DE3242621A1 - Capacitive proximity detector - Google Patents
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung zwischen einem Sensor und einem Meßobjekt nach dem kapazitiven Prinzip. Die Erfindung ermöglicht eine höhere Genauigkeit und größere meß-Distanzen, als nach dem Stand der Technik Kapazitive Abstand sensoren werden - - - in Industrieanlagen benötigt, beispielsweise um Flüssigkeitspegel oder Bewegungen von Teilen zu überwachen.The invention relates to a method for contactless distance measurement between a sensor and a measurement object according to the capacitive principle. The invention enables greater accuracy and greater measuring distances than according to the prior art Capacitive distance sensors are required in industrial systems, for example to monitor liquid levels or the movement of parts.
Das übliche Prinzip beruht auf einer kapazitiven Spannungsteilung. Dabei befindet sich an einer Gehäusewand des Ssnsors oder der Sonde ein Plattenkondensator, dessen eine, an der Innenseite liegende Elektrode an einen Oszillator angeschlossen ist. Die andere, äußere Elektrode weist eine elektrische Kapazität aufReinerseits gegenüber der inneren Elektrode, andererseits in den Außenraum beziehungsweise zum rneßobjekt. Hieraus resultiert an der äußeren Elektrode eine Spannungsteilung der Oszillatorspannung.The usual principle is based on a capacitive voltage division. There is a plate capacitor on the housing wall of the sensor or the probe, One of the electrodes on the inside is connected to an oscillator is. The other, outer electrode has an electrical capacitance on the one hand opposite the inner electrode, on the other hand in the outer space or to the object. This results in a voltage division at the outer electrode Oscillator voltage.
Die Annäherung des Dießabjektes bewirkt eine veränderte Spannungsteilung gemäß dar Veränderung der äußeren Teil-Kapazität. Die innere Kapazität ist hierbei die Referenz-Kapazität.Die Auswertung der Spannungsänderung geschieht beispielsweise, indem der Oszillator von der Spannung der äußeren Elektrode gegengekoppelt, also bedämpft wird, so daß er sich im kritischen Zustand des Anschwingens befindet, was eine Abnahme oder ein Abreißen der Oszillator-Schwingung gemäß der Annäherung zur Folge hat.The approach of the die object causes a change in the division of tension according to the change in the external partial capacitance. The inner capacity is here the reference capacitance. The voltage change is evaluated, for example, in that the oscillator feeds back against the voltage of the outer electrode, i.e. is damped so that it is in the critical state of oscillation, what a decrease or a breakdown of the oscillator vibration according to the approximation to Consequence.
Neben der kapazitiven Spannungsteilung existieren noch andere Verfahren, denen jedoch allen gemeinsam ist die messung der Kapazität ZZ»r Objekt ,und das Vorhandensein einer Referenzkapazität im Inneren des Gerätes. Nachteile Stand der Technik: Die Spanningsteilung, also das Größenverhältnis zwischen äußerer zu innerer Kapazität, nimmt bei yrößeren Meßdistanzen 8o sterk ab, daß die Auswertung größerer Abstände sehr ungenau wird. Präzise Funktion ist nur möglich in einem geringen Abstandsbereich, der vergleichbar ist mit der mechanischen und daher elektrischen Größenordnung der eingebauten Kapazität.In addition to capacitive voltage division, there are other methods, which all have in common is the measurement of the capacitance ZZ »r object and the presence of a reference capacitance inside the device. Disadvantages of the state of the art: The span division, that is to say the size ratio between the external to the internal capacitance, decreases considerably with larger measurement distances, so that the evaluation of larger distances becomes very imprecise. Precise function is only possible in a small distance range, the is comparable to the mechanical and therefore electrical order of magnitude of the built-in capacitance.
Wegen dem zum Abstand reziproken Kapazitätsabfall resultiert als Differentialfunktion ein quadratischer Anstieg der Maß-Ungenauigkeit mit dem Abstand, bei höheren Abständen wegen des Kugelfeldes sogar zu dritter Potenz.Because of the reciprocal drop in capacity with respect to the distance, the result is a differential function a quadratic increase in the dimensional inaccuracy with the distance, at higher distances because of the spherical field even to the third power.
