DE102004003112A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung.
  • Typische Anwendungen für kapazitive Messwerterfassung sind Dickenmessungen, Brandsensoren, Näherungsdetektoren, Aktivierungen passiver Zugangssysteme oder ähnliche Anwendungen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Vorrichtungen zur kapazitiven Messwerterfassung, welche einfache in verschiedenartige Auswerteschaltungen integriert werden können.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache Weise die Änderung einer Kapazität mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkennen können.
  • Die Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung kann dabei Teil einer komplexeren Auswerteschaltung sein. Die Komplexität kann von einfachen An / Aus- Schaltern bis hin zu hochentwickelten Systemen zur Bestimmung von kapazitiven Änderungen reichen.
    •
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
  • Es zeigt:
  • l einen beispielhaften Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung Aus der Darstellung gemäß 1 ist eine beispielhafter Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung ersichtlich.
  • Die Schaltung weist ein Mittel Q1 auf, das der Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms von E nach A dient.
  • In der vorliegenden Figur ist das Mittel Q1 beispielhaft als bipolarer pnp- Transistor aufgeführt. Das Mittel Q1 kann jedoch auch jedes andere Mittel sein, das der Beeinflussung eines Ladungsstromes von E nach A dient, z.B. ein npn- Transistor oder ein entsprechender Feldeffekttransistor.
  • Das Mittel Q1 weist im wesentlichen 3 Anschlüsse auf. Anschluss E dient als Eingang, Anschluss B als Steuerung und Anschluss A als Ausgang.
  • Das Mittel Q1 kann an seinem Anschluss E ein widerstandsbehaftetes Mittel RE aufweisen. Dieses Mittel kann z.B. einer geeigneten Dimensionierung des Stroms über das Mittel Q1 dienen. Das widerstandsbehaftete Mittel RE wird durch ein mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
  • Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein widerstandsbehaftetes Mittel RB auf, das den Steuerungsanschluss B mit dem Anschluss A entweder direkt oder über ein widerstandsbehaftetes Mittel RE in Verbindung bringt. Das widerstandsbehaftete Mittel RB wird durch ein mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
  • Der Steuerungsanschluss B ist weiterhin mit einem kapazitätsbehafteten Mittel CS verbunden. Das Mittel CS dient in der Schaltung als variables Mittel , d.h. die Kapazität ändert sich durch eine geeignete Beeinflussung.
  • Die mit CL bezeichnete Quelle ist ein alternierende Spannung und kann beispielsweise ein digitales Takt- Signal sein.
  • Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein kapazitätsbehaftetes Mittel CI auf, das mit dem Anschluss A verbunden ist. Dieses kapazitätsbehaftetes Mittel CI dient der Integration z.B. in einer sample-and-hold Schaltung.
  • Weiterhin kann die Schaltung ein widerstandsbehaftetes Mittel RL aufweisen, das den Anschluss A und das kapazitätsbehaftetes Mittel CI mit dem Anschluss einer geeigneten digitalen Auswerteschaltung gekennzeichnet durch I/O in Verbindung bringt.
  • Die Auswerteschaltung kann dabei abhängig vom eingesetzten Messverfahren die Verbindung I/O entweder als Eingang oder als Ausgang bezüglich der in 1 skizzierten Schaltung betreiben.
  • Die Dimensionierung von RL ergibst sich dem Fachmann aus der nachfolgenden Auswerteschaltung I/O.
  • Die kapazitiven Mittel CS und CI werden üblicherweise auf ein gemeinsames Potential bezogen.
  • Die einzelnen Mittel der zuvor skizzierten Schaltung können sowohl diskret als auch integriert ausgeführt sein. Beispielsweise können die Elemente der Vorrichtung Teil eines integrierten Schaltkreises sein, während die Auswerteschaltung aus einzelnen diskret aufgebauten Bauteilen ausgeführt sein kann. Es ist jedoch auch möglich die Auswerteschaltung mit der Vorrichtung voll-integriert auszuführen.
  • In der nachfolgenden weitergehenden Beschreibung wird von einer Beschaltung gemäß 1 ausgegangen, d.h. ein Takt- Signal wird (über einen Widerstand RE) auf den Anschluss A bzw. über einen Widerstand RB auf den Anschluss B des pnp- Transistors Q1 gegeben. Die kapazitiven Mittel CS und CI sind auf Erdpotential bezogen.
  • Das Takt- Signal, das aus einer geeigneten Quelle stammt treibt sowohl den Emitter E als auch die Basis B des Transistors Q1.
  • Da das widerstandsbehaftete Mittel RB mit dem kapazitätsbehafteten Mittel CS in Verbindung steht, muss zuerst das kapazitätsbehaftete Mittel CS aufgeladen werden. Da die Spannung am Anschluss B langsam ansteigt kommt es zu einer Verzögerung gegenüber der Spannung am Anschluss E.
  • Die Verzögerung ist abhängig von der RC- Zeit, die durch RB und CS gegeben sind. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandes und der Kapazität kann erreicht werden, dass am Ausgang A nur kurze Pulse im Verhältnis zur Taktzeit zur Verfügung stehen.
  • Diese kurzen Pulse werden dann von dem kapazitiven Mittel CI für ein sample-and-hold Schaltung integriert.
  • Ändert sich nun durch eine Änderung der Eigenschaften des kapazitätsbehafteten Mittels CS dessen Kapazität, so ändert sich auch die Impulsdauer in Folge einer geänderten Zeitkonstante. Dadurch kann z.B. die Annäherung eines dielektrischen Körpers präzise gemessen werden.
  • Im folgenden werden die Eigenschaften von Auswerteschaltungen bezüglich der Messvorrichtung näher erläutert.
  • Die Auswerteschaltung kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel CI am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel auf, die das Erreichen einer bestimmten Schwell-Ladung oder Schwell-Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel CI erkennt.
  • Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die Anzahl der seit der letzten Entladung verstrichenen Taktzeiten bestimmt und mit einer vorbestimmten Anzahl vergleicht. Weicht die bestimmte Anzahl von der vorbestimmten Anzahl ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität CS ermittelt werden.
  • Weiterhin kann die Auswerteschaltung beispielsweise auch so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel CI am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel auf, die nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen die Spannung an oder die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel CI erkennt.
  • Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die erkannte Spannung oder Ladung mit einer vorbestimmten Spannung oder Ladung vergleicht. Weicht die erkannte Spannung an oder die Ladung von der vorbestimmten Spannung oder Ladung ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität CS ermittelt werden.
  • Darüber hinaus kann die Auswerteschaltung auch so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel CI konstant gehalten wird, während Ladung durch die Schaltung über Q1, gesteuert durch RB und CS, zugeführt wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel zum Erkennen der abgeführten Ladung auf.
  • Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die erkannte abgeführte Ladung mit einer vorbestimmten Ladung vergleicht. Weicht die erkannte abgeführte Ladung von der vorbestimmten Ladung ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität CS ermittelt werden.
  • Zur Messung stehen entsprechend den zuvor aufgeführtem Auswerteschaltungen verschieden erfindungsgemäße Messverfahren bereit, die im folgenden beispielhaft skizziert werden.
  • Eine Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der notwendigen Ladezyklen zu bestimmen bis eine bestimmte Schwell-Ladung oder Schwell-Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel CI erreicht ist.
  • Hierzu wird das kapazitätsbehaftete Mittel CI am Beginn einer Messung entladen. Wird nun durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben, so steigt die Spannung am kapazitätsbehaftete Mittel CI und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehaftete Mittel CI an. Die Ladung wird mit jedem Zyklus höher und somit steigt auch die Spannung über CI an.
  • Nachdem eine bestimmte Schwell- Spannung erreicht ist kommt es durch die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O zu einem Durchschalten und an Hand der seit der letzen Entladung verstrichenen Takt-Zyklen kann nun ermittelt werden ob eine Änderung der Kapazität an CS aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorgegebenen Zahl von Takt- Zyklen ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
  • Weiterhin kann die Spannung über CI nach einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen bestimmt werden.
  • Hierzu wird wiederum das kapazitätsbehaftete Mittel CI am Beginn einer Messung entladen. Wird nun durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben, so steigt die Spannung am kapazitätsbehaftete Mittel CI und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehaftete Mittel CI an. Die Ladung wird mit jedem Zyklus höher und somit steigt auch die Spannung über CI an.
  • Nachdem eine vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, kann nun die Spannung durch die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O ermittelt werden. Anhand der Abweichung zu einer vorbestimmten Spannung kann nun ermittelt werden, ob eine Änderung der Kapazität an CS aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Spannung ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
  • Weiterhin kann die Ladung die zur Änderung einer konstant gehalten Ladung auf CI benötigt wird bestimmt werden.
  • Hierzu wird die Ladung auf CI durch die Vorrichtung konstant gehalten, während Ladung durch die Schaltung über Q1 gesteuert durch RB und CS zugeführt wird. Abhängig von einer Änderung der Kapazität CS ändert sich die Ladung, die von der Auswerteschaltung von CI wieder entfernt werden muss, um die Ladung auf CI konstant zu halten. Anhand der Abweichung von einer vorbestimmten Ladungsmenge kann nun ermittelt werden, ob eine Änderung der Kapazität an CS aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Ladung ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
    • CL
    alternierende Spannungsquelle
    Q1
    Mittel zur Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms
    A
    Ausgangsanschluss von Q1
    B
    Steuerungsanschluss von Q1
    E
    Eingangsanschluss von Q1
    RB;E
    widerstandsbehaftetes Mittel
    CS;I
    kapazitätsbehaftetes Mittel
    I/O
    Auswerteschaltung

Claims (25)

  1. Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung, welche eine Schaltung aufweist, die aufweist: ein Mittel (Q1) zur Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms mit mindestens drei Anschlüssen (A,B,E), ein widerstandsbehaftetes Mittel (RB), ein erstes und ein zweites kapazitätsbehaftetes Mittel (CS, CI), dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (Q1) zur Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms an dem ersten Anschluss (B) mit dem widerstandsbehafteten Mittel (RB) und dem ersten kapazitätsbehafteten Mittel (CS) verbunden ist und an dem zweiten Anschluss (A) mit dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI) verbunden ist, und dass das erste kapazitätsbehaftete Mittel (CS) eine variable Kapazität aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das widerstandsbehaftete Mittel (RB) durch eine alternierende Spannung einer Quelle (CL) getrieben wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung ein zweites widerstandsbehaftetes Mittel (RE) aufweist, wobei das zweite widerstandsbehaftete Mittel (RE) mit dem ersten widerstandsbehafteten Mittel (RB) und dem dritten Anschluss (E) verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite widerstandsbehaftete Mittel (RE) durch eine alternierende Quelle (CL) getrieben wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (A) und das zweite kapazitätsbehaftete Mittel (CI) entweder direkt oder über ein drittes widerstandsbehaftetes Mittel (RL) mit einer Auswerteschaltung (I/O) verbunden ist.
  6. Auswerteschaltung, welche aufweist eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Mittel zum Entladen des zweiten kapazitätsbehafteten Mittels (CI) am Beginn einer Messung, Mittel zum Erkennen einer Ladung auf oder Spannung an dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI).
  7. Auswerteschaltung nach Anspruch 6, welche weiterhin Mittel zum Vergleich der Anzahl der seit der letzten Entladung verstrichenen Taktzeiten mit einer vorbestimmten Anzahl bei Erreichen einer vorbestimmen Schwell- Ladung auf oder Schwell- Spannung an dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI) aufweist.
  8. Auswerteschaltung nach Anspruch 6, welche weiterhin Mittel zum Vergleich der Spannung an oder der Ladung auf dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI) mit einer vorbestimmten Spannung oder Ladung an dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI) nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen aufweist.
  9. Auswerteschaltung welche aufweist eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Mittel zum Abführen der Ladung auf dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI), damit die Ladung auf oder Spannung an dem zweiten kapazitätsbehafteten Mittel (CI) konstant bleibt, Mittel zum Erkennen der zum Ausgleich notwendigen Ladung.
  10. Auswerteschaltung nach Anspruch 9, welche weiterhin Mittel zum Vergleich der zum Ausgleich notwendigen Ladung mit einer vorbestimmten Ladung aufweist.
  11. Auswerteschaltung oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (Q,) zur Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms ein bipolarer oder ein Feldeffekttransistor ist.
  12. Auswerteschaltung oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierende Spannung der Quelle (CL) ein digitales Taktsignal ist.
  13. Auswerteschaltung oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zumindest teilweise integriert sind.
  14. Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung aufweisend die folgenden Schritten: (1) Entladen eines kapazitätsbehafteten Mittels (CI) am Beginn einer Messung, (2) Erkennen einer Ladung auf oder Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI).
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, welches sich der Mittel einer Auswerteschaltung gemäß Anspruch 6 bedient
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, welches weiterhin den folgenden Schritt aufweist: (3) Vergleichen der Anzahl der seit der letzten Entladung verstrichenen Taktzeiten mit einer vorbestimmten Anzahl bei Erreichen einer vorbestimmen Schwell- Ladung auf oder Schwell- Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI).
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, welches sich der Mittel einer Auswerteschaltung gemäß Anspruch 7 bedient.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, welches weiterhin den folgenden Schritt aufweist: (3) Vergleichen der Spannung an oder der Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI) mit einer vorbestimmten Spannung oder Ladung an dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI) nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, welches sich der Mittel einer Auswerteschaltung gemäß Anspruch 8 bedient.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, welches weiterhin den folgenden Schritt aufweist: (4) Bestimmen der Änderung der Kapazität des kapazitätsbehafteten Mittel (CI) aus dem Vergleich gemäß Schritt (3).
  21. Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung aufweisend die folgenden Schritten: (1) Abführen der Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI), damit die Ladung auf oder Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel (CI) konstant bleibt, (2) Erkennen der zum Ausgleich notwendigen Ladung.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 21, welches sich der Mittel einer Auswerteschaltung gemäß Anspruch 9 bedient.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, welches weiterhin den folgenden Schritt aufweist: (3) Vergleichen der zum Ausgleich notwendigen Ladung mit einer vorbestimmten Ladung.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 23, welches sich der Mittel einer Auswerteschaltung gemäß Anspruch 10 bedient.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, welches weiterhin den folgenden Schritt aufweist: (4) Bestimmen der Änderung der Kapazität des kapazitätsbehafteten Mittel (CI) aus dem Vergleich gemäß Schritt (3).
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