CN104272097A - 用于测量传感器元件电容的电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量传感器元件（3）、尤其电容式湿度传感器的传感器元件电容（C_s）的电路系统（1），包括：传感器元件（3），其具有传感器元件电容（C_s）；电荷存储元件（6），其直接或仅经由电阻元件（5）串联地与传感器元件连接；以及控制单元（21），其构造用于将电荷存储元件（6）充电到一参考电压上并且经由传感器元件电容（C_s）逐渐地再充电，直至电荷存储元件（6）达到一确定的比较电压（U_th），其中，再充电过程的如此获知的传感器元件数目展示出关于传感器元件（3）的传感器元件电容（C_s）的说明。

Description

用于测量传感器元件电容的电路系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量传感器元件电容的电路系统，尤其是这样的电路系统，它们借助于微控制器获知电容。此外，本发明涉及一种用于电容式湿度测量的电路系统。

背景技术

说明空气湿气含量的湿度测量通常借助于电容式湿度传感器来执行。为了确定空气中的湿气而至少相对于参考电容获知湿度传感器的电容并配属给一湿度值。

由文献US 7,084,644 B2示出了一种电路系统，用于测量湿气，借助于电容式湿度传感器和借助于微处理器。为了测量湿气，所述湿度传感器被重复地充电并放电到一电荷存储元件中并询问，如果关于电荷存储元件的电压达到或超过一阈值。放电过程的数目然后表示了对于湿度传感器的电容的一量度。为了能够在没有电荷存储元件的放电的情况下执行所述湿度传感器的放电过程，设置有一保护二极管或一开关，该开关在湿度传感器充电的时间点上将该湿度传感器从电荷存储元件分开。

发明内容

根据本发明设置了一种根据权利要求1的用于测量传感器元件的传感器元件电容的电路系统。

本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中描述。

根据一个方面设置了一种用于测量传感器元件，尤其是电容式湿度传感器的传感器元件电容的电路系统，该电路系统包括：

- 传感器元件，其具有传感器元件电容；

- 电荷存储元件，其直接或仅经由一欧姆式电阻元件串联地与传感器元件连接；以及

- 控制单元，其构造用于将电荷存储元件充电到一参考电压上并且经由传感器元件电容逐渐地再充电，直至电荷存储元件达到一确定的比较电压，其中，再充电过程的如此获知的传感器元件数目展示出关于传感器元件的传感器元件电容的说明。

用于测量电容性传感器元件的上述电路系统的构思在于：该电路系统可以仅在使用被动构件如电容和电阻以及微控制器的情况下构建，而在根据上述现有技术的电路系统中必须附加地设置一个二极管或一个或多个开关，用于开关微控制器外部的模拟电参数。

通过没有附加的主动构件地实现所述电路系统可以一方面减少用于制造电路系统的耗费并且另一方面也提高了该电路系统的可靠性。

在原理上，这通过如下方式来实现：电荷存储元件可以在一些开关状态下从一公共的参考电位分开，由此能够没有开关或开关二极管地实现评价。

此外可以设置：所述控制单元为了传感器元件电容的再充电而被放电并且接下来与电荷存储元件串联连接，从而使得电荷存储元件的电荷被分配到电荷存储元件和传感器元件上。

根据一实施方式可以设置一具有参考元件电容的参考元件。控制单元还可以构造用于将电荷存储元件充电到一参考电压上并且经由参考元件电容逐渐地再充电，直至电荷存储元件达到确定的比较电压，其中，借助于参考元件的再充电过程的如此获知的参考元件数目展示出关于参考元件的参考元件电容的说明，其中，传感器元件电容能从参考元件电容的值、参考元件数目和传感器元件数目中获知。

所述控制单元尤其可以构造用于使电荷存储元件的借助于传感器元件电容的再充电以及电荷存储元件的借助于传感器元件电容的再充电分别根据预先给定的第一和第二周期时间来执行，并且构造用于为了获知传感器元件电容通过在第一和第二周期时间中获知的借助于参考元件的再充电过程的参考元件数目到零的周期时间上的线性外推来确定一参考元件偏移值并且通过在第一和第二周期时间中获知的借助于传感器元件的再充电过程的传感器元件数目到零的周期时间上的线性外推确定一传感器元件偏移值，并且构造用于将参考元件数目和传感器元件数目在确定传感器元件电容之前利用参考元件偏移值或传感器元件偏移值来加载。

所述控制单元此外可以相应于一微控制器，该微控制器具有接口和开关网络，其中，该开关网络针对所述接口中的每一个接口都具有一用于将接口与一参考电位连接起来的第一开关，以及一用于将接口与一基准电位连接起来的第二开关。

可以设置：所述传感器元件和所述电荷存储元件分别连接在控制单元的两个接口之间并且与一公共的接口连接。

附图说明

下面参照附图详细阐释本发明的优选的实施方式。其中：

图1 示出了一用于测量传感器元件电容的电路系统的示意图；

图2 示出了用于观察由微控制器实施的测量方法的流程图；以及

图3 示出了另一用于测量传感器元件电容的电路系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了一电路系统1，具有一微控制器2，该微控制器具有接口P1至P5。微控制器2包括一控制单元21和第一开关元件S1H至S5H，用以将相应的接口P1至P5根据开关状态的不同与一参考电压U_ref连接或从其上断开。该参考电压U_ref可以在微控制器2中在内地由一供电电压产生，或者如图1所示，经由一分开的参考电压接口从外部提供给微控制器2。设置有两个开关元件S1L至S5L，用以将相应的接口P1至P5根据开关状态的不同与一地电位GND连接。控制单元21与开关元件S1H至S5H、S1L至S5L的控制接口连接，用以将它们打开和闭合。

在微控制器2的外部，在第一接口P1连接一具有传感器元件电容C_s的电容式传感器元件3的、例如一湿度传感器的第一接口。在湿度传感器作为传感器元件3的情况下，传感器元件电容根据相对空气湿气而改变。

在微控制器2的第二接口P2上连接一具有参考元件电容C_r的电容式参考元件4的第一接口。传感器元件3的和参考元件4的第二接口联接在一起并且经由第一电阻5（电阻元件）与微控制器2的第三接口P3连接。

此外，设置一电容式电荷存储元件6，其第一接口经由第二电阻7与微控制器2的第四接口P4连接。电荷存储元件6的第二接口与微控制器2的第三接口P3连接。

电荷存储元件6的第一接口还与一热电阻元件8连接，其第二接口与微控制器2的第五接口P5连接。热电阻元件8具有一与热相关的电阻值并且可以布置在传感器元件3上，从而在传感器元件3和热电阻元件8之间发生一温度补偿。

集成在微控制器2中地将第四接口P4与一比较元件22连接，该比较元件将施加在接口P4上的电压与一在微控制器内部产生并且提供的比较电压U_th进行比较并根据在接口P4上施加的电压是否大于所述比较电压U_th，提供一相应的比较结果信号E作为比较结果。

用于测量关于传感器元件电容C_s的说明的方法通过微控制器2的控制单元21执行并且结合图2的流程图更详细地描述。

详细地说，传感器元件3的评价首先在步骤S1中通过将电荷存储元件6充电到参考电压U_ref上来进行，其方式为，至少与微控制器2的第四和第五接口P4、P5连接的第一开关S4H、S5H被闭合并且电荷存储元件6的与微控制器2的第三接口P3连接的第二接口经由闭合的第二开关S3L与地电位GND连接。开关位置至少维持地如此之长，直到电荷存储元件6完全被充电到参考电压U_ref上。同时将处于控制单元21中的计数器的计数器值回置到一固定的预设值上，例如回置到零。

在下一步骤S2中将与微控制器2的第一接口P1连接的第二开关S1L闭合，而配属于第三接口P3的第二开关S3L被闭合或保持，用以将传感器元件3的两个接口与地电位GND连接起来且如此地使其放电。在针对一个测量第一次实施步骤S2时，该测量也可以与步骤S1同时执行。

在下一步骤S3中将配属于第三接口P3的第二开关S3L再次打开并且接下来在步骤S4中将与微控制器2的第一接口P1连接的第二开关S1L闭合，用以将电荷存储元件6的第二接口经由传感器元件3与地电位GND连接。

在电荷存储元件6中存储的电荷之后根据传感器元件电容C_s和电荷存储元件电容被分布到传感器元件3和电荷存储元件6上，从而将存储在电荷存储元件6中的电荷增量地以一确定的值减小。

接下来在步骤S5中打开第二开关S1L并且借助于比较元件22检测，是否在电荷存储元件6中存储的电压低于预先给定的比较电压U_th。

如果在步骤S6中确认，施加在比较元件22上的电压不低于比较电压U_th（选择：否），则将处于控制单元21中的计数器的计数器值增加并且重复地执行上述步骤S2至S5。如果在步骤S6中确认，施加在比较元件22上的电压超过比较电压U_th（选择：是），则在计数器中存储的计数器值n_Cs代表了一关于传感器元件3的传感器元件电容C_s的说明。

传感器元件3的传感器元件电容C_s的测量的原理在于，电荷存储元件6的电荷存储元件电容C_k被充电到一恒定的电压U_ref上。之后，将电荷存储元件6的电荷存储元件电容C_k逐渐地借助于传感器元件3的传感器元件电容C_s放电，方式为，从电荷存储元件6的电容中去除从电荷存储元件6的电荷存储电容C_k和传感器元件3的传感器元件电容C_s的比例中得出的依次相同的电荷份额，直至关于电荷存储元件6的电压U_Ck达到阈值电压U_th。为了该放电所需的开关周期的数目n_Cs通过控制单元21来计数并且针对电荷存储元件6的一恒定的载荷存储电容以及针对一恒定的比较电压U_th与1/C_s成正比。

传感器元件3的传感器元件电容C_s是与传感器温度相关的。出于该原因，为了测量湿度也检测传感器元件3的温度并且在计算湿度时予以考虑。

电荷存储元件6的电荷存储元件电容C_k的公差可以在一平衡过程中平衡。为此，上述的方法替代利用通过传感器元件3的放电而通过电荷存储元件6经由具有一限定的参考元件电容C_r的参考元件4的放电来执行并且因此获知参考周期的数目n_Cr，这些参考周期为了使电荷存储元件6放电到所述比较电压上是需要的。所述传感器元件3的传感器元件电容C_s然后由在所述电荷存储元件6利用传感器元件3放电时获得的周期的数目n_Cs与用于所述电荷存储元件6利用参考元件4放电时的周期的参考数目n_Cr的比例乘以参考元件4的参考元件电容C_r获得。以这种方式，测量与电荷存储元件6的电荷存储元件电容C_k和施加的参考电压U_ref无关。

因此，为每次测量前后相继地执行电荷存储元件6借助于传感器元件3的放电和电荷存储元件6借助于参考元件4的放电，以便获知对应的周期数目n_Cs、n_Cr。

能够出现在线路布置中的残余电流可以通过一校准过程利用两个不同的周期时间获知并被平衡。所述周期时间相应于持续时间，在该持续时间期间执行所述步骤4的再充电过程。循环持续时间t_cyc应当对于测量的所有再充电过程不仅在测量所述传感器元件电容C_s时而且在参考元件电容C_r的情况下都是恒定的。

在校准过程中，评价结果不仅在上述传感器元件电容测量时而且也在参考元件电容测量时利用两个不同的周期时间线性到0周期时间上地线性地外推。以这种方式可以在计数利用传感器元件3或利用参考元件4的电荷存储元件6的放电的情况下获知残余电流对计数结果的与时间相关的影响并且通过在不同的周期时间的情况下的计数结果到0周期时间上的线性外推的减法可以获知计数器偏移值，这些计数器偏移值从之前在两个测量中获知的计数值n_Cr、n_Cs减去，在这些计数值的为了获知所述传感器元件电容的除法之前。

温度评价可以类似于该方式在获知传感器元件3的传感器元件电容时被执行。所述电荷存储元件6的放电但是不通过传感器元件3，而是通过热电阻元件8执行，该热电阻元件具有正的温度梯度（PTC）。为此将微控制器2的第三接口P3通过相应的第二开关S3L与地电位GND连接并且微控制器2的第五接口P5通过相应的第二开关S5L同样与地电位GND连接，从而使得放电电流经由所述热电阻元件8流动，该放电电流连续减少在所述电荷存储元件6上下降的电压U_Ck。可以测量所述电荷存储元件电容C_k的完全充电状态和直至如下时间点的放电持续时间之间的放电持续时间，在该时间点，电压U_Ck达到所述比较电压U_th。所述放电持续时间可以通过设置在微控制器2中的时间测量装置来计数和获知。

电荷存储元件6的电荷存储元件电容C_k和参考电压U_ref的公差在该平衡过程中利用一参考电阻进行。为此如图3中示出的那样，附加于在图1中示出的系统的线路布置，在电荷存储元件6的第一接口上连接所述参考电阻9的第一接口，该参考电阻的第二接口与微控制器2的第六接口P6连接。在微控制器中，给第六接口设置相应的第一开关S6H用于与供电电位连接并且设置第二开关S6L用于与地电位GND连接。为了使电荷存储元件6通过参考电阻9放电而联接配置给所述第六接口P6的第二开关S6L，并确定持续时间t_r，直至电荷存储元件6的电压低于所述比较电压U_th。用于使电荷存储元件6通过参考电阻9放电的持续时间同样可以通过内部计时器获知。热电阻元件8的准确电阻值通过这样测量到的持续时间的比值乘以参考电阻9的已知的电阻值来获知。

因为在评价所述参考元件4时，所使用的电路板的与湿度相关的寄生电容施加对测量的影响，所以对于该评价需要湿度校准（交叉敏感性校准）。在此，与低通过滤的湿度信号，即电路板的潮透时间常数（Durchfeuchtungszeitkonstanten）相关地，为获知湿气含量计算不同的校准。参考元件4的评价的湿度敏感性涉及湿度通过传感器元件3在较低程度上的获知，因为传感器元件3的传感器元件电容C_s的确定被相同的寄生电容影响并因此自动补偿该效应的大部分，如果传感器元件3的传感器元件电容大致相应于参考元件4的参考元件电容。

Claims (6)

1. 用于测量传感器元件（3）、尤其电容式湿度传感器的传感器元件电容（C_s）的电路系统（1），包括：

- 传感器元件（3），其具有传感器元件电容（C_s）；

- 电荷存储元件（6），其直接或仅经由一电阻元件（5）串联地与传感器元件（3）连接；以及

- 控制单元（21），其构造用于将电荷存储元件（6）充电到一参考电压上并且经由传感器元件电容（C_s）逐渐地再充电，直至电荷存储元件（6）达到一确定的比较电压（U_th），其中，再充电过程的如此获知的传感器元件数目（n_Cs）展示出关于传感器元件（3）的传感器元件电容（C_s）的说明。

2. 按照权利要求1所述的电路系统（1），其中，为了再充电，将传感器元件电容（C_s）放电并且随后串联地与电荷存储元件（6）连接，从而使电荷存储元件（6）的电荷分配到电荷存储元件（6）和传感器元件（3）上。

3. 按照权利要求1或2所述的电路系统（1），其中，设置一具有参考元件电容（C_r）的参考元件（4），并且其中，控制单元（21）还构造用于将电荷存储元件（6）充电到一参考电压（U_ref）上并且经由参考元件电容（C_r）逐渐地再充电，直至电荷存储元件（6）达到所述确定的比较电压（U_th），其中，借助于参考元件（4）的再充电过程的如此获知的参考元件数目（n_Cr）展示出关于参考元件（4）的参考元件电容（C_r）的说明，其中，传感器元件电容（C_s）能从参考元件电容（C_r）的值、参考元件数目（n_Cr）和传感器元件数目（n_Cs）中获知。

4. 按照权利要求3所述的电路系统（1），其中，所述控制单元（21）构造用于使电荷存储元件（6）的借助于传感器元件电容（C_s）的再充电以及电荷存储元件（6）的借助于传感器元件电容（C_s）的再充电分别根据预先给定的第一和第二周期时间来执行，并且，构造用于为了获知传感器元件电容（C_s）通过在第一和第二周期时间中获知的借助于参考元件（4）的再充电过程的参考元件数目（n_Cr）到零的周期时间上的线性外推来确定一参考元件偏移值并通过在第一和第二周期时间获知的借助于传感器元件（3）的再充电过程的传感器元件数目（n_Cs）到零的周期时间上的线性外推确定一传感器元件偏移值，并且，构造用于将参考元件数目（n_Cr）和传感器元件数目（n_Cs）在确定所述传感器元件电容（C_s）之前利用参考元件偏移值或传感器元件偏移值来加载。

5. 按照权利要求1至4中任一项所述的电路系统（1），其中，所述控制单元（21）被包括在一微控制器中，该微控制器具有接口（P1-P6）和开关网络，其中，该开关网络针对所述接口中的每一个接口具有一用于将接口与第一电位、尤其参考电压（U_ref）连接起来的第一开关（S1H-S6H）和一用于将接口（P1-P6）与第二电位连接起来的第二开关（S1L-S6L）。

6. 按照权利要求5所述的电路系统（1），其中，所述传感器元件（3）和所述电荷存储元件（6）分别联接在控制单元（21）的两个接口（P1-P6）之间并且共同地与一接口（P3）连接。