WO2009026912A1 - Kapazitiver einklemmschutz und verfahren zum betreiben eines einklemmschutzes - Google Patents

Kapazitiver einklemmschutz und verfahren zum betreiben eines einklemmschutzes Download PDF

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WO2009026912A1
WO2009026912A1 PCT/DE2008/001436 DE2008001436W WO2009026912A1 WO 2009026912 A1 WO2009026912 A1 WO 2009026912A1 DE 2008001436 W DE2008001436 W DE 2008001436W WO 2009026912 A1 WO2009026912 A1 WO 2009026912A1
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sensor
comp
capacitance
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PCT/DE2008/001436
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Inventor
Karl Wisspeintner
Norbert Reindl
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Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05F—DEVICES FOR MOVING WINGS INTO OPEN OR CLOSED POSITION; CHECKS FOR WINGS; WING FITTINGS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, CONCERNED WITH THE FUNCTIONING OF THE WING
    • E05F15/00—Power-operated mechanisms for wings
    • E05F15/40—Safety devices, e.g. detection of obstructions or end positions
    • E05F15/42—Detection using safety edges
    • E05F15/46—Detection using safety edges responsive to changes in electrical capacitance
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05Y—INDEXING SCHEME RELATING TO HINGES OR OTHER SUSPENSION DEVICES FOR DOORS, WINDOWS OR WINGS AND DEVICES FOR MOVING WINGS INTO OPEN OR CLOSED POSITION, CHECKS FOR WINGS AND WING FITTINGS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, CONCERNED WITH THE FUNCTIONING OF THE WING
    • E05Y2900/00—Application of doors, windows, wings or fittings thereof
    • E05Y2900/50—Application of doors, windows, wings or fittings thereof for vehicles

Definitions

  • the invention relates to a capacitive anti-pinch protection having a first electrode and a second electrode, wherein the first electrode and the second electrode form the electrodes of a sensor.
  • the invention further relates to a method for operating a corresponding anti-trap protection.
  • contact-based anti-jamming protection it is necessary for the detection of obstacles that there is a direct contact between the sensor and the object to be detected.
  • designs with one or two conductors are known.
  • EP 1 474 582 A1 describes a sensor which detects obstacles by contact with a wire-shaped element.
  • the known from DE 43 29 535 A1 sensor works with two areas of electrically conductive plastics and / or introduced in plastic electrical conductors. By compressing the plastic areas or the conductor creates an ohmic contact, which is used for the detection of an obstacle.
  • the problem with contact-based anti-jamming protection is always that in principle it must come to a contact. This is undesirable just when the pinching of limbs of persons should be prevented.
  • non-contact detection can be carried out in the case of capacitive anti-jamming protection.
  • This measures the capacitance of a sensor.
  • the capacitance of the sensor changes when approaching a body with dielectric properties, which is used as a measuring effect.
  • a defined reference potential must be available for capacitance measurement. which the measurement refers to.
  • the usual reference potential for the measurement is the mass.
  • Many of the known methods use a single electrode and the mass of surrounding bodies connected to the ground of the installation environment of the sensor.
  • methods are known in which two electrodes are explicitly used. These include, among others, the already mentioned DE 40 06 119 A1, DE 103 10 066 B3 or EP 1 154 110 B1. In this case, a sensor electrode and a ground electrode are used, wherein the ground electrode designed as a separate electrode and - as the name very clearly indicates - is connected to the ground.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a capacitive anti-jamming of the type mentioned, in which the problems identified with respect to the ground potential are resolved. A corresponding procedure should be specified.
  • the above object is achieved by the features of claim 1.
  • the jamming protection in question is developed such that the first electrode (2) can be fed with a first potential (U r ⁇ f + ), that the second electrode (3) can be fed with a second potential (U r ⁇ f .),
  • the second one Potential (U re ( .)) Of the first potential (U ref + ) is different, and that an evaluation (5) is provided which determines the difference between the first potential (U ref + ) and the second potential (U re , _) and determines therefrom the capacitance (C S ⁇ nsor ) of the sensor.
  • the above object is achieved by the features of claim 8.
  • the method is characterized in that the first electrode (2) with a first potential (U r ⁇ f + ) is fed, that the second electrode (3) with a second potential (U r ⁇ f .) Is fed, wherein the second potential (U r ⁇ ⁇ .) is different from the first potential (U ref + ) that the difference between the first potential (U ref + ) and the second potential (U ref .) Is determined and that from the capacitance (C S ⁇ nsor ) of the sensor is determined ,
  • the first electrode is brought to a first potential and the second electrode to a second potential.
