DE2405923A1

DE2405923A1 - Kapazitiver naeherungsschalter

Info

Publication number: DE2405923A1
Application number: DE19742405923
Authority: DE
Inventors: Harro Dipl Ing Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-07
Filing date: 1974-02-07
Publication date: 1975-08-14

Description

Kapazitiver Wäherungsschalter Die ErSindung betrifft einen kapazitiven Näherungsschalter mit einem Kochfrequenz-Oszillator und einer kapazitiven Meßsonde, deren Kapazitätsänderungen gegen Erde bei Annäherung von insbesondere nicht-metallischen Gegenständen als Maß für die Annäherung derartiger Gegenstände ausgewertet wird.
An kapazitive Näherungsschalter zur Feststellung insbesondere nicht-metallischer Werkstoffe, wie Kunststoffe, Textilien, Papier, Leder, Nahrungsmittel oder dergleichen, werden mitunter hohe Anforderungen bezüglich der Stabilität gestellt. Bekannte Näherungsschalter arbeiten mit einem RC-Oszillator, wobei sowohl ein Mitkopplungsals auch ein Gegenkopplungspfad vorgesehen sind. Normalerweise überwiegt bei diesen Geräten die Gegenkopplung, so daß der Oszillator nicht zur Selbsterregung kommt. Nähert man jedoch der kapazitiven Sonde des bekannten Schalters einen Gegenstand aus leitendem oder nicht-leitendem Material mit einer Dielektrizitätskonstanten größer 1, so nimmt die Gegenkopplung ab und die Mitkopplung zu, so daß der Oszillator schließlich zu schwingen beginnt. Diese Zustandsänderung wird in einer angeschlossenen Auswerteelektronik in ein Schaltsignal ungesetzt. Die bekannten Geräte haben jedoch den Nachteil, daß ihr Ansprechverhalten einerseits von den Parametern der verwendeten Halbleiter abhängt und insbesondere auch von deren Temperaturdrift.
Es sind auch schon Schaltungen, insbesondere aus der Meßtechnik, bekannt, mittels deren kapazitive Änderungen in eine Strom- oder auch Spannungsänderung umgewandelt werden können. Diese bekannten Schaltungen arbeiten jedoch mit hinlänglicher Genauigkeit erst bei größeren kapazitiven Änderungen, da im allgemeinen die Drift eines oder melLrerer Ptl-Ubergänge sich insbesondere bei kleinen kapazitiven Änderungen störend auswirkt. Bei Silizium beträgt die Drift z.B. 2 mV/°C.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, einen kapazitiven Nährungsschalter-der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welcher insbesondere von der Temperaturdrift der verwendeten Halbleiter unabhängig ist, bei den weiter schwankende Halbleiterparameter keinen störenden binflu2 haben und welcher auch nach längeren Betriebszeiten einzig und allein auf die zu erfassenden Wapazitatsärlderungen anspricht.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der amplitudenstabilisierte Oszillator an einen Hochfreque:rz-Übertrager mit zwei symmetrischen Ausgangswicklungen angeschlossen ist, deren einer Anschluß mit der kapazitiven Meßsonde bzw. einer Vergleichssonde und deren anderer Anschluß jeweils mit einem Kapazitäts-Strom- oder -Spannungskonverter verbunden ist, deren Ausgänge einer Differenzbildungsstufe zugeführt sind.
Zweckmäßigerweise ist die Ausbildung so, daß die beiden Ausgangswicklungen je eine den anderen Anschluß bildende Anzapfung aufweisen und daß das weitere Anschlußende jeder :Yioklung huber je einen Neutralisationskondensator geerdet ist.
Nine besonders gute Kompensation bei Temperaturänderungen wird erzielt, wenn die Erd-Kapazitäten der Vergleichssonde und der Meßsonde annähernd gleich sind und wenn vorzugsweise beide Sonden auch das gleiche Dielektrikum aufweisen, weil dann die gleiche Drift der Dielektrizitätskonstanten vorliegt.
Jahrend die Ausgangsspannung und auch die Frequenz des HF-Oszillators möglichst hoch sein sollen, um zu erreichen, daß eine kleine kapazitive Änderung in den Konvertern eine möglichst große Stromänderung hervorruft, sollen die Konverter zweckmäßig einen sehr kleinen Eingangswiderstand aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Neutralisation unvollständig durchgeführt ist, derart, daß normalerweise am Ausgang jedes Konverters eine geringe Ausgangsspannung von z.B. etwa 1 V vorliegt.
Die Differenzbildungsstufe soll vorzugsweise eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufweisen. Außerdem hat die Differenzbildungsstufe zweckmäßigerweise auch eine Verstärkung um z.B. den Faktor 10.
Vorteilhafterweise ist an die Differenzbildungsstufe ein Trigger angeschlossen, der ab einer vorbestimmten Schwelle des Ausgangssignals der Differenzbildungsstufe anspricht. Zweckmäßig steuert der Trigger eine Leistungsschaltstufe, z.B. ein Relais, an.
Die Neutralisationskondensatoren dienen dazu, den Einfluß der unvermeidbaren Ausgangskapazität und auch der TJickelkapazität der Wicklungen gegen den Kern auszuschalten. Die Ausgänge der Konverter, die mittels eines Arbeitswiderstandes mit einem festen Potential verbunden sind, sollen durch eine unvollkommene Neutralisation so eingestellt werden, daß die Schwellspannungen der verwendeten Halbleiter überschritten werden, was beispielsweise bei normalerweise vorliegenden Ausgangsspannungen jedes Konverters von ca. 1 V der Fall ist.
