DE4409739A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Kapazitätsänderungsdetektor zur Überwachung eines Gegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Kapazitätsänderungsdetektor zur Überwachung eines Gegenstandes, welcher durch eine Isolierschicht von seiner Umgebung getrennt eine elektrisch leitende Fläche aufweist und einen Kondensator bildet, dessen Potentialänderungen durch eine Auswerteschaltung bezogen auf eine vorgegebene Zeit für die Erzeugung einer Alarmmeldung ausgewertet werden.

Ein derartiger Kapazitätsänderungsdetektor ist bereits bekannt. So wird in der DE-PS 39 16 079 eine Anordnung zur kapazitiven Überwachung eines Behälters beschrieben, bei welchem an dem Behälter ein Kondensator angeschlossen ist, der zusammen mit der auf Masse bezogenen Kapazität des Behälters einen kapazitiven Spannungsteiler bildet. An dem Spannungsteiler ist ein Wechselspannungsgenerator angeschlossen. Eine Überwachungsschaltung überwacht mittels eines Fensterkoinparators Potentialänderungen am Teileranschluß des Spannungsteilers, die sich bei einer Annäherung an den Behälter ergeben. Erfolgen die Potentialänderungen innerhalb einer vorgegebenen kurzen Zeit, so kann daraus geschlossen werden, daß sich eine Person dem Behälter nähert. Dieses Kriterium wird zur Auslösung einer Alarmmeldung ausgewertet.

Bei der bekannten Anordnung wird der Spannungsabfall an demjenigen Kondensator des Spannungsteilers ausgewertet, welcher durch das zu überwachende Objekt gebildet wird. Das bedeutet, daß über den Spannungsteiler ein von dem Wechselspannungsgenerator erzeugter Strom fließen muß, damit ein Spannungsabfall entsteht. Dies hat zur Folge, daß zur Erzeugung der notwendigen Wechselspannung zum Fließen eines Stroms über den Spannungsteiler eine gewisse Energie bereitgestellt werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Kapazitätsänderungsdetektor der eingangs genannten Art dahin auszubilden, daß der Energieaufwand beträchtlich verringert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kondensator durch periodische Gleichspannungsimpulse veränderbarer Periode, Höhe und/oder Länge aufgeladen ist, daß die Ladespannung des Kondensators durch eine Überwachungsschaltung überwacht wird, daß die Ladespannung auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, in dem auf Veranlassung der Überwachungsschaltung die Periode, Höhe und/oder Länge der Gleichspannungsimpulse entsprechend verändert wird und daß die Änderung der Periode, Höhe und/oder der Länge der Gleichspannungsimpulse innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Alarmmeldung zur Folge hat.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik wird gemäß der Erfindung die Spannung, auf welche der das zu überwachende Objekt bildende Kondensator im aufgeladenen Zustand gehalten wird, überwacht und durch geeignete Mittel dafür gesorgt, daß dieser Ladezustand erhalten bleibt. Durch besondere Maßnahmen, wie beispielsweise die Veränderung der Periodendauer, die Veränderung der Höhe und/oder der Länge der Gleichspannungsimpulse wird eine konstante Ladespannung erreicht, auch wenn sich die Verhältnisse gegenüber dem Ruhezustand geändert haben, d. h. bei einer Änderung der Kapazität des das zu überwachende Objekt bildenden Kondensators. Wird nun innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Veränderung der Periode oder der Höhe oder auch der Länge der Gleichspannungsimpulse notwendig, so kann dies als Kriterium für eine Alarmmeldung herangezogen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, welche in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild für eine analoge Auswerteschaltung und

Fig. 2 das Blockschaltbild für eine digitale Auswerteschaltung.

Das zu überwachende Objekt O gemäß den Fig. 1 und 2 besteht aus einer Parallelschaltung eines Kondensators C und eines Widerstandes R. Bei dem Objekt O kann es sich beispielsweise um einen Tresor handeln, welcher die eine Elektrode des Kondensators C darstellt. Der Tresor kann, durch eine Isolierschicht getrennt auf eine elektrisch leitenden Fläche aufgestellt sein, wobei diese Fläche die andere Elektrode des Kondensators C bildet, und zwar diejenige, die an Masse angeschlossen ist. Die elektrisch isolierende Schicht bildet quasi das Dielektrikum des Kondensators C. Der Kondensator C kann beispielsweise eine Kapazität von mehreren nF aufweisen. Infolge von Verlusten durch Kriechströme als Folge von Änderungen der Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, usw., in der Umgebung des Objekts O, kann der Kondensator C etwas von seiner Ladung verlieren. Dies wird durch den Widerstand R angedeutet, der mit einem hohen Wert in einer Größenordnung von mehreren MOhm anzusetzen ist.

