DE2739786A1

DE2739786A1 - Capacitive proximity switch with two concentric electrodes - forms capacitor encircled by earthed screen electrode

Info

Publication number: DE2739786A1
Application number: DE19772739786
Authority: DE
Inventors: Henner Woerdehoff
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 1977-09-03
Filing date: 1977-09-03
Publication date: 1979-03-15

Abstract

The capacitive proximity switch has a screen and is designed to operate at the same point even in the presence of dust and other contaminants. Two concentric electrodes (15, 16) form the capacitor coupled into the resonant circuit of an oscillator. The two electrodes are encircled by the earthed screen electrode (17). The central electrode may be a plane disc or it may comprise radial arms making a multi-point star. Alternatively, the concentric ring structure may be replaced by alternate screen, first-plate and second-plate segments.

Description

Kapazitiver Annäherungsschalter mit einer Capacitive proximity switch with a

ehrteilizen Annäherungselektrode Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungsschalter mit einer mehrteiligen Annäherungselektrode, von welcher ein Elektrodenteil als Fühlelektrode an den Eingang eines schwingfähigen, gegengekoppelten Schaltkreises und ein anderer Elektrodenteil als Gegenkopplungselektrode an das Gegenkopplungspotential angeschlossdn sind. dividing proximity electrode The invention relates to a capacitive one Proximity switch with a multi-part proximity electrode, one of which Electrode part as a sensing electrode to the input of a vibratory, counter-coupled Circuit and another electrode part as a negative feedback electrode to the Negative feedback potential are connected.

Bei den bekannten kapazitiven Innäherungsechaltern, die neben der eigentlichen Fühlelektrode noch eine Abschirmelektrode besitzen, ist nachteilig, daß sie gegenüber äußeren Störeinflüssen wie Bestaubung, Betauung, Benetzung oder Verschmutsung enprindlich sind mit der Folge, daß der Annäherungsabstand, bei der ein Schaltvorgang ausgelöst wird, sich oft beträchtlich gegenüber den Soll-Schaltabstand verschiebt, wobei ii Extremfall allein schon durch solche Störeinflüsse ein Schaltvorgang ausgelöst oder die Schaltungsfähigkeit des Annäherungsschalters aufgehoben werden kann.In the case of the known capacitive proximity switches, which in addition to the actual sensing electrode still have a shielding electrode is disadvantageous, that they protect against external disturbances such as dust, condensation, wetting or Soiling are final with the consequence that the approach distance at which a switching process is triggered, often significantly compared to the target switching distance shifts, where ii Extreme case alone due to such interference a switching process triggered or the switching capability of the proximity switch can be canceled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei kapazitiven, mit einer ibschiriwig versehenen Näherungsschaltern die Einhaltung des Soll-Schaltabstandes auch bei Vorliegen äußerer Störeinflüsse wie Bestaubung, 3etauung, Benetzung oder Verschmutzung zu gewährleisten.The invention is based on the object with capacitive, with a ibschiriwig provided proximity switches ensure compliance with the target switching distance even if there are external disturbances such as dust, condensation, wetting or To ensure pollution.

Ausgehend von einem kapazitiven Annäherungsschalter der gattungsgemäßen Art, besteht die Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß darin, daß die Annäherungselektrode einen dritten, geerdeten Elektrodenteil als Erdelektrode aufweist und daß die Fühlelektrode geometrisch zwischen der Gegenkopplungselektrode und der Erdelektrode liegt.Starting from a capacitive proximity switch of the generic type Art, the solution to this problem according to the invention is that the proximity electrode has a third, grounded electrode part as a ground electrode and that the sensing electrode is geometrically between the negative feedback electrode and the ground electrode.

Durch diese Maßnahmen verkörpert die Annäherungselektrode zwei Kondensatoren, und zwar einen Erdelektrode/Fühlelektrode-Kondensator und einen Fühlelektrode/Gegenkopplungselektrode-Kondensator, deren Kapazität sich bei Bestaubung, Betauung oder dgl. vergrößern, so daß etwa in gleichea Maße, in dei Energie über den erstgenannten Kondensator zur Erde hin abfließt, Energie über den zweitgenannten Kondensator vol Gegenkopplungskre is an die Fühlelektrode nachgeliefert wird.Through these measures, the proximity electrode embodies two capacitors, namely a ground electrode / sensing electrode capacitor and a sensing electrode / negative feedback electrode capacitor, whose capacity increases with dust, condensation or the like. So that about in the same measure, in the energy to earth via the first-mentioned capacitor flows away, energy via the second-mentioned capacitor vol negative feedback circuit is on the sensing electrode is delivered later.

