DE102005025908B3

DE102005025908B3 - Kapazitiver Sensor zum Messen einer Messgrösse

Info

Publication number: DE102005025908B3
Application number: DE200510025908
Authority: DE
Inventors: Heinz KÜCK; Daniel Warkentin; Daniel Benz; Tim Botzelmann
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: WO2006131276A1; EP1896795A1

Abstract

Ein Sensor zum Messen einer Messgröße weist ein erstes Elektrodenpaar und ein zweites Elektrodenpaar auf, wobei die Elektroden des ersten Elektrodenpaars und des zweiten Elektrodenpaars abwechselnd elektrisch getrennt und leitend miteinander verbunden werden. Eine Kapazitätsmesseinrichtung kann dann einen ersten und einen zweiten Differenzkapazitätsmesswert ermitteln, so dass eine Verarbeitungseinrichtung einen Messwert unter Verwendung des ersten Differenzkapazitätsmesswerts und des zweiten Differenzkapazitätsmesswerts bestimmen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor zum Messen einer Messgröße.
Generell können kapazitive Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und Forschung eingesetzt werden. Beispiele dafür sind Neigungssensoren, welche als Überschlagsensoren in Kraftfahrzeugen, als Überwachungssensoren von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden und als Positionssensoren für automatisierte Maschinen, Bügeleisen, Waschmaschinen etc. eingesetzt werden können.
Eine Reihe von herkömmlichen Sensoren werden eingesetzt, um durch die Messung einer messgrößenabhängigen Kapazitätsdifferenz einer Kondensatoranordnung eine Messgröße, wie z. B. die Neigung bezüglich der horizontalen Fläche bzw. der Horizontalen, zu ermitteln.
Hierfür werden beispielsweise Neigungssensoren eingesetzt, die über eine Messung einer Differenzkapazität bei neigungsbedingter Änderung der überdeckten Fläche einer mit einem elektrisch leitfähigen Pendel gebildeten Differential-Kondensator-Anordnung die Neigung bestimmen. Weitere kapazitive Sensoren führen eine Differenzkapazitätsmessung durch, wobei eine neigungsbedingte Änderung einer Anordnung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit gegenüber den von ihr zum Teil überdeckten Kondensatorelektroden ermittelt wird.
Darüber hinaus werden herkömmliche Kapazitätssensoren eingesetzt, um den Drehwinkel einer Welle mittels einer Messung einer winkelabhängigen Differenzkapazität einer Differential-Kondensator-Anordnung zu detektieren. Dabei lässt sich die Differential-Kondensator-Anordnung über eine mit der Welle verbundene elektrisch leitfähige Scheibe realisieren.

Die DE4141324A1 zeigt einen kapazitiven Neigungssensor, der einen Hohlkörper bzw. einen zylinderförmigen Behälter aufweist. An einer oder an beiden Stirnflächen des Behälters sind Isolierplatten angeordnet, an denen vorzugsweise zwei voneinander getrennte halbkreisförmig ausgebildete Metallbeläge angeordnet sind. Der Hohlraum des Behälters ist dabei vorzugsweise bis zur Hälfte mit einer Flüssigkeit gefüllt, die eine relativ hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Zwei gegenüberliegende Metallbeläge bilden jeweils zusammen mit der Flüssigkeit einen Kondensator, wobei die einzelnen Kondensatoren als Differential-Kondensator-Anordnungen ausgeführt sind. Wenn der Behälter geneigt wird, so bleibt die Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft auf einem horizontalen Flüssigkeitsspiegel stehen. Somit ergibt sich eine neigungsabhängige Änderung der von der Flüssigkeit überdeckten Fläche der Metallbeläge.

Die DE10007246A1 legt einen elektrostatischen kapazitiven Neigungssensor dar, bei dem ein Paar halbkreisförmiger Differenzial-Elektroden in vertikaler Richtung nebeneinander angeordnet ist. Durch diese Anordnung der Elektroden wird die Kapazitätsdifferenz der Differential-Kondensator-Anordnung bei horizontaler Lage des Sensors maximal. In einer nachgelagerten Elektronik, die ein von dem Sensor stammendes Signal verarbeitet, ist daher eine Nullpunkt-Einstellung und Temperaturkompensation nicht mehr erforderlich.

Die DE3512983A1 lehrt ein kapazitives Neigungs- und Ebenheitsmessgerät, das ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse aufweist, das vorzugsweise bis zu der Hälfte mit einer dielektrischen nichtleitenden Flüssigkeit gefüllt ist. In die Flüssigkeit tauchen vier kreissegmentförmige Elektroden ein, die eine Kondensatoranordnung bilden. Wenn das Nei gungs- und Ebeneneinheitsmessgerät aus seiner Referenzstellung heraus geneigt wird, so ändert sich die Eintauchtiefe der Elektroden in die dielektrische Flüssigkeit, wodurch sich auch die Kapazitäten der Kondensatoranordnung in Abhängigkeit von der Neigung des Messgeräts ändern.

In der DE10217859C1 wird ein kapazitiver Neigungssensor dargestellt, bei dem ein Paar halbkreisförmiger Elektroden in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet sind und einer gemeinsamen Elektrode gegenüberliegen. Zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden befindet sich ein halbkreisförmiges Pendel aus elektrisch leitfähigem Material, welches einen sehr geringen Abstand zu den Gehäuseelektroden aufweist, so dass sich eine Differential-Kondensator-Anordnung ergibt. Bei einer Drehung des Gehäuses gegenüber der Horizontalen nimmt die Überdeckung zwischen dem Pendel und der ersten Teilelektrode zu, während zugleich die Überdeckung zwischen dem Pendel und der zweiten Teilelektrode abnimmt, weshalb sich die Kapazitäten der beiden Kondensatoren gegensinnig ändern und eine neigungsabhängige messbare Kapazitätsdifferenz entsteht.

