EP2831639A1

EP2831639A1 - Kapazitives ortungsgerät

Info

Publication number: EP2831639A1
Application number: EP13704596.9A
Authority: EP
Inventors: Tobias Zibold; Andrej Albrecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2015-02-04
Also published as: US9594182B2; CN104169743A; DE102012205126A1; DE102012205126B4; CN104169743B; US20150091589A1; WO2013143760A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Ortungsgerät (100) zur kapazitiven Detektion eines in einem Medium (105) eingeschlossenen Objekts (110) umfasst eine Messelektrode (140), eine Empfangselektrode (150) und eine Referenzkapazität (C2), wobei die Messelektrode mit der Empfangselektrode eine durch das Objekt beeinflussbare Messkapazität (C1) bildet und die Referenzkapazität durch das Objekt nicht beeinflussbar ist. Die Elektroden sind in einer Ebene angeordnet und es ist ein Abstandhalter (410) vorgesehen, um die Elektroden in einem vorbestimmten, von Null verschiedenen Mindestabstand zur Oberfläche des Mediums zu halten.

Description

Beschreibung

Titel

Kapazitives Ortungsgerät Die Erfindung betrifft ein Ortungsgerät. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ortungsgerät zur kapazitiven Detektion eines in einem Medium eingeschlossenen Objekts.

Stand der Technik

Zur Erfassung eines in einer Wand verborgenen Gegenstands, etwa eines Balkens in einer Leichtbauwand, sind kapazitive Detektoren bekannt. Solche Detektoren verwenden eine Elektrode, deren Auf- oder Entladeverhalten bestimmt wird, um auf das dielektrische Objekt zu schließen. Es sind auch Detektoren mit mehreren Elektroden bekannt, bei denen eine Änderung der Kapazität eines

Paars von Elektroden bestimmt wird. Üblicherweise ist es notwendig, solche Detektoren auf der Wand manuell zu kalibrieren, da die Geräte den Wandkontakt nicht selbst erkennen können und die Kapazität der Elektroden bzw. Elektrodenpaare von Umgebungsbedingungen, wie einer Temperatur, einer Luftfeuchtigkeit, eines vom Sensor abgewandten Objekts, einer Erdung über einen Benutzer, elektrische oder dielektrische Eigenschaften des Wandmaterials abhängt. Um diese veränderlichen Einflussfaktoren zu berücksichtigen müssen bekannte Geräte an der Wand kalibriert werden, wozu entweder eine entsprechende Steuerung durch einen Benutzer oder eine aufwendige Sensorik erforderlich ist.

DE 10 2007 058 088 A1 zeigt einen Sensor zur Ortung dielektrischer Objekte in einem Medium. Der gezeigte Sensor bestimmt ein Verhältnis zwischen einer Referenzkapazität und einer Messkapazität, die von der Position des Objekts bezüglich Elektroden der beiden Kapazitäten abhängig ist. DE 10 2008 005 783 B4 zeigt einen kapazitiven Detektor als Einklemmschutz, der mittels einer Gegentakt-Messbrücke die Kapazität zweier Kapazitäten mitei nander vergleicht. Eine der Kapazitäten ist durch zwei relativ zueinander positionierbare Elektroden gebildet, sodass eine Änderung ihres relativen Ab- stands zur Generierung eines Signals verwendet werden kann, das vor einem Einklemmen warnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ortungsgerät zur kapazitiven De tektion anzugeben, das zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit keine Kalibrierung erfordert.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Ortungsgeräts mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Es gibt im Wesentlichen zwei Gründe, die eine Kalibrierung des Ortungsgeräts erfordern. Einerseits können nicht kontrollierbare Einflüsse, wie eine Umgebungstemperatur, eine Umgebungsfeuchtigkeit, ein sensorabgewandtes Objekt oder eine Erdung des Ortungsgeräts über einen Benutzer das Ausgangssignal beeinflussen. Andererseits unterscheidet sich das Ausgangssignal unabhängig von dem Objekt an einem Medium von einem Ausgangssignal in Luft, wobei ein Material und eine Materialstärke des Mediums sowie elektrische Wandeigenschaften wie eine Dielektrizitätszahl oder eine Leitfähigkeit in das Ausgangssignal einfließen können.

