PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004009162B4 12.01.2006
Titel Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen
Anmelder Winkler, Hans-Georg, 22359 Hamburg, DE
Erfinder Winkler, Hans-Georg, 22359 Hamburg, DE
Vertreter T. Wilcken und Kollegen, 23554 Lübeck
DE-Anmeldedatum 25.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004009162
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse G08B 13/26(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer kapazitiven Feldänderung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Vorrichtungen dieser Art liegt das Prinzip zur Grunde, dass über eine Kapazitätsänderung eines elektrischen Feldes ein Schwingkreis eines Oszillators verstimmt wird. Hierdurch ändert sich die Betriebsfrequenz des Oszillators. Diese Frequenz- bzw. Amplitudenänderung kann nachfolgend mit geeigneten Mitteln erfasst und ausgewertet werden.

Eine Anwendung finden diese Vorrichtungen in der Überwachungstechnik von Räumen und Objekten. Mit Hilfe geeigneter Elektroden wird ein elektrisches Überwachungsfeld erzeugt, in welches der zu überwachende Gegenstand eingebettet ist. Ein Eindringen in das Überwachungsfeld führt zu einer Kapazitätsänderung des Feldes, die durch eine geeignete Anzeige- bzw. Alarmeinrichtung ausgewertet werden kann. Heutige Überwachungsanlagen sind dabei in der Lage, mehrere kapazitive Felder und damit Räume und/oder Objekte gleichzeitig zu kontrollieren.

Ein spezielles Einsatzgebiet der kapazitiven Meldetechnik stellt die Überwachung von Wandobjekten, wie z.B. Bildern, dar. Die verwendeten Elektroden werden, wenn möglich, innerhalb der Wand oder auch auf der Wandoberfläche hinter dem zu überwachenden Objekt angeordnet. Um die Wirkung des elektrischen Überwachungsfeldes zur Rückseite des Objekts zu begrenzen, wird hinter der Überwachungselektrode eine weitere Elektrode angeordnet, die zur Abschirmung der Überwachungselektrode auf Erdpotential gelegt wird.

Aus der DE 1 128 791 ist eine Vorrichtung zur Sicherung von Gegenständen, z.B. in Ausstellungen bekannt, bei der Überwachungsgeräte eingesetzt werden, die auf Kapazitätsänderungen eines ersten flächigen Leiters zu einem auf Bezugspotential liegenden zweiten flächigen Leiter ansprechen. Der erste Leiter wird dabei als Belag an einer dem Beschauer abgewandten Fläche des zu sichernden Gegenstandes angeordnet, während der zweiter Leiter an der diesem Gegenstand benachbarten Aufstellungsfläche oder Aufstellungswand angeordnet ist.

Einen Sonderfall stellt die Überwachung von Bildern dar, die auf den beiden Seiten einer dünnen Wand, z.B. einer Leichtbauwand befestigt sind. Um die Bilder auf den beiden voneinander abgewandten Wandseiten getrennt und eindeutig überwachen zu können, wurden so genannte Dreilagenelektroden entwickelt. Hier werden die beiden außen liegenden Überwachungselektroden durch eine in der Mitte liegende geerdete Elektrode voneinander abgeschirmt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist es, dass die Befestigungsschrauben für die Bilder bei Wänden mit einer geringen Wandstärke nur sehr kurz sein dürfen, um keine Verbindung bzw. keinen Kurzschluss zwischen einer Überwachungselektrode und der in deren Mitte liegenden Abschirmelektrode zu erzeugen. Auch die Befestigung der Überwachungselektroden selbst kann insoweit zu Problemen führen, wenn es sich dabei um vergleichsweise schwere Metallplatten handelt, die an der Wand festzulegen sind.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen so auszubilden, dass auch die beidseitige Feldänderungsüberwachung bei vergleichsweisen dünnen Wänden oder vergleichbaren Objekten dieser Art mit technisch einfachen Mitteln möglich ist, und zwar unter Vermeidung der vorerwähnten Befestigungsprobleme.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen weist mindestens einen Oszillator auf, an den unmittelbar oder mittels eines Übertragers mindestens ein kapazitives Feld anschließbar ist. Das kapazitive Feld ist durch mindestens eine erste aktive Elektrode gebildet, die durch mindestens eine zweite geerdete Elektrode abgeschirmt ist. Erfindungsgemäß sind in der Vorrichtung Schaltmittel vorgesehen, welche wahlweise die erste Elektrode auf Erdpotential legen oder die zweite Elektrode aktiv schalten oder umgekehrt. Durch diese Ausgestaltung kann auf die ansonsten bei der beidseitigen Überwachung dünner Wände eingesetzte Dreilagenelektrode verzichtet werden und stattdessen eine Überwachung zu beiden Seiten der Wand mit nur zwei Elektroden erfolgen. Hierbei wird jeweils eine Elektrode zur rückseitigen Abschirmung der anderen geschaltet und umgekehrt. Durch entsprechend schnelles Umschalten kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur zwei Elektroden die Wand zu beiden Seiten kapazitiv überwacht werden. Dadurch, dass die stets an Erdpotential anliegende mittlere Elektrode entfällt, kann die Wand dünner ausgestaltet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass durch Befestigungsmittel, insbesondere Schrauben ein Kurzschluss zwischen den Elektroden entsteht. Ein weiterer Vorteil besteht darüber hinaus darin, dass die sonst übliche dritte Elektrode entfallen kann, was auch den konstruktiven Wandaufbau vereinfacht. Bei geeigneter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können diese darüber hinaus auch für konventionelle Überwachungen eingesetzt werden, wie sie zum Stand der Technik zählen.