7 zeigt einen herkömmlichen Kapazitätssensor 10 zum Messen einer Neigung in einer Draufsicht. Der herkömmliche Kapazitätssensor 10 weist dabei ein Gehäuse auf, das aus einer ersten Gehäusewand 11 und einer zweiten Gehäusewand 13 besteht. In der zweiten Gehäusewand 13 ist eine Kavität bzw. Aushöhlung, die hier zylinderförmig ist, eingebracht.

Auf einer Oberfläche 15 der Kavität befinden sich eine erste Kondensatorelektrode 17a und eine zweite Kondensatorelektrode 17b. Auf einer Oberfläche 18 der ersten Gehäusewand 11 ist eine gemeinsame Kondensatorelektrode 19 aufgebracht. In der Kavität ist eine Flüssigkeit 21, häufig eine dielektrische Flüssigkeit 21, zwischen der ersten Kondensatorelektrode 17a, der zweiten Kondensatorelektrode 17b und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 angeordnet.

Der herkömmliche Kapazitätssensor 10 dreht sich um eine Drehachse 23. Auf einer der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 abgewandten Oberfläche der ersten Gehäusewand 13 ist eine elektrische Schaltung 25 aufgebracht.

Die erste Kondensatorelektrode 17a bildet mit der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 einen ersten Kondensator und die zweite Kondensatorelektrode 17b bildet mit der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 einen zweiten Kondensator. Die elektrische Schaltung 25 ermittelt die Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators.

Die abgeschlossene bzw. dicht verschlossene Kavität ist vorzugsweise bis zur Hälfte mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 gefüllt, wie z. B. einem Silikonöl, wobei sich die dielektrische Flüssigkeit aufgrund des Gravitationsfelds so ausrichtet, dass ihr Flüssigkeitsspiegel stets horizontal ist.

Wenn sich das Gehäuse des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 um die Drehachse 23 neigt bzw. dreht, bleibt die dielektrische Flüssigkeit 21 auf einem horizontalen Flüssigkeitspegel stehen. Somit ändern sich die Flächenanteile der durch die dielektrische Flüssigkeit überdeckten ersten Kondensatorelektrode 17a und der zweiten Kondensatorelektrode 17b, wodurch sich ebenfalls die Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators ändern.

Ein Pfeil 26 zeigt eine Drehrichtung des Sensors nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn. Wenn der herkömmliche Kapazitätssensor 10 nach rechts gedreht wird, so nimmt eine Fläche der ersten Kondensatorelektrode 17a, die von der dielektrischen Flüssigkeit 21 überdeckt wird, ab, während eine Fläche der zweiten Kondensatorelektrode 17b, die von der dielektrischen Flüssigkeit 21 bedeckt wird, zunimmt. Somit nimmt die Kapazität des ersten Kondensators ab, während die Kapazität des zweiten Kondensators zunimmt.

Wenn das Gehäuse des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 nach links gedreht wird, so nimmt die Kapazität des ersten Kondensators zu, während die des zweiten Kondensators abnimmt. Somit kann durch die Bestimmung der Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators die Drehrichtung erfasst werden.

Der herkömmlichen Kapazitätssensor 10 bestimmt somit die Neigung bzw. Ausrichtung oder Drehung des Gehäuses gegenüber einem Gravitationsfeld bzw. einer horizontalen Fläche um die Drehachse 23 mittels einer Kapazitätsänderung des ersten und des zweiten Kondensators, die durch eine Änderung der Anordnung der eingefüllten Flüssigkeit 21 hervorgerufen wird. Dabei wird durch die Verkippung der dielektrischen Flüssigkeit 21 die Überdeckung der flüssigkeitsbedeckten Flächen der sich stirnseitig gegenüberstehenden Elektroden 17a, 17b und 19 verändert, und diese Änderung kapazitiv ausgelesen.

In 8 wird schematisch die Bildung des ersten Kondensators 27a, der in 8 mit dem Bezugszeichen 27a versehen ist, und des zweiten Kondensators 27b, der in 8 mit dem Bezugszeichen 27b versehen ist, erläutert. Der erste Kondensator 27a bildet sich wie oben erläutert dabei zwischen der ersten Kondensatorelektrode 17a und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 aus, während sich der zweite Kondensator 27b zwischen der zweiten Kondensatorelektrode 17b und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 ausbildet.

Um ein kontinuierliches analoges Ausgangssignal zu gewinnen, das von einer absoluten Neigung des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 gegenüber der Horizontalen abhängt, sind der erste Kondensator 27a und der zweite Kondensator 27b in einer Differential-Kondensator-Anordnung zusammengeschaltet. Bei einer Neigung des Gehäuses des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 gegenüber der dielektrischen Flüssigkeit 21, die ja in der Horizontalen verharrt, ändern sich die Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b entgegengesetzt zueinander. Aus der Kondensator-Grundgleichung lässt sich damit für den in 7 und 8 dargestellten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 mit halbkreisförmigen horizontal nebeneinander angeordneten Kondensatorelektroden 17a, 17b folgende Gleichung zur Bestimmung der Grundkapazität C₀ ermitteln.

