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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.
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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 197 20 713 C1 ,
DE 199 13 879 C1 ,
DE 102 20 725 C1 ,
DE 103 05 342 B4 und
EP 1 154 110 B1 hingewiesen.
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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.
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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 vorhanden 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 Verfah ren 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.
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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.
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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.
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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
(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,
die die Differenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und
dem zweiten Potential (Uref–) bestimmt
und die daraus die Kapazität (CSensor)
des Sensors bestimmt.
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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 (Uref+)
gespeist wird, dass die zweite Elektrode (3) mit einem
zweiten Potential (Uref–) gespeist
wird, wobei das zweite Potential (Uref–) von
dem ersten Potential (Uref+) verschieden
ist, dass die Dif ferenz zwischen dem ersten Potential (Uref+) und dem zweiten Potential (Uref–) bestimmt wird und dass daraus
die Kapazität (CSensor) des Sensors
bestimmt wird.
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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.
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Vorteilhafter
Weise wird das Speisen der ersten Elektrode mit dem ersten Potential
Uref+ 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.
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Entsprechendes
gilt für die zweite Elektrode, die mittels einer zweiten
Spannungsquelle auf das zweite Potential Uref– gebracht
werden kann. Auch hier dient ein Schalter zwischen Elektrode und
Spannungsquelle der Trennung zur Kapazitätsmessung.
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Als
hinderlich bei der Kapazitätsmessung hat sich erwiesen,
dass die Elektroden des Sensors eine parasitäre Offsetkapazität
COffset 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.
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Zur
Verbesserung der Kapazitätsmessung ist daher vorgesehen,
dass die Offsetkapazitäten COffset P und
COffset N durch parallele Ladungseinspeisung kompensiert
werden, indem definierte Potentiale Ucomp+ bzw.
Ucomp– 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 COffset in den
optimalen Bereich verschoben werden.
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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.
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In
der Praxis ist die Kapazität des Sensors sehr groß,
beispielsweise im Bereich 100 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.
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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.
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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.
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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.
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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 aufgeschaltet wird.
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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.
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Hinsichtlich
einer vereinfachten Auswertung weist die Auswerteelektronik symmetrische
Eingänge auf.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Driftkompensation durch
Nachführen der Potentiale Uref+ und
Uref– 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.
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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 Detektion 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.
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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 masseunabhängi gen 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.
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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
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1 in
einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau
eines erfindungsgemäßen Einklemmschutzes und
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2 ein
Schaltbild einer als Verstärkerschaltung ausgeführten
Auswerteelektronik.
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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 COffset
P bzw. COffset N wiedergegeben. Nähert
sich ein Körper – beispielsweise ein Finger 4 – der
Sensoranordnung 1, ändert sich die Kapazität
CSensor. 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 Aus wertung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise durch
Ladungsmessung oder durch eine Zeitmessung.
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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 Cint, die von jeweils
einem Ausgang des Operationsverstärkers 6 auf
den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang zurückkoppeln.
Die Auswerteelektronik 5 ist mit Masse M2 verbunden.
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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 COffset P und COffset 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 COffset 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 COffset N 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.
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Zur
Kompensation der Offsetkapazitäten COffset
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.
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Zur
Messung der Kapazität CSensor des
Sensors wird die Ladungsquelle in bekannter Weise verwendet, indem
in einem ersten Schritt Referenzspannungen Uref+ und
Uref– über Schalter 10 auf
die Sensorkapazität CSensor angelegt
werden. Nach dem Auf ladevorgang 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.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen
Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche
verwiesen.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4006119
A1 [0002, 0004]
- - EP 1474582 A1 [0002, 0003]
- - DE 4329535 A1 [0002, 0003]
- - DE 10310066 B3 [0002, 0004]
- - DE 19720713 C1 [0002]
- - DE 19913879 C1 [0002]
- - DE 10220725 C1 [0002]
- - DE 10305342 B4 [0002]
- - EP 1154110 B1 [0002, 0004]