  • the first and the second potential must relate to a common mass.
  • the potential of the mass - and this is a great advantage - may be unknown.
  • the difference between the first potential and the second potential and, in turn, the capacitance C sensor of the sensor formed by the two electrodes can be determined. Since the capacitance of the sensor changes as a body approaches, the presence of a body in the measuring range can be detected from the capacitance measurement.
  • the methods known from practice are available.
  • the charge measurement and the time measurement are mentioned as examples.
  • the feeding of the first electrode with the first potential U r ⁇ f + is achieved via a first voltage source.
  • This first voltage source can be connected to the voltage source via a switch.
  • the electrode can be raised to a defined potential and after opening the switch, a capacitance measurement can be performed.
  • the switch can be formed in a variety of methods known from practice. However, to simplify the control with electronics, the switch will advantageously be a semiconductor device.
  • the second electrode which by means of a second voltage source to the second potential U r ⁇ f . can be brought. Again, a switch between the electrode and voltage source of separation for capacitance measurement.
  • the electrodes of the sensor have a parasitic offset capacitance C Offs ⁇ t P and C OffSet N against the mass of the sensor (mass M1), which is unknown or even may change during operation. It should again be noted that, as a rule, the mass M1 for the reasons already mentioned deviate from the mass of a transmitter (mass M2) and therefore can not be used for the measurement. The electronic evaluation system therefore determines the respective potentials with respect to ground M2.
  • the offset capacitances C Offs ⁇ t P and Co tfset N are compensated for by parallel charge injection by defining defined potentials U comp + and O ⁇ mp, respectively . be switched to the electrodes of the sensor. It can thereby be achieved that the measurement window used for the measurement is moved into the area of the evaluation where the sensitivity of the sensor is high.
  • the compensation potential U comp can in each case be positive or negative, so that the compensation potential increases or decreases the potential to which an electrode has been brought.
  • the measurement window can be moved independently of the offset capacity C OffS ⁇ t in the optimum range.
  • the actual measurement always takes place in a constant capacity window, which can have different capacities or potentials compared to ground. Thus, a mass-free measurement is possible, a change in the ground potential has no effect on the measurement result.
  • the capacitance of the sensor is very large, for example in the range 10O pF.
  • the approach of a hand only changes the capacitance by a few (for example 5) pF, so that the sensitivity, ie the useful signal, would be relatively small in comparison to the total capacitance of the arrangement.
  • the parallel feed The compensation potentials can therefore also be used to compensate for the high basic capacitance of the sensor and thus to achieve a high resolution in the measurement window.
  • the measurement window can also be moved into a favorable range for the evaluation.
  • the sensor has a constant sensitivity despite fluctuations in the offset capacitances.
  • At least one further voltage source may be provided. These compensation potentials may be added to the first potential and the second potential and provide compensation.
  • the potential delivered by the further voltage source can be controllable. This could be raised or lowered depending on the desired boundary conditions, the potential of an electrode. In particular, it is possible to react to changing offset capacities by means of a controllable voltage source.
  • the voltage sources could be switchable by means of a switch. This could provide a positive and a negative compensation potential for each electrode, which is switched to the electrode as needed.
  • the one or more other voltage sources could be controlled by the transmitter.
  • the evaluation electronics could also take over the connection or disconnection of the compensation potentials to the electrode. Thus, the evaluation could select the voltage applied to the electrodes potentials such that the best possible measurement can be achieved.
  • the transmitter has balanced inputs.
  • drift compensation can be achieved by tracking the potentials U r ⁇ f + and U r ⁇ f . or the compensation potentials U comp + and U comp . be performed.
  • individual or all potentials can be changed.
  • a drift in capacitance may occur as the spacing of the wires changes. The change can occur relatively quickly due to temperature changes, for example due to heating and the resulting change in shape of a sealing profile in sunlight.
  • condensation or condensation of water on a weatherstrip may change capacity since water has a relatively high dielectric constant. Over a longer period, however, capacities may also change due to aging effects in the materials used, for example, shrinkage of plastics.
  • These types of drift can undesirably alter both the offset capacitance and the sensor capacitance.
  • the speed of the drift compensation can be set freely. By changing the speed or by using different measuring frequencies, it is also possible to hide interferences by placing the measuring frequency in an area that is not affected by the disturbance. Detecting obstacles, especially people, requires very fast detection. A measuring cycle is in the range of a few milliseconds. Temperature changes, however, take place in the range of seconds or minutes. Aging effects extend over months or years. In contrast, electromagnetic interference can be found in the range of fractions of milliseconds. By a suitable choice of the measuring frequency or by multi-frequency method can be targeted a largely trouble-free operation can be achieved.