In der obigen Formel für die Grundkapazität C₀ ist ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_rLuft die Dielektrizitätszahl von Luft und ε_{rdielektr.Fl.} die Dielektrizitätszahl der dielektrischen Flüssigkeit, A die von der Luft bzw. vom Silikonöl überdeckte Fläche einer Teilelektrode und d der Abstand der Teilelektroden von der gemeinsamen Elektrode. Zur Steigerung der Messempfindlichkeit des herkömmlichen Sensors 10 wird in der Schaltung 25 die Differenz der ersten Kapazität 27a und der zweiten Kapazität 27b ermittelt und in eine Spannung umgewandelt. Der Zusammenhang für die Differenzkapazität für den in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 zum Messen einer Neigung ergibt sich nach folgender Formel:

In obiger Formel ist ΔA(α) die vom Neigungswinkel α abhängige Änderung der mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 überdeckten Fläche der Differential-Kondensator-Anordnung, die den ersten Kondensator 27a und den zweiten Kondensator 27b umfasst. Die Auflösung des herkömmlichen Sensors 10 ist dabei von der kleinsten messbaren Kapazität der verwendeten Elektronik, also hier der elektrischen Schaltung 25, abhängig und ergibt sich aus der unten stehenden Gleichung:

α_min ist hierbei der kleinste aufzulösende Winkel, ΔC_maxα die Differenzkapazität bei dem vollständig ausgeschöpften Messbereich α_max des herkömmlichen Sensors 10 und C_min die minimale erfassbare Kapazitätsänderung der Elektronik.

9 zeigt eine herkömmliche Auswerteschaltung 51, die dazu dient, ein Ausgangssignal des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 zu erzeugen. In der herkömmlichen Auswerteschaltung 51 ist ein Signalgenerator 53 zur Erzeugung eines Trägersignals über den ersten Kondensator 27a mit einem ersten Ladungsverstärker 55a und über den zweiten Kondensator 27b mit einem zweiten Ladungsverstärker 55b verbunden. Der erste Ladungsverstärker 55a ist als bekannte Operationsverstärkerschaltung ausgeführt, die einen ersten Operationsverstärker 55a1, einen Kondensator 55a2 und einen Ohmschen Widerstand 55a3 umfasst, die wie in 9 gezeigt zusammengeschaltet sind. Der zweite Ladungsverstärker 55b ist wie der erste Ladungsverstärker als eine bekannte Operationsverstärkerschaltung ausgeführt, und weist einen zweiten Operationsverstärker 55b1, einen zweiten Kondensator 55b2 und einen zweiten Ohmschen Widerstand 55b3 auf, die wie in 9 gezeigt zusammengeschaltet sind.

Ein Ausgangssignal des ersten Ladungsverstärkers 55a und des zweiten Ladungsverstärkers 55b werden jeweils einer bekannten Demodulator-Schaltung 57 zugeführt. Der Demodulator weist eine erste Demodulator-Diode 57a1, einen ersten Demodulator-Widerstand 57a2, einen ersten Demodulator-Kondensator 57a3, eine zweite Demodulator-Diode 57b1, einen zweiten Demodulator-Widerstand 57b2 und einen zweiten Demodulator-Kondensator 57b3 auf. Die Elemente des Demodulators 57 sind wie in 9 dargestellt miteinander verschaltet. Der Demodulator 57 erzeugt in Abhängigkeit von dem von dem ersten Ladungsverstärker 55a gelieferten Signal ein erstes Ausgangssignal und in Abhängigkeit von einem Signal, das von dem zweiten Ladungsverstärker 55b geliefert wird, ein zweites Ausgangssignal, wobei das erste und das zweite Ausgangssignal einem bekannten Differenzverstärker 59 bzw. Instrumenten-Verstärker-OP zugeführt werden. Der Differenzverstärker 59 weist einen Differenzverstärker-Operationsverstärker 59a und einen Differenzverstärker-Widerstand 59b auf, die wie in 9 dargestellt miteinander verschaltet sind.

Ein Anschluss des Signalgenerators 53, ein Anschluss des ersten Operationsverstärkers 55a1 und des zweiten Operationsverstärkers 55b1 sowie ein Anschluss des Demodulators 57 sind mit einem Masseanschluss verbunden.

Der Differenzverstärker 59 erzeugt ein Sensorausgangssignal, das an einem Ausgangsanschluss 61 anliegt. Die Höhe des an dem Ausgangsanschluss 61 anliegenden Messsignals bzw. Sensorausgangssignals und dessen Vorzeichen sind von einer Differenz der Kapazität des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b abhängig.

Ein Nachteil des in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensors 10, der mit der in 9 gezeigten herkömmlichen Auswerteschaltung 51 ausgelesen wird, ist, dass sich bei einer sehr großen Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators 27a und der Kapazität des zweiten Kondensators 27b, eingekoppelte Störungen sehr leicht auf das Messsignal der Auswerteschaltung, das an dem Ausgangsanschluss 61 anliegt, überlagern. Diese sehr große Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b tritt beispielsweise bei einer sehr großen Bedeckung der ersten Kondensatorelektrode 17a mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 und einer sehr geringen Bedeckung der zweiten Kondensatorelektrode 17b auf.

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei dem herkömmlichen Kapazitätssensor 10 sich ein nicht optimales Füllvolumen der Flüssigkeit 21 sehr stark auf die Sensorkennlinie auswirkt. Hierbei wird besonders in den Randbereichen der Kennlinie des Sensors, in denen die erste Kondensatorelektrode 17a oder die zweite Kondensatorelektrode 17b häufig zu einem hohen Prozentsatz von der Flüssigkeit 21 überdeckt wird, die Änderung der Kapazitäten der ersten Kondensatorelektrode 17a zu der Kapazität der zweiten Kondensatorelektrode 17b sehr gering, weshalb auch die Empfindlichkeit des Sensors in diesen Bereichen stark reduziert ist.

