auszulösen.
Die Quellenfelder B weisen Feldlinien auf, deren
Quellen Q und deren Senken S innerhalb der flächenhaf
ten Konfiguration A liegen, so daß sich keine, zu
anderen Wandungen des Raumes sich streckende Streu
felder, die zu Störungen führen könnten, ausbilden.
Die schematische Darstellung in Fig. 1 gibt dem
Fachmann den Hinweis, daß durch eine bestimmte Auswahl
der Geometrie der elektrischen Leiter spezielle Feld
konfigurationen erzeugt werden können. Um spezielle
Feldkonfigurationen herzustellen, können Leiter unter
schiedlicher Form und aus unterschiedlichen Materialien
in verschiedener Konfiguration angeordnet werden. Es
stehen beispielsweise experimentielle Untersuchungen
zur Verfügung. Der Fachmann ist jedoch auch in der Lage
mit Hilfe der Potentialtheorie oder mit Hilfe von
konformen Abbildungen Relationen zwischen Leiterkonfi
gurationen und Feldformationen zu gestalten, um optima
le Schutzverhältnisse für bestimmte Räume bzw. bestimm
te Gegenstände zu ermitteln.
Fig. 2 zeigt eine einfache Ausführungsform eines
kapazitiven Sensors. Es sind zwei Substratbahnen 6
dargestellt. Diese Substratbahnen können Kunststoffbah
nen oder auch Papierbahnen sein. Zwischen diesen
Substratbahnen verlaufen alternierend Drähte 7, die wie
dargestellt, abwechselnd an Leitungen 8 und 9 ange
schlossen sind. Statt Drähte können auch Stäbe verwen
det werden. Der in Fig. 2 dargestellte kapazitive
Sensor kann als fortlaufende Bahn hergestellt werden
und an der Einbaustelle werden entsprechende Längen
abgeschnitten und beispielsweise auf eine Wand hinter
Bilder oder hinter einem Bild aufgeklebt. Die Leitungen
8 und 9 werden an ein Alarmgerät angeschlossen.
In Fig. 3 ist als Substrat eine Materialbahn 11
dargestellt. Diese Materialbahn kann eine Papierbahn
sein, es kann sich aber auch um eine Kunststoffbahn
handeln. Die Materialbahn 11 kann einlagig sein, d. h.
die Leiter sind auf der Oberfläche dieser Materialbahn
angeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese
Materialbahn 11 zweilagig zu gestalten, wobei dann die
dargestellten Leiter 10 zwischen zwei Materialbahnen 11
liegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind an den Kanten der
Materialbahn 11 Leiter 8, 9 vorgesehen, die sich längs
dieser Kanten erstrecken. Statt Drähten 10 können sich
auch Streifen zwischen diesen Leitern 8 und 9 er
strecken. Bei der Herstellung können alternierend
Abschnitte 12 herausgestanzt werden, so daß im Endpro
dukt sich ein kammartig ineinander greifendes Leitersy
stem 10 bildet. Dieses Leitersystem 10 mit den An
schlüssen 8 und 9 bildet einen technischen Kondensator.
In den Fig. 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem beispielsweise ein Leitersystem 1, 2,
8 und 9 auf einen Substrat 5 aufgespritzt, aufgedruckt
galvanisch oder chemisch abgeschieden ist. Der darge
stellte kapazitive Sensor ist wiederum auf einer
laufenden Materialbahn 5 ausgebildet und kann an Ort
und Stelle, den Einbaubedingungen, entsprechend zuge
schnitten und aufgeklebt werden. Die dargestellten
Sensoren können beispielsweise an eine Wand geklebt und
von einer Tapete überdeckt werden.
Das Abschneiden eines derartigen kapazitiven Sensors
von einer laufenden Bahn bringt den wesentlichen
Vorteil mit sich, daß lediglich der Raumbereich mit
einem kapazitiven Sensor ausgestattet wird, in dem ein
Zugriff verhindert werden soll.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
technischen Kondensators gezeigt, der ein kammartig
ineinander greifendes Leitersystem 1 und 2 zeigt, die
die Anschlüsse 3 und 4 aufweisen. Auch diese Konfigura
tion kann in vorbestimmten Abmessungen auf einer
laufenden Substratbahn ausgebildet werden.
Fig. 7 zeigt ein Leitersystem 1, 2, welches mäanderar
tig ineinander greift.