Da aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung in beiden Kreisen gleiche Grundkapazitäten vorliegen und vorzugsweise auch das Dielektrikum gleich ist, sind z.B, aufgrund von Temperaturschwankungen erfolgende änderungen in beiden Kreisen gleich. Entsprechendes gilt für Alterung.
Da davon ausgegangen werden kann, daß beide Konverterschaltungen völlig gleich aufgebaut sind, erfolgt automatisch auch eine Kompensation etwa schwankender Halbleiterparameter.
Da die Wicklungen des Ausgangsübertragers ebenfalls symmetrisch ausgebildet sind, müssen auch die Arbeitsgeraden beider Anordnungen gleich sein. Auf diese Weise hat man also in der Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Konverter eine Größe, die nur noch von der kapazitiven Änderung'im Meßkreis abhängt. Diese Differenz wird in der Differenzbildungsstufe mit hoher Gleichtaktunterdrückung gebildet. Die einfachste Verwirklichung einer derartigen Stufe besteht in einem geeigneten monolithischen Operationsverstärker.
Eine besonders bevorzugte bauliche Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß die Meßsonde an der einen Stirnseite eines vorzugsweise zylindrischen, geerdeten Metallgehäuses und die Vergleichssonde im Innern des Gehäuses isoliert angeordnet sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß eventuelle Störeinflüsse gleichermaßen im Meß-und Vergleichskreis auftreten, so daß automatisch die erwünschte Kompensation auftritt.
Zweckmäßigerweise ist an der Stirnseite ein Deckel aus Isoliermaterial am Gehäuse befestigt, in den vorzugsweise die Meßsonde eingebettet ist.
An der Innenseite des Deckels ist bevorzugt eine geerdete Metallplatte angebracht, gegenüber der - durch eine Zwischenplatte aus Isoliermaterial getrennt - die Vergleichssonde angeordnet ist. Die Metallplatte und die Vergleichssonde bilden also zusammen einen Kondensator mit einer Kapazität, die der Erdkapazität der Meßsonde ohne angenäherte Gegenstände in etwa entspricht.
Das verwendete Isoliermaterial ist vorzugsweise Polytetrafluoräthylen.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Näherungsschalters, Fig. 2 ein ins Einzelne gehendes Schaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven ITäherungsschalters und Fig. 3 eine teilweise axial geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten baulichen Ausführung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Näherungsschalters.
Nach Figur 1 ist ein amplitudenstabilisierter Oszillator 11 mit einer Frequenz von ca. 1 hEz an die Eingangswicklung 14 eines Hochfrequenz-Ubertragers 13 j angeschlossen.
Der Hochfrequenz-Übertrager weist erfindungsgemäß zwei symmetrische Ausgangswicklungen 15, 16 mit Anzapfungen 17, 18 sowie zwei äußeren Anschlüssen 19, 20 und zwei weiteren, inneren Anschlußenden 25, 26 auf.
An die Anschlußenden 25, 26 sind Neutralisationskondensatoren 27, 28 angeschlossen, deren anderer Anschluß jeweils geerdet ist.
Die Anzapfungen 17, 18 führen zu den Eingängen von geerdeten Kapazitäts-Strom- oder -Spannungskonvertern 22, 23.
Der äußere Anschluß 19 der Wicklung 15 ist an die Neßsonde 12 angeschlossen, welche schematisch als Teil eines Kondensators dargestellt ist, deren der Meßsonde 12 gegenüberliegende Belegung teilweise durch das Gehäuse 34 (Figur 3), die Metallplatte 35 (Figur 3) und die gegebenenfalls angenäherten Gegenstände gebildet wird. Der Wert der Grundkapazität der Meßsonde 12 gegen Erde beträgt Cg während die durch angenäherte Gegenstände bewirkte Kapazitätsänderung mit n C bezeichnet ist.
Analog ist der äußere Anschluß 20 mit der Vergleichssonde 21 verbunden, die zusammen mit einer auch in Figur 3 dargestellten Metallplatte 35 einen Kondensator mit einer Kapazität CV bildet. Die Metallplatte 35 ist geerdet.
Erfindungsgemäß werden die Grundkapazität CO und CV im wesentlichen gleich gewählt.
Da die Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Konverter 22, 23 jedoch auf kein festes Potential bezogen sind, sind sie-nicht ohne weiteres auswertbar. Aus diesem Grunde sind die beiden Ausgänge an einen Differenzverstärker 24 angelegt, dem ein Trigger 32 und ein Relais 33 folgt.
An den Ausgängen der Konverter 22, 23 wird eine Ausgangsgröße geliefert, z.B. ein Ausgangsstrom, welcher der Kapazitätsänderwlg am Eingang des jeweiligen Konverters proportional ist. Die Neutralisation mittels der Rondensatoren 27, 28 wird erfindungsgemäß so bemessen, daß die unvermeidlichen Schwellenspannungswerte der verwendeten Halbleiter überschritten werden. Am Ausgang der Konverter entstehen dann zwei Gleichspannungen, deren Differenz ausgewertet werden soll, was mittels der Diffe'renzbildungsstufe 24 und des Triggers 32 geschieht.