Ein weiterer Nachteil des in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensors 10 ist, dass aufgrund der Anordnung der Kondensatorelektroden 17a, 17b, 19 nur Winkel in einem Bereich von –90° bis 90° eindeutig detektiert werden können. Wenn in obigem Ausführungsbeispiel der Drehwinkel z. B. einen Wert von –90° oder 90° aufweist, so wird die Differenz der Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b maximal.

Wenn z. B. der Drehwinkel, um den der in 7 dargestellte herkömmliche Sensor 10 geneigt wird, einen Wert von 90° überschreitet bzw. einen Wert von –90° unterschreitet, so ist eine Änderung der Differenz der Kapazität zwischen dem ersten Kondensator 27a und dem zweiten Kondensator 27b von der Drehrichtung des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 unabhängig. Anders ausgedrückt ist z. B. der Wert der Differenz der Kapazität zwischen dem ersten Kondensator 27a und dem zweiten Kondensator 27b bei einem Neigungswinkel von 80° (80° = 90° – 10°) genau so hoch wie bei einem Neigungswinkel von 100° (100° = 90° + 10°).

Somit ist mit dem in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels nur in einem Bereich von –90° bis 90° möglich.

10 erläutert einen Aufbau eines weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80. In der nachfolgenden Beschreibung des in 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssen sors 80 werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere werden Elemente, die zu denjenigen aus 7 gleich oder gleichwirkend sind, mit dem jeweils gleichen Bezugszeichen versehen, und die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf die Darstellung der Unterschiede zu dem Aufbau nach 7.

Im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 weist der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 eine dritte Kondensatorelektrode 81a, eine vierte Kondensatorelektrode 81b und eine weitere gemeinsame Kondensatorelektrode 83 auf. Die dritte Kondensatorelektrode 81a und die vierte Kondensatorelektrode 81b bilden sin kreisringförmiges Elektrodenpaar und umgeben die erste Kondensatorelektrode 17a und die zweite Kondensatorelektrode 17b. Die dritte Kondensatorelektrode 81a und die vierte Kondensatorelektrode 81b sind dabei um einen Winkel von 90° verdreht zu der ersten Kondensatorelektrode 17a und der zweiten Kondensatorelektrode 17b angeordnet. Jedoch könnten die dritte 81a und die vierte 81b Elektrode um einen beliebigen Winkel in einem Bereich von 0 bis 180° gegenüber der ersten Kondensatorelektrode 27a und der zweiten Kondensatorelektrode 27b verdreht angeordnet werden.

Zusätzlich zu dem in 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 bilden die dritte Kondensatorelektrode 81a und die weitere gemeinsame Elektrode 83 einen dritten Kondensator und die vierte Kondensatorelektrode 81b und die weitere gemeinsame Elektrode 83 einen vierten Kondensator. Somit weist der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 vier Kondensatoren auf, deren Kapazität von einer Neigung des weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80 abhängt.

11 erläutert ein Ersatzschaltbild des in 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80. Eine erste Differenzkapazität 87 resultiert aus den unterschiedlichen Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b. Zugleich resultiert eine zweite Differenzkapazität 89 aus einem Unterschied der Kapazitäten des dritten Kondensators und des vierten Kondensators.

Der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 ermöglicht, Drehwinkel in einem Bereich von –180° bis 180° zu messen.

Nachteilig ist an dem in 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80, dass sich durch die Anordnung der dritten Kondensatorelektrode 81a und der vierten Kondensatorelektrode 81b auf einem Kreisring um die erste Kondensatorelektrode 17a und die zweite Kondensatorelektrode 17b ein erhöhter Platzbedarf für den weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 ergibt.

Dieser erhöhte Platzbedarf führt dazu, dass der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 schwieriger in technischen Geräten integrierbar ist. Außerdem ist ein größeres Gehäuse erforderlich, um den weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 unterzubringen, so dass der Materialverbrauch steigt. Dies erhöht die Fertigungskosten des weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors.

Nachteilig an dem in 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor ist außerdem die unterschiedliche Form der Kondensatorelektroden 17a, 17b, der Kondensatorelektroden 81a, 81b, der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 und der weiteren gemeinsamen Kondensatorelektrode 83. Somit müssen für den in 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 eine Reihe unterschiedlich geformter Kondensatorelektroden für dessen Fertigung bereitgestellt werden. Dies erschwert die Bevorratung der Komponenten und führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Fertigungskosten.

Die De 3711062 C2 zeigt ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung mit einem kapazitiven Messaufnehmer. Eine Referenzspannungsquelle, die zwei Referenzspannungspotentiale zur Verfügung stellt, wird unter Verwendung eines Referenz potentialschalters so mit Referenzpotentialelektrodenpaaren auf Statorplatten verbunden, dass abwechselnd zwei horizontal nebeneinander liegende oder zwei vertikal nebeneinander liegende Sektoren als miteinander verbunden erscheinen und einen 180°-Sektor bilden. Eine Stellung von Sensorelektroden gegenüber den Referenzpotentialelektroden bzw. eine Überlappung der Sensorelektroden mit den Referenzpotentialelektroden ist von einer Stellung bzw. einem Drehwinkel α eines Rotors an dem der Sensor mit den Sensorelektroden angebracht ist, abhängig.

Zwischen den beiden Statorplatten mit den Referenzpotentialelektroden ist der kreisförmige Sensor angeordnet, auf dem zwei Sensorelektroden jeweils auf einer der ersten Statorplatte und einer der zweiten Statorplatte zugewandten Oberfläche angeordnet sind. Über einen Koppelelektrodenbereich der Sensorelektroden wird die Sensorspannung von den Sensorelektroden an die auf den Statorplatten angeordneten Koppelelektrodenflächen ausgekoppelt. Die auf den Koppelelektroden erzeugte hochohmige Spannung wird anschließend über einen schnellen Ladungsverstärker in einer Auswerteschaltung entkoppelt.