Hierdurch wird eine selbsttätige Kompensation bei Vorliegen der erwähnten Störeinflüsse erreicht, wodurch der Sollschaltpnnkt des Annäherungsschalters konstant gehalten wird.This creates an automatic compensation if it is present the mentioned interfering influences reached, whereby the target switching point of the proximity switch is kept constant.

In den Unteransprüchen sind mehrere Ausführungsarten einer dreiteiligen Annäherungselektrode nach der Erfindung angegeben.In the subclaims several types of embodiment of a three-part Proximity electrode specified according to the invention.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen Fig. 1 ein Schaltbild eines kapazitiven Annäherungsschalters nach der Erfindung Fig. 2 in einer Stirnansicht die geometrische Gestalt der dreiteiligen Annäherungselektrode, Fig. 3 in einem Vertikalschnitt die Annäherungselektrode nach Fig. 2, Fig. 4 5 und 6 in Stirnansicht drei weitere Ausfühuungsformen der Annäherungselektrode und Fig. 7 und 8 in Stirnansicht und im Axialschnitt noch eine weitere Ausführungsform der Annäherungselektrode.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, 1 shows a circuit diagram of a capacitive proximity switch according to FIG of the invention Fig. 2 in an end view the geometric shape of the three-part Approach electrode, Fig. 3 shows the approach electrode in a vertical section FIGS. 2, 4, 5 and 6 show three further embodiments of the proximity electrode in an end view and FIGS. 7 and 8 show yet another embodiment in an end view and in axial section the proximity electrode.

Fig. 1 zeigt einen kontakt- und berührungslos arbeitenden kapazitiven Näherungsschalter mit einem Oszillator 1, einem HF-Gleichrichter 2, einem Schaltverstärker 3 und einer Ausgangsstufe 4 deren Ausgang ein nur be.spielhaft angegebenes Relais 5 schaltet. Alle Schaltkreise werden von einem gemeinsamen, nicht gezeigten Netzteil über Versorgungsleitungen 6, 7 mit Gleichspannung versorgt.Fig. 1 shows a contactless and non-contact working capacitive Proximity switch with an oscillator 1, an HF rectifier 2, a switching amplifier 3 and an output stage 4, the output of which is a relay that is only given as an example 5 switches. All circuits are from a common, not shown power supply Supplied with DC voltage via supply lines 6, 7.

Der Oszillator 1 besitzt einen Eingangstransistor T1 in Bais-(Basis)-Schaltung, dessen Kollektor über einen Widerstand 8 an der Plus-Versorgungsspannung und dessen Emitter über einen Widerstand 9 an der Minus- bzw. Null-Versorgungsspannung anliegt, an welche auch die Basis von T1 über einen Widerstand 10 angeschlossen isto Der Oszillator 1 umfaßt ferner einen Stromverstärker-Transistor T2 in Eollektor-(Basis)-Schaltung, dessen Kollektor an der Versorgungsleitung 7 liegt, während sein Emitter über ein Potentiometer 11 mit der Versorgungsleitung 6 verbunden ist. Die Basis von T2 ist mit dem Kollektor von T1 verbunden, so daß an der Basis von T2 dine Spannung anliegt, welche von dem aus den Widerständen 8 und 9 und dem Transistor T1 gebildeten Spannungsteiler geliefert wird. Bei gesperrtem (im Einschaltaugenblick) Transistor T1 ist T2 leitend.The oscillator 1 has an input transistor T1 in a base circuit, its collector via a resistor 8 to the plus supply voltage and its The emitter is connected to the minus or zero supply voltage via a resistor 9, to which the base of T1 is also connected via a resistor 10 Oscillator 1 also includes a current amplifier transistor T2 in an E-collector (base) circuit, whose collector is connected to the supply line 7, while its emitter has a Potentiometer 11 is connected to the supply line 6. The base of T2 is connected to the collector of T1, so that there is a voltage at the base of T2, which of the voltage divider formed from the resistors 8 and 9 and the transistor T1 is delivered. When the transistor T1 is blocked (at the moment it is switched on), T2 is conductive.