Eine weitere Schwierigkeit ist, daß die äußere Kapazität auch bei unendlichem Abstand zum Objekt nicht auf Null verschwindet, sondern eine Restkapazität auch im freien Raum vorhanden ist, die sich nicht ändert, und z.B. ca.Another difficulty is that the external capacitance is also at infinite distance to the object does not disappear to zero, but a residual capacity is also available in free space that does not change, and e.g. approx.
3 Picofarad ausmacht bei einer Elektrode von 50x 50 mm, was mehr als das Hundertfache der variablen Kapazität ausmachen kann.Beim Abgleich spielt also die Konstanz-Anforderung eine große Rolle. Außerdem wird die Genauigkeit durch die Stabilität der Referenzkapazität begrenzt.3 picofarads for a 50x50mm electrode, which is more than can make up a hundred times the variable capacity the constancy requirement plays an important role. In addition, the accuracy is enhanced by the The stability of the reference capacitance is limited.
Funktionsweise der Erfindung: Die Neuerung beruht darauf, daß die Referenzkapazität im Inneren des Gerätes entfällt, aber eine zweite Außenelektrode vorhanden ist (Sende-Elektrode benannt), die an den Oszillator angeschlossen ist.How the invention works: The innovation is based on the fact that the There is no reference capacitance inside the device, but a second external electrode is present (named transmitter electrode), which is connected to the oscillator.
Die andere Außenelektrode wirkt als Empfangselektrode und kann in einer Ebene neben der Sendeelektrode angeordnet sein. Das meßfeld ist also ausschließlich auf den Außen-Raum des Gerätes beschränkt. Anstelle einer Referenz-Kapazität wirkt im Außenraum die Kapazität zwischen Sende-Elektrode und Empfangselektrode als Kopplung an den Oszillator, indem die Empfangselektrode im Feld der Sendeelektrode liegt.The other outer electrode acts as a receiving electrode and can be used in be arranged on a plane next to the transmitter electrode. The measuring field is therefore exclusive limited to the outside space of the device. Acts instead of a reference capacitance in the outer space, the capacitance between the transmitting electrode and the receiving electrode as a coupling to the oscillator by placing the receiving electrode in the field of the transmitting electrode.
Beim Annähern eines Objektes vergrößert sich erstens, wie bisher, die Kapazität Empfangselektrode - Objekt, zweiten verringert sich die Ankopplung zur Sendeelektrode wegen der Abschirmung, die das Objekt bewirkt, wenn ee in das Feld eintaucht. An der :Empfangselektrode resultiert also ein Amplitudenabfall gemäß der Vergrößerung einer Teilkapezität und der gleichzeitigen Abschwächung der anderen Teil-Kapazität. Der Vorteil dabei ist, daß sich beide Teilkapazitäten am selben Ort und im selben Dielktrikum' nämlich der Luft im Aubenraum, Spannungsteiler völlig ausgewogen und störfrei ist.When an object is approached, firstly, as before, the capacitance of the receiving electrode - object increases, and secondly, the coupling to the transmitting electrode is reduced because of the shielding that the object provides when ee is immersed in the field. At the: receiving electrode there is thus a drop in amplitude in accordance with the increase in a partial capacitance and the simultaneous weakening of the other partial capacitance. The advantage here is that both partial capacities are in the same place and in the same dielectric, namely the air in the outside space, Voltage divider is completely balanced and free of interference.
Der Wert der Spannungsänderung läßt sich errechnen, indem man zunächst das Potential ermittelt, das gemäß des Feldes an dem angenäherten Objekt anlage, wenn es nicht geerdet wäre (also konstant im Nahfeld der Elektrode und dann reziprok zur Distanz fallend im Kugelfeld).The value of the change in voltage can be calculated by first of all determines the potential that is applied to the approximate object according to the field, if it were not earthed (i.e. constant in the near field of the electrode and then reciprocal falling with the distance in the spherical field).
Dieser.Spannungsunterschied durch das geerdet-sein des Objekts überträgt sich dann kapazitiv zur Empfangselektrode.This voltage difference is transmitted by the fact that the object is grounded then capacitively to the receiving electrode.
Der Sensor funktioniert auch bei Objekten, die nichtleitend oder nicht geerdet sind, und zwar aufgund der inneren und äußeren elektrischen Kapazität, die die Objekte aufgrund ihrer Abmessungen besitzen.The sensor also works with objects that are non-conductive or not are grounded due to the internal and external electrical capacitance that which objects have due to their dimensions.
Das Prinzip der Erfindung verbessert die Meßgenauigkeit und den erzielbaren maximalen meßabstand des Sensors um ein Vielfaches. Eine Ausführung in 60 x 150 x 20 mm messendem Gehäuse erreicht einen Abstand von 300 mm mit + 1 mm Genauigkeit. Die Verbesserung ergibt sich durch folgende Prinzipien: 1) Die beschriebene Abschirmeirkung durch das Opjekt.Sie läßt sich noch steigern, indem Sende- und Empfangs-Elektrode zueinender einen Abstand haben und dazwischen eine Abschirmfläche angebracht ist' gemäß Anspruch 8.The principle of the invention improves the measurement accuracy and the achievable the maximum measuring distance of the sensor many times over. A version in 60 x 150 x 20 mm housing reaches a distance of 300 mm with + 1 mm accuracy. The improvement results from the following principles: 1) The shielding effect described by the object. It can be increased by adding the sending and receiving electrodes to be at a distance from each other and a shielding surface is attached between them '' according to claim 8.
2) Das geerdete Gehäuse des Sensors nicht wie bisher die Empfindlichkeit, sondern die Abschirliluny des Nahfeldss.2) The earthed housing of the sensor not the sensitivity as before, but the abortion of the near field.
3) Es entfällt das Kompensieren von Temperaturgang oder sonstigen Schwankungen der Referonzkapa2itbt.3) There is no compensation for temperature drift or other Fluctuations in referral capacity.
4) Da die Kopplung zwischen Oszillator und Empfangs-Antenne relativ klein ist, entfällt das oben beschriebene Problem der zu geringen Spannungsänderung bzw. der großreumigen Referenzfapazität.4) Because the coupling between the oscillator and the receiving antenna is relative is small, the problem of insufficient voltage change described above does not apply or the large reference capacitance.
5) An der Empfangselektrode liegt nicht wie bisher eine hohe Grund- Amplitude, unabhängig von Änderungen, also sind Änderungen auch relativ gesehen größer, das bedeutet für die Auswertschaltung weniger Anforderungen an die Gleichtaktunterdrückung.5) The receiving electrode does not have a high basic Amplitude, regardless of changes, so changes are also relative larger, which means fewer requirements for the common-mode rejection for the evaluation circuit.
Erklärung eines Ausführungsbeispiels anhand Figur 1 (Schnitt), Figur 2 (Aufsicht Elektroden) und Figur 3 (Schaltplan,schemat.) Die Untere Gehäusewand des Sensors 1 besteht aus einer Epoxy- Platte,und die Sendeantenne 3 und Empfangsantenne -4 bestehen aus geätzter Kupferbeschichtung. Die Beschichtung kann hierbei auf der Innenseite der Epoxyplatte liegen.Explanation of an exemplary embodiment with reference to FIG. 1 (section), FIG. 2 (top view of electrodes) and FIG. 3 (circuit diagram, schematic) The lower housing wall of the sensor 1 consists of an epoxy plate, and the transmitting antenna 3 and receiving antenna -4 are made of an etched copper coating. The coating can be on the inside of the epoxy board.
Als Abschirmung ist nach Anspruch 5 urn die Empfangsantenne die Umrahmung 5 als Leiterbahn andeordnet, und hieran ist als rückwärtige Abschirmung das Blechkästchen 5 aufgelötet.According to claim 5, the frame around the receiving antenna is used as a shield 5 rearranged as a conductor track, and on this is the sheet metal box as a rear shield 5 soldered on.