Wird der Meßsonde 12 ein leitender oder nicht-leitender Gegenstand genähert, so kommt die zunächst ins Gleichgewicht gebrachte Schaltung immer mehr aus dem Gleichgewicht, bis die Ausgangsgröße der Differenzbildungsstufe 24 ausreicht, um den z.B. als Schmitt-Trigger ausgebildeten Trigger 32 zum Umkippen und damit das Relais 33 zum Ansprechen zu bringen. Hierdurch wird eine bestimmte Annäleerung des festzustellenden Gegenstandes zur Anzeige gebracht. Das entstehende Signal kann dann in gesrunscllter Weise ausgewertet werden.
In Figur 2 ist ein ins Einzelne gehendes Schaltbild des schematisch in Figur 1 dargestellten Näherungsschalters wiedergegeben, wobei gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile wie in Figur 1 bezeichnen sollen.
Wesentlicher Bestandteil des Oszillators 11 ist ein Transistor T1, der mittels einer üblichen Arbeitspunkteinstellung und induktiver Kopplung (Meißner-Schaltung) an die Eingangswicklung 14 des Hochfrequenz-Übertragers 13 geschaltet ist. Das frequenzbestimmende Glied ist die Induktivität des Ubertragers 13 in Verbindung mit der zwangsläufig vorhandenen Wicklungskapazität. Falls erforderlich, kann zur Frequenzeinstellung auch noch ein Zusatzkondensator vorgesehen werden.
Die beiden Konverter 22, 23 weisen jeweils eine Diode D1, D2 und einen Transistor T2, T3 auf, welche in der dargestellten Weise zusammengeschaltet sind. Aufgrund dieser Schaltung entsteht am Ausgang der Konverter 22, 23 eine Gleichspannung, die der speisenden Wechselspannung, der Frequenz dieser Spannung sowie der vorgeschalteten Kapazität proportional ist. Die Neutralisation mittels der Kondensatoren 27, 28 wird erfindungsgemäß unvollkommen eingestellt, um zu erreichen, daß in nicht-betätigtem Zustand an den Ausgängen der Konverter 22, 23 eine gleich große Gleichspannung ansteht.
Der Differenzverstärker 24 weist als wesentliches Glied einen Operationsverstärker OP1 sowie Widerstände R5, R6, R8 und R9 auf, die in der in Figur 2 dargestellten Weise zusammengeschaltet sind. Bei den in der Zeichnung angegebenen Werten der einzelnen Widerstände beträgt die Grundverstärkung des Operationsverstärkers °P1 10.
Der Trigger 32 ist nach Figur 2 ebenfalls als mitgekoppelter Operationsverstärker OP2 ausgebildet. Der Ausgang des Triggers 32 steuert das Relais 33 an.
In Figur 3 ist eine bevorzugte bauliche Gestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters wiedergegeben, wobei die zeichnerische Darstellung im unteren Teil abgebrochen ist.
In einem vorzugsweise zylindrischen Gehäuse 34 sind Platinen 36 angeordnet, an denen die nur schematisch angedeuteten elektronischen Bauteile angeordnet sind. Im einzelnen bezeichnet ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Übertrager 13.
Die in'Figur 3 obere Stirnseite des Gehäuses 34 ist durch einen Deckel abgeschlossen, der aus einem passend und fest in das Gehäuse 34 eingesetzten Deckelteil 31 mit einer inneren zylindrischen Ausnehmung und einer in diese Ausnehmung passenden Gegenplatte 30 besteht. Zwischen die Gegenplatte 30 und das Deckelteil 31 ist die Meßsonde 12 gelegt.
Die Anschlüsse der Meßsonde 12 an die Elektronik sind in Figur 3 nicht im einzelnen dargestellt.
geerdete An der Unterseite der Gegenplatte 30 ist eine sIetallplatte 35 befestigt, auf der wiederum eine Zwischenplatte 29 aus dem gleichen Material wie der Deckel 30, 31 angeordnet ist.
Auf der Unterseite der Zwischenplatte 29 ist schließlich die erfindungsgemäß geschaltete Vergleichs sonde 21 befestigt.
Die Dimensionierung des aus der Vergleichssonde 21 und der Metallplatte 35 bestehenden Kondensators ist derart, daß die Erdkapazität der Vergleichs sonde 21 die gleiche wie die der Meßsonde 12 ist, wenn kein festzustellender Gegenstand angenähert ist.
Die bauliche Anordnung nach Figur 3 ist besonders deswegen vorteilhaft, weil die Vergleichs sonde 21 gegen jeden äußeren elektrischen Einfluß abgeschirmt.ist und im wesentlichen den gleichen änderungen ausgesetzt ist wie die Meßsonde 12. Das Gleiche gilt für sämtliche innerhalb des Gehäuses 34 angeordneten Bauteile.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Kapazitiver Näherungsschiter mit einem Hochfrequenz-Oszillator und einer kapazitiven Meßsonde, deren Kapazitätsänderungen gegen Erde bei Annäherung von insbesondere nicht-metallischen Gegenständen als Maß für die Annäherung derartiger Gegenstände ausgewertet wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der amplitudenstabilisierte Oszillator (11) an einen Hochfrequenzübertrager (13) mit zwei symmetrischen Ausgangswicklungen (15, 16) angeschlossen ist, deren einer Anschluß (19, 20) mit der kapazitiven Meßsonde (12) bzw. einer Vergleichssonde (21) und deren anderer Anschluß (17, 18) jeweils mit einem Kapazitäts-Strom- oder -Spannungskonverter (22, 23) verbunden ist, deren Ausgänge einer Differenzbildungsstufe (24) zugeführt sind,

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die beiden Ausgangswicklungen (15, 16) je eine den anderen Anschluß bildende Anzapfung (17, 18) aufweisen und daß das weitere Anschlußende (25, 26) jede Wicklung über je einen Neutralisationskondensator (27, 28) geerdet ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -ke n n z e i c h n e t , daß die Erd-Kapazitäten der Vergleichssonde (21) und der Meßsonde (12) annähernd gleich sind.

4. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß beide Sonden (12, 21) das gleiche Dielektrikum (29, 30, 31) aufweisen.

5. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Konverter (22, 23) einen sehr kleinen Eingangswiderstand aufweisen.

6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die lieutralisation unvollständig durchgeführt ist, derart, daß normalerweise am Ausgang jedes Konverters (22, 23) eine geringe Ausgangsspannung von z.B. etwa 1 V vorliegt.

7. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Differenzbildungsstufe (24) eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufweist.

8. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Differenzbildungsstufe (24) auch eine Verstärkung um z.B. den Faktor 10 aufweist.

9. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an die Differenzbildungsstufe (24) ein Trigger (32) angeschlossen ist, der ab einer vorbestimmten Schwelle des Ausgangssignals der Differenzbildungsstufe (24) anspricht.

10. Näherungsschalter nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Trigger (32) eine Leistunzsschaltstufe t z.B ein Relais (33), ansteuert.

11. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßsonde (12) an der einen Stirnseite eines vorzugsweise zylindrischen, geerdeten Metallgehäuses (34) und die Vergleichssonde (21) im Innern des Gehäuses (34) isoliert angeordnet sind.

12. Näherungsschalter nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß an der Stirnseite ein Deckel (30, 31) aus Isoliermaterial am Gehäuse (34) befestigt ist.

13. Näherungsschalter nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Meßsonde (12) in den Deckel (30, 31) eingebettet ist.

14. nräherungsschalter nach. Anspruch 12 oder 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Innenseite des Deckels (30, 31) eine geerdete Metallplatte (35) angebracht ist, gegenüber der - durch eine Zwischenplatte (29) aus Isoliermaterial getrennt - die Vergleichssonde (21) angeordnet ist.

15. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Isoliermaterial Polytetrafluoräthylen ist.