Da der Emitter von T2 einer einen Gegenkopplungswiderstand 12 mit der Basis von T1 verbunden ist, erhält T1 einen gewissen Leitwert, wodurch die Basis von T2 ein bestimmtes Spannnngspotential einnimmt, Der Emitter von T2 ist über das Potentiometer 11 und einen Kondensator 13 an den Emitter von T1 rückgekoppelt. Der Grad der Rüekkopplung wird durch das Potentiometer 11 derart eingestellt, daß der Oszillator 1 im Grundzustand nicht schwingt und somit an den Gleichrichter 2 kein Wechselspannungssignal liefert.Since the emitter of T2 has a negative feedback resistor 12 with connected to the base of T1, T1 receives a certain conductance, which makes the base of T2 assumes a certain voltage potential, the emitter of T2 is over the Potentiometer 11 and a capacitor 13 fed back to the emitter of T1. Of the Degree of feedback is set by the potentiometer 11 such that the In the basic state, oscillator 1 does not oscillate and therefore does not pass to rectifier 2 AC voltage signal supplies.

Der Oszillator 1 besitzt eine dreiteilige Annäherungselektrode 14, deren mittlerer Elektrodenteil als Fühlelektrode 15 mit der Basis von T1 verbunden ist und ein elektrisches Feld besitzt. Bei Annäherung eines Körpers an die Fühlelektrode 15 wird in bekannter Weise der in Grundzustand vorliegende Gleichgewichtszustand zwischen Gegenkopplung über den Widerstand 12 und Rückkopplung über das Potentiometer 11 und den Kondensator 13 aufgehoben und der Oszillator 1 zui Schwingen gebracht, so daß an den Gleichrichter 2 eine Wechselspannung geliefert wird, durch die über die Schaltkreise 3 und 4 eine Schaltung des Relais 5 bewirkt wird.The oscillator 1 has a three-part proximity electrode 14, whose central electrode part is connected as a sensing electrode 15 to the base of T1 and has an electric field. When a body approaches the sensing electrode 15 becomes the state of equilibrium present in the basic state in a known manner between negative feedback via resistor 12 and feedback via the potentiometer 11 and the capacitor 13 are canceled and the oscillator 1 is brought to oscillate, so that an AC voltage is supplied to the rectifier 2, through the over the circuits 3 and 4 a switching of the relay 5 is effected.

Annäherungsschalter der vorbeschriebenen Art benötigen eine ibschiriung der Fiihlelektrode 15, wenn sie nur auf einen axial von vorne sich annähernden Körper ansprechen sollen.Proximity switches of the type described above require information of the filling electrode 15, if it is only on a body approaching axially from the front should address.

Wird hierfür eine die Fahlelektrode 15 umgebende, geerdete Abschirmelektrode vorgesehen, bilden die beiden Elektrodenteile einen Kondensator, dessen Kapazität bei Verstauhung, Betauung oder dgl. Störeinflüssen vergrößert wird, wodurch der Oszillator ungevollt zu einem Schwingen und Auslösen eines Schaltvorganges veranlaßt werden kann. Umgibt man dagegen die Fühlelektrode 15 mit einer auf Gegenkopplungs potential liegenden Abschirmelektrode, wird bei den vorgenannten Störeinflüssen die Kapazität zwischen Abschirmelektrode und Fuh'lelektrode 15 ebenfalls vergrößert, Jedoch unter gleichzeitiger Erhöhung des Gegenkopplungspotentials an der Basis von Ti, wodurch die Bedingungen für eine Schwingungsauslösung des Oszillators 1 derart verschoben werden, daß der Oszillator erst bei einer uber die Sollannäherung hinausgehenden Annäherung des zu erfassenden Körpers anschwingt.For this purpose, a grounded electrode which surrounds the flat electrode 15 is used Shielding electrode provided, the two electrode parts form a capacitor, its capacitance in the event of stowage, condensation or the like. Interference is increased, whereby the Oscillator inadvertently caused to oscillate and trigger a switching process can be. If, on the other hand, the sensing electrode 15 is surrounded by a negative feedback potential shielding electrode, is used in the case of the aforementioned interfering influences the capacitance between the shielding electrode and the base electrode 15 is also increased, However, with a simultaneous increase in the negative feedback potential at the base of Ti, whereby the conditions for an oscillation release of the oscillator 1 in such a way be shifted so that the oscillator only goes beyond the target approach Approach of the body to be detected swings.