Ein erfindungsgemäßes Ortungsgerät zur kapazitiven Detektion eines in einem Medium eingeschlossenen Objekts umfasst eine Messelektrode, eine Empfangselektrode und eine Referenzkapazität, wobei die Messelektrode mit der Empfangselektrode eine durch das Objekt beeinflussbare Messkapazität bildet und die Referenzkapazität durch das Objekt nicht beeinflussbar ist. Die Elektroden sind in einer Ebene angeordnet und es ist ein Abstandhalter vorgesehen, um die Elektroden in einem vorbestimmten, von Null verschiedenen Mindestabstand zur

Oberfläche des Mediums zu halten. Vorzugsweise ist die Empfangselektrode erdfrei.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzkapazität aus einer Referenzelektrode und der Empfangselektrode gebildet.

Das Ortungsgerät stellt ein Ausgangssignal bereit, das auf das Vorhandensein des Objekts hinweist. Das Ausgangssignal hängt jedoch bevorzugterweise nicht nur vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objektes ab sondern auch vom Abstand des Ortungsgerätes vom Medium oder von elektrischen und dielektrischen Eigenschaften des Mediums.

In einer Ausführungsform umfasst das Ortungsgerät eine Auswerteschaltung zur Bereitstellung eines Ausgangssignals auf der Basis eines Verhältnisses zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität.

In einer ersten Variante ist der Mindestabstand daher so gewählt, dass das Ausgangssignal minimal ist, wenn das Ortungsgerät auf dem Medium aufgesetzt wird. Der Mindestabstand ist also so gewählt, dass das Ausgangssignal kleiner ist als für andere Abstände des Ortungsgerätes vom Medium, insbesondere auch solche, die kleiner als der Mindestabstand sind. Im mathematischen Sinne handelt es sich also um ein lokales Minimum des Betrags des Ausgangssignal.

Der so definierte Mindestabstand kann hauptsächlich von einer Geometrie der verwendeten Elektroden abhängig und empirisch leicht bestimmbar sein. Durch die Platzierung der Elektroden in einem Abstand zum Medium, in dem das Ausgangssignal minimal ist, kann das Ortungsgerät annähernd unabhängig von elektrischen oder dielektrischen Eigenschaften des Mediums sein. Insbesondere wird das Ortungsgerät unabhängig von kleinen Änderungen des Abstandes des Ortungsgerätes vom Medium, wie sie beim Bewegen des Ortungsgerätes auf dem Medium durch Verkippen oder bedingt durch raue Oberflächen nahezu unvermeidbar sind.

In einer zweiten Variante kann sich das Ausgangssignal als Funktion des Abstandes qualitativ umgekehrt verhalten, so dass das Ausgangssignal maximal ist, wenn das Ortungsgerät auf der Wand aufgesetzt ist. Auch hier erlaubt der Abstandhalter die Abhängigkeit des Messwert von elektrischen oder dielektrischen Eigenschaften des Mediums und kleinen Abstandsänderungen des Ortungsgerätes vom Medium zu vermeiden.

Das Ortungsgerät kann dazu eingerichtet sein, das Messsignal auf der Basis eines Quotienten aus einer Differenz und einer Summe jeweils der Messkapazität und der Referenzkapazität zu bestimmen. Für derartige Auswerteschaltungen sind unterschiedliche Ansätze bekannt, die für das Ortungsgerät verwendet werden können. Dazu zählt beispielsweise eine Brückenmessschaltung mit einem rückgekoppelten Verstärker („feedback amplifier").

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteschaltung nach dem Prinzip der Gegentakt-Messbrücke ausgebildet und umfasst einen Oszillator zur Versorgung der Messkapazität und der Referenzkapazität mit phasenverschobenen Wechselspannungen, eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Amplitude mindestens einer der Wechselspannungen sowie eine Bestimmungseinrichtung zur Bereitstellung eines Steuersignals für die Steuereinrichtung, um die Einflüsse von elektrischen Feldern der Messelektrode und der Referenzelektrode jeweils auf die Empfangselektrode einander anzugleichen. Dabei ist das Ausgangssignal auf der Basis des Steuersignals bereitgestellt.