Die DE 1996089 A1 zeigt einen kapazitiven Neigungssensor, der einen Hohlkörper mit an Außenflächen angeordneten Flächenelektroden aufweist. Das Innere des Hohlkörpers ist teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit befüllt. Die Flächenelektroden bilden mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit im Innern des Hohlkörpers Plattenkondensatoren, die in einer kapazitiven Sternschaltung verschaltet sind, wobei die Kapazitäten der Plattenkondensatoren sich entsprechend dem Flüssigkeitsstand an der jeweiligen Flächenelektrode des Hohlkörpers einstellen. Eine Auswerteschaltung, erfasst die Kapazitäten der Plattenkondensatoren. In der Auswerteschaltung wird eine Rechteckwechselspannung über die Schalter wahlweise an eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensatoren oder eine Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem dritten Kondensator angelegt.

Zugleich wird über die verbleibende Kapazität, die Kapazität also, die jeweils nicht in der Reihenschaltung aus den Kondensatoren verschaltet ist, die Spannung an dem Knotenpunkt ausgekoppelt und einem nachfolgenden Vorverstärker zugeführt. Somit wird eine Differenz der Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators und eine Differenz der Kapazitäten des ersten und des dritten Kondensators ermittelt.

Die EP 1396703 A2 lehrt einen kapazitiven Winkel-Positionssensor. Der Kapazitätssensor weist einen Rotor auf, der zwischen Elektroden auf Platten angeordnet ist, wobei sich die Kapazität zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von einer Stellung des Rotors verändert. Auf einer Übertragerplatte sind dabei zwei Übertragerelektroden angeordnet, während auf einer Empfängerplatte vier Empfängerelektroden angeordnet sind. Zwei Empfängerelektroden sind über einen Leiter elektrisch leitend verbunden, während zwei weitere Empfängerelektroden über einen weiteren Leiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein Mikrokontroller steuert einen analogen Schalter so an, dass abwechselnd ein von dem Empfängerelektrodenpaar, das zwei zusammengeschaltete Empfängerelektroden aufweist, und ein von dem weiteren Empfängerelektrodenpaar, das zwei weitere Empfängerelektroden aufweist, geliefertes Signal ausgewertet wird, und ein Absolutwert der Winkelposition mittels einer Nachschlagtabelle in dem Mikrokontroller ermittelt wird.

Das US-Patent 5,172,481 zeigt einen Sensor zum Bestimmen einer Neigung, der ein Gehäuse aufweist. An dem Gehäuse sind auf eine Oberfläche Elektroden A, B und auf einer den Elektroden A, B gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuses, Elektroden C, D angeordnet, so dass sich die Elektroden A, B jeweils mit den beiden Elektroden C, D überlappen und die Elektroden C, D sich jeweils mit den Elektroden A, B, überlappen. Die Elektroden A, B und C, D sind jeweils durch eine Ausnehmung 8 voneinander getrennt, so dass sie nicht in direktem elektrischem Kontakt zueinander stehen. In dem Gehäuse ist eine leitende Flüssigkeit angeordnet, welche einen in dem Gehäuse angeordneten Hohlraum teilweise ausfüllt. In Abhängigkeit von einer Neigung des Sensors werden entweder die Elektroden A, B zusammengeschaltet, so dass sie eine gemeinsame Elektrode bilden, während die Elektroden C, D als Sensorelektroden fungieren, oder die Elektroden C, D werden zusammengeschaltet, so dass sie eine gemeinsame Elektrode bilden, während die Elektroden A, B als Sensorelektroden fungieren. Wenn die Elektroden C, D zusammengeschaltet sind, wird ein Widerstand zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode A und ein Widerstand zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode B bestimmt, wobei der Widerstand von einem Maß, in dem die Elektroden A oder B in die Flüssigkeit eingetaucht werden, abhängig ist. Somit wird ein Widerstand Z1 eines Pfads zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode A und einem Widerstand Z2 eines Pfads zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode B ermittelt. Aus einem Verhältnis R der Widerstände Z1, Z2 zueinander wird ein Neigungswinkel ermittelt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor zum Messen einer Messgröße zu schaffen, der in seinem Platzbedarf verbessert ist und kostengünstiger herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch den neu überreichten Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Sensor zum Messen einer Messgröße mit einem ersten Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einem zweiten Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer vierten Elektrode, wobei zwischen dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar ein Zwischenraum gebildet ist, und wobei die Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodenpaars so angeordnet sind, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars mit den beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappt, einem beweglichen Element, dessen Position bezüglich des ersten und des zweiten Elektrodenpaars von der Messgröße abhängt, und das zwischen dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist, einer Kapazitätsmesseinrichtung zum Messen einer ersten Differenzkapazität zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar, bei dem die erste und die zweite Elektrode leitend miteinander verbunden sind, und die dritte Elektrode gebildet ist, und einem zweiten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar und die vierte Elektrode gebildet ist, und zum Messen einer zweiten Differenzkapazität zwischen einem dritten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar, bei dem die dritte und die vierte Elektrode leitend miteinander verbunden sind, und die erste Elektrode gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar und die zweite Elektrode gebildet ist, und einer Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen eines Messwerts für die Messgröße unter Verwendung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Sensor zum Messen einer Messgröße, der zwei Elektrodenpaare aufweist, abwechselnd die erste und die zweite Elektrode des ersten Elektrodenpaars leitend mitein ander verbunden werden können, und die dritte und die vierte Elektrode des zweiten Elektrodenpaars leitend miteinander verbunden werden können. Dabei wird zwischen den beiden Elektrodenpaaren ein bewegliches Element angeordnet, dessen Position sich in Abhängigkeit von einer Messgröße ändert, so dass sich jeweils die Kapazität zwischen den Elektroden und dem gegenüberliegenden Elektrodenpaar in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Elements ändert.