Vorliegend ist die Annäherungselektrode 14 dreiteilig ausgebildet und besteht, - vergleiche auch Fig. 2 und 3 - aus der ringförmigen Fuhlelektrode 15, welche eine zentrale Gegenkopplungselektrode 16 umschließt und selbst von einer ringförmigen äußeren Masse- bzw. Erdelektrode 17 umschlossen ist. Die Erdelektrode 17 ist über die Versorgungsleitung 6 geerdet, während die zentrale Gegenkopplungselektrode 16 an den Emitter von T2 angeschlossen ist und auf Gegenkopplungspotential liegt. Die Annäherungselektrode 14 stellt somit zwei Kondensatoren 15/16 und 15/17 dar, deren Kapazitäten bei Bestaubung, Betauung oder dgl. beide vergrößert werden.In the present case, the approach electrode 14 is designed in three parts and consists - compare also FIGS. 2 and 3 - of the ring-shaped sensing electrode 15, which encloses a central negative feedback electrode 16 and itself from a annular outer ground or earth electrode 17 is enclosed. The earth electrode 17 is grounded via the supply line 6, while the central negative feedback electrode 16 is connected to the emitter of T2 and is at negative feedback potential. The proximity electrode 14 thus represents two capacitors 15/16 and 15/17, the capacities of which are both increased in the event of dust, condensation or the like will.

Die geometrischen Abmessungen der Elektroden 15, 16 und 17 werden derart gewählt, daß in gleichem Maße, in dem Energie über den Kondensator 15/17 afließt, Energie über den Kondensator 15/16 vom Gegenkopplungskreis an die Fühlelektrode 15 nachgeliefert wird, so daß die beschriebenen Störeinflüsse selbsttätig kompensiert werden und der Sollschaltpunkt des Annäherungsschalters konstant bleibt.The geometrical dimensions of the electrodes 15, 16 and 17 will be chosen such that to the same extent, in the energy through the capacitor 15/17 A flows, energy through the capacitor 15/16 from the negative feedback circuit to the sensing electrode 15 is subsequently delivered, so that the described interference is automatically compensated and the setpoint switching point of the proximity switch remains constant.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der dreiteiligen Annäherungselektrode, deren zentrale Gegenkopplungselektrode 18 etwa sternförmig ausgebildet ist und von einer mit einer angepaßten Innenverzahnung versehenen Fühlelektrode 19 und diese wie in Ausführungsform nach Fig. 2 wiederum von einer glattrandigen, ringförmigen Abschirm- oder Erdelektrode 20 umschlossen ist. Hierdurch wird in Anpassung an die schaltungsmäßige Oszillatorauslegung die Kapazität des Kondensators 18/19 gegenüber der Kapazität des Kondensators 19/20 erhöht und zugleich eine gleichmäßigere Kompensation bei über die Gesamtelektrodenfläche schwankender Bestaubung oder Betauung erzielt.Fig. 4 shows a modified embodiment of the three-part proximity electrode, whose central negative feedback electrode 18 is approximately star-shaped and from a sensing electrode 19 provided with an adapted internal toothing and this as in the embodiment according to FIG. 2 again from a smooth-edged, annular Shielding or ground electrode 20 is enclosed. This is in adaptation to the circuit-based oscillator design compared to the capacitance of the capacitor 18/19 the capacitance of the capacitor 19/20 is increased and at the same time a more uniform compensation achieved with dust or condensation fluctuating over the entire electrode surface.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Annäherungselektrode aus einer durch acht Diametralschnitte unterteilten Scheibe besteht, bei welcher zwei diametral einander gegenüberliegenden Sektoren 21, 22 an Masse oder Erde (Leitung 6) liegen, zwei hierzu senkrecht orientierte, diambtral sich gegenüberliegende Sektoren 23, 24 an den Emitter von T2 und vier, Jeweils zwischen einem Masse (k)-und einem Emitter (E§-Sektor liegende Sektoren 25 an die Basis von T1 angeschlossen sind, Durch eine solche Vervielfachung der drei Elektrodenteile wird eine besonders gute Kompensation bei schwankender Bestaubung oder Betauung erreicht. Gemäß Fig. 6 kann die Annäherungselektrode 26 auch rasterförmig aus einer Vielzahl von sehr kleinen Einzelelektroden X, B, E bestehen, wobei jeweils eine Fühlelektrodenfläche B in Zeilen- und Spaltenrichtung zwischen einer Gegenkopplungselektrodenfläche E und einer Erde- bzw.Fig. 5 shows a further embodiment in which the proximity electrode consists of a disc divided by eight diametrical sections, in which two diametrically opposing sectors 21, 22 to ground or earth (line 6), two vertically oriented diambtrally opposite sectors 23, 24 at the emitter of T2 and four, each between a ground (k) and an emitter (E§ sector lying sectors 25 to the base of T1 are connected, By such a multiplication of the three electrode parts becomes a particularly good compensation for fluctuating dust or condensation achieved. According to FIG. 6, the proximity electrode 26 can also consist of a grid-like pattern A large number of very small individual electrodes X, B, E exist, each with one Sense electrode area B in row and column direction between a negative feedback electrode area E and an earth resp.