  • the inventive solution is largely insensitive to interference in the form of electromagnetic interference due to the symmetrical design of the sensor. Since both wires of the sensor are mounted at a small distance from each other, for example, a few millimeters, interfere with external electromagnetic fields act in the same way on both wires. Thus, the potentials of the wires are shifted with respect to the mass M2. However, due to the symmetrical design of the sensor and because of the mass-independent measurement, these disturbances act on both electrodes in the same way. As a result, a systematic common-mode rejection is achieved, which is why the measurement is largely independent of external disturbances. If the sensor were only designed with a wire whose capacitance is measured against ground, or with two wires, one of which is grounded, the disturbances would not cancel out and thus adversely affect the measurement.
  • Fig. 1 in a schematic representation of the basic structure of a pinching protection according to the invention
  • Fig. 2 is a circuit diagram of a running as amplifier circuit evaluation.
  • the two sensor electrodes - the first electrode 2 and the second electrode 3 - each consist of a wire which extend parallel to each other at a small distance and along the closing edge of a door or a hedged Window extend.
  • the wires may be integrated in a sealing rubber of a window pane in a vehicle door.
  • the two electrodes 2, 3 form a capacitance C sensor .
  • the parasitic capacitances generated by the installation or the environment with respect to the mass M1 are reproduced as C otfset p and Co ffset N.
  • the capacitance C S ⁇ nsor changes .
  • the measurement of the capacitance or its change takes place with an evaluation 5, which is designed as an amplifier circuit, which is indicated by the stylized operational amplifier.
  • the evaluation takes place in a known manner, for example by charge measurement or by a time measurement.
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of the transmitter 5 in detail.
  • Core of the evaluation 5 is an operational amplifier 6, with its inverting input, the first electrode 2 and its non-inverting input, the second electrode 3 is connected.
  • the operational amplifier 6 outputs a differential signal which is supplied to a second operational amplifier 7. This generates an output signal 8, which leaves the transmitter 5.
  • the operational amplifier 6 is in each case a capacitor C in the "back from one output of the operational amplifier 6 to the inverting or non-inverting input.
  • the transmitter 5 is connected to ground M2.
  • the capacitances C OffS ⁇ t p and Co t f set N are plotted , each of which lies between one of the terminals of the capacitance Cs e n so r and the ground M1.
  • the first potential U ref + and the two compensation potentials U CO mp + and U CO mp- can be switched on by means of the switches 10, 11 and 12.
  • the second potential U re f. and the two compensation potentials Ucomp + and Ucomp- switchable by means of the switches 10, 13 and 14.
  • switch 10 is designed such that it can switch both lines synchronously.
  • the charge source is used in a known manner, by reference voltages U r ⁇ f + and U ref- are applied via switch 10 to the sensor capacitance C S ⁇ nsor in a first step. After the charging process, the reference voltages are disconnected by opening the switch 10 again. In the second step, the charge on the sensor capacitance Cs ensor mi t the operational amplifier 6 is measured by integration over the capacitances C through the switch int. 9 Up to the output of the operational amplifier 6, the arrangement is symmetrical. The difference signal from operational amplifier 6 is then amplified in the operational amplifier 7 and output as voltage via output 8. The signal can then be forwarded for further processing, for example to the control electronics of the window regulator, the elevator door or the like.

Abstract

Ein Kapazitiver Einklemmschutz mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) die Elektroden eines Sensors bilden, ist im Hinblick auf eine von einem Massepotential (M1) unabhängigen Messung dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) mit einem ersten Potential (Uref+) speisbar ist, dass die zweite Elektrode (3) mit einem zweiten Potential (Uref-) speisbar ist, wobei das zweite Potential (Uref-) von dem ersten Potential (Uref+) verschieden ist, und dass eine Auswerteelektronik (5) vorgesehen ist, da die Differenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und dem zweiten Potential (Uref-) bestimmt und die daraus die Kapazität (CSensor) des Sensors bestimmt. Ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Einklemmschutzes (1) ist angegeben.

Description

KAPAZITIVER EINKLEMMSCHUTZ UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES EINKLEMMSCHUTZES
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Einklemmschutz mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode die Elektroden eines Sensors bilden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Einklemmschutzes.