Auf diese Weise kann zum einen die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung eines elektrischen Feldes, das zwischen der ersten Elektrode und Erde gebildet ist, ermittelt werden, wobei das elektrische Feld in Richtung der zweiten Elektrode begrenzt wird, zum anderen kann durch Umschalten des Schaltmittels ein elektrisches Feld zwischen der zweiten Elektrode und Erde aufgebaut werden. In diesem Fall ist die erste Elektrode an Erdpotenzial gelegt, und bildet die Abschirmung der zweiten Elektrode. So können mit einer Elektrodenpaarung, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwei unterschiedlich gerichtete kapazitive Felder aufgebaut werden und deren Kapazitätsänderungen ermittelt werden.

Vorteilhaft ist für jede Elektrode ein Wechselschalter vorgesehen, welcher die Elektrode wahlweise mit der Messleitung oder mit dem Erdpotenzial verbindet. In einer ersten Schalterstellung legt der Wechselschalter die Elektrode an das Erdpotenzial an. In einer zweiten Schalterstellung verbindet er die Elektrode mit der Messleitung der Vorrichtung. Bei Vorrichtungen, die nur eine Elektrodenpaarung aufweisen, mit der sie zwei kapazitive Felder überwachen, kann jedoch darauf verzichtet werden, jeder Elektrode einen Wechselschalter vorzuschalten, beispielsweise durch den Einsatz eines Doppelschalters, der beide Elektroden gleichzeitig schaltet, indem er in einer ersten Schalterstellung die erste Elektrode mit der Messleitung und die zweite Elektrode mit dem Erdpotenzial verbindet und in einer zweiten Schalterstellung die erste Elektrode mit dem Erdpotenzial und die zweite Elektrode mit der Messleitung verbindet.

In einer bevorzugten Ausführung wird der Wechselschalter durch ein Relais gebildet, das in einer ersten unbestromten Stellung die Messleitung unterbricht und die Elektrode mit dem Erdpotenzial verbindet und in einer zweiten bestromten Stellung die Messleitung und die Elektrode verbindet. Statt des Relais ist es auch möglich, andere Schaltmittel zu verwenden, wie z.B. Halbleiterschalter.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung zum Anschluss mehrerer Elektrodenpaare, ausgebildet, wobei die Elektrodenpaare zyklisch nacheinander mit dem Oszillator bzw. dem Übertrager verbindbar sind. Dies ermöglicht die Überwachung mehrerer kapazitiver Felder, mit nur einer Vorrichtung. Durch die Wahl geeignet kleiner Schaltintervalle, kann praktisch eine gleichzeitige Überwachung aller kapazitiven Felder sichergestellt werden.

