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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines
Kondensators nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kondensatoren
können
als Sensoren in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Die jeweilige Kapazität des Kondensators
entspricht dann dem vom Sensor abgegebenen Sensorsignal. Für die Weiterverarbeitung
des Sensorsignals ist somit die Kapazität des Kondensators zu bestimmen.
Insbesondere für
Kraftfahrzeuge besteht dabei ein Bedarf an einer einfachen Kapazitätsbestimmung.
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Aus
der
US 6 466 036 B1 ist
ein mittels einer bekannten Referenz-Kapazität eines Referenzkondensators
arbeitendes Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Kondensators bekannt.
Bei diesem Verfahren sind der Kondensator sowie der Referenzkondensator
in einer aus einer Reihenschaltung bestehenden Kondensatorschaltung
so angeordnet, daß die
Kondensatorschaltung an eine Referenzspannung angelegt sowie der
Kondensator entladen werden kann. Das Laden der Kondensatorschaltung durch
Anlegen an die Referenzspannung sowie das Entladen des Kondensators
wird nun solange in einem Lade-Entlade-Zyklus zyklisch wiederholt,
derart daß eine
Art von Ladungstransfer vom Kondensator auf den Referenzkondensator
erfolgt, bis eine vorgegebene Spannung am Referenzkondensator erreicht ist.
Die Anzahl der Zyklen stellt dann ein Maß für das Verhältnis der Kapazitäten des
Referenzkondensators sowie des Kondensators dar.
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Durch
den Schaltungsaufbau bedingt kann die parasitäre Grundkapazität groß gegenüber der
eigentlich zu messenden Kapazitätsänderung
sein. Nachteiligerweise führt
dies zu einer reduzierten Empfindlichkeit der Messung. Besonders
gravierend tritt dieses Problem bei Verwendung von Schirmflächen in
kapazitiven Sensoren auf, die mit dem bekannten Verfahren arbeiten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Bestimmung
der Kapazität
eines Kondensators derart zu verbessern, daß dessen Meßgenauigkeit gesteigert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bestimmung der Kapazität
eines Kondensators wird der Kondensator mit einer in etwa der Ladung
der parasitären
Kapazitäten
entsprechenden Ladung jeweils vor Beginn des Ladens gemäß dem Lade-Entlade-Zyklus
aufgeladen. Die Messung der Kapazität erfolgt somit durch das an
sich bekannte Ladungstransferverfahren, wobei das Meßverfahren
jedoch so verändert
wird, daß die
parasitäre
Kapazität
ein Bestandteil des Meßverfahrens
darstellt und somit nicht in die Meßzeit eingeht. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In
einfacher Weise läßt sich
für den
Ladungstransfer der parasitären
Ladung auf den Referenzkondensator ein Ausgleichskondensator verwenden, der
eine in etwa der parasitären
Kapazität
entsprechenden Kapazität
besitzt. Der Ausgleichskondensator kann in einer Ausgleichsschaltung
angeordnet sein, die ihrerseits aus einer Reihenschaltung des Ausgleichskondensators
mit dem Kondensator besteht. Zur Durchführung des Meßverfahrens
ist die Ausgleichsschaltung entsprechend einem Schritt des Lade-Entlade-Zyklus an die Referenzspannung
anlegbar. Entsprechend einem weiteren Schritt des Lade-Entlade-Zyklus wird
der Kondensator und/oder der Ausgleichskondensator zum Entladen
an Masse angelegt.
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Zweckmäßigerweise
wird der jeweilige Schritt des Lade-Entlade-Zyklus mittels Schaltelemente
angewählt,
die in elektrischer Verbindung mit dem Kondensator und/oder mit
dem Ausgleichskondensator und/oder mit dem Referenzkondensator stehen.
Dadurch kann der Kondensator und/oder der Ausgleichskondensator
und/oder der Referenzkondensator zum einen durch Anschalten an die
Referenzspannung geladen sowie zum anderen durch Anschalten an Masse
entladen werden. Damit die Schaltelemente von einer elektronischen
Auswerteschaltung angesteuert werden können, bietet es sich an, daß es sich
bei diesen um elektronische Schaltelemente, wie MOS-FETs o. dgl.,
handelt.
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Am
Referenzkondensator kann eine Schaltung zur Messung der Spannung
angeordnet sein. Mittels eines Zählers
läßt sich
die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen bestimmen. Eine derartige Anordnung
eignet sich besonders dann, wenn ein Mikroprozessor zur Durchführung des
Meßverfahrens
verwendet wird. Vorteilhafterweise erübrigt sich dann ein teuerer
Analog-Digital-Wandler.
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Der
Kondensator, dessen Kapazität
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu messen ist, kann in einem kapazitiv arbeitenden Türgriffsensor
in einem Schließsystem
eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Ein solcher Türgriffsensor
läßt sich
vorteilhafterweise für
die KeylessEntry-Funktionalität des
Schließsystems
verwenden, bei der eine bedienungsunabhängige Zugangsberechtigung zum
Kraftfahrzeug gegeben ist. Ebenso läßt sich der Kondensator in
einem Lenkwinkelsensor am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs o. dgl. verwenden,
wobei dort die gemessene Kapazität
zum Drehwinkel des Lenkrads korrespondiert.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine
Verfälschung der
Meßergebnisse
durch parasitäre
Kapazitäten verhindert
ist. Solche parasitären
Kapazitäten
treten vor allem beim Einsatz im Kraftfahrzeug auf. Somit sind Kraftfahrzeugsensoren,
die das erfindungsgemäße Meßverfahren
verwenden, betriebs- und funktionssicher. Aufgrund der Fehlerunfälligkeit
eignet sich das Meßverfahren
neben dem Einsatz in Kraftfahrzeugen auch für sonstige sicherheitskritische
Anwendungen. Desweiteren wird eine Erhöhung der Meßgenauigkeit und/oder Verbesserung
der Auflösung
erzielt. Dennoch ist das Meßverfahren
einfach handzuhaben und kostengünstig
zu realisieren.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
Schaltung zur Messung der Kapazität eines Kondensators und
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2 eine
Tabelle zur Darstellung der Schritte für die Durchführung des
Meßverfahrens.
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In 1 ist
eine Schaltung 1 zur Bestimmung der Kapazität Csens
eines Kondensators 2 gezeigt. Der Kondensator 2,
dessen Kapazität
Csens zu messen ist, kann in einem kapazitiv arbeitenden Türgriffsensor
für ein
Schließsystem
eines Kraftfahrzeugs mit KeylessEntry-Funktionalität, in einem Lenkwinkelsensor
am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs o. dgl. verwendet werden. Die Schaltung 1 arbeitet mittels
einer bekannten Referenz-Kapazität
Cr eines Referenzkondensators 3. Der Kondensator 2,
dessen Kapazität
Csens zu bestimmen ist, sowie der Referenzkondensator 3 sind
in einer Kondensatorschaltung 4 angeordnet, die vorliegend
aus einer Reihenschaltung besteht. Das Verfahren zur Bestimmung der
unbekannten Kapazität
Csens des Kondensators 2 arbeitet nun wie folgt.
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An
die Kondensatorschaltung 4 wird eine elektrische Referenzspannung
Vcc angelegt. Dabei wird dann sowohl der Kondensator 2 als
auch der Referenzkondensator 3 mit derselben elektrischen
Ladung aufgeladen. Anschließend
wird der Kondensator 2 entladen, indem dieser an Masse
angelegt wird. Das Laden der Kondensatorschaltung 4 durch
Anlegen an die Referenzspannung Vcc sowie das Entladen des Kondensators 2 werden
nun in einem Lade-Entlade-Zyklus zyklisch wiederholt. Dadurch erfolgt
eine Art von Ladungstransfer vom Kondensator 2 auf den
Referenzkondensator 3, da lediglich der Kondensator 2 entladen
wird. Beim Referenzkondensator 3 hingegen findet eine fortlaufende
Erhöhung der
Ladung statt, wodurch die am Referenzkondensator 3 anliegende
Spannung im Verlauf des wiederholten Lade-Entlade-Zyklus immer weiter
ansteigt. Der Lade-Entlade-Zyklus wird nun solange wiederholt, bis
eine vorgegebene Spannung am Referenzkondensator 3 erreicht
ist. Diese Spannung wird dabei so vorgegeben, daß die Spannungserhöhung aufgrund
des Lade-Entlade-Zyklus im wesentlichen im linearen Bereich bleibt
und den asymptotischen Bereich noch nicht erreicht. Die Anzahl der
Zyklen des Lade-Entlade-Zyklus bis zum Erreichen der vorgegebenen
Spannung stellt dann ein Maß für das Verhältnis der
Kapazitäten
Csens/Cr des Referenzkondensators 3 sowie des Kondensators 2 dar.
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Aufgrund
der elektrischen Leitungen in der Schaltung 1, von Schirmflächen, sonstiger
elektrischer/elektronischer Bauteile beispielsweise im Sensor o.
dgl. besitzt die Schaltung 1 eine parasitäre Kapazität Cp2, die
in 1 schematisch mit dem parasitären Kondensator 6 bezeichnet
ist. Um einer Verfälschung
des Meßergebnisses
durch die parasitäre Kapazität Cp2 zu
begegnen, ist in der Schaltung 1 ein Ausgleichskondensator 7 mit
einer Kapazität
Cp1 angeordnet. Beim Verfahren zur Bestimmung der Kapazität Csens
wird nun der Kondensator 2 mit einer in etwa der Ladung
der parasitären
Kapazitäten
Cp2 entsprechenden Ladung über
den Ausgleichskondensator 7 jeweils vor Beginn des Ladens
gemäß dem Lade-Entlade-Zyklus
aufgeladen.
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Zweckmäßigerweise
wird ein Ausgleichskondensator 7 mit einer in etwa der
parasitären
Kapazität
Cp2 entsprechenden Kapazität
Cp1 verwendet, wobei dessen Ladung aufgrund des Lade-Entlade-Zyklus
in einer Art von Ladungstransfer auf den Referenzkondensator 3 aufgebracht
wird. Der Ausgleichskondensator 7 ist in einer Ausgleichsschaltung 8 angeordnet,
bei der der Ausgleichskondensator 7 sowie der Kondensator 2 in
Reihe geschaltet sind. Die Ausgleichsschaltung 8 ist zum
Laden während
des Lade-Entlade-Zyklus an die Referenzspannung Vcc anlegbar. Zum
Entladen während
des Lade-Entlade-Zyklus wird der Kondensator 2 und/oder der
Ausgleichskondensator 7 an Masse angelegt. Desweiteren
ist am Referenzkondensator 3 eine Schaltung zur Messung
der Spannung angeordnet und mittels eines Zählers wird die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen
bestimmt, wobei diese nicht weiter gezeigt sind.
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Zum
Laden und/oder Entladen während
des Lade-Entlade-Zyklus enthält
die Schaltung 1 entsprechend angeordnete Schaltelemente 9,
die in elektrischer Verbindung mit dem Kondensator 2 und/oder mit
dem Ausgleichskondensator 7 und/oder mit dem Referenzkondensator 3 stehen,
derart daß der
Kondensator 2 und/oder der Ausgleichskondensator 7 und/oder
der Referenzkondensator 3 durch Anschalten an die Referenzspannung
Vcc geladen und/oder durch Anschalten an Masse entladen werden.
Bei den Schaltelementen 9 handelt es sich um elektronische
Schaltelemente, die insbesondere aus MOS-FETs bestehen, womit die
Schaltelemente 9 dementsprechend im Lade-Entlade-Zyklus, beispielsweise
von einem Mikroprozessor, ansteuerbar sind. Von den Schaltelementen 9 dient
im einzelnen das Schaltelement S1 zum Anlegen der Referenzspannung
Vcc an die Kondensatorschaltung 4, das Schaltelement S2
zum Anlegen des Referenzkondensators 3 an Masse, das Schaltelement
S3 zum Anlegen des Kondensators 2 sowie der einen Seite des
Ausgleichskondensators 7 an Masse, das Schaltelement S4
zum Anlegen der anderen Seite des Ausgleichskondensators 7 an
Masse, und das Schaltelement S5 zum Anlegen der Ausgleichsschaltung 8 an
die Referenzspannung Vcc.
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Der 2 ist
zu entnehmen, wie die Schaltelemente 9 im Verlaufe der
einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ein- und auszuschalten
sind, um die veränderbare
Kapazität
Csens auf Basis eines Ladungstransfers zu bestimmen.
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Dazu
werden in einem ersten Schritt 1 die Schalter S2, S3 und S4 geschlossen,
um eventuelle Restladungen zu entfernen, so daß die Schaltung 1 in
einem definierten Ausgangszustand befindlich ist. Im nächsten Schritt
2 werden die parasitären
Kapazitäten
Cp2 mittels eines Ausgleichskondensators 7 vorgeladen,
indem der Schalter S5 geschlossen wird. Im nächsten Schritt 3 wird der Schalter
S1 geschlossen, wodurch Ladung auf die Kapazitäten Cp2 sowie Csens über den
Referenzkondensator 3 aufgebracht wird. Wird nun am Schalter
S3 die Spannung gemessen, so verhalten sich die Kapazitäten Cr,
Cp2, Csens wie Spannungsteiler und es kann die Spannung gemessen
werden, welche an Cp2 sowie Csens abfällt. In Schritt 4 wird diese
Ladung durch Schließen
des Schalters S3 und S4 entfernt, und entsprechend dem Lade-Entlade-Zyklus
wieder mit Schritt 2 fortgefahren. Da aber die Kapazität Cr des Referenzkondensators 3 in
Schritt 4 nicht entladen wird, baut sich an diesem bei jeder Wiederholung
der Schritte 2 bis 4 Ladung auf, und zwar der Betrag der Ladungen
der Kapazitäten
Cp2 und Csens. Dadurch, daß die
Kapazität
Cr immer mehr Ladung akkumuliert, verändert sich auch das Verhältnis der
Spannungen zwischen den Kapazitäten
Cr und Cp2+Csens. So wird in jedem Durchgang des Lade-Entlade-Zyklus
die gemessene Spannung am Schalter S3 in Schritt 3 immer geringer.
Wenn diese unter eine gewählte
Schwelle fällt,
kann über
die Anzahl der Durchgänge
eine Aussage über
das Verhältnis
der Kapazitäten
gemacht werden.
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Ohne
Verwendung der Kapazität
Cp1 des Ausgleichskondensators 7 wirken sich parasitäre Kapazitäten Cp2
auf die Meßgenauigkeit
aus, da diese in jedem Transferzyklus mitbetrachtet werden. Um eine
bessere Auflösung
zu erhalten, werden die parasitären
Kapazitäten
Cp2 mittels des Ausgleichskondensators 7 in Schritt 2 vorgeladen,
damit dann beim eigentlichen Ladungstransfer gemäß Schritt 3 und Schritt 4 nur
noch die tatsächliche
auswertbare Ladung von der Kapazität Csens auf die Kapazität Cr übertragen
wird. Um zu verhindern, daß sich
Ladung an der Kapazität
Cp1 aufbaut, muß der
Ausgleichskondensator 7 entladen werden, was in Schritt
4 geschieht, womit sich die Kapazität Cp1 bei der Wiederholung
von Schritt 2 im ungeladenen Zustand befindet. Dadurch, daß die durch
diese Methode transferierte Ladung kleiner ist, müssen die
Schritte 2 bis 4 öfter
wiederholt werden, was zu einer höheren Genauigkeit führt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie
umfaßt
vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten
Erfindung. So kann ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender kapazitiver Sensor
nicht nur in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dieses Verfahren
kann auch bei kapazitiven Sensoren in Hausgeräten, wie Waschmaschinen, Wäschetrocknern,
Geschirrspülmaschinen
o. dgl., Verwendung finden.
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- 1
- Schaltung
- 2
- Kondensator
- 3
- Referenzkondensator
- 4
- Kondensatorschaltung
- 5
- (elektrische)
Leitung
- 6
- (parasitärer) Kondensator
- 7
- Ausgleichskondensator
- 8
- Ausgleichsschaltung
- 9
- Schaltelement