Durch die Kombination der oben beschriebenen Vorzüge mit den Vorteilen einer Gegentakt-Messbrücke kann ein Ortungsgerät bereitgestellt sein, an dem eine Vielzahl üblicher Störeinflüsse bereits durch die Bauart bzw. das Messprinzip berücksichtigt sind. Dadurch kann ein einfaches, robustes und genaues Ortungsgerät bereitgestellt sein.

In einer Ausführungsform liegen die Messelektrode, die Referenzelektrode und die Empfangselektrode in einer Ebene und auf einer vom Objekt abgewandten Seite ist eine Abschirmelektrode angeordnet, die die genannten Elektroden zumindest teilweise abdeckt und mit einem konstanten Potential verbunden ist. Ein Einfluss eines Objekts, das von der Seite des Mediums abgewandt ist, beispielsweise eines Benutzers, der das Ortungsgerät in einer Hand hält, kann dadurch verringert sein.

Das Ortungsgerät kann ein Gehäuse umfassen, wobei der Abstandhalter in das Gehäuse integriert ist. Insbesondere können die Elektroden innerhalb des Ge- häuses mit einem vorbestimmten Abstand zum Gehäuse angeordnet sein. Eine Fehlbedienung durch einen zu geringen Abstand zwischen den Elektroden und dem Medium kann dadurch sicher vermieden werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der durch den Abstandhalter bereitgestellte Mindestabstand der Elektroden zum Medium wenigstens 5 mm. Versuche haben gezeigt, dass mit einer Anordnung von Elektroden üblicher Größe und relativer Positionierung der genannte Mindestabstand zu einem Großteil der oben genannten Vorteile führen kann.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrie ben, in denen:

Figur 1 a ein Ortungsgerät mit einer ersten Auswerteschaltung;

Figur 1 b ein Ortungsgerät mit einer zweiten Auswerteschaltung;

Figur 2 eine Anordnung von Elektroden für die Ortungsgeräte der Figuren 1 und 2;

Figur 3 eine Kennlinie eines Ausgangssignals einer der Auswerteschaltungen der Figuren 1 a und 1 b; und

Figur 4 ein Ortungsgerät nach Figuren 1 a oder 1 b mit verschiedenen Abstandshaltern darstellt.

Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen Figur 1A zeigt ein Ortungsgerät 100 zur kapazitiven Detektion eines in einem Medium 105 eingeschlossenen Objekts 1 10.

Das Ortungsgerät 100 umfasst eine Gegentakt-Messbrücke 1 15 und eine Anord- nung 120 von Elektroden.

An der Messbrücke 1 15 stellt ein Oszillator 125 zwei phasenverschobene, bevorzugterweise gegenphasige, Wechselspannungen gleicher Frequenz bereit. Die beiden Wechselspannungen sind an zwei Verstärker 130 und 135 geführt, von denen wenigstens einer in seinem Verstärkungsfaktor mittels eines Signals steuerbar ist. Der Ausgang des ersten Verstärkers 130 ist mit einer Messelektrode 140 und der Ausgang des zweiten Verstärkers 135 mit einer Referenzelektrode 145 verbunden. Die Anordnung 120 umfasst wenigstens die Elektroden 140 und 145 sowie eine erdfreie Empfangselektrode 150. Die Elektroden 140, 145 und 150 sind zueinander derart angeordnet, dass sich zwischen der Messelektrode 140 und der Empfangselektrode 150 eine Messkapazität C1 und zwischen der Referenzelektrode 145 und der Empfangselektrode 150 eine Referenzkapazität C2 einstellt. Dabei sind die Elektroden 140, 145 und 150 derart ausgebildet, dass die Messkapazität

C1 vom Objekt 1 10 beeinflussbar ist, die Referenzkapazität C2 hingegen nicht oder in einem vernachlässigbar geringen Maß.

Die Empfangselektrode 150 ist mit einem Messerstärker 155 verbunden, dessen Ausgang mit einem Synchrondemodulator 160 verbunden ist. In Abhängigkeit eines durch den Oszillator 125 bereitgestellten Taktsignals, dessen Frequenz derjenigen der Wechselspannungen entspricht, die den Verstärkern 130 und 135 bereitgestellt sind, werden die Einflüsse der Messelektrode 140 und der Referenzelektrode 145 auf die Empfangselektrode 150 zeitlich alternierend bestimmt und einem Integrator 165, der beispielsweise als integrierender Komparator ausgebildet sein kann, bereitgestellt. Ein Ausgang des Integrators 165 ist mit einer Schnittstelle 170 verbunden, an der ein Messsignal bereitgestellt ist. Das Messsignal wird außerdem dazu verwendet, die Verstärkungsfaktoren wenigstens eines der Verstärker 130 und 135 zu steuern. Sind beide Verstärker 130, 135 steuerbar, so ist ein Inverter 175 vorgesehen, um die Verstärkungsfaktoren gegenläufig zu steuern. Die Gegentakt-Messbrücke 1 15 ist dazu eingerichtet, die Messelektrode 140 und die Referenzelektrode der Anordnung 120 so mit Wechselspannungen zu beaufschlagen, dass die Wirkung eines dielektrischen Einflusses des Objekts 1 10 auf die Kapazitäten C1 und C2 an der Empfangselektrode 150 gleich groß ist. Dabei ist die Referenzkapazität C2 physikalisch so aufgebaut, dass sie vom Objekt 1 10 nicht oder praktisch nicht beeinflussbar ist. Befindet sich das Objekt 1 10 beispielsweise asymmetrisch im Bereich der Elektroden 140, 145, so dass die Kapazitäten C1 und C2 dielektrisch unterschiedlich stark vom Objekt 1 10 beein- flusst sind, so weisen die Wechselspannungen ungleich hohe Amplituden auf, so dass die Einflüsse der Messelektrode 140 und der Referenzelektrode 145 auf die Empfangselektrode 150 im zeitlichen Mittel gleich sind. Das an der Schnittstelle 170 bereitgestellte Messsignal reflektiert die Aussteuerung der Verstärker 130, 135. Liegt das Messsignal höher oder niedriger als ein vorbestimmter Wert, der zu einem nicht vorhandenen Objekt 1 10 korrespondiert, so kann aus dem Messsignal auf das Objekt 1 10 geschlossen werden.

Figur 1 B zeigt ein Ortungsgerät 100 entsprechend Figur 1A, wobei jedoch die Gegentaktmessbrücke 1 15 durch eine Brückenmessschaltung 178 mit einem rückgekoppelten Verstärker („feedback amplifier") ersetzt ist.

Die Messelektrode 140 wird mit einer Wechselspannung aus einer ersten Wechselspannungsquelle 180 und die Referenzelektrode 145 mit einer zweiten Wechselspannung aus einer zweiten Wechselspannungsquelle 185 versorgt. Die von den Wechselspannungsquellen 180 und 185 bereitgestellten Spannungen sind zueinander gegenphasig und haben gleiche Amplituden.

Den Wechselspannungen der Wechselspannungsquelle 180 und 185 wird jeweils über einen Mischer 190 ein Ausgangssignal eines Verstärkers 195 beigemischt, dessen invertierender Eingang mit der erdfreien Empfangselektrode 150 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 195 und die Wechselspannung der ersten Wechselspannungsquelle 180 werden beide mit positiven Vorzeichen zusammengemischt und an die Messelektrode 140 weitergeleitet. Für die Referenzelektrode 145 wird im unteren Mischer 190 das Ausgangssignal des Verstärkers 195 ebenfalls positiv, die Wechselspannung der zweiten Wechsels- pannungsquelle 185 jedoch negativ gemischt und an die Referenzelektrode 145 weitergeleitet.