Die oben beschriebene Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer kapazitiven Feldänderung wird bevorzugt in Überwachungsanlagen, insbesondere zur Überwachung von Wandobjekten, eingesetzt. Dabei ist jedem Überwachungsobjekt je ein kapazitives Überwachungsfeld zugeordnet. So weist zumindest eine zu überwachende Wand zumindest eine erste Elektrode zu ihrer einen Seite und zumindest eine zweite Elektrode zu ihrer anderen Seite auf. Die Elektroden sind isoliert montiert und vorzugsweise über Koaxialleitungen mit den Elektrodenanschlüssen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden. Die Vorrichtung schltet die Elektroden wechselseitig zur Überwachungs- bzw. zur Abschirmelektrode, wobei die Umschaltung fortlaufend und in festen Zeitintervallen erfolgt. Diese Anordnung ist besonders in solchen Ausstellungsräumen vorteilhaft, die durch dünne Wände getrennt werden, an denen beidseitig der Wand Ausstellungsobjekte angeordnet sind. Die Objekte an den beiden Seiten der Wand können durch die Elektroden getrennt überwacht werden, ohne dass die jeweils rückseitige Elektrode einen störenden Einfluss auf das Überwachungsergebnis ausübt. In Anwendungsfällen, in denen die Elektroden innerhalb des Wandkörpers eingebaut sind, zeigen sich weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Vergleich zu den oben beschriebenen Dreilagenelektroden ist der Raumbedarf geringer, da auf die zwischen den Überwachungselektroden liegende passive Abschirmelektrode verzichtet werden kann. Dies ermöglicht auch einen größeren Abstand zwischen den Elektroden, was die Gefahr eines möglichen Kurzschlusses, hervorgerufen beispielsweise durch Befestigungsschrauben, verringert. Des Weiteren bedeutet der Verzicht auf eine dritte Elektrode eine Material- und Gewichtsersparnis gegenüber den herkömmlichen Dreilagenelektroden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

1 eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

2 eine Seitenansicht einer Elektrodenanordnung in einem Wandkörper.

Die anhand von 1 dargestellte Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen ist Teil eines Meldegerätes 2, an das drei Elektrodenpaare angeschlossen sind, jeweils in Form von ersten Elektroden 4 und zweiten Elektroden 6. Diese Elektroden 4 und 6 sind paarweise angeordnet, wobei eine erste Elektrode 4 mit einer zweiten Elektrode 6 ein Elektrodenpaar bildet. Gleichwohl 1 drei Elektrodenpaare zeigt, ist deren Anzahl beliebig und kann dem Bedarf des Anwenders angepasst werden.

Im Meldegerät 2 ist ein Oszillator 8 angeordnet, wobei der Schwingkreis 10 des Oszillators 8 extern dargestellt ist. Die Induktivität des Schwingkreises 10 ist durch die Primärspule 11 eines Übertragers 12 gebildet, dessen Sekundärspule 13 am Erdpotential einerseits liegt sowie andererseits mit einer Messleitung 15 verbunden ist. Die Sekundärspule 13 des Übertrages ist über die Messleitung 15 mit einer der Elektroden 4, 6 leitungsverbindbar, die über Koaxialkabel an die entsprechenden Koaxialanschlüsse des Meldegerätes 2 herangeführt sind. Innerhalb des Gerätes 2 liegt zwischen der Messleitung 15 und dem jeweiligen Anschluss für eine Leitung 14 ein Wechselschalter 16, in Form eines Relais. Jeder Wechselschalter 16 weist zwei mögliche Schaltstellungen auf, eine, in welcher eine Elektrode 4, 6 an Erdpotential und eine andere, an welcher eine Elektrode 4, 6 mit der Messleitung 15 verbunden ist.

Die Ansteuerung der Wechselschalter 16 erfolgt über eine Auswert- und Ansteuerungseinheit 18. Diese steuert die Wechselschalter 16, z.B. durch einen Multiplexer, so an, dass jeweils nur ein Wechselschalter 16 eine Elektrode 4 oder 6 mit dem Oszillator 8 verbindet und alle übrigen Wechselschalter 16 die restlichen Elektroden 4 und 6 an Erdpotential anlegen. Die geerdeten Elektroden 4 und 6 sind nicht aktiv. Lediglich die jeweils mit dem Oszillator 8 verbundene Elektrode 4 oder 6 bildet zusammen mit Erde ein kapazitives Feld, wobei die zweite Elektrode 4 oder 6 des entsprechenden Elektrodenpaars dieses Feld elektrisch abschirmt. Die Auswert- und Ansteuerungseinheit 18 steuert die Wechselschalter 16 zyklisch nacheinander so an, dass in bestimmten Intervallen alle Elektroden 4 und 6 aktiv geschaltet werden, d. h. ein kapazitives Feld bilden.