Eine Kapazitätsmesseinrichtung kann dann eine erste Differenzkapazität zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar, bei dem die erste und die zweite Elektrode leitend miteinander verbunden sind und die dritte Elektrode gebildet ist, und einem zweiten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar und die vierte Elektrode gebildet ist, bestimmen, und eine zweite Differenzkapazität zwischen einem dritten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar, bei dem die dritte und die vierte Elektrode leitend miteinander verbunden sind und die erste Elektrode gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar und die zweite Elektrode gebildet ist, bestimmen. In einer nachgelagerten Verarbeitungseinrichtung lässt sich anschließend ein Messwert unter Verwendung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität bestimmen.

Somit sind in einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Messgröße nur zwei Elektrodenpaare gegenüberliegend anzuordnen. Dabei lässt sich durch die jeweilige kombinierte Nutzung zweier Elektroden bzw. Teilelektroden eines Elektrodenpaars als gemeinsame Elektrode die Fläche eines zusätzlichen Elektrodenpaars einsparen, so dass damit die Baugröße des Sensors reduziert wird. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Platzbedarf als bei dem weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor. Somit ist der Sensor zum Messen einer Messgröße einfacher und flexibler auf engem Raum in einem elektrischen Gerät integrierbar.

Darüber hinaus führt der reduzierte Platzbedarf zu einem geringeren Materialverbrauch für die Komponenten des Sensors, wie z. B. das Gehäuse. Somit lässt sich der Sensor kostengünstiger fertigen.