Dadurch werden die Messelektrode 140 und die Referenzelektrode 145 mit ge- genphasigen Wechselspannungen beaufschlagt, deren Amplituden ähnlich wie an der in Figur 1 gezeigten Gegentakt-Messbrücke 1 15 derart gesteuert sind, dass die Einflüsse elektrischer Felder der Elektroden 140 und 145 auf das Objekt 1 10 einander entsprechen. An der Schnittstelle 170 ist eine Wechselspannung bereitgestellt, die auf das Objekt 1 10 hinweist, wenn sie einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dabei ist das an der Schnittstelle 170 anliegende Signal proportional zu einem Quotienten aus der Differenz und der Summe der Kapazitäten C1 und C2. Vorteilhaft an der gezeigten Schaltung ist, dass die Empfangselektrode 150 im ausgeregelten Fall wechselspannungsmäßig an Masse liegt und daher keine Wechselströme zwischen der Empfangselektrode 150 und Masseflächen fließen.

Figur 2 zeigt die Anordnung 120 von Elektroden für das Ortungsgerät 100 aus Figur 1 . Dabei zeigt Figur 2A Elektroden in einer ersten, dem Objekt 1 10 zugewandten Ebene und Figur 2B eine Anordnung von Elektroden in einer zweiten Ebene, die dem Objekt 1 10 bezüglich der ersten Ebene abgewandt ist. Praktisch kann die gezeigte Anordnung beispielsweise als gedruckte Schaltung auf unterschiedlichen Schichten einer Platine aus isolierendem Material ausgebildet sein.

In Figur 2A befinden sich in der ersten Ebene eine erste Messelektrode 205 und eine zweite Messelektrode 210, die jeweils der Messelektrode 140 in Figur 2 entsprechen, eine erste Referenzelektrode 215 und eine zweite Referenzelektrode 220, die jeweils der Referenzelektrode 145 aus Figur 1 entsprechen, sowie eine Empfangselektrode 225, die der Empfangselektrode 1 15 aus Figur 1 entspricht und eine Guard-Elektrode 242. Zueinander korrespondierende Elektroden 205 und 210, 215 und 220 können elektrisch niederohmig miteinander verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform sind zueinander korrespondierende Elektroden 205-220 mit gleichen oder ungleichen aber zueinander proportionalen Signalen beaufschlagt, die aus unterschiedlichen Quellen stammen können. Zu diesem Zweck kann beispielsweise für jede der Messelektroden 205 und 210 ein eigener Verstärker 130 in der Messbrücke 1 15 aus Figur 1 vorgesehen sein. Je- de der zweifach ausgeführten Elektroden 205 und 210, 215 und 220 kann auch einzeln ausgeführt sein.

Optional sind in der Anordnung 120 weiter eine erste Gegenelektrode 235 und gegebenenfalls auch eine zweite Gegenelektrode 240 vorgesehen. Die Messelektroden 205, 210 und die Gegenelektroden 235, 240 sind bevorzugterweise gleich groß und horizontal und vertikal mit gleich großen Abständen zueinander angeordnet. Die Messelektroden 205 und 210 sowie die Gegenelektroden 235 und 240 können jeweils von einer Guard-Elektrode 242 umschlossen sein.

Etwa in der Mitte von Figur 2a verläuft eine Guard-Elektrode 232 in horizontaler Richtung, welche die oben angeordneten Messelektroden 205 und 210, die jeweils zugeordneten Guard-Elektroden 242, die Referenzelektroden 215 und 220 sowie die erste Empfangselektrode 225 von den unten angeordneten Gegen- elektroden 235 und 240 mit den ihnen zugeordneten Guard-Elektroden 242 und der weiteren Guard-Elektrode 230 trennt. Der in Fig. 2A unterhalb der horizontalen Guard-Elektrode 232 liegende Teil der Anordnung 120 kann in anderen Ausführungsformen auch entfallen. Sämtliche Guard-Elektroden 230, 232, 242 sind optional. Die Guard-Elektroden