Bei beiden Ausführungsbeispielen sind Anschlüsse 3 und
4 vorgesehen. Es ist zu erkennen, daß mit den in den
Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen
spezielle Konfigurationen des in Fig. 1 dargestellten
Quellenfeldes B erzeugt werden können. In Fig. 8 ist
ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem auf der
Substratbahn 5 Leiter 1, 2 in Form von Rechtecken
ausgebildet sind, die alternierend an Aschlüsse 3 und 4
angeschlossen sind.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform sind
auf der Substratbahn 5 Kondensatorkonfigurationen
ausgebildet, die eine rechteckige Fläche 1 aufweisen,
die von einem Leiterstreifen 2 umgeben wird.
Diese Ausführungsbeispiele zeigen, daß die technische
Lehre dem Fachmann eine Vielzahl von Kombinationsmög
lichkeiten zur Verfügung stellt, um für spezielle
Anwendungszwecke spezielle Konfigurationen von Quellen
feldern B zu erzeugen.
Eine weitere Ausführungsform ist schematisch in Fig.
10 gezeigt. Fig. 10 ist ein Schnitt durch ein Gewebe.
Mit K sind Kettfäden bezeichnet und mit L die Schußfä
den. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Schußfäden
L blanke, elektrisch leitende Drähte und die Kettfäden
K sind Fäden aus einem Isolationsmaterial, beispiels
weise aus einem isolierenden Kunststoff. Die Gewebebahn
weist aus beiden Enden herausragende Schußfäden L auf,
die alternierend gepolt oder geschaltet werden können.
Wenn man isolierte Drähte verwendet, können beispiels
weise die Kettfäden K aus isolierten Drähten gebildet
werden und alternierend als Leiter für Kondensatoren
geschaltet werden. In diesem Fall werden die Schußfäden
L nicht zur Bildung des Kondensators herangezogen.
Claims (18)
1. Kapazitiver, mit einem Alarmgerät verbundener
Sensor, der bei Annäherung auf eine vorbestimmte
Distanz einen Alarm auslöst,
gekennzeichnet durch
eine Anzahl = zwei elektrische Leiter (1, 2, 7, 8,
9, 10), die zur Bildung eines technischen Kondensa
tors derart einander benachbart in einer ebenen
und/oder gekrümmten flächenhaften Konfiguration
(A), elektrisch voneinander isoliert, angeordnet
und alternierend entgegengesetzt polbar (±) oder
alternierend heiß (+) und kalt (0) schaltbar sind,
daß benachbarte Leiter (1, 2) alternierend Quellen
(Q) und Senken (S) sich im wesentlichen senkrecht
zur flächenhaften Konfiguration (A) erstreckender,
inhomogener elektrischer Quellenfelder (B) bilden.
2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte und/oder
Bänder und/oder Streifen und/oder Folien und/oder
Flächengebilde zur Bildung eines technischen
Kondensators mit M-I-M Struktur auf und/oder in
einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material
angeordnet sind.
3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte (7)
und/oder Bänder (1, 2) und/oder Streifen (1, 2) auf
und/oder in einer Substratbahn (6, 7) geradlinig
verlaufen.
4. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter (1, 2) kammartig ineinander
greifen.
5. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter in gekrümmten Bahnen
verlaufen.
6. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter mäanderartig verlaufen.
7. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Ausbildung vorbestimmter Quellenfelder Leiter
unterschiedlicher geometrischer und substanzieller
Gestalt kombiniert sind.
8. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter gespritzt sind.
9. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter gedruckt sind.
10. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter galvanisch oder chemisch
abgeschieden sind.
11. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leiter aus Cu oder Al bestehen.
12. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem zellulosehaltigen Material,
insbesondere Papier besteht.
13. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat ein Kunststoffmaterial ist.
14. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kunststoffmaterial aus der folgenden Gruppe
ausgewählt ist:
Polystyrol, Polypropylen, Polyäthylenterephthalat, Polycarbonat.
Polystyrol, Polypropylen, Polyäthylenterephthalat, Polycarbonat.
15. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat ein Gewebe, Gestricke oder Gewirke
ist.
16. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Leiter in ein Gewebe eingewebt
sind.
17. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
leitende Fäden und/oder Drähte als Schüsse in
Ketten aus isolierendem Material eingezogen sind.
18. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
isolierte Fäden und/oder Drähte als elektrische
Leiter Kettfäden eines Gewebes bilden.
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