Außerdem können bei dem Sensor zum Messen einer Messgröße alle Elektroden in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dieselbe Form aufweisen, so dass sich eine Reduktion der Komponentenvielfalt ergibt. Diese Reduktion der Komponentenvielfalt führt zu einer einfacheren Bevorratung der Komponenten und damit zu geringeren Fertigungskosten.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darin, dass Abweichungen von einem optimalen Füllstand bei einem Sensor, bei dem das bewegliche Element eine Flüssigkeit ist, einen geringeren Einfluss auf das Messsignal haben, da jeweils bei einer der beiden Differential-Kapazitäts-Anordnungen nicht eine Elektrode vollständig bedeckt ist, und somit der Einfluss der Füllstandshöhe geringer wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kapazitätssensors zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Elektrodenanordnung in einem Sensor zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a ein Ersatzschaltbild für die Elektrodenzsammenschaltung in dem in 1 gezeigten Sensor beim Messen einer ersten Differenzkapazität;
3b ein Ersatzschaltbild für die Elektrodenzusammenschaltung in dem in 1 gezeigten Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beim Messen einer zweiten Differenzkapazität;
4 eine Schaltung, mit der die Elektrodenpaare angesteuert werden können, um die erste und die zweite Differenzkapazität zu ermitteln;
5 Kurvenverläufe für die Abhängigkeit der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität von einem Drehwinkel des Sensors;
6 ein Ausführungsbeispiel für eine Verarbeitungseinrichtung in einem Sensor zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein herkömmlicher Kapazitätssensor zum Bestimmen einer Neigung;
8 ein Ersatzschaltbild für sich ausbildende Kondensatoren in dem in 7 gezeigten herkömmlichen Sensor;
9 eine elektronische Auswerteschaltung, um an dem in 8 gezeigten herkömmlichen Sensor ein Ausgangssignal zu erzeugen;
10 eine Elektrodenanordnung in einem weiteren herkömmlichen Sensor; und
11 ein Ersatzschaltbild, das erläutert, wie sich in dem in 10 gezeigten Sensor zwei Differenzkapazitäten ausbilden.
1 zeigt einen Kapazitätssensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kapazitätssensor 100 weist ein erstes Elektrodenpaar 103, ein zweites Elektrodenpaar 105 und eine Flüssigkeit 106 auf, die zwischen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 angeordnet ist.
Über einen ersten Schalter 107 können eine erste Elektrode 103a und eine zweite Elektrode 103b des ersten Elektrodenpaars 103 leitend miteinander verbunden werden. Über einen zweiten Schalter 109 können eine dritte Elektrode 105a und eine vierte Elektrode 105b des zweiten Elektrodenpaars 105 leitend miteinander verbunden werden.
Ein erster Differenzkapazitätsmesser 111 ist an die erste Elektrode 103a, an die dritte Elektrode 105a und an die vierte Elektrode 105b angeschlossen. Ein zweiter Differenzkapazitätsmesser 113 ist an die erste Elektrode 103a, an die zweite Elektrode 103b und an die vierte Elektrode 105b angeschlossen.
Eine Ansteuerungseinrichtung 115 öffnet und schließt den ersten Schalter 107 und den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 und in dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 aus. Eine Verarbeitungseinrichtung 117 empfängt ein Ausgangssignal von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 und ein Ausgangssignal von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 und liefert ein Signal, das von den beiden empfangenen Ausgangssignalen abhängt.
A. Messen einer ersten Differenzkapazität
Zu einem ersten Messzeitpunkt schließt die Ansteuerungseinrichtung 115 den ersten Schalter 107, öffnet den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 aus. Durch das Schließen des Schalters 107 sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b des ersten Elektrodenpaars 103 elektrisch leitend verbunden. Durch das Öffnen des Schalters 109 sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b elektrisch getrennt, so dass sich ein erster Teilkondensator zwischen der dritten Elektrode 105a und dem ersten Elektrodenpaar 103 und ein zweiter Teilkondensator zwischen der vierten Elektrode 105b und dem ersten Elektrodenpaar 103 ausbildet. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode wird noch in 3a erläutert.
Die Kapazität des ersten Teilkondensators und des zweiten Teilkondensators hängen dabei von einer Ausrichtung bzw. einer Anordnung der dielektrischen Flüssigkeit 106 zwischen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 ab. Die Anordnung der Flüssigkeit 106 hängt wiederum von einer Ausrichtung des Kapazitätssensors gegenüber einer Horizontalen bzw. einer horizontalen Fläche und damit gegenüber dem Gravitationsfeld ab. Wenn der Kapazitätssensor 100 um eine Rotationsachse 119 nach rechts gedreht wird, so nimmt der Anteil der Fläche der dritten Elektrode 105a, der von der Flüssigkeit 106 bedeckt wird, zu. Eine Rechtsdrehung des Sensors 100 ist durch einen Pfeil 121 in 1 dargestellt. Zugleich nimmt die Fläche der vierten Elektrode 105b, die von der Flüssigkeit 106 bedeckt wird, bei einer Rechtsdrehung des Sensors 100 ab.
Da die Flüssigkeit eine andere bzw. hier höhere Dielektrizitätskonstante als Luft aufweist, ist die Kapazität des ersten Teilkondensators und des zweiten Teilkondensators von einer Anordnung der dielektrischen Flüssigkeit 106 gegenüber der dritten Elektrode 105a und gegenüber der vierten Elektrode 105b abhängig.
Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 bestimmt die Kapazität des ersten Teilkondensators und die Kapazität des zweiten Teilkondensators. Anschließend subtrahiert der erste Differenzkapazitätsmesser 111 die Kapazität des zweiten Teilkondensators von der Kapazität des ersten Teilkondensators und ermittelt daraus eine erste Differenzkapazität. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 erzeugt anschließend ein Ausgangssignal an seinem Ausgang, das von der ersten Differenzkapazität abhängig ist und von der Verarbeitungseinrichtung 117 empfangen wird.
Da in einer in 1 gezeigten Referenzstellung die Kapazität des ersten Teilkondensators minimal und des zweiten Teilkondensators maximal ist, ist der Wert der ersten Differenzkapazität in der Referenzstellung minimal.
B. Bestimmen einer zweiten Differenzkapazität
Die Ansteuerungseinrichtung 115 öffnet zu einem zweiten Messzeitpunkt hierzu den ersten Schalter 107, schließt den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 aus. Durch das Öffnen des ersten Schalters 107 sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b des ersten Elektrodenpaars 103 elektrisch voneinander getrennt. Zugleich sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b des zweiten Elektrodenpaars 105 elektrisch miteinander verbunden. Somit bildet sich ein dritter Teilkondensator zwischen der ersten Elektrode 103a und dem zweiten Elektrodenpaar 105 und ein vierter Teilkondensator zwischen der zweiten Elektrode 103b und dem zweiten Elektrodenpaar 105 aus.
Die Kapazität des dritten Teilkondensators und des vierten Teilkondensators hängen ebenfalls von der Position der dielektrischen Flüssigkeit 106 ab. Jedoch ist das zweite Elektrodenpaar 105 hier um 90° rotiert gegenüber dem ersten Elektrodenpaar 103 angeordnet, so dass der dritte Teilkondensator und der vierte Teilkondensator dieselbe Kapazität aufweisen, in der in 1 gezeigten Referenzstellung.
Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 subtrahiert einen Wert der Kapazität des vierten Teilkondensators von einem Wert der Kapazität des dritten Teilkondensators und ermittelt daraus eine zweite Differenzkapazität. Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 erzeugt anschließend ein Ausgangssignal an seinem Ausgang, das von der zweiten Differenzkapazität abhängig ist und von der Verarbeitungseinrichtung 117 empfangen wird.