242 dienen dazu, kapazitive Kopplungen zwischen in der ersten Ebene liegenden Elektroden 205-225, 235, 240 zu unterbrechen. Die Guard-Elektrode 230 korrespondiert zur Empfangselektrode 150 und erhöht die Symmetrie der Elektrodenanordnung und damit der Feldlinienverteilung. Die Guard-Elektroden 230, 232, 242 werden mit einem vorbestimmten, insbesondere zeitlich konstanten Potential verbunden, beispielsweise mit einer Gerätemasse des Ortungsgeräts 100 aus Figur 1 . Diese Vorgehensweise unterscheidet sich von einer bekannten aktiven Abschirmung („active shielding") dadurch, dass das Potential der Guard- Elektroden zeitlich konstant ist und nicht einem anderen Potential nachgeführt wird. Die Guard-Elektroden 230, 232, 242 bieten sich insbesondere bei Verwendung der in Figur 1 gezeigten Gegentakt-Messbrücke 1 15 an, da die Messbrücke 1 15 dazu eingerichtet ist, das Potential an der Empfangselektrode 150 derart einzustellen, dass Wechselspannungsanteile, die synchron zum Takt der Wechselspannungen an der Messelektrode 140 bzw. der Referenzelektrode 145 sind, verschwinden. Eine Isolation zwischen benachbarten Elektroden der ersten Ebene kann auch mit Luft erfolgen, indem zwischen den Elektroden eine Ausnehmung 244 eingebracht ist, wie sie beispielhaft zwischen der ersten Referenzelektrode 215 und der ersten Empfangselektrode 225 und zwischen der zweiten Referenzelektrode 220 und der ersten Empfangselektrode 225 dargestellt ist.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Elektroden 205-242 der Anordnung 120 von einer Isolationsschicht 246 bedeckt, um eine resistive Kopplung mit dem Medium 105 der Umgebungsluft oder einem anderen Objekt zu erschweren. Die Isolationsschicht dient auch als Feuchtigkeitsbarriere, so dass Feuchtigkeit, etwa aus der Luft, nicht in das Trägermaterial eindringen und die Kapazitäten beeinflussen kann.

Figur 2B zeigt vier Abschirmelektroden 250, die jeweils so bemessen und positioniert sind, dass sie eine der Messelektroden 205, 210 oder eine der Gegenelektroden 235, 240 samt der ggf. zugeordneten Guard-Elektrode 242 abdecken. Die Abschirmelektroden 250 sind am Ortungsgerät 100 mit einem zeitlich konstanten Potential verbunden, welches einer Gerätemasse des Ortungsgeräts 100 entsprechen kann. Zusätzlich oder alternativ können die Abschirmelektroden 250 mit den Guard-Elektroden 242 verbunden sein. Die Abschirmelektroden 250 können auch mittels einer nicht dargestellten Isolationsschicht 246 gegen äußere Einflüsse geschützt sein.

Figur 3 zeigt einen Graphen 300 eines Ausgangssignals einer der Auswerteschaltungen 1 15 und 178 der Figuren 1 a und 1 b mit einer Anordnung 120 von Elektroden, wie sie oben mit Bezug auf Figur 2 beschrieben ist. Der Graph 300 gilt allgemein für kapazitive Sensoren mit erdfreien Elektroden. In einer horizontalen Richtung ist ein Abstand zwischen dem Medium 105 und der Anordnung 120 von Elektroden und in vertikaler Richtung ein an der Schnittstelle 170 bereitgestelltes Ausgangssignal S dargestellt.

Eine Kennlinie 305 repräsentiert qualitativ den Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal S und dem Abstand d unabhängig davon, ob ein Objekt 1 10 im Bereich der Anordnung 120 vorhanden ist und welchen Einfluss das Objekt 1 10 durch seine Position, Größe und dielektrischen Eigenschaften auf das Ausgangssignal S hat. Beträgt der Abstand d Null, so ist das Ausgangssignal S groß. Mit steigendem Abstand d fällt das Ausgangssignal S zunächst steil und später flacher ab, bis es bei einem Abstand d1 ein Minimum erreicht. Mit weiter steigendem Abstand d jenseits des Abstands d1 steigt das Ausgangssignal S an und schmiegt sich im weiteren Verlauf an einen vorbestimmten Wert des Ausgangs- Signals S an.

Die Kennlinie 305 kommt zustande, indem zwei vom Abstand d abhängige Effekte entgegengesetzt auf das Ausgangssignal S wirken. Mit Bezug auf die Auswerteschaltungen 1 15 und 178 der Figuren 1 a und 1 b wird davon ausgegangen, dass folgendes gilt:

Π - Γ2

S ~ -—— (Formel l )

C1 + C2

In Worten ausgedrückt ist das Ausgangssignal S proportional zu einem Quotien- ten aus der Differenz und der Summe der Messkapazität C1 und der Referenzkapazität C2. Dabei ist die Messkapazität C1 aus der Messelektrode 140 und der Empfangselektrode 150 und die Referenzkapazität C2 aus der Referenzelektrode 145 und der Empfangselektrode 150 gebildet. Ein erster Effekt, der sich insbesondere bei kleineren Abständen d auswirkt, bewirkt eine Abnahme des Sensorsignals S durch eine Abnahme der Kapazität zwischen der Messelektrode und der Empfangselektrode bzw. der Referenzelektrode und der Empfangselektrode. Dadurch wird ein Strom zwischen den Elektroden 140 bzw. 145 und der Empfangselektrode 150 verkleinert und das Sensor- signal wird mit steigendem Abstand d kleiner.

Durch einen zweiten Effekt, der sich insbesondere bei größeren Abständen d auswirkt, nimmt mit steigendem Abstand d eine Kapazität zwischen den Elektroden 140, 145 und 150 und dem Medium 105 ab. Dies führt zu einer Zunahme des Stroms zwischen der Messelektrode 140 und der Empfangselektrode 150 bzw. der Referenzelektrode 145 und der Empfangselektrode 150, wodurch das Ausgangssignal S größer wird.

Die beiden Effekte überlagern einander, so dass sich qualitativ die Kennlinie 305 mit einem minimalen Sensorsignal S beim Abstand d1 ergibt. Es ist daher von Vorteil, die Anordnung 120 von Elektroden durch einen Abstandhalter in einem Abstand d des zweiten Abschnitts 320 zu halten. Besonders bevorzugt ist der Abstandhalter dazu eingerichtet, den Abstand d auf d1 festzulegen, was bei Elektroden 140 bis 150 übliche Abmessungen und Anordnungen im Bereich von ca. 3 - 10 mm, insbesondere bei ca. 5 mm der Fall ist.

Der Mindestabstand kann von mehreren geometrischen Eigenschaften der Elektroden abhängen. Je größer der Abstand zwischen Messelektrode und Empfangselektrode, desto größer ist üblicherweise der Mindestabstand. Ebenso kann der Mindestabstand vom Vorhandensein einer Guard-Elektrode zwischen Mess- elektrode und Empfangselektrode abhängen. Das Vorhandensein einer Guard-

Elektrode kann den Mindestabstand vergrößern. In Versuchen wurden als Funktion des Elektrodenabstandes folgende Werte des Mindestabstandes für Elektrodenkonfigurationen mit Guard-Elektrode bestimmt:

Figuren 4a und 4b zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Ortungsgeräts 100 nach den Figuren 1 a und 1 b jeweils mit einer Anordnung 120 von Elektroden, wie sie oben mit Bezug auf Figur 2 beschrieben sind. Figur 4a zeigt eine erste Ausführungsform des Ortungsgeräts 100, bei der ein

Gehäuse 405 umfasst ist, an dessen Unterseite die Anordnung 120 von Elektroden angebracht ist. Die restlichen Komponenten, insbesondere die Auswerteschaltung 1 15 oder 178 sind hier nicht dargestellt. An der Unterseite des Gehäuses 405 befinden sich einer oder mehrere Abstandhalter 410, um das Gehäuse 405 und damit auch die Anordnung 120 in einem vorbestimmten Abstand d von der oberen Oberfläche des Mediums 105 zu halten. Der Abstand d liegt vorteilhaft im zweiten Bereich 320 von Figur 3, idealerweise beim Abstand d1 .