Da dieses kapazitive Feld eine Teilkapazität der Schwingkreiskapazität des Oszillators 8 darstellt, bewirkt eine Kapazitätsänderung des durch die aktiv geschaltete Elektrode 4 oder 6 gebildeten Feldes eine Verstimmung des Schwingkreises 10 und damit eine Änderung der Betriebsfrequenz des Oszillators 8. Die Frequenzänderung bzw. die Änderung der sich hieraus ergebenden elektrischen Messgrößen wird von der mit dem Oszillator 8 verbundenen Auswert- und Ansteuerungseinheit 18 erfasst und verarbeitet, indem das Ergebnis an einen angeschlossenen Melder 20 weitergereicht wird. Der Melder 20 kann eine Anzeigevorrichtung aufweisen, in der eine oder mehrere Kapazitätsänderungen und die betroffenen Elektroden 4 oder 6 angezeigt werden. Ferner kann der Melder 20 im Rahmen von Überwachungsanlagen einen Alarm auslösen oder einen Alarm an eine externe Alarmzentrale weiterleiten.

2 zeigt eine Seitenansicht einer Elektrodenanordnung in einem Wandkörper. Die Elektroden 4 und 6 sind an einem Befestigungsrahmen angeordnet. Dieser weist zumindest zwei Vertikalstreben 22 auf, die aus einem Metallprofil gebildet werden. Bevorzugt werden die Vertikalstreben 22 aus einem Vierkant-Rohr aus Aluminium gebildet, es sind aber auch andere Profilformen und Materialien denkbar. Die Querverbindung der Vertikalstreben 22 erfolgt an deren unteren Enden durch je eine Sockelplatte 24 und an deren oberen Enden je durch eine Abdeckplatte 26. Dabei werden die Vertikalstreben 22 mit der Sockelplatte 24 und der Abdeckplatte 26 über durch die Profile geführte Gewindestangen 28 verspannt. Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 6, die flächenförmig ausgebildet sind, sind über mehrere Isolatoren 30 miteinander verbunden. Bevorzugt bestehen die Isolatoren 30 aus Delrin oder ähnlichen elektrisch nicht leitenden Materialien. Über die Isolatoren 30 sind die Elektroden 4 und 6 mit dem Befestigungsrahmen verbunden. Der Befestigungsrahmen mit den Elektroden 4 und 6 ist nach außen hindurch eine erste Wandung 32 und eine zweite Wandung 34 verkleidet, die beispielsweise aus Rigips, Spanplatte oder dgl. bestehen.

2Meldegerät 4Erste Elektrode 6Zweite Elektrode 8Oszillator 10Schwingkreis 11Primärspule des Übertrages 12Übertrager 13Sekundärspule des Übertrages 14Leitung 15Messleitung 16Wechselschalter 18Auswert- und Ansteuerungseinheit 20Melder 22Vertikalstreben 24Sockelplatte 26Abdeckplatte 28Gewindestange 30Isolator 32Erste Wandung 34Zweite Wandung

Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Erfassung kapazitiver Feldänderungen mit mindestens einem Oszillator (8) an den unmittelbar oder mittels eines Übertragers (12) mindestens ein kapazitives Feld anschließbar ist, das durch mindestens eine erste aktive Elektrode (4) gebildet ist, wobei die aktive Elektrode (4) durch mindestens eine zweite geerdete Elektrode (6) abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (16) vorgesehen sind, welche wahlweise die erste Elektrode (4) auf Erdpotential legen und die zweite Elektrode (6) aktiv schalten oder umgekehrt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Elektrode (4, 6) ein Wechselschalter (16) vorgesehen ist, welcher die Elektrode (4, 6) wahlweise mit einer Messleitung (15) oder mit dem Erdpotential verbindet.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselschalter (16) durch ein Relais gebildet ist, das in einer ersten unbestromten Stellung die Verbindung zur Messleitung (15) unterbricht und die Elektrode (4, 6) mit dem Erdpotential verbindet und in einer zweiten bestromten Stellung die Messleitung (15) und die Elektrode (4, 6) verbindet.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Anschluss mehrerer Elektrodenpaare ausgebildet ist, deren Elektroden (4, 6) zyklisch nacheinander mit dem Oszillator (8) bzw. dem Übertrager (12) verbindbar sind.
  5. Überwachungsanlage, insbesondere zur Überwachung von Wandobjekten, mit einer Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer kapazitiven Feldänderung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine zu überwachende Wand (32, 34), die zumindest eine erste Elektrode (4) zu einer Seite und zumindest eine zweite Elektrode (6) zur anderen Seite der Wand (32, 34) aufweist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com