Anordnungen und Verfahren, die dem Einklemmschutz an Türen, Klappen, Schiebedächern, Verdecken und dergleichen dienen, sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Hierbei kommen maßgeblich optische, kontaktbehaftete und kapazitive Verfahren zum Einsatz. Für Anwendungen im Industriebereich sei beispielhaft auf die DE 40 06 119 A1 und EP 1 474 582 A1 , für Anwendungen im Automobilbereich auf die DE 43 29 535 A1 , DE 103 10 066 B3, DE 19720 713 C1 , DE 199 13 879 C1 , DE 102 20 725 C1 , DE 103 05 342 B4 und EP 1 154 110 B1 hingewiesen.
Bei einem kontaktbehafteten Einklemmschutz ist es zur Detektion von Hindernissen erforderlich, dass es zu einem direkten Kontakt zwischen Sensor und zu erkennendem Gegenstand kommt. Dabei sind Ausführungen mit einem oder zwei Leitern bekannt. Beispielsweise ist in der EP 1 474 582 A1 ein Sensor beschrieben, der mit einem drahtförmigen Element Hindernisse durch Kontakt erkennt. Der aus der DE 43 29 535 A1 bekannte Sensor arbeitet mit zwei Bereichen aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen und/oder in Kunststoff eingebrachten elektrischen Leitern. Durch Zusammendrücken der Kunststoffbereiche bzw. der Leiter entsteht ein ohmscher Kontakt, der zur Detektion eines Hindernisses herangezogen wird. Problematisch bei einem kontaktbehafteten Einklemmschutz ist immer, dass es prinzipbedingt zu einem Kontakt kommen muss. Dies ist gerade dann unerwünscht, wenn das Einklemmen von Gliedmaßen von Personen verhindert werden soll.
Im Gegensatz zu kontaktbehafteten Verfahren kann bei einem kapazitiven Einklemmschutz eine berührungslose Detektion erfolgen. Hierbei wird die Kapazität eines Sensors gemessen. Die Kapazität des Sensors ändert sich bei Annäherung eines Körpers mit dielektrischen Eigenschaften, was als Messeffekt genutzt wird. Bekanntermaßen muss zur Kapazitätsmessung ein definiertes Referenzpotential vor- handen sein, auf das sich die Messung bezieht. Das übliche Referenzpotential für die Messung ist hierbei die Masse. Sehr viele der bekannten Verfahren nutzen dabei eine einzelne Elektrode und die Masse von umliegenden, mit der Masse verbundenen Körpern der Einbauumgebung des Sensors. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen explizit zwei Elektroden verwendet werden. Hierzu gehören unter anderen die bereits erwähnten DE 40 06 119 A1 , DE 103 10 066 B3 oder EP 1 154 110 B1. Dabei kommen eine Sensorelektrode und eine Masseelektrode zum Einsatz, wobei die Masseelektrode als eigene Elektrode ausgeführt und - wie der Name sehr eindeutig andeutet - mit der Masse verbunden ist.
Bei den bekannten Verfahren mit zwei Elektroden ist nachteilig, dass in allen nicht fest mit der Erde verbundenen Teilen die Masse nicht eindeutig definiert ist. So kann beispielsweise im Kraftfahrzeug die Masse je nach Einbauort Potentialunterschiede von mehreren Volt betragen, was zu erheblichen Messfehlern führt. So ist in einer Tür oder einer Heckklappe eines Fahrzeugs eine definierte elektrische Verbindung zur Karosserie nicht gewährleistet, da beispielsweise Schmiermittel im Türscharnier oder Korrosion von Metallflächen den Kontakt verringert. In Aufzügen ist diese Situation ähnlich. Auch dort sind bewegliche Türflügel nur über Massekabel aufwändig auf ein definiertes Massepotential bringbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Einklemmschutz der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die aufgezeigten Probleme bezüglich des Massepotentials behoben sind. Ein entsprechendes Verfahren soll angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist der in Rede stehende Einklemmschutz derart weitergebildet, dass die erste Elektrode (2) mit einem ersten Potential (Urθf+) speisbar ist, dass die zweite Elektrode (3) mit einem zweiten Potential (Urθf.) speisbar ist, wobei das zweite Potential (Ure(.) von dem ersten Potential (Uref+) verschieden ist, und dass eine Auswerteelektronik (5) vorgesehen ist, die die Differenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und dem zweiten Potential (Ure,_) bestimmt und die daraus die Kapazität (CSβnsor) des Sensors bestimmt. In verfahrensmäßiger Hinsicht ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale der Patentanspruchs 8 gelöst. Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) mit einem ersten Potential (UrΘf+) gespeist wird, dass die zweite Elektrode (3) mit einem zweiten Potential (UrΘf.) gespeist wird, wobei das zweite Potential (UrΘ{.) von dem ersten Potential (Uref+) verschieden ist, dass die Differenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und dem zweiten Potential (Uref.) bestimmt wird und dass daraus die Kapazität (CSΘnsor) des Sensors bestimmt wird.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass auf ein definiertes Massepotential bei der Bestimmung der Kapazität des Sensors vollständig verzichtet werden kann. Vielmehr reicht es aus, wenn die Differenz der Potentiale, auf denen sich die Elektroden des Sensors befinden, eindeutig bestimmt werden kann. Daher wird erfindungsgemäß die erste Elektrode auf ein erstes Potential und die zweite Elektrode auf ein zweites Potential gebracht. Das erste und das zweite Potential müssen sich auf eine gemeinsame Masse beziehen. Allerdings kann das Potential der Masse - und darin liegt ein großer Vorteil - unbekannt sein. Aus der Kenntnis der beiden auf unbekanntes Potentialniveau bezogenen Potentiale kann vielmehr die Differenz zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential und daraus wiederum die Kapazität CSensor des aus den beiden Elektroden gebildeten Sensors bestimmt werden. Da sich die Kapazität des Sensors bei Annäherung eines Körpers ändert, kann aus der Kapazitätsmessung das Vorhandensein eines Körpers im Messbereich detektiert werden. Dazu stehen die aus der Praxis bekannten Verfahren zur Verfügung. Hierzu seien beispielhaft die Ladungsmessung und die Zeitmessung genannt.