Figur 4b zeigt eine alternative Ausführungsform, die auf der Ausführungsform von Figur 4a basiert. Hier ist die Anordnung 120 jedoch nicht unmittelbar an der Unterseite des Gehäuses 405 angeordnet, sondern so am bzw. im Gehäuse 405 angebracht, dass sich der vorbestimmte Abstand d ergibt, wenn die Unterseite des Gehäuses 405 auf die Oberseite des Mediums 105 aufgesetzt wird. Dabei kann das Gehäuse an seiner Unterseite geschlossen sein und die Anordnung 120 von Elektroden ist am Gehäuse 405 befestigt, so dass das Gehäuse 405 selbst als Abstandhalter 410 dient. In einer anderen Ausführungsform kann innerhalb des Gehäuses 405 ein dedizierter Abstandhalter 410 zur Befestigung der Anordnung 120 gegenüber dem Gehäuse 405 vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche

1 . Ortungsgerät (100) zur kapazitiven Detektion eines in einem Medium (105) eingeschlossenen Objekts (1 10), umfassend:

- eine Messelektrode (140), eine Empfangselektrode (150) und eine Refe- renzkapazität (C2),

- wobei die Messelektrode (140) mit der Empfangselektrode (150) eine durch das Objekt (1 10) beeinflussbare Messkapazität (C1 ) bildet und die Referenzkapazität durch das Objekt (1 10) nicht beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Elektroden (140, 145, 150) in einer Ebene angeordnet sind und ein

Abstandhalter (410) vorgesehen ist, um die Elektroden (140, 145, 150) in einem vorbestimmten, von Null verschiedenen Mindestabstand (d) zur Oberfläche des Mediums (105) zu halten.

2. Ortungsgerät nach Anspruch 1 , wobei die Referenzkapazität aus einer Referenzelektrode (145) und der Empfangselektrode (150) gebildet ist.

3. Ortungsgerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangselektrode (150) erdfrei ist.

4. Ortungsgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Auswerteschaltung (1 15, 178) zur Bereitstellung eines Ausgangssignals (S) auf der Basis eines Verhältnisses zwischen der Messkapazität (C1 ) und der Referenzkapazität (C2), wobei der Mindestabstand (d) so gewählt ist, dass ein Ausgangs- signal (S) der Auswerteschaltung (1 15, 178) unabhängig von dem Objekt (1 10) extremal ist.

5. Ortungsgerät (100) nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis proportional zu einem Quotienten aus einer Differenz und einer Summe der Messkapazität (C1 ) und der Referenzkapazität (C2) ist.

6. Ortungsgerät (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Auswerteschaltung (1 15, 178) folgendes umfasst:

- einen Oszillator (125) zur Versorgung der Messkapazität (C1 ) und der Referenzkapazität (C2) mit phasenverschobenen Wechselspannungen; - eine Steuereinrichtung (130, 135) zur Steuerung der Amplitude einer der

Wechselspannungen, und

- eine Bestimmungseinrichtung (160, 165) zur Bereitstellung eines Steuersignals für die Steuereinrichtung (130, 135), um die Einflüsse von elektrischen Feldern der Messelektrode (140) und der Referenzelektrode (145) auf die Empfangselektrode (150) einander anzugleichen;

- wobei das Ausgangssignal (S) auf der Basis des Steuersignals bereitgestellt ist.

7. Ortungsgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (140, 145, 150) in einer Ebene liegen und auf einer vom Objekt (1 10) abgewandten Seite eine mit einem konstanten Potential verbundene Abschirmelektrode (250) angeordnet ist, die die Elektroden (140, 145, 150) zumindest teilweise abdeckt.

8. Ortungsgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner um- fassend ein Gehäuse (405), wobei der Abstandhalter (410) in das Gehäuse (405) integriert ist.

9. Ortungsgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der

Mindestabstand (d) wenigstens 5 mm beträgt.