Masseelektrodenfläche M liegt.Ground electrode area M lies.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Annäherungselektrode 27, bei welcher die ringförmige Fühlelektrode 28 eine zentrale Erde-bzwO Masseelektrode 29 umschließt und von einer ringförmigen Gegenkopplungselektrode 30 umschlossen ist. Die Oszillatorschaltung ist von einer zusätzlichen Abschirmhülse 31 umschlossen. Die Elektrodenteile 28, 29, 30 sitzen hier wie auch bei allen anderen Ausführungsformen auf einer rückwärtigen Kunststofftragplatte 32 und sind an ihrer Vorderseite durch eine Kunststoffkappe 33 gegen Korrosionseinflüsse geschützt.7 and 8 show a proximity electrode 27 in which the ring-shaped sensing electrode 28 encloses a central ground or ground electrode 29 and is enclosed by an annular negative feedback electrode 30. The oscillator circuit is enclosed by an additional shielding sleeve 31. The electrode parts 28, 29, 30 sit here, as in all other embodiments, on a rearward one Plastic support plate 32 and are on their front side by a plastic cap 33 protected against the effects of corrosion.

Claims

Claims Capacitive proximity switch with a multi-part Proximity electrode of which one part of the electrode is attached to the input as a sensing electrode an oscillating, negative feedback circuit and another electrode part are connected as a negative feedback electrode to the negative feedback potential, thereby characterized in that the proximity electrode (14) has a third, grounded electrode part as a ground electrode (17) and that the sensing electrode (15) geometrically between the negative feedback electrode (16) and the ground electrode (17).

2. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the sensing electrode (15) is designed as a ring, which has a central electrode part and enclosed by an outer annular electrode part itself is0

3. Proximity switch according to claim 2, characterized in that either the central electrode part as a negative feedback electrode (16) and the outer electrode part as an earth electrode (17) or that the central electrode part as an earth electrode (29) and the outer electrode part is connected as a negative feedback electrode (30),

4th Proximity switch according to Claims 1 and 2, characterized in that the central negative feedback electrode (18) is star-shaped and within a sensing electrode (19) provided with an adapted internal toothing.

5. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the three electrode parts each from a group of electrically interconnected There are individual electrodes, each individual sensing electrode (25) geometrically between a single negative feedback electrode (23, 24) and a single earth electrode (21, 22) lies.

6. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the approach electrode (26) consists of a grid of individual electrodes (M, B, E), which are electrically interconnected to form a three-part electrode.