Die Verarbeitungseinrichtung 117 bestimmt anhand des von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 empfangenen Signals und des von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 empfangenen Signals eine Rotation des Sensors 100 um die Rotationsachse 119 in einem Bereich von –180° bis +180° oder in einem Bereich von 0 ° bis 360 ° und damit eine Neigung des Sensors 100 gegenüber der Horizontalen. Die Verfahrensschritte, die hierzu in der Verarbeitungseinrichtung 117 ablaufen, werden im Folgenden noch näher erläutert.
Vorteilhaft ist an dem in 1 gezeigten Kapazitätssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass in platzsparender Weise zwei Elektrodenpaare 103, 105 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Anbringung weiterer Elektroden um die halbkreisförmigen Elektroden entfällt damit.
2 erläutert in einer Explosionszeichnung einen Aufbau eines Sensors 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse. Das Gehäuse besteht aus einem ersten Gehäuseelement 123 mit einer Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 und einem zweiten Gehäuseelement 127 mit einer Oberfläche 129 des zweiten Gehäuseelements 127. Das erste Elektrodenpaar 103 ist dabei auf einer Oberfläche 125 einer Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 angeordnet, während das zweite Elektrodenpaar 105 auf der Oberfläche 129 des zweiten Gehäuseelements 127 angeordnet ist.
Die erste Elektrode 103a, die zweite Elektrode 103b, die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b sind hier z. B. kreissegmentförmig, während die Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 beispielsweise zylinderförmig ist. Die Elektroden des zweiten Elektrodenpaars 105 sind hier z. B. kreissegmentförmig und um 90° rotiert zu den Elektroden 103a, 103b des ersten Elektrodenpaars 103 angeordnet.
3a erläutert ein Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode 103a–b, 105a–b bei der Messung der ersten Differenzkapazität. Wie bereits oben erläutert, sind zur Messung der ersten Differenzkapazität die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b elektrisch leitend miteinander verbunden, während die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b voneinander getrennt sind. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 ist dabei an einen ersten Anschluss 131a mit der dritten Elektrode 105a verbunden, über einen zweiten Anschluss 131b mit der vierten Elektrode 105b und über einen dritten Anschluß 131c an das erste Elektrodenpaar 103 angeschlossen. Über die Anschlüsse 131a, 131c bestimmt der erste Differenzkapazitätsmesser die Kapazität des ersten Teilkondensators und über die Anschlüsse 131b, 131c die Kapazität des zweiten Teilkondensators. Anschließend bildet er, wie oben bereits erläutert, daraus die erste Differenzkapazität.
3b erläutert ein Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode bei der Messung der zweiten Differenzkapazität. Die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b sind dabei wie im vorherge henden bereits erläutert elektrisch leitend verbunden, während die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b elektrisch voneinander getrennt sind. Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 ist dabei an einem vierten Anschluss 131d mit dem zweiten Elektrodenpaar 105 verbunden und über einen fünften Anschluss 131e mit der ersten Elektrode 103a und über einen sechsten Anschluss 131f mit der zweiten Elektrode 103b verbunden. Über den vierten Anschluss 131d und den fünften Anschluss 131e ermittelt der zweite Kapazitätsmesser 113 die Kapazität des dritten Teilkondensators und über den vierten Anschluss 131d und den sechsten Anschluss 131f die Kapazität des vierten Teilkondensators. Anschließend bildet er aus der Kapazität des dritten Teilkondensators und des vierten Teilkondensators die zweite Differenzkapazität.
4 erläutert eine modifizierte Ausführungsform des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Gegenüber dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die in 4 dargestellte modifizierte Ausführungsform einen Mikrocontroller 133 mit einem ersten Mikrocontroller-Anschluß bzw. ersten Anschluss des Mikrocontrollers 135a, einem zweiten Mikrocontroller-Anschluß bzw. zweiten Anschluss des Mikrocontrollers 135b und einem dritten Mikrocontroller-Anschluß bzw. dritten Anschluss des Mikrocontrollers 135c sowie einen ersten bis vierten Umschalter 137a–d auf. Der Kapazitätssensor 100 mit der in 4 gezeigten modifizierten Ausführungsform wird zum Messen eines Neigungswinkels eingesetzt.
Dabei erfolgt die Messung der aktuellen Position des Sensors bzw. Kapazitätssensors 100 derart, dass die Elektronik bzw. der Mikrocontroller 133 den Umschaltern 137a–d zur Realisierung der Elektroden-Zusammenschaltungen, die in 3a und 3b gezeigt sind, jeweils eine Schalterstellung der Umschalter zuweist.
A. Messung der ersten Differenzkapazität
Der erste bis vierte Umschalter 137a–d werden hierzu zu dem ersten Messzeitpunkt von dem Mikrocontroller 133 so angesteuert, dass sie jeweils die durch die durchgezogene Linie in 4 dargestellte Schalterstellung aufweisen. Somit sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b über den ersten Umschalter 137a und den zweiten Umschalter 137b miteinander verbunden und an den zweiten Mikrocontroller-Anschluss 135b angeschlossen. Die dritte Elektrode 105a ist über den dritten Umschalter 137c mit dem ersten Mikrocontroller-Anschluss 135a verbunden. Die vierte Elektrode 105b ist über den vierten Umschalter 137d mit dem dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c elektrisch leitend verbunden.
Über den ersten Mikrocontroller-Anschluß 135a und den zweiten Mikrocontroller-Anschluß 135b bestimmt der Mikrocontroller 133 die Kapazität des ersten Teilkondensators und über den dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c und den zweiten Mikrocontroller-Anschluss 135b die Kapazität des zweiten Teilkondensators. In dem Mikrocontroller 133 wird dann die erste Differenzkapazität beispielsweise mittels der in 9 gezeigten Auswerteschaltung 51 ermittelt.
B. Messung der zweiten Differenzkapazität
Nach dem Bestimmen der ersten Differenzkapazität werden zu dem zweiten Messzeitpunkt die Umschalter 137a–d in den in 4 gezeigten gestrichelten Zustand versetzt. Somit sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b über den dritten Umschalter 137c und den vierten Umschalter 137d kurzgeschlossen und mit dem zweiten Mikrocontroller-Anschluss 135b verbunden. Zugleich ist die erste Elektrode 103a über den ersten Umschalter 137a mit dem ersten Mikrocontroller-Anschluss 135a verbunden. Die zweite Elektrode 103b ist über den zweiten Umschalter 137b mit dem dritten Mikrocontroller- Anschluss 135c gekoppelt. Über den ersten Mikrocontroller-Anschluss 135a und den zweiten Mikrocontroller-Anschluss 135b bestimmt der Mikrocontroller 133 die Kapazität des dritten Teilkondensators und über den dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c und den zweiten Mikrocontroller-Anschluß 135b die Kapazität des vierten Teilkondensators. In dem Mikrocontroller 133 wird dann beispielsweise wieder mit der in 9 gezeigten Auswerteschaltung die zweite Differenzkapazität bestimmt.
Die Sequenzen bzw. der Takt für das Umschalten des ersten 137a bis vierten 137d Umschalters bzw. die Festlegung der Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten Messzeitpunkt, ist z. B. in einer Steuerungs-Software, die von dem Mikrocontroller 133 bearbeitet wird, hinterlegt.
Mittels einer Vergleichstabelle, die z. B. ebenfalls in einer Software auf dem Mikrocontroller 133 implementