DE102005006853A1

DE102005006853A1 - Messsystem und Verfahren zur Ankopplung eines Sensorelements in dem Messsystem

Info

Publication number: DE102005006853A1
Application number: DE200510006853
Authority: DE
Inventors: Willi Wimmer; Andreas Stemplinger; Hermann Sammer; Josef Stockinger; Franz Straubinger
Original assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Current assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: DE102005006853B4

Abstract

In einem Messsystem mit einem Sensorelement mit einem oder mehreren Schwingkreisen ist eine Ansteuervorrichtung vorgesehen, die ihrerseits einen durchstimmbaren Schwingkreis aufweist, der durch eine Anpasssteuereinrichtung in Abhängigkeit eines von dem Sensorsignal gewonnenen Ausgangssignals einstellbar ist. Auf Grund des Vorsehens des Schwingkreises bei der Ansteuerung des Schwingkreissensorelements ergibt sich vorteilhafterweise eine Signalform, die eine effizientere Auswertung des Antwortsignals ermöglicht, so dass ein zuverlässigerer und störungsfreierer Betrieb möglich ist. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Anpasssteuereinrichtung in Verbindung mit dem durchstimmbaren Schwingkreis die Sensorempfindlichkeit entsprechender Schwingkreiskomponenten steuerbar verändert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Messsysteme mit Sensorelementen, die eine Leiterstruktur aufweisen, die mindestens einen Schwingkreis bildet, wobei das Sensorelement mit einer Ansteuereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.

In vielen Bereichen der Industrie, in privaten Haushalten, in der Verkehrstechnik, beispielsweise in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und dergleichen, ist häufig eine zuverlässige Bestimmung einer Messgröße erforderlich, deren Wert dann zur weiteren Auswertung und/oder Steuerung von weiteren Vorgängen benutzt wird. Zu diesem Zwecke werden häufig Sensorelemente in Verbindung mit Messsystemen verwendet, die so ausgebildet sind, dass sich zumindest eine Eigenschaft reproduzierbar und dem Einfluss der zu bestimmenden Umweltmessgröße ändert, so dass daraus ein Signal in Abhängigkeit der Änderung der Messgröße ableitbar ist, das dann wiederum zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. Ein Messgröße, die es häufig zu bestimmen gilt, um damit weitere Entscheidungen zu treffen und/oder Steuerungsaufgaben zu verrichten, ist die Feuchtigkeit, die beispielsweise in Form von Wasser, Schnee, Eis, etc. vorliegt und sich auf sensiblen Oberflächen niederschlagen kann, wobei neben dem Aggregatszustand insbesondere auf die Menge und deren lokale Verteilung auf der sensiblen Fläche in vielen Anwendungen von Bedeutung ist. Neben vielen weiteren Anwendungszwecken, wie beispielsweise die Bestimmung der an Oberflächen abgeschiedenen Menge von Wasser in speziellen Aggregatszuständen, beispielsweise die Eisbildung auf Straßenoberflächen, Flugzeugflächen und dergleichen, sowie das Erkennen von Regen, Sprühwasser und dergleichen für die Steuerung automatischer Fenster und Türen, ist insbesondere die Anwendung von Befeuchtungssensoren und Messsystemen in Transportmitteln zur Steuerung der Scheibenwischeranlage von besonderer Bedeutung.

Bei gewissen bekannten Sensoren, die in Fahrzeugen als Regensensor Verwendung finden, wird die Änderung des optischen Verhaltens eines Teils der Windschutzscheibe auf Grund des Beschlags mit Regen oder Schnee gemessen und das Messergebnis zur Ansteuerung der Scheibenwischeranlage verwendet. Bei anderen konventionellen Sen sortypen und Messsystemen, in denen gewisse Nachteile der optischen Sensoren, etwa die Baugröße sowie die Erscheinungsform im montierten Zustand, vermieden werden, ist eine Leiterstruktur mit induktiver und kapazitiver Komponente vorgesehen, so dass durch Befeuchtung der Windschutzscheibe eine Änderung im Wesentlichen der kapazitiven Komponente auf Grund des Vorhandenseins des Wasser, das eine hohe Permittivität aufweist, hervorgerufen wird. Durch die Änderung der kapazitiven Komponente ändert sich somit auch das Frequenzverhalten der gesamten Leiteranordnung, die als Schwingkreis betrachtet werden kann, so dass auf Grund der Verschiebung der Resonanzfrequenz ein Maß für die in der Nähe des Sensorelements abgeschiedene Feuchtigkeit ableitbar ist.

So zeigt beispielsweise die Druckschrift DE 10127990 eine Vorrichtung zur Befeuchtungserkennung, die nach dem zuvor beschriebenen Schwingkreis-Prinzip aufgebaut ist, wobei auch insbesondere Ausführungsformen beschrieben sind, in denen das Sensorelement mit der Schwingkreis-Leiterstruktur galvanisch von einer entsprechenden Erregerschaltung und Auswerteschaltung entkoppelt ist. D.h. in der dort beschriebenen Vorrichtung wird im Wesentlichen induktiv ein Signal in die Leiterstruktur des Sensorelements eingekoppelt, wobei die Frequenz des Signals variiert wird, um damit das sich in Abhängigkeit des Befeuchtungszustands ändernde Resonanzverhalten der Leiterstruktur zu detektieren. Ferner sind in dieser Druckschrift auch Ausführungsformen beschriebenen, in denen die Leiterstruktur mehrere Schwingkreise bildet, um damit Referenzdaten für die zu messende Umweltgröße zu erzeugen. Da das Auslesen der entsprechenden Sensorinformationen, d.h. entsprechende Änderungen des Resonanzverhaltens insbesondere bei induktiver Ankopplung mittels entsprechender Änderungen im Signalverlauf des Ansteuersignals, einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtzuverlässigkeit des Messsystems darstellt, ist es hierbei wichtig, die Signaländerungen des Ansteuersignals, beispielsweise lokale Maxima und Minima, durch eine geeignete Ausbildung der Ansteuereinrichtung zuverlässig detektierbar zu machen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik aufzuzeigen, in der die Ansteuerung und damit das Auslesen von Sensorelementen, die eine Schwingkreis komponente mit variabler Resonanzfrequenz aufweisen gegenüber konventionell bekannten Lösungen zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem Aspekt durch ein Messsystem gelöst, das ein Sensorelement mit einer einen ersten Schwingkreis bildenden Leiterstruktur aufweist. Das Messsystem umfasst ferner eine mit dem Sensorelement gekoppelte Ansteuereinrichtung mit einem in einem spezifizierten Bereich durchstimmbaren Schwingkreis, der mit dem ersten Schwingkreis der Leiterstruktur gekoppelt ist. Des weiteren weist das Messsystem eine mit der Ansteuereinrichtung und/oder dem Sensorelement gekoppelte Auswerteeinrichtung auf, die ausgebildet ist, ein dem Sensorzustand entsprechendes Ausgangssignal bereitzustellen. Schließlich umfasst das Messsystem eine Anpasssteuereinrichtung, die mit dem durchstimmbaren Schwingkreis und der Auswerteeinrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises in Abhängigkeit des Ausgangssignals einzustellen.

Das erfindungsgemäße Messsystem weist somit einen Schwingkreis in der Ausgangsstufe auf, dessen Resonanzfrequenz, d.h. dessen Induktivität und/oder Kapazität und/oder ohmscher Widerstand, innerhalb eines spezifizierten Bereichs änderbar ist. Des weiteren steht dieser durchstimmbare Schwingkreis mit einer Anpasssteuereinrichtung in Verbindung, die das Resonanzverhalten, d.h. in vorteilhaften Ausführungsformen, die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises, in Abhängigkeit des Ausgangssignals einzustellen. Damit gelingt es, das Ausgangssignal selbst in einer geeigneten Weise zu beeinflussen, so dass sich daraus Vorteile bei der Weiterverarbeitung des Ausgangssignals erreichen lassen. So ist es beispielsweise möglich, standardisierte Auswertemechanismen und/oder Kalibriermechanismen in der Auswerteeinrichtung oder in einer nachgeschalteten Einrichtung einzurichten, da beispielsweise fertigungsbedingte Toleranzen im Sensorelement und in der Ansteuereinrichtung mittels der Anpasssteuereinrichtung detektierbar und in einem gewissen Rahmen durch eine entsprechende Einstellung des durchstimmbaren Schwingkreises kompensierbar sind. Da der durchstimmbare Schwingkreis und der erste Schwingkreis der Leiterstruktur ein gekoppeltes System bilden, lässt sich eben auch das im Wesentlichen durch den ersten Schwingkreis bestimmten Resonanzverhalten beeinflussen und damit auch auf gewünschte Werte hin verschieben, so dass beispielsweise die Abweichung der kapazitiven oder induktiven Komponente der Leiterstruktur, die ggf. bei der Herstellung oder bei der Montage des Sensorelements auftreten, kompensierbar sind. Des weiteren finden typischerweise Auswerteverfahren Verwendung bei der Bewertung des Ausgangssignals, in denen lokale Maxima und Minima des in das Sensorelement eingespeisten Signals zu bestimmen sind, wobei es erfindungsgemäß nunmehr möglich ist, die Form der auszuwertenden Signale zu beeinflussen, indem die Resonanzfrequenz und/oder die Güte des durchstimmbaren Schwingkreises auf einen Wert eingestellt wird, der zu einer für die Auswertung günstigen Signalform führt. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises auf Grund des ermittelten Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises der Leiterstruktur so eingestellt werden, dass diese in der Nähe der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises liegt, um damit ggf. markante Signalverläufe besser detektierbar zu machen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Leiterstruktur des Sensorelements so ausgebildet, dass ein zweiter Schwingkreis gebildet ist.

In dieser Anordnung gibt sich die Möglichkeit, präzisere Messdaten oder mehrere Messdaten im Vergleich zu einem einzelnen Schwingkreis aus dem Sensorelement zu gewinnen. Ein wichtiger Anwendungsbereich für das erfindungsgemäße Messsystem ist der Einsatz als Regensensorsystem, das zur Ansteuerung einer Scheibenwischeranlage dient. Hierbei ist eine zuverlässige Erkennung eines Beschlagens der Windschutzscheibe mit Feuchtigkeit zur korrekten Auslösung des Scheibenwischerimpulses erforderlich. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass in konventionellen Systemen eine sehr zuverlässige Ansteuerung der Scheibenwischeranlage schwierig ist, da das Resonanzverhalten eines einzelnen Schwingkreises auch durch die starke Temperaturabhängigkeit der typischerweise in Verbundglasscheiben verwendeten Materialien beeinflusst wird, so dass es schwierig ist, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz einer Temperaturänderung oder einer Feuchtigkeitsänderung zuzuordnen. Das Vorsehen einer zweiten Schwingkreis-Struktur ermöglicht jedoch bei geeigneter Ausgestaltung der Struktur und ggf. deren dielektrischer Komponenten eine präzisere Referenzierung, um damit Fehlauslösungen des Scheibenwischers zu vermeiden. In Verbindung mit der verbesserten Flexibilität und Zu verlässigkeit bei der Ansteuerung der beiden Schwingkreise des Sensorelements in Verbindung mit der Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises in geeigneter Weise einzustellen, ergibt sich somit eine insgesamt verbesserte Präzision bei der Messung.

Vorteilhafterweise sind das Sensorelement und die Ansteuereinrichtung galvanisch entkoppelt. Die induktive Kopplung des durchstimmbaren Schwingkreises mit dem Sensorelement bietet somit die Möglichkeit, das Sensorelement relativ unabhängig von der Ansteuereinrichtung anzubringen. Da bei einigen Anwendungen die drahtlose Ankopplung nicht nur vom Abstand, sondern auch von anderen Umgebungsbedingungen, etwa umgebende Materialien, magnetischen Feldern, etc. beeinflusst werden kann, ist mittels der erfindungsgemäßen Anpasssteuereinrichtung zur gezielten Einstellung der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises ein effizientes Mittel vorhanden, um bei variierenden Bedingungen dennoch ein zuverlässiges Auslesen des Sensorzustands zu ermöglichen. So kann beispielsweise die Signalform in unterschiedlichen Messsystemen oder auch in einem einzelnen Messsystem während unterschiedlicher Betriebsphasen variieren, so dass anders als in konventionellen Systemen eine Anpassung von Signalformen, die eine optimalere Auswertung der Signale erlauben, möglich ist. Beispielsweise kann bei Vorhandensein mehrerer Resonanzfrequenzen eine geeignete Auswahl der Resonanzfrequenz und/oder der Güte des durchstimmbaren Schwingkreises so erfolgen, dass alte Resonanzfrequenzen eine Amplitudenänderung bei der Frequenzabtastung mit der benötigten Größe zeigen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ansteuereinrichtung einen steuerbaren Oszillator auf, der mit dem durchstimmbaren Schwingkreis und der Anpasssteuereinrichtung verbunden ist, wobei die Anpasssteuereinrichtung ausgebildet ist, eine Frequenz des steuerbaren Oszillators einzustellen.

Mit dieser Anordnung ist zunächst eine sehr effiziente Vorrichtung gegeben, die das Detektieren des Resonanzverhaltens des Sensorelements ermöglicht, da der steuerbare Oszillator das Ansteuersignal mit diversen Frequenzen bereitstellen kann, die dann über den durchstimmbaren Schwingkreis, der beispielsweise dazu auf eine bestimmte Reso nanzfrequenz eingestellt ist, in das Sensorelement eingespeist wird. Da ferner die Anpasssteuereinrichtung mit dem steuerbaren Oszillator so verbunden ist, um dessen Frequenz steuerbar einstellen zu können, kann damit auch in sehr flexibler Weise eine Anpassung des Oszillators an das Sensorelement erreicht werden, da beispielsweise bei einer bestimmten Einstellung der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises deren Wert sehr präzise und effizient verifizierbar ist, indem eben geeignete Frequenzen ausgewählt werden, um die Lage dieser Resonanzfrequenz genau zu bestimmen und ggf. zu korrigieren.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet, eine einer Resonanz in dem Ausgangssignal entsprechende Eigenschaft zu detektieren. Wie eingangs bereits erwähnt ist, kann insbesondere bei geeigneter Dimensionierung des ersten Schwingkreises dessen Resonanzverhalten in Bezug auf Umwelteinflüsse, beispielsweise Feuchtigkeit, Temperatur und dergleichen ausgewertet werden. Da die Auswerteeinrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet ist, um eine der Resonanz entsprechende Eigenschaft, beispielsweise die Güte des Schwingkreises, zu erfassen, lässt sich der Einfluss der entsprechenden Messgröße sehr sensibel nachweisen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform repräsentiert die Eigenschaft, die die Resonanz charakterisiert, eine Resonanzfrequenz. Die für das Detektieren von Resonanzfrequenzen in dem Ansteuersignal vorgesehenen Ressourcen, beispielsweise in Form von Software- und Hardwareressourcen ermöglichen es, in effizienter Weise sowohl den Zustand des Sensorelements zu erfassen als auch die die Auswertung beeinflussende Lage der aktuellen Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises zu erkennen und ggf. erneut so einzustellen, dass eine optimalere Datenverwertung erfolgen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine erste Resonanz im Wesentlichen durch den ersten Schwingkreis, eine zweite Resonanz im Wesentlichen durch den zweiten Schwingkreis und eine dritte Resonanz im Wesentlichen durch den durchstimmbaren Schwingkreis bestimmt, wobei für zumindest zwei unterschiedliche Sensorzustände die erste und die zweite Resonanz bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten und die Anpasssteuereinrichtung ferner so ausgebildet ist, den durchstimmbaren Schwingkreis so einzustellen, dass die dritte Resonanz im Frequenzbereich zwischen der ersten und der zweiten Resonanz liegt.

In dieser Ausführungsform sind also zumindest zwei Schwingkreise durch die Leiterstruktur des Sensorelements so gebildet, dass damit ein System mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen definiert ist. Dies kann beispielsweise durch eine unterschiedliche geometrische Struktur der entsprechenden Leiterbereiche und/oder durch andere dielektrische oder magnetische Materialien, die im jeweiligen Einflussbereich der entsprechenden Leiterstruktur vorhanden sind, bewerkstelligt werden. Auf diese Weise lässt sich eine effiziente Referenzstruktur bilden, die beispielsweise zur Temperaturkompensation verwendbar ist. Da ferner die Anpasssteuereinrichtung so ausgebildet ist, die dritte Resonanzfrequenz zwischen den beiden anderen Resonanzfrequenzen zu legen, kann damit die auswertende Signalform und das Gesamtverhalten des Systems eingestellt werden. Beispielsweise wird beim Messen der Gesamtimpedanz der Ansteuereinrichtung ein charakteristisches Über- und Unterschwingen bei einer insgesamt ansteigenden Amplitude in der Nähe der Resonanzfrequenz beobachtet, so dass durch die Festlegung der dritten Resonanzfrequenz, d.h. der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises, die im Signal am ausgeprägtesten auftritt, eine effiziente Verformung der resultierenden Signalform im Bereich der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz möglich ist. Beispielsweise lassen sich in einer derartigen Anordnung lokale Maxima und Minima sehr effizient auf Grund des höheren Signalhubs für jede der auftretenden Resonanzfrequenzen bestimmen, so dass damit auch eine sehr präzise Bestimmung der den ersten und den zweiten Schwingkreis beeinflussenden Messgrößen möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet, eine Änderung der detektierten Eigenschaft in Abhängigkeit einer Zustandsänderung des Sensorelements in dem Ausgangssignal zu erfassen und daraus eine Sensorempfindlichkeit der Zustandsänderung in Bezug auf die detektierte Eigenschaft zu bestimmen.

Das Sensorelement liefert eine von einer oder mehreren Umweltmessgrößen abhängige Signalform, beispielsweise als Amplitudenänderung des Ansteuerungssignals bei variierender Frequenz, so dass sich damit auch die detektierte Eigenschaft, d.h. das detektierte Resonanzverhalten, in Abhängigkeit dieser einen oder mehreren Umweltmessgrößen ändert. Die Auswerteeinrichtung ermittelt nunmehr eine Sensorempfindlichkeit für diese Art der Zustandsänderungen und damit ein Maß für die Empfindlichkeit der detektierten Eigenschaft, d.h. der detektierten Resonanzänderung, in Abhängigkeit der einen oder mehreren Messgrößen. Auf diese Weise ist das Messsystem in der Lage, die Empfindlichkeit, beispielsweise die Ansprechschwelle, die Ansprechzeit, die Größe der Signalvariation, etc., zu bestimmen und für die weitere Signalauswertung zu verwenden. Insbesondere können auf diese Weise Herstellungstoleranzen und/oder Montagetoleranzen und/oder Systemveränderungen und/oder sich ändernde Umgebungsbedingungen erkannt und bei Bedarf entsprechend korrigiert oder kompensiert werden. Beispielsweise kann sich bei Verwendung als Regensensor die Empfindlichkeit des Sensorelements auf Grund von Materialänderungen in der Windschutzscheibe, die temporär oder permanent sein können, auftreten, wobei diese auch lokal im Bereich des Sensorelements unterschiedlich sein können. Beispielsweise kann das nachträgliche Aufbringen dünner dielektrischer Schichten zu einer Änderung im Ansprechverhalten des Sensorelements führen. Des weiteren können sich lokal unterschiedliche Verhältnisse ergeben, beispielsweise durch Verschmutzung, Insekten, etc., wobei diese Änderungen sich unterschiedlich auf verschiedene Schwingkreisstrukturen in dem Sensorelement auswirken können. Durch die Bestimmung eines Maßes für die Sensorempfindlichkeit ist damit ein wirksames Mittel vorhanden, um dies zu detektieren und ggf. bei der Signalauswertung zu berücksichtigen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anpasssteuereinrichtung ferner ausgebildet, den durchstimmbaren Schwingkreis auf der Grundlage der bestimmten Sensorempfindlichkeit einzustellen. Durch das Vorsehen des durchstimmbaren Schwingkreises wird neben der sich aus den gekoppelten System ergebenden Signalformänderung auch insgesamt die Empfindlichkeit des Schwingkreises in Bezug auf beispielsweise eine Verschiebung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Messgröße beeinflusst. Beispielsweise kann sich bei der Bestimmung der Gesamtimpedanz des An steuersignals beim Durchlaufen eines bestimmten Frequenzbereiches die Lage von lokalen Maxima und Minima der Resonanzbereiche des Sensorelements effizienter durchführen lassen, wenn die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises geeignet festgelegt ist. Es ergibt sich jedoch eine insgesamt geringere Empfindlichkeit im Hinblick auf eine Verschiebung der entsprechenden Resonanzfrequenzen, wobei das Maß der Empfindlichkeitsreduzierung von der Lage der Resonanzfrequenz und von der Güte des durchstimmbaren Schwingkreises abhängt. Somit kann zum Einen eine verbesserte Signalauswertung erreicht werden, wobei durch geeignetes Einstellen der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises auch eine gewisse Anpassung der Empfindlichkeit des Sensorelements durchführbar ist, um damit temporäre und/oder permanente Änderungen zumindest teilweise zu kompensieren, wie dies zuvor dargelegt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, das Signal mit den mehreren Frequenzkomponenten gleichzeitig in das Sensorelement einzuspeisen. Auf diese Weise lässt sich eine sehr effiziente Abtastung des interessierenden Frequenzbereichs erreichen, da das Durchlaufen einer Vielzahl von einzelnen Frequenzen nicht mehr erforderlich ist.

Vorteilhafterweise ist dafür in der Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Fouriertransformation des Ausgangssignals vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich das frequenzabhängige Verhalten des Sensorelements in sehr effizienter Weise aus dem Ansteuersignal gewinnen, so dass ggf. die Messrate erhöht oder die Messdauer eines einzelnen Messvorgangs verringert werden kann.

Vorteilhafterweise weist das Sensorelement eine Sensorfläche zum Empfang einer dielektrischen Substanz auf, wobei die Sensorfläche räumlich so zur Leiterstruktur angeordnet ist, dass bei Empfang der dielektrischen Substanz eine Änderung der Eigenfrequenz des ersten Schwingkreises bewirkt wird. Mittels dieser Anordnung ist das Messsystem bzw. das darin verwendete Sensorelement u.a. für eine Ablagerung von Feuchtigkeit auf der Sensorfläche sehr sensibel, da insbesondere Wasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, die zu einer entsprechenden Änderung insbesondere der parasitären Kapazität und damit der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises führt.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist ein zweiter Schwingkreis auf dem Sensorelement vorgesehen, wobei dieser als Referenzschwingkreis ausgebildet is. In dieser Anordnung kann beispielsweise die Sensorfläche so gestaltet sein, dass eine Beaufschlagung mit dielektrischem Material in der Nähe des zweiten Schwingkreises bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen deutlich geringer ist als für den ersten Schwingkreis, so dass sich die entsprechende Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises deutlich weniger in Abhängigkeit der Beaufschlagung mit dem dielektrischen Material ändert, während andere Einflüsse in sehr ähnlicher Weise wie für den ersten Schwingkreis wirksam sein können. Beispielsweise kann auf diese Weise eine sehr effiziente Temperaturkorrektur erreicht werden, wenn das Messsystem als Befeuchtungsmesssystem eingesetzt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ankopplung eines Sensorelements an eine Ansteuereinrichtung eines Messsystems bereitgestellt, wobei das Sensorelement eine Leiterstruktur aufweist, die zumindest einen ersten Schwingkreis bildet. Das Verfahren umfasst das Einspeisen eines Ansteuersignals mit mehreren Frequenzkomponenten, die eine erste Bandbreite definieren, in das Sensorelement und das Detektieren des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises. Ferner beinhaltet das Verfahren das Einstellen einer Resonanzfrequenz eines in einem vordefinierten Frequenzbereich durchstimmbaren Schwingkreises, der mit dem ersten Schwingkreis zur Einspeisung des Ansteuersignals gekoppelt ist, auf der Grundlage des detektierten Resonanzverhaltens.

Wie zuvor bereits erläutert ist, beeinflusst das Vorhandensein eines Schwingkreises am Ausgang einer Ansteuereinrichtung, der mit dem Sensorschwingkreis gekoppelt ist, das Verhalten des Gesamtsystems im Vergleich zu einer Einrichtung, in der der Schwingkreissensor lediglich über einen steuerbaren Oszillator und, bei galvanisch entkoppelter Ansteuerung, mittels einer Koppelspule beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß wird dieser Einfluss vorteilhaft ausgenutzt, indem zunächst das Resonanzverhalten des ersten Schwingkreises erfasst wird, das zwar durch den durchstimmbaren Schwingkreis beeinflusst wird, wobei aber durch eine geeignete Einstellung der Lage der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises sodann das Gesamtverhalten des Messsystems in gewünschter Weise veränderbar ist. D.h., die Signalform und/oder die Empfindlichkeit und/oder die Position der Resonanzfrequenz, die im Wesentlichen durch den ersten Schwingkreis bestimmt ist, kann auf der Grundlage des zuvor detektierten Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises in geeigneter Weise eingestellt werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff Resonanzverhalten des ersten Schwingkreises so zu verstehen ist, dass für die mehreren Frequenzkomponenten, die die erste Bandbreite definieren, ein Signal erfasst wird, das den Anstieg der im ersten Schwingkreis zirkulierenden Blindleistung in der Nähe der Resonanzfrequenz kennzeichnet, wobei die vordefinierte Bandbreite ausreichend groß ist, so dass die Resonanzfrequenz innerhalb der Bandbreite liegt, wobei nicht notwendigerweise eine exakte Bestimmung der Resonanzfrequenz erforderlich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises auf der Grundlage des detektierten Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises eingestellt. Auf Grund der vorhergehenden Detektion des Resonanzverhaltens des ersten und des zweiten Schwingkreises kann damit der Signalverlauf durch das gezielte Steuern des Resonanzverhaltens, z.B. der Resonanzfrequenz, des durchstimmbaren Schwingkreises in Abhängigkeit der jeweiligen Resonanzfrequenzen, d.h. der jeweiligen Sensorzustände, in für die Auswertung geeigneter Weise angepasst werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises auf einen Wert eingestellt, der zwischen der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises und der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises liegt. Durch diese Wahl der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises ergibt sich eine große Flexibilität bei der Anpassung des Gesamtverhaltens des gekoppelten Systems an den aktuellen Zustand des Sensorelements. Durch die Auswahl einer geeigneten Position der Resonanzfrequenz in dieser Weise lässt sich zum Einen eine Wirkung auf beide Resonanzfrequenzen erreichen, wobei gleichzeitig auch das Verhältnis der Einflussnahme auf das jeweilige Resonanzverhalten einstellbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren das Detektieren des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises bei einer ersten Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises für zwei oder mehr vorbestimmte Sensorzustände, und das Ermitteln aus dem ermittelten Resonanzverhalten einer Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens in Abhängigkeit des Sensorzustands. Generell ist es vorteilhaft, die Empfindlichkeit des Sensorelements für eine Änderung des Sensorzustands, d.h. beispielsweise eine Temperaturänderung und/oder Befeuchtungszustandsänderung, zu ermitteln, da sich damit Informationen hinsichtlich interner Eigenschaften des Sensorelements sowie des gesamten Messsystems gewinnen lassen. Das Bestimmen der Sensorempfindlichkeit kann während einer Kalibrierungs- bzw. Initialisierungsphase erfolgen, in der vorteilhafterweise bekannte Zustände am Sensorelement vorherrschen, so dass hieraus quantitativ verwertbare Ergebnisse gewonnen werden können. In anderen Ausführungsformen lässt sich diese Sensorempfindlichkeit auch während des Betriebs des Sensorelements und des zugehörigen Messsystems ermitteln, indem beispielsweise entsprechende Messwerte bei bekannten Zuständen des Sensorelements während des Betriebs abgefragt und gespeichert werden. So kann beispielsweise der Anwender in geeigneten Abständen über den Zustand des Sensorelements befragt werden, und die dabei gewonnenen Messergebnisse können als Referenzwerte weiter verwertet werden. Beispielsweise kann während der Startphase nach längerer Standzeit, bei der davon auszugehen ist, dass das Fahrzeug eine relativ homogene Temperatur aufweist, die durch typischerweise vorhandene Temperatursensoren zuverlässig erfasst werden kann, der Anwender ggf. befragt werden, ob im Falle eines Befeuchtungssensors der aktuelle Zustand des Sensors als Trocken zu bewerten ist. Aus den Daten, die aus mehreren Messereignissen gewonnen werden, wovon in der Regel einige bei unterschiedlicher Temperatur stattfinden, lässt sich eine entsprechende Empfindlichkeit, z.B. für die Temperatur ermitteln. In anderen Ausführungsbeispielen lässt sich zusätzlich oder alternativ eine definierte Menge eines dielektrischen Materials bei definierter Verteilung und/oder eine definierte Menge eines magnetischen Materials mit bekannter Verteilung auf das Sensorelement aufbringen oder in dessen Nähe anordnen, so dass damit genau defi nierte Sensorzustände eingestellt werden können, die dann zur Bestimmung der Sensorempfindlichkeit verwertet werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises unter Verwendung mindestens einer zweiten, von der ersten Resonanzfrequenz verschiedenen Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises ermittelt. Auf diese Weise lässt sich der Einfluss des durchstimmbaren Schwingkreises bei einer Änderung seiner Resonanzfrequenz auf die Sensorempfindlichkeit quantitativ ermitteln, so dass dies bei der Beurteilung des aktuellen Sensorstatus und/oder des aktuellen Status des Messsystems berücksichtigt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren das Detektieren des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises bei der ersten Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises für die zwei oder mehr vorbestimmten Sensorzustände und das Ermitteln einer Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises in Abhängigkeit des Sensorzustands. Auf diese Weise ergibt sich bei Vorhandensein zweier Schwingkreise ein sehr genaues Abbild der Empfindlichkeit des Sensorelements, da beide Schwingkreise berücksichtigt sind.

Vorteilhafterweise wird die Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises unter Verwendung mindestens einer zweiten, von der ersten Resonanzfrequenz verschiedenen Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises ermittelt. Wie im Falle des ersten Schwingkreises lässt sich damit auch sehr präzise der Einfluss der Lage der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises auf den zweiten Schwingkreis berücksichtigen, so dass nunmehr ausreichend präzise Vorhersagen bzw. Bewertungen des Sensorverhaltens und/oder des Verhaltens angekoppelter Ansteuer- und Auswerteeinrichtungen oder des Gesamtsystems ermittelt werden können.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen wird die Resonanzfrequenz und/oder Güte des durchstimmbaren Schwingkreises auf der Grundlage der bestimmten Empfindlichkeit des ersten und/oder des zweiten Schwingkreises eingestellt. Wie bereits erläutert wurde, ist die Empfindlichkeit des ersten und/oder des zweiten Schwingkreises, d.h. die Größe der Frequenzänderung der Resonanzfrequenz des entsprechenden Schwingkreises für eine vordefinierte Änderung des Sensorzustandes, abhängig von der Anwesenheit des durchstimmbaren Schwingkreises und dabei auch von dem aktuellen Zustand des Schwingkreises. D.h. der durchstimmbare Schwingkreis, der beispielsweise durch eine Änderung seiner Induktivität und/oder seiner Kapazität und/oder seines ohmschen Widerstands, hinsichtlich der Lage der Resonanzfrequenz und der Schwingkreisgüte eingestellt werden kann, ermöglicht erfindungsgemäß eine Steuerung auf der Grundlage der ermittelten Empfindlichkeiten. Wenn beispielsweise Fertigungstoleranzen, Montagetoleranzen, Änderungen während des Betriebs oder auch lediglich eine starke Veränderung der Resonanzfrequenz eines oder beider Schwingkreise keine optimale Signalauswertung zulässt, kann auf Grundlage der ermittelten Empfindlichkeit eine geeignete Anpassung erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen auch aus der folgenden detaillierteren Beschreibung weiterer anschaulicher Ausführungsbeispiele sowie den angehängten Patentansprüchen hervor. In der folgenden Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1a schematisch ein Messsystem gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
1b schematisch das Resonanzverhalten zweier Schwingkreise auf einem Sensorelement eines konventionellen Messsystems ohne einen durchstimmbaren Schwingkreis in der Ansteuereinrichtung zeigt;
1c schematisch das Resonanzverhalten der Schwingkreise des Sensorelements aus 1b bei Verwendung eines durchstimmbaren Schwingkreises und entsprechender Anpasssteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2a schematisch ein Verfahren zur Einstellung des durchstimmbaren Schwingkreises in der Ansteuereinrichtung in Abhängigkeit des Sensorausgangssignals illustriert; und
2b schematisch Prozessablaufschritte zeigt, die eine Steuerung des durchstimmbaren Schwingkreises in Abhängigkeit der ermittelten Sensorempfindlichkeit darstellt.
1a zeigt schematisch ein Messsystem 150 mit einem Sensorelement 100, das in oder auf einem Substrat 101 eine erste Leiterstruktur 110 aufweist, die einen ersten Schwingkreis bildet. Die Leiterstruktur 110 ist so ausgeführt, dass sie auf Grund ihrer geometrischen Konfiguration sowie der im Substrat 101 enthaltenen Materialien, die in der Umgebung der Leiterstruktur 110 vorhanden sind, eine gewisses Resonanzverhalten und somit Resonanzfrequenz aufweist, die durch Messgrößen, wie Temperatur, dielektrische Materialien, magnetische Materialien, elektromagnetische Felder und dergleichen in der Nähe der Leiterstruktur 110 veränderbar ist. Hierbei sei eine ohmsche Komponente der Leiterstruktur 110 vernachlässigt. In den dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterstruktur 110 beispielsweise in einem Teil einer Verbundglasscheibe integriert und so konfiguriert, dass sich bei einer Benetzung der Verbundglasscheibe mit Feuchtigkeit eine nur geringe Änderung der Resonanzfrequenz ergibt, wohingegen eine Temperaturänderung des Glasmaterials sowie etwaiger Füllmaterialien eine deutliche Verschiebung der Resonanzfrequenz aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Permittivität dieser Materialien hervorruft. Ferner ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite Leiterstruktur 120 vorgesehen, die sich in der Auswahl der Materialien und/oder der geometrischen Konfiguration von der ersten Leiterstruktur 110 unterscheiden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist die Leiterstruktur 120 so gestaltet, dass sich über die gesamte von der Leiterstruktur 120 eingenommene Fläche eine parasitäre Kapazität ausbildet, die somit bei einem gewissen Benetzungsgrad lokal über die ganze Fläche hinweg sensitiv auf die Benetzung reagiert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann somit der Schwingkreis der Leiterstruktur 110 als ein im Wesentlichen auf Temperatur reagierender Sensor betrachtet werden, wohingegen der durch die Leiterstruktur 120 gebildete Schwingkreis für Befeuchtung und, abhängig von der Art der in diesem Bereich verwendeten Materialien, zu einem gewissen Grade für die Temperatur sensitiv ist. Ferner soll darauf hingewiesen werden, dass hinsichtlich der Anzahl der Schwingkreise des Sensorelements 100 keine Einschränkung besteht. Insbesondere können Sensorelemente mit einem einzelnen Schwingkreis sowie mit drei und mehreren Schwingkreisen vorgesehen werden.
Des weiteren umfasst das erfindungsgemäße Messsystem 150 eine Ansteuereinrichtung 160, die einen Signalgenerator 161, der steuerbar ein Signal mit mehreren Frequenzen bereitstellen kann, sowie einen durchstimmbaren Schwingkreis 162, der mit dem Signalgenerator 161 verbunden ist, umfasst. In der dargestellten Ausführungsform ist der durchstimmbare Schwingkreis 162 im Wesentlichen als ein Parallelschwingkreis mit den Komponenten L und C dargestellt, wobei in einigen Ausführungsformen auch optional zusätzlich zu unvermeidbaren parasitären Widerständen, auch eine ohmsche Komponente R vorgesehen werden kann. Der durchstimmbare Schwingkreis 162 ist zumindest in einer seiner Komponenten steuerbar veränderlich, d.h. die Induktivität L und/oder die Kapazität C und/oder der Widerstandswert R sind variabel, wobei die entsprechende steuerbare Komponente mit einer Anpasssteuereinrichtung 170 verbunden ist, die ihrerseits mit einer Auswerteeinrichtung 140 verbunden ist, um von dieser ein Ausgangssignal zu empfangen, das in Abhängigkeit der Signalverarbeitungsmöglichkeiten der Auswerteeinrichtung 140 im Wesentlichen den Zustand des Sensorelements 100 und der Ansteuereinrichtung 160 wiedergibt, oder vor der Einspeisung in die Anpasssteuereinrichtung 170 in geeigneter Weise aufbereitet ist. Die Anpasssteuereinrichtung 170 ist ferner so ausgebildet, dass sie aus dem Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung 140 durch Signalverarbeitung, Rechenoperationen, und dergleichen Informationen extrahieren kann. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung 140 so ausgebildet, dass aus einem von der Ansteuereinrichtung 160 in das Sensorelement 100 eingespeisten Ansteuersignal ein dem Zustand des Sensorelements 100 entsprechendes Signal gewonnen wird, das dann der Anpasssteuereinrichtung 170 zugeleitet ist, die wiederum so ausgebildet ist, die für die weitere Signalverarbeitung erforderlichen Verarbeitungsschritte auszuführen. Selbstverständlich können zwei oder mehrere Komponenten der Ansteuereinrichtung 160, der Auswerteeinrichtung 140 und der Anpass steuereinrichtung 170 als integrierte Schaltung und/oder als ein Steuerrechner mit entsprechenden Softwarefunktionen bereitgestellt sein.
Beim Betrieb des Messsystems 150 wird zunächst ein von der Ansteuereinrichtung 160 erzeugtes Signal in das Sensorelement 100 eingespeist. Hierbei kann die Einspeisung über Kabelverbindungen oder auch in galvanisch entkoppelter Form stattfinden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement 100 galvanisch von der Ansteuereinrichtung 160 entkoppelt, so dass eine magnetische Kopplung des Sensorelements 100 und damit der durch die Leiterstrukturen 110 und 120 gebildeten Schwingkreise mit dem durchstimmbaren Schwingkreis 162 besteht. Zunächst sei ein Ausgangssignal, wie es von der Ansteuereinrichtung 140 zur Verfügung gestellt wird, für eine konventionelle Vorrichtung gezeigt, in der das Sensorelement 100 ohne den durchstimmbaren Schwingkreis 162 betrieben wird, so dass beispielsweise über eine entsprechende Spule das Sensorelement 100 energetisch mit der Ankoppelspule gekoppelt ist.
1b zeigt schematisch einen typischen Signalverlauf des Ausgangssignals, das in diesem konventionellen Falle von der Auswerteeinrichtung 140 erzeugt wird. Die Kurve A repräsentiert beispielsweise den Verlauf der Impedanz der entsprechenden konventionellen Ansteuereinrichtung, wobei sich entsprechende Maxima und Minima im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 120, der beispielsweise als Regensensor aufgefasst werden kann, und im Bereich des Schwingkreises 110, der beispielsweise als Temperatursensor betrachtet werden kann, ausbilden. Aus der Figur ist deutlich erkennbar, dass die die Impedanz repräsentierenden Spannungen im Bereich der Resonanzfrequenzen nur relativ gering und auch die Amplitudenänderungen nur gering sind, so dass eine zuverlässige Detektierung und Zuordnung einer Resonanzfrequenz unter Umständen schwierig und fehlerbehaftet ist, wobei gleichzeitig auch eine hohe Anfälligkeit gegenüber Störsignalen besteht.
1c zeigt einen typischen Signalverlauf für das gleiche Sensorelement 100 mit dem gleichen Sensorzustand, d.h. beispielsweise identische Befeuchtungs- und Temperaturzustände wie sie bei der Aufzeichnung des Signals aus 1b vorgelegen haben, wobei in diesem Falle die die Impedanz der Ansteuereinrichtung 160 in Abhängigkeit der Fre quenz darstellende Kurve D ein deutlich anderes Aussehen zeigt, da eben ein weiterer Schwingkreis vorhanden ist, d.h. der durchstimmbare Schwingkreis 162, der moderat stark mit den entsprechenden Schwingkreisen 110 und 120 gekoppelt ist, die ihrerseits, je nach Abstand und Ausbildung miteinander gekoppelt sein können.
Durch den durchstimmbaren Schwingkreis 162 ergibt sich somit ein gekoppeltes System, dessen Impedanz von dem durchstimmbaren Schwingkreis 162 am stärksten dominiert wird und damit deutlich das Gesamtverhalten und damit auch das Verhalten der Schwingkreise 110 und 120 beeinflusst. Wie aus der 1c deutlich zu erkennen ist, ergibt sich insbesondere ein sehr ausgeprägtes Minimum an der Stelle der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 120 und des Schwingkreises 110, die sich somit wesentlich effizienter und damit genauer bestimmen lassen als dies in konventionellen Einrichtungen der Fall ist. Zwar ergibt sich auf Grund der Hinzunahme des durchstimmbaren Schwingkreises 162 im Vergleich zu konventionellen Systemen eine reduzierte Empfindlichkeit des Sensorelements 100, d.h. die Verschiebung der Resonanzfrequenz bei einer vorgegebenen Änderung des Sensorzustands ist kleiner als für die konventionelle Vorrichtung, die keinen Schwingkreis in der Ausgangsstufe aufweist (siehe 1b), so erhält man aber dennoch auf Grund der besseren Signalauswertungsmöglichkeiten ein deutlichen Vorteil gegenüber bekannten Systemen. Ferner kann durch den durchstimmbaren Schwingkreis 162 auch die Empfindlichkeit des Sensorelements 100 in geeigneter Weise verändert werden, so dass sich ein hohes Maß an Flexibilität beim Betreiben des Messsystems 150 ergibt. Ein entsprechendes Verfahren zur Nutzung der variablen Empfindlichkeit des Sensorelements 100 ist nachfolgend unter Bezugnahme zu 2b detaillierter erläutert.
Beim Einspeisen des Ansteuersignals, das bei einer durch die Anpasssteuereinrichtung 170 vorgegeben Einstellung des Schwingkreises 162 vonstatten gehen kann, wird beispielsweise die Frequenz mittels des steuerbaren Signalgenerators 161 variiert und gleichzeitig ein durch den Zustand des Sensorelements 100 – und natürlich von der momentanen Einstellung des durchstimmbaren Schwingkreises 162 – abhängiges Ausgangssignal mittels der Auswerteeinrichtung 140 erzeugt. Wenn hierbei anhand dieses Ausgangssignals von der Anpasssteuereinrichtung 170 erkannt wird, dass die Lage der Resonanzfrequenz und/oder Güte des durchstimmbaren Schwingkreises 162 nicht einer gewünschten Position entspricht, so kann diese daraufhin eine oder mehrere der Komponenten des durchstimmbaren Schwingkreises 162 so ansteuern, dass sich eine neue geänderte Resonanzfrequenz und/oder Güte einstellt. Bei Bedarf kann dann die Anpasssteuereinrichtung 170 durch entsprechendes Ansteuern des steuerbaren Signalgenerators 161 mittels einer kurzen Frequenzabtastung die korrekte Lage der Resonanzfrequenz verifizieren. Die mit dem sich in der gewünschten Position befindlichen Resonanzfrequenz betriebene Ansteuereinrichtung 160 kann dann einen weiteren Abtastzyklus beginnen, evtl. mit geringerer Bandbreite oder weniger Abtastfrequenzen, da im Wesentlichen die Positionen der entsprechenden Resonanzfrequenz bereits bekannt sind, um dann mit der erforderlichen Präzision die Resonanzfrequenzen der Schwingkreis 110 und 120 zu ermitteln. Aus diesen Werten lässt sich dann durch implementierte Auswertealgorithmen ein entsprechendes Ausgangssignal in der Auswerteeinrichtung 140 erzeugen, das dann für weitere Steuerungs- und Verarbeitungszwecke zur Verfügung steht.
2a zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf für das Betreiben des Messsystems 150. In dem Ablauf 200 findet im Schritt 201 die Ermittlung des Resonanzverhaltens des Sensorelements bei einer vorgegebenen Einstellung und damit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz f_K des durchstimmbaren Schwingkreises 162 statt. Dabei kann bei Bedarf ein relativ grobes Frequenzraster mit größerer Bandbreite verwendet werden, um damit in rascher Weise den „globalen" Status des Messsystems 150, d.h. in etwa die Lage der Resonanzfrequenzen f_T und f_R der Schwingkreise bzw. Leiterstrukturen 110 bzw. 120 sowie die Resonanzfrequenz f_K des durchstimmbaren Schwingkreises 162 zu erfassen. Dies kann beispielsweise nach der Fertigung oder der Montage des Messsystems 150 auf Grund etwaiger anfallender Toleranzen erforderlich sein. Ferner kann diese Ermittlung des Resonanzverhaltens auch bei der Initialisierung vor Beginn einer eigentlichen Messung stattfinden. Im Schritt 202 wird sodann mittels der Anpasssteuereinrichtung 170 aus dem vorhergehenden Schritt 201 gewonnenen Daten eine Einstellung der Resonanzfrequenz f_K durchgeführt, so dass diese in einem gewünschten Bereich, beispielsweise an einer spezifizierten Position zwischen den Resonanzfrequenzen f_T und f_R liegt. Im Schritt 203 können dann die Resonanzfrequenzen f_T, f_R mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt werden, um damit die zur Bestimmung des Sensorzustands erforderliche Information gewinnen zu können. In dem optionalen Schritt 204 kann die auf Grund der im Schritt 202 eingestellten Resonanzfrequenz f_K hervorgerufene Gesamtänderung des Resonanzverhaltens verifiziert werden und bei Bedarf kann bei einer gewünschten Änderung im Schritt 204 in einen der Schritte 202 oder 201 zurückgekehrt werden. Auf der Grundlage der im Schritt 203 bestimmten Resonanzfrequenz f_T, f_R wird dann im Schritt 205 eine Auswertung der in diesen Werten enthaltenen Informationen in Bezug auf den Sensorzustand vorgenommen, wobei das damit entstehende Signal für weitere Steuerungs- und Verarbeitungsaufgaben zur Verfügung steht. In Block 206 kann auf der Grundlage vorgegebener Kriterien entschieden werden, ob eine aktualisierte Einstellung des durchstimmbaren Schwingkreises 162 erforderlich ist oder nicht. Abhängig von der jeweiligen Entscheidung kann mit der weiteren Bestimmung der Resonanzfrequenzen f_T und f_R, d.h. mit dem Bestimmen des Sensorzustandes fortgefahren werden, oder es kann zum Schritt 201 oder 202 zurückgekehrt werden, um die Resonanzfrequenz f_K zu aktualisieren.
2b zeigt schematisch einen Verfahrensablauf 210, der zusätzlich zum Ablauf 200 ausgeführt werden kann, um damit einen noch flexibleren Messprozess zu gewährleisten. In dem Verfahrensablauf 210 wird der Einfluss berücksichtigt, den das Vorhandensein und die Eigenschaften des Resonanzverhaltens des durchstimmbaren Schwingkreises 162 auf die Empfindlichkeit des Sensorelements und damit auf die Schwingkreise 110 und 120 ausübt. Dazu wird im Schritt 211 diese Sensorempfindlichkeit für eine oder vorteilhafterweise für mehrere verschiedene Resonanzfrequenzen f_K ermittelt. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem für verschiedene Einstellung von f_K bei zwei oder mehr definierten Zuständen des Sensorelements 100 die entsprechende Resonanzfrequenzen f_T und f_R, wie dies zuvor im Ablauf 200 beschrieben ist, bestimmt werden. Dieses Ermitteln der Sensorempfindlichkeit kann während diverser Phasen des Betriebs des Messsystems 150 ausgeführt werden, und kann insbesondere während einer anfänglichen Installation ausgeführt werden. Aus der ermittelten Sensorempfindlichkeit 211 kann beispielsweise eine relative Änderung zueinander der jeweiligen Empfindlichkeiten des Schwingkreises 110 und 120 bei Änderung der Resonanzfrequenz f_K ermittelt werden, ohne dass Absolutwerte für die Sensorempfindlichkeit erforderlich sind.
Auf der Grundlage dieser ermittelten Sensorempfindlichkeit wird dann im Schritt 212, in welchem ferner das Resonanzverhalten der Sensorelemente, beispielsweise auf der Basis der Resonanzfrequenzen f_R und f_T bekannt ist, eine Eigenschaft des Resonanzverhaltens des durchstimmbaren Schwingkreises 162 eingestellt. Zu diesem Zwecke kann beispielsweise die Güte und/oder die f_K durch Ansteuern einer oder mehrerer der entsprechenden Komponenten L, C und R eingestellt werden. Im Schritt 212 kann dann entschieden werden, ob eine Verifizierung der ausgeführten Einstellung des Schwingkreises 162 erforderlich ist oder nicht. Wenn eine entsprechende Verifizierung notwendig ist, kann zum Schritt 211 zurückgekehrt werden, in welchem dann wiederum beispielsweise die relativen Sensorempfindlichkeiten für die Schwingkreise 110 und 120 bestimmt werden. Anderenfalls kann zum Schritt 214 weitergegangen werden, in welchem die Resonanzfrequenzen f_R und f_T ermittelt und damit wiederum die entsprechenden Daten über den Sensorzustand gewonnen werden.
Für die Bestimmung der einzelnen Resonanzverhalten können an sich bekannte Fit-Verfahren, etwa die kubische Regression, verwendet werden, so dass sich Werte mit hoher Genauigkeit für Resonanzfrequenzen und entsprechende Gütefaktoren ermitteln lassen.

Claims

Messsystem mit: einem Sensorelement mit einer einen ersten Schwingkreis bildenden Leiterstruktur, einer mit dem Sensorelement gekoppelten Ansteuereinrichtung mit einem in einem spezifizierten Bereich durchstimmbaren Schwingkreis, der mit dem ersten Schwingkreis der Leiterstruktur gekoppelt ist, einer mit der Ansteuereinrichtung und/oder dem Sensorelement gekoppelten Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, ein dem Sensorzustand entsprechendes Ausgangssignal bereitzustellen und einer Anpasssteuereinrichtung, die mit dem durchstimmbaren Schwingkreis und der Auswerteeinrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises in Abhängigkeit des Ausgangssignals einzustellen.
Messsystem nach Anspruch 1, wobei die Leiterstruktur des Sensorelements so ausgebildet ist, dass ein zweiter Schwingkreis gebildet ist.
Messsystem nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei das Sensorelement und die Ansteuereinrichtung galvanisch entkoppelt sind.
Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Ansteuereinrichtung einen steuerbaren Oszillator aufweist, der mit dem durchstimmbaren Schwingkreis und der Anpasssteuereinrichtung verbunden ist, und wobei die Anpasssteuereinrichtung ausgebildet ist, eine Frequenz des steuerbaren Oszillators einzustellen.
Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet ist, eine einer Resonanz in dem Ausgangssignal entsprechende Eigenschaft zu detektieren.
Messsystem nach Anspruch 5, wobei die Eigenschaft eine Resonanzfrequenz repräsentiert.
Messsystem nach Anspruch 2 und 5, wobei eine erste Resonanz im wesentlichen durch den ersten Schwingkreis, eine zweite Resonanz im wesentlichen durch den zweiten Schwingkreis und eine dritte Resonanz im wesentlichen durch den durchstimmbaren Schwingkreis bestimmt sind, und wobei für zumindest zwei unterschiedliche Sensorzustände die erste und die zweite Resonanz bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten und die Anpasssteuereinrichtung ausgebildet ist, den durchstimmbaren Schwingkreis so einzustellen, dass die dritte Resonanz im Frequenzbereich zwischen der ersten und der zweiten Resonanz liegt.
Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet ist, eine Änderung der detektierten Eigenschaft in Abhängigkeit einer Zustandsänderung des Sensorelements in dem Ausgangssignal zu erfassen und daraus eine Sensorempfindlichkeit für Zustandsänderungen in Bezug auf die detektierte Eigenschaft zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 8, wobei die Anpasssteuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den durchstimmbaren Schwingkreis auf der Grundlage der bestimmten Sensorempfindlichkeit einzustellen.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist, das Signal mit den mehreren Frequenzkomponenten gleichzeitig in das Sensorelement einzuspeisen.
Messsystem nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Fouriertransformation des Ausgangssignals aufweist.
Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Sensorelement eine Sensorfläche zum Empfang einer dielektrischen Substanz aufweist, und wobei die Sensorfläche räumlich so zur Leiterstruktur angeordnet ist, dass bei Empfang der dielektrischen Substanz eine Änderung der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises bewirkt wird.
Messsystem nach Anspruch 2 und 12, wobei der zweite Schwingkreis als Referenzschwingkreis ausgebildet ist.
Verfahren zur Ankopplung eines Sensorelements mit einer Leiterstruktur, die zumindest einen ersten Schwingkreis bildet, an eine Ansteuereinrichtung eines Messsystems, wobei das Verfahren umfasst: Einspeisen eines Ansteuersignals mit mehreren Frequenzkomponenten, die eine erste Bandbreite definieren, in das Sensorelement, Detektieren des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises und Einstellen eines Resonanzverhaltens eines oder mehrerer Schwingkreise einer oder mehrerer Ansteuerschaltungen, der mit dem ersten Schwingkreis zur Einspeisung des Ansteuersignals gekoppelt ist, auf der Grundlage des detektierten Resonanzverhaltens.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Einstellen durch Auswahl eines festen geeigneten Wertes für die kapazitive Komponente und/oder die induktive Komponente erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schwingkreis ein in einem vordefinierten Frequenzbereich durchstimmbarer Schwingkreise ist und wobei Einstellen des Resonanzverhaltens des durchstimmbaren Schwingkreises Einstellen der Resonanzfrequenz des durchstimmbaren Schwingkreises durch Einstellen seiner Induktivität und/oder Kapazität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schwingkreis ein in einem vordefinierten Frequenzbereich durchstimmbarer Schwingkreise ist und wobei Einstellen des Reso nanzverhaltens des durchstimmbaren Schwingkreises Einstellen der Güte des durchstimmbaren Schwingkreises durch Einstellen seiner ohmschen Komponente umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei Detektieren des Resonanzverhaltens umfasst: Ermitteln einer Signalamplitude des Ausgangssignals für jede der mehreren Frequenzkomponenten und Bestimmen aus den mehreren bestimmten Signalamplituden eines für die Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises charakteristischen Wertes.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner umfasst: Detektieren einer für die Resonanzfrequenz des Schwingkreises charakteristischen Wertes aus dem Ausgangssignal.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Leiterstruktur so ausgebildet ist, dass ein zweiter Schwingkreis mit einer zu dem ersten Schwingkreis unterschiedlichen Resonanzfrequenz gebildet ist, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Detektieren des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf der Grundlage des detektierten Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf einen Wert eingestellt wird, der zwischen der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises und der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 22, das ferner umfasst: Detektieren des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises bei einer ersten Resonanzfrequenz des Schwingkreises für zwei oder mehr vorbestimmte Sensorzustände, und Ermitteln aus dem ermittelten Resonanzverhalten einer Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens in Abhängigkeit des Sensorzustandes.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des ersten Schwingkreises unter Verwendung mindestens einer zweiten, von der ersten Resonanzfrequenz verschieden Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird, wobei der Schwingkreis durchstimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, das ferner umfasst: Detektieren des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises bei der ersten Resonanzfrequenz des Schwingkreises für die zwei oder mehr vorbestimmten Sensorzustände, und Ermitteln einer Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises in Abhängigkeit des Sensorzustandes.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Empfindlichkeit des Resonanzverhaltens des zweiten Schwingkreises unter Verwendung mindestens einer zweiten, von der ersten Resonanzfrequenz verschieden Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 und/oder 26, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf der Grundlage der bestimmten Empfindlichkeit des ersten und/oder zweiten Schwingkreises eingestellt wird.