Vorteilhafter Weise wird das Speisen der ersten Elektrode mit dem ersten Potential Urβf+ über eine erste Spannungsquelle erreicht. Diese erste Spannungsquelle kann über einen Schalter mit der Spannungsquelle verbunden werden. Damit kann die Elektrode auf ein definiertes Potential angehoben werden und nach Öffnen des Schalters eine Kapazitätsmessung durchgeführt werden. Der Schalter kann auf die verschiedensten, aus der Praxis bekannten Verfahren gebildet sein. Zur Vereinfachung der Ansteuerung mit einer Elektronik wird der Schalter jedoch vorteilhafter Weise ein Halbleiterbauelement sein. Entsprechendes gilt für die zweite Elektrode, die mittels einer zweiten Spannungsquelle auf das zweite Potential UrΘf. gebracht werden kann. Auch hier dient ein Schalter zwischen Elektrode und Spannungsquelle der Trennung zur Kapazitätsmessung.
Als hinderlich bei der Kapazitätsmessung hat sich erwiesen, dass die Elektroden des Sensors eine parasitäre Offsetkapazität COffsΘt P und COffSet N gegenüber der Masse des Sensors (Masse M1 ) besitzen, die unbekannt ist oder sich sogar während des Betriebs ändern kann. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass in der Regel die Masse M1 aus den bereits genannten Gründen von der Masse einer Auswerteelektronik (Masse M2) abweichen und daher nicht für die Messung herangezogen werden kann. Die Auswertelektronik stellt daher die jeweiligen Potentiale gegenüber Masse M2 fest.
Zur Verbesserung der Kapazitätsmessung ist daher vorgesehen, dass die Offsetkapazitäten COffsΘt P und Cotfset N durch parallele Ladungseinspeisung kompensiert werden, indem definierte Potentiale Ucomp+ bzw. O∞mp. auf die Elektroden des Sensors geschaltet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass das für die Messung herangezogene Messfenster in den Bereich der Auswertung verschoben wird, wo die Empfindlichkeit des Sensors hoch ist. Das Kompensationspotential Ucomp kann dabei jeweils positiv oder negativ sein, so dass das Kompensationspotential das Potential, auf die eine Elektrode gebracht wurde, erhöht oder senkt. Damit kann das Messfenster unabhängig von der Offsetkapazität COffSΘt in den optimalen Bereich verschoben werden.
Die eigentliche Messung findet immer in einem konstanten Kapazitätsfenster statt, das gegenüber Masse unterschiedliche Kapazitäten bzw. Potentiale haben kann. Damit ist eine massefreie Messung möglich, eine Veränderung des Massepotentials hat keinen Einfluss auf das Messergebnis.
In der Praxis ist die Kapazität des Sensors sehr groß, beispielsweise im Bereich 10O pF. Die Annäherung einer Hand dagegen ändert die Kapazität nur um einige (beispielsweise 5) pF, so dass die Empfindlichkeit, d.h. das Nutzsignal im Vergleich zur Gesamtkapazität der Anordnung relativ gering wäre. Die parallele Einspeisung der Kompensationspotentiale kann daher auch dazu verwendet werden, um die hohe Grundkapazität des Sensors auszugleichen und damit im Messfenster eine hohe Auflösung zu erzielen. Damit kann ebenfalls das Messfenster in einen für die Auswertung günstigen Bereich verschoben werden. Der Sensor weist dabei trotz Schwankungen der Offsetkapazitäten eine konstante Empfindlichkeit auf.