3, 4 und 6 sind elektrisch mit der Elektronik 7 verbunden, Ihr Schaltausgangtsowie Speiseleitung 9 werden aus dem Gehäuse herausgeführt.3, 4 and 6 are electrically connected to the electronics 7, their switching output as well as Feed line 9 are led out of the housing.
Die Umrahmung 5 ist an der Seite zur Sendeantenne breiter, um die Abschirmwirkung des Meßobjekts zu unterstützen, gemäß Anspruch 8.The frame 5 is wider on the side to the transmitting antenna to the To support the shielding effect of the test object, according to claim 8.
Die Elektronikschaltung des eises Ausführungsbeispiels zeigt das Schematisierte Schaltschema Figur 3.Die Elektronik ist vorzugsweise in einem Integrierten Schaltkreis untergebracht, der auch die Schaltstufe für den Steuerausgang enthält.The electronic circuit of the exemplary embodiment shows the schematic Circuit diagram Figure 3. The electronics are preferably in an integrated circuit housed, which also contains the switching stage for the control output.
Der Operationsuerstärker 11 liegt mit seinem invertierenden Eingang an der Empfangsantenne 4 und ist also, neben dem Arbeitspunkt- Widerstand 14 , über die Sendeantenne 3 vom Ausgang kapazitiv gegengekoppelt. Das potentiometer 12 im itkoppelzweig ist so abgeglichen, daß sein Teilverhältnis gleich ist dem Teliverhältnis der Antennen. Bei Annäherung eines Objektes verringert sich die Gegenkopplung uno die Schaltung beginnt zu schwingen. Der Verstärker ist also gleichzeitig der Oszillator (Anspruch 2). Der Gleichrichter und eine nicht eingezeichnete Triggerstufe für den Ausgang der Schaltung folgen am Ausgang des Oszillators.The inverting input of the operational amplifier 11 is connected to the receiving antenna 4 and is thus, in addition to the operating point resistor 14, capacitively fed back from the output via the transmitting antenna 3. The potentiometer 12 in the coupling branch is adjusted so that its partial ratio is equal to the telephoto ratio of the antennas. When an object approaches, the negative feedback is reduced uno the circuit begins to oscillate. The amplifier is also the oscillator (claim 2). The rectifier and a trigger stage (not shown) for the output of the circuit follow at the output of the oscillator.
Die Abschirmelektrode 5 liegt am nichtinvertierenden Eingang, damit zwischen ihr und der Antenne 4 keine wesentliche Spannung auftritt und somit kein Feld. Die Abschirmung ist also als Wächter (Guard) angeschlossen.The shielding electrode 5 is at the non-inverting input, so no significant voltage occurs between it and the antenna 4 and thus no Field. The shield is therefore connected as a guard.
Gemäß Anspruch 6 bzw.7 kann die Speisespannung des Verstärkers 11 elektrisch dem Gleichtaktsignal bzw. der Guard- Spannung nachgsführt werden, indem die Speiseleitungen an Spanningsfolgern angekoppelt sind (nicht eingezeichnet), die ihrerseits eingangsseitig an den Schleifer des Potentiometers 12 angekoppelt sind. Diese Spannungsmitführung bewirkt, daß für den Operationsverstärker 11, bezogen auf seine Speiseleitungen, keine wesentlichen Gleichtaktsignale mehr auftreten, und dadurch die neben der Antenne 4 störende Eingangskapazität des Verstärkers 11 totgelegt wird, also nicht mehr das kapazitive Teilverhältnis beeinflußt.According to claim 6 or 7, the supply voltage of the amplifier 11 electrically track the common-mode signal or the guard voltage by the feed lines are coupled to voltage followers (not shown), which in turn are coupled on the input side to the wiper of the potentiometer 12 are. This voltage entrainment causes that for the operational amplifier 11, based on its feeder lines, no more significant common-mode signals occur, and thereby the input capacitance of the amplifier 11, which is disruptive in addition to the antenna 4 is dead, so no longer affects the capacitive part ratio.
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Claims (8)
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