Ein weiterer Anwendungsfall für einen Kapazitätsänderungsdetektor kann auch in der Überwachung des Gehäuses einer Alarmmeldeanlage oder -zentrale gesehen werden.

Hierbei kann das aus Kunststoff einstückig hergestellte Gehäuse auf seiner Innenseite mit einer elektrisch leitenden Fläche versehen sein, wobei die eine Elektrode des Kondensators C durch die Masse in der Umgebung des Gehäuses und die andere Elektrode durch die elektrisch leitende Schicht auf der Innenseite des Gehäuses gebildet wird. Bei einem derartigen Anwendungsfall kann eine Gefahrenmelde- oder Alarmzentrale gegen ein gewaltsames Öffnen geschützt werden, indem beispielsweise die Annäherung eines mit Masse verbundenen Geräts, beispielsweise einer Bohrmaschine an das Gehäuse bereits vorzeitig erkannt werden kann, bevor mit Hilfe des Werkzeugs das Gehäuse gewaltsam geöffnet wird.

Beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist gemeinsam, daß der Kondensator C durch einen Generator G mit periodischen Gleichspannungsimpulsen aufgeladen wird. Zwischen dem Generator G bzw. der jeweiligen Auswerteeinrichtung und dem Kondensator C ist eine Einrichtung ES eingeschleift, welche in Form eines Filters dafür Sorge trägt, daß die elektromagnetische Verträglichkeit, d. h. die Abstrahlung von elektromagnetischen Signalen im Rahmen vorgegebener Werte eingehalten wird. Die Einrichtung U bzw. UK kann deshalb auch in einem geschlossen Blechgehäuse untergebracht sein.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der eine Eingang eines Komparators K entweder direkt oder über ein Tiefpaßfilter TP mit dem Kondensator C unter Zwischenschaltung der Einrichtung ES verbunden. Der Komparator K kann nun einen oder mehrere weitere Eingänge aufweisen, an welchen eine Referenzspannungsquelle RS angeschlossen ist. Die Referenzspannungsquelle liefert eine Spannung, welche der Ladespannung des Kondensators C im Ruhezustand entspricht. Sobald eine Abweichung auftritt, beispielsweise durch Annäherung einer Person, wodurch sich die Kapazität des Kondensators C ändert, wird am Ausgang des Komparators K ein erstes Signal erzeugt. Die Referenzspannungsquelle RS liefert ein weiteres Referenzspannungssignal, welches ebenfalls dem Komparator K zugeführt wird, wobei dieser Spannungswert unterhalb der ersten Referenzspannung liegt. Sobald die Ladespannung des Kondensators C den zweiten Spannungswert erreicht, wird am Ausgang des Komparators ein zweites Signal erzeugt. Es ist auch denkbar, zwei Komparatoren K vorzusehen, deren Ausgänge getrennt der Steuereinrichtung ST zugeführt werden, wobei beide Komparatoren gemeinsam über die Einrichtung TP und ES mit dem Kondensator C einerseits und andererseits jeweils mit einer der beiden bereits beschriebenen Referenzspannungen beschaltet sind. Das erste und das zweite Ausgangssignal des Komparators K wird dann von jeweils einem der beiden Komparatoren erzeugt.

Die beiden Ausgangssignale des bzw. der Komparatoren K werden einer Steuereinrichtung ST zur Auswertung zugeführt. In der Steuereinrichtung ST wird bei Eintreffen des ersten Signals des Komparators K ein Zeitglied gestartet, wobei ein Alarmsignal am Ausgang A erzeugt wird, wenn vor Ablauf des Zeitgliedes das zweite Ausgangssignal eintrifft.

Die Steuereinrichtung ST ist auch mit dem Generator G verbunden, sie liefert die notwendigen Steuersignale für den Generator G, wobei dieser in Abhängigkeit von den Steuersignalen entweder die Periode oder die Höhe oder die Länge der Gleichspannungsimpulse des Generators G geändert werden. Der Regelvorgang kann sich nun entweder nur jeweils auf eines dieser drei Merkmale beziehen, es ist jedoch auch eine Kombination denkbar. So lange vom Ausgang des Komparators K kein Ausgangssignal der Steuereinrichtung ST zugeführt wird, wird der Generator G von der Steuereinrichtung ST derart gesteuert, daß die Energiezufuhr, in welcher Form auch immer, am Kondensator C ausreicht, eine vorgegebene Ladespannung im Ruhezustand aufrechtzuerhalten, d. h., daß nur soviel Energie dem Kondensator C zuzuführen ist, wie Energie zwischen zwei Impulsen an Ladespannung infolge der eingangs genannten Verluste verlorengeht. Dabei ist denkbar, daß der Takt für die Erzeugung der periodischen Gleichspannungsimpulse des Generators G von der Steuereinrichtung ST vorgegeben wird. Infolge der Verluste wird die Ladespannung zwischen zwei Gleichspannungsimpulsen etwas absinken, so daß die erste Referenzspannung der Referenzspannungsquelle RS beispielsweise auf den Spannungswert gelegt werden kann, welcher der Ladespannung des Kondensators C zwischen zwei Impulsen im Ruhezustand entspricht.

Sinkt nun die Ladespannung unter den Wert der ersten Referenzspannung, so veranlaßt die Steuereinrichtung ST aufgrund des ersten Ausgangssignals des Komparators K eine erhöhte Energiezufuhr beispielsweise durch Veränderung der Periode, der Höhe oder der Länge der Gleichspannungsimpulse. Dies kann beispielsweise nach einer festen Vorgabe erfolgen. Sinkt infolge einer Annäherung einer Person an das zu überwachende Objekt O die Ladespannung am Kondensator C trotz erhöhter Energiezufuhr weiter ab, so erhält die Steuereinrichtung ST wiederum ein erstes Signal aus dem Komparator K. Der beschriebene Regelvorgang kann nun weiter fortgeführt werden, indem die Energiezufuhr für den Kondensator C weiterhin gesteigert wird, wobei die Steigerungsrate jedoch nach einer festen Vorgabe erfolgen sollte. Sinkt nun trotz gesteigerter Energiezufuhr die Ladespannung am Kondensator C weiterhin ab, und zwar unter die zweite Referenzspannung der Referenzspannungsquelle RS, so erzeugt das zweite Ausgangssignal des Komparators K in der Steuereinrichtung ST ein Alarmsignal am Ausgang A, wenn die Ladespannung innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf den zweiten Spannungswert abgesunken ist.

Bisher war von dem Fall ausgegangen, daß sich eine Person dem zu überwachenden Objekt O genähert hat, d. h. daß eine Änderung der Ladespannung trotz ständig weiter gesteigerter Energiezufuhr abgesunken ist. Es kann nun auch der Fall eintreten, daß der geschilderte Vorgang nur sehr langsam abläuft, d. h., daß sich die Ladespannung am Kondensator C nach einer Steigerung der Energie Zufuhr über einen viel längeren Zeitraum hingezogen oder auch auf einem gewissen Niveau aufgrund des Regelvorgangs stabilisiert hat. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, daß durch äußere Einflüsse am zu überwachenden Objekt O beispielsweise infolge der Veränderung der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder des Luftdrucks eine Änderung der Kapazität des Kondensators C eingetreten ist. In diesem Fall wird auf Veranlassung der Steuereinrichtung ST die erste und die zweite Spannung der Referenzspannungsquelle RS soweit verändert, bis am Ausgang des Komparators kein Signal mehr erzeugt wird. Die augenblicklich eingestellte Periode bzw. Höhe oder Länge der Gleichspannungsimpulse wird dann beibehalten.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß das Absinken der Ladespannung überwacht und evtl. eine Alarmauslösung zur Folge hat. Im Rahmen des Regelvorgangs kann jedoch auch der Fall eintreten, daß sich am Kondensator C die Verhältnisse derart ändern, daß mit der augenblicklich eingestellten Periode bzw. Höhe oder Länge der Gleichspannungsimpulse des Generators G die Spannung anzusteigen beginnt, da sich die Verhältnisse der Umgebung bezüglich Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Luftdruck geändert haben. Für diesen Fall könnte eine weitere Referenzspannung am Komparator K bzw. an einem dritten Komparator bereitgestellt werden, um auf diese Weise ein entsprechendes Kriterium für die Steuereinrichtung ST zu erzeugen, damit diese die Energiezufuhr für den Kondensator C über den Generator G dahingehend steuern kann, daß die Ladespannung wieder in die Nähe der ersten Spannung der Referenzspannungsquelle RS gebracht wird.

Bei dem Blockschaltbild in Fig. 2 wird von einer digitalen Auswertung der Ladespannung des Kondensators C ausgegangen, indem diese anstatt durch einen oder mehrere Komparatoren K in der Steuereinrichtung ST digital überwacht wird. Hierzu ist ein sogenannter Analog/Digital-Wandler AD notwendig, der mit einer vorgegebenen Abtastrate Datenworte periodisch erzeugt, deren Wert der jeweiligen Ladespannung des Kondensators C entsprechen. In der Steuereinrichtung ST befindet sich im Speicher SP eine nicht gezeigte Tabelle bestehend aus einer Vielzahl von Zeilen und mindestens drei oder vier Spalten. Für jeden in Frage kommenden Spannungswert ist eine Zeile vorgesehen, welche in der ersten Spalte den Spannungswert in Form eines Datenwortes enthält. Die zweite Spalte enthält die dazugehörigen Steuerinformationen für den Generator G, der wiederum an der Steuereinrichtung ST angeschlossen ist. Diese Steuerinformationen betreffen die Einstellung des Generators G bezüglich Periode, Höhe und/oder Länge der zu erzeugenden Gleichspannungsimpulse für den Kondensator C. Weitere Spalten können zur Markierung der augenblicklichen Schwellenspannung, der untersten und der obersten Schwellenspannung dienen.

Sobald nun ein Datenwort vom Wandler AD in der Steuereinrichtung ST eintrifft, wird die Tabelle auf den betreffenden Spannungswert abgesucht. Gleichzeitig kann auch ein Vergleich des augenblicklichen Spannungswertes mit demjenigen Spannungswert der vorangegangenen Abtastung durchgeführt werden, indem der zuletzt eingetroffene Spannungswert mit dem augenblicklichen Spannungswert verglichen wird. Sind beide Werte gleich, so geschieht nichts, ist dagegen der Augenblickswert höher als der Wert der letzten Abtastung, so wird aufgrund der in der Tabelle eingespeicherten Information der Generator entsprechend gesteuert, so daß die dem Kondensator C zugeführte Energie etwas verringert wird. Ist dagegen der augenblickliche Wert niedriger als derjenige Wert der letzten Abtastung, so wird ebenfalls der Generator G auf Veranlassung der Steuereinrichtung ST dahingehend gesteuert, daß die Energiezufuhr für den Kondensator C erhöht wird. Gleichzeitig beginnt ein Zähler zu laufen, welcher die Zahl der einlaufenden Abtastwerte zählt, und zwar so lange, wie diese eine fallende Tendenz der Ladespannung am Kondensator C anzeigen. Wird der unterste Minimalwert der Ladespannung in der Tabelle erreicht, bevor der Zähler eine vorgegebene Zählerstellung erreicht hat, so wird ein Alarmsignal am Ausgang A der Steuereinrichtung ST erzeugt.

Ist nur eine langsame Tendenz bei der Abnahme der Ladespannung aufgrund der geschilderten Auswertung erkennbar und stabilisiert sich die Ladespannung über einen längeren Zeitraum auf einen von der bisherigen Ruhelage abweichenden Wert, so wird in der Tabelle eine entsprechende Korrektur bei der Zuordnung der Markierung der Schwellenspannungen zu den einzelnen Abtastwerten vorgenommen und auf diese Weise eine Anpassung an geänderte Verhältnisse in der Umgebung des zu überwachenden Objekt O erreicht.

Die Abtastgeschwindigkeit des Wandlers AD sollte so gewählt werden, daß zwischen zwei Gleichspannungsimpulsen mehr als zwei Abtastwerte in der Steuereinrichtung ST gemäß dem Abtasttheorem vorliegen. Damit nicht die Abtastgeschwindigkeit verändert werden muß, ist es zweckmäßig, die Periode der vom Generator G erzeugten Gleichspannungsimpulse konstant zu halten und lediglich die Höhe und/oder die Länge der Gleichspannungsimpulse in der beschriebenen Weise zu verändern.

Es ist evtl. zweckmäßig, die Abtastfrequenz des Wandlers AD auf die Frequenz der Perioden des Generators G zu synchronisieren und zwar beispielsweise derart, daß zwischen zwei Gleichspannungsimpulse des Generators G drei Abtastungen der Spannungswerte der Ladespannung des Kondensators C durch den Wandler AD durchgeführt werden, wobei die zweite der drei Abtastungen jeweils genau zwischen zwei Gleichspannungsimpulsen liegt, wobei dann auch nur dieser Abtastwert oder der Mittelwert der drei Abtastwerte in der Steuereinrichtung in der bereits beschriebenen Weise ausgewertet wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß infolge des normalen Absinkens der Ladespannung zwischen zwei Gleichspannungsimpulsen drei unterschiedliche Spannungswerte mit absteigender Tendenz am Ausgang des Wandlers AD entstehen und auch in der Steuereinrichtung ST ausgewertet werden müssen.

Claims (12)

1. Verfahren für einen Kapazitätsänderungsdetektor zur Überwachung eines Gegenstandes, welcher durch eine Isolierschicht von seiner Umgebung getrennt eine elektrisch leitende Fläche aufweist und einen Kondensator bildet, dessen Potentialänderungen durch eine Auswerteschaltung bezogen auf eine vorgegebene Zeit für die Erzeugung einer Alarmmeldung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) durch periodische Gleichspannungsimpulse veränderbarer Periode, Höhe und/oder Dauer aufgeladen wird, daß die Ladespannung des Kondensators (C) durch eine Überwachungsschaltung (U, UK) überwacht wird, daß die Ladespannung auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, in dem auf Veranlassung der Überwachungsschaltung (U, UK) die Periode, Höhe und/oder Dauer der Gleichspannungsimpulse entsprechend verändert wird und daß die Änderung der Periode, Höhe und/oder der Dauer der Gleichspannungsimpulse innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Alarmmeldung zur Folge hat.

2. Schaltungsanordnung für einen Kapazitätsänderungsdetektor zur Überwachung eines Gegenstandes in Form eines Kondensators, welcher an einem Generator angeschlossen ist und die Potentialänderung hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit durch eine Überwachungsschaltung überwacht wird, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator (G) periodische Gleichspannungsimpulse bestimmter Periode, Höhe und/oder Länge erzeugt, mit welchen der Kondensator (C) aufgeladen wird, daß die Ladespannung durch einen Komparator (K) mit einer Referenzspannung (RS) verglichen wird, daß auf Veranlassung einer mit dem Ausgang des Komperators (K) verbundenen Steuereinrichtung (ST) der Generator (G) derart gesteuert wird, daß sich die Periode, die Höhe und/oder Länge der Gleichspannungsimpulse ändert, so daß die Ladespannung auf dem Wert der Referenzspannung gehalten wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Ladespannung über einen Tiefpaß (TP) zu dem Komparator (K) zugeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Höhe der Gleichspannungsimpulse innerhalb einer bestimmten Zeit in der Steuereinrichtung (ST) ausgewertet wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Höhe innerhalb einer bestimmten Zeit durch die Steuereinrichtung (ST) eine Alarmmeldung erzeugt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Länge der Gleichspannungsimpulse innerhalb einer bestimmten Zeit in der Steuereinrichtung (ST) ausgewertet wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Länge innerhalb einer bestimmten Zeit durch die Steuereinrichtung (ST) eine Alarmmeldung erzeugt wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Höhe bzw. Länge der Gleichspannungsimpulse in Abhängigkeit von der jeweiligen Änderung über einen längeren Zeitraum veränderbar ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladespannung des Kondensators (C) einem Analog/Digital-Wandler (AD) zugeführt wird und daß periodische Abtastproben in Form von Datenworten mit den Werten einer Tabelle in der Steuereinrichtung (ST) verglichen werden, welche für jedes Datenwort einen entsprechenden Wert für eine bestimmte Höhe bzw. eine bestimmte Länge der Gleichspannungsimpulse enthält und der betreffende augenblickliche Wert zur Steuerung des Generators (G) dient.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tabelle ein bestimmtes Datenwort als Schwellwert gekennzeichnet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung des Wertes einer Abtastprobe ein Zähler zum Zählen dieser und der folgenden Abtastproben zu laufen beginnt, daß der Zähler angehalten wird, sobald der Schwellwert erreicht ist und daß ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn die Zählerstellung einen ersten vorbestimmten Wert erreicht hat.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines zweiten vorbestimmten Wertes der Zählerstellung der Schwellwert in der Tabelle gemäß dem Durchschnittswert sämtlicher bis zum Erreichen der Zählerstellung aufgenommene Abtastproben entsprechend geändert wird.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit des Analog/Digital-Wandlers höher ist als die Periodendauer der Gleichspannungsimpulse.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit des Wandlers (AS) auf die Periodendauer der Gleichspannungssignale synchronisiert ist.