Zur Festlegung der Kompensationspotentiale Ucomp+ bzw. Ucomp. könnten nach dem Einbau Kalibrierungsmessungen vorgenommen werden. Dabei könnte auch eine einmalig durchgeführte Messreihe an einer Musterumgebung durchgeführt und auf entsprechende Einbausituationen übertragen werden. Alternativ könnte eine Anpassung der Kompensationspotentiale dahingehend durchgeführt werden, dass der gemessene Kapazitätswert bei einer Messung ohne Körper im Messbereich einen gewünschten Wert oder Wertebereich annimmt. Dabei können die Kompensationspotentiale Ucomp+ und Ucomp. einen betragsmäßig gleichen Wert annehmen. Dies ist aber nicht zwangsmäßig notwendig. Vielmehr können die Potentiale sich auch betragsmäßig unterscheiden.
Zum Einspeisen der Kompensationspotentiale kann vorzugsweise mindestens eine weitere Spannungsquelle vorgesehen sein. Diese Kompensationspotentiale können zu dem ersten Potential und dem zweiten Potential hinzuaddiert werden und eine Kompensation zur Verfügung stellen.
Hinsichtlich einer weiteren Flexibilisierung des Einklemmschutzes kann das von der weiteren Spannungsquelle abgegebene Potential steuerbar sein. Damit könnte in Abhängigkeit der gewünschten Randbedingungen das Potential einer Elektrode angehoben oder abgesenkt werden. Insbesondere kann durch eine steuerbare Spannungsquelle auf sich ändernde Offsetkapazitäten reagiert werden.
Alternativ oder zusätzlich könnten die Spannungsquellen mittels eines Schalters zuschaltbar sein. Damit könnten für jede Elektrode ein positives und ein negatives Kompensationspotential bereitstehen, das bei Bedarf auf die Elektrode auf geschaltet wird. Vorzugsweise könnten die eine oder mehrere weiteren Spannungsquellen durch die Auswerteelektronik steuerbar sein. Die Auswerteelektronik könnte zudem das Zu- oder Wegschalten der Kompensationspotentiale auf die Elektrode übernehmen. Damit könnte die Auswerteelektronik die an den Elektroden anliegenden Potentiale derart auswählen, dass eine möglichst optimale Messung erreicht werden kann.
Hinsichtlich einer vereinfachten Auswertung weist die Auswerteelektronik symmetrische Eingänge auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Driftkompensation durch Nachführen der Potentiale Urθf+ und Urβf. bzw. der Kompensationspotentiale Ucomp+ und Ucomp. durchgeführt werden. Dabei können einzelne oder alle Potentiale verändert werden. Eine Drift der Kapazitäten kann beispielsweise auftreten, wenn sich der Abstand der Drähte voneinander ändert. Die Änderung kann relativ kurzfristig aufgrund von Temperaturänderungen entstehen, beispielsweise bedingt durch Erwärmung und daraus resultierender Formänderung eines Dichtungsprofils bei Sonneneinstrahlung. Auch Betauung oder Kondensation von Wasser auf einem Dichtungsprofil kann die Kapazität ändern, da Wasser eine relativ hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Über einen längeren Zeitraum können sich die Kapazitäten aber auch aufgrund von Alterungseffekten in den verwendeten Materialien ändern, beispielsweise durch Schrumpfung von Kunststoffen. Diese Arten von Drift können sowohl die Offsetkapazitäten als auch die Sensorkapazität in unerwünschter Weise ändern. Durch Nachführen der Referenzpotentiale Uref+ und Uref. bzw. der Kompensationspotentiale Ucomp+ und Ucomp_ kann diese Drift ausgeregelt werden.
Die Geschwindigkeit der Driftkompensation kann frei eingestellt werden. Durch Änderung der Geschwindigkeit bzw. durch Verwendung von verschiedenen Messfrequenzen können auch gezielt Störungen ausgeblendet werden, indem die Messfrequenz in einen Bereich gelegt wird, der von der Störung nicht betroffen ist. Für die Erkennung von Hindernissen, insbesondere Personen, ist eine sehr schnelle Detek- tion erforderlich. Ein Messzyklus liegt dabei im Bereich von wenigen Millisekunden. Temperaturänderungen erfolgen dagegen im Bereich von Sekunden oder Minuten. Alterungseffekte erstrecken sich über Monate oder Jahre. Dagegen sind elektromagnetische Störungen im Bereich von Bruchteilen von Millisekunden zu finden. Durch eine geeignete Wahl der Messfrequenz oder durch Mehrfrequenz-Verfahren kann gezielt ein weitgehend störungsfreier Betrieb erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist wegen der symmetrischen Ausgestaltung des Sensors weitgehend unempfindlich gegen Störungen in Form von elektromagnetischen Einstreuungen. Da beide Drähte des Sensors in geringem Abstand voneinander, beispielsweise einige Millimeter, angebracht sind, wirken Störungen durch äußere elektromagnetische Felder in gleicher Weise auf beide Drähte. Damit werden zwar die Potentiale der Drähte gegenüber der Masse M2 verschoben. Durch den symmetrischen Aufbau des Sensors jedoch und wegen der masseunabhängigen Messung wirken diese Störungen auf beiden Elektroden in gleicher Weise. Dadurch wird eine systematische Gleichtaktunterdrückung erzielt, weshalb die Messung weitgehend unabhängig von externen Störungen ist. Wäre der Sensor nur mit einem Draht ausgeführt, dessen Kapazität gegen Masse gemessen wird, oder mit zwei Drähten, von denen einer auf Masse liegt, würden sich die Störungen gerade nicht aufheben und damit die Messung negativ beeinflussen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. 8 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einklemmschutzes und
Fig. 2 ein Schaltbild einer als Verstärkerschaltung ausgeführten Auswerteelektronik. Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen kapazitiven Einklemmschutzes 1. Die beiden Sensorelektroden - die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 - bestehen aus je einem Draht, die in geringem Abstand zueinander parallel verlaufen und sich entlang der abzusichernden Schließkante einer Tür oder eines Fensters erstrecken. So können die Drähte in einem Dichtgummi einer Fensterscheibe in einer Fahrzeugtüre integriert sein. Die beiden Elektroden 2, 3 bilden eine Kapazität CSensor. Die durch den Einbau bzw. die Umgebung erzeugten parasitären Kapazitäten gegenüber der Masse M1 sind als Cotfset p bzw. Coffset N wiedergegeben. Nähert sich ein Körper - beispielsweise ein Finger 4 - der Sensoranordnung 1 , ändert sich die Kapazität CSθnsor. Die Messung der Kapazität bzw. deren Änderung erfolgt mit einer Auswerteelektronik 5, die als Verstärkerschaltung ausgeführt ist, was durch den stilisierten Operationsverstärker angedeutet ist. Die Auswertung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise durch Ladungsmessung oder durch eine Zeitmessung.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der Auswerteelektronik 5 im Detail. Kern des Auswerteelektronik 5 ist ein Operationsverstärker 6, mit dessen invertierenden Eingang die erste Elektrode 2 und dessen nicht-invertierenden Eingang die zweite Elektrode 3 verbunden ist. Der Operationsverstärker 6 gibt ein Differenzsignal aus, das einem zweiten Operationsverstärker 7 zugeführt wird. Dieser generiert ein Ausgangssignal 8, das die Auswerteelektronik 5 verlässt. Als Beschaltung dient dem Operationsverstärker 6 jeweils eine Kapazität Cin„ die von jeweils einem Ausgang des Operationsverstärkers 6 auf den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang zurückkoppeln. Die Auswerteelektronik 5 ist mit Masse M2 verbunden.
Zwischen den Elektroden 2, 3 und dem Operationsverstärker 6 sind zwei Schalter 9 angeordnet, die synchron schalten und die Elektroden 2, 3 mit dem Operationsverstärker 6 verbinden. Zur Beschreibung der parasitären Effekte sind wiederum die Kapazitäten COffSθt p und Cotfset N eingezeichnet, die jeweils zwischen einem der Anschlüsse der Kapazität Csensor und der Masse M1 liegen. An dem Verbindungspunkt zwischen erster Elektrode 2 und Kapazität COffSθt p sind das erste Potential Uref+ und die beiden Kompensationspotentiale UCOmp+ und UCOmp- mittels der Schalter 10, 11 und 12 aufschaltbar. An dem Verbindungspunkt zwischen zweiter Elektrode 3 und Kapazität COf)setN sind das zweite Potential Uref. und die beiden Kompensationspotentiale Ucomp+ und Ucomp- mittels der Schalter 10, 13 und 14 aufschaltbar. Dabei ist Schalter 10 derart ausgelegt, dass er beide Leitungen synchron schalten kann.
Zur Kompensation der Offsetkapazitäten COf(SΘt P, COffset N werden diese bereits beim Einbau durch Anlegen von Kompensationsspannungen Ucomp+ bzw. Ucomp_ derart ausgeglichen, dass das Messfenster am ersten Operationsverstärker 6 in einem für die eigentliche Kapazitätsmessung günstigen Bereich liegt. Die Kompensationsspannungen UCOmp+ und Ucomp- können je nach Anforderungen entweder positiv oder negativ gegenüber der Masse M2 gepolt sein.
Zur Messung der Kapazität CSensor des Sensors wird die Ladungsquelle in bekannter Weise verwendet, indem in einem ersten Schritt Referenzspannungen Urβf+ und Uref- über Schalter 10 auf die Sensorkapazität CSθnsor angelegt werden. Nach dem Aufladevorgang werden die Referenzspannungen durch Öffnen des Schalters 10 wieder getrennt. Im zweiten Schritt wird durch den Schalter 9 die Ladung an der Sensorkapazität Csensor mit dem Operationsverstärker 6 durch Integration über die Kapazitäten Cint gemessen. Bis zum Ausgang des Operationsverstärkers 6 ist die Anordnung symmetrisch. Das Differenzsignal aus Operationsverstärker 6 wird dann in dem Operationsverstärker 7 verstärkt und als Spannung über Ausgang 8 ausgegeben. Das Signal kann dann zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise an die Steuerungselektronik des Fensterhebers, der Fahrstuhltür oder dergleichen weitergeleitet werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Bezugszeichenliste
1 Einklemmschutz
2 erste Elektrode
3 zweite Elektrode
4 Finger
5 Auswerteelektronik
6 Operationsverstärker
7 Operationsverstärker
8 Ausgangssignal
9 Schalter
10 Schalter
11 Schalter
12 Schalter
13 Schalter
14 Schalter

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kapazitiver Einklemmschutz mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) die Elektroden eines Sensors bilden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Elektrode (2) mit einem ersten Potential (Urβf+) speisbar ist, dass die zweite Elektrode (3) mit einem zweiten Potential (Uref;) speisbar ist, wobei das zweite Potential (Uref-) von dem ersten Potential (Uref+) verschieden ist, und dass eine Auswerteelektronik (5) vorgesehen ist, die die Differenz zwischen dem ersten Potential (UrΘf+) und dem zweiten Potential (Urθf.) bestimmt und die daraus die Kapazität (CSensor) des Sensors bestimmt.
2. Einklemmschutz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) zum Speisen mit dem ersten Potential (Uref+) über einen Schalter (10) mit einer ersten Spannungsquelle verbunden ist und dass die zweite Elektrode (3) zum Speisen mit dem zweiten Potential (Urθf-) über einen Schalter (10) mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist.
3. Einklemmschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Spannungsquelle vorgesehen ist, die ein Kompensationspotential (Ucomp+, Ucomp.) zur Verfügung stellt.
4. Einklemmschutz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das von der weiteren Spannungsquelle abgegebene Potential (Ucomp+, Ucomp.) steuerbar ist.
5. Einklemmschutz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Spannungsquelle mittels eines Schalters (11 , 12, 13, 14) zuschaltbar ist.
6. Einklemmschutz nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Spannungsquelle durch die Auswerteelektronik (5) steuerbar und/oder zuschaltbar ist.
7. Einklemmschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (5) symmetrische Eingänge aufweist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Einklemmschutzes mit einer ersten Elektrode
(2) und einer zweiten Elektrode (3), insbesondere eines Einklemmschutzes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode
(3) die Elektroden eines Sensors bilden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Elektrode (2) mit einem ersten Potential (Ure(+) gespeist wird, dass die zweite Elektrode (3) mit einem zweiten Potential (Urθ(.) gespeist wird, wobei das zweite Potential (Uref.) von dem ersten Potential (Uref+) verschieden ist, dass die Differenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und dem zweiten Potential (Uref.) bestimmt wird und dass daraus die Kapazität (CSθnsor) des Sensors bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer weiteren Spannungsquelle mindestens ein Kompensationspotential (Ucomp,. Ucomp-) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kompensationspotentials (Ucomp+I Ucomp.) eine Offsetkapazität (COffset P, COffsθt N) kompensiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kompensationspotentials (Ucomp+, Ucomp.) die Empfindlichkeit des Sensors gesteuert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kompensationspotentials (Ucomp+, Ucomp.) Drift des Sensors kompensiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kompensationspotentials (Ucomp+, Ucomp.) Störungen kompensiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (CSΘnsor) des Sensors mittels Ladungsmessung bestimmt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (CSensor) des Sensors mit Zeitmessung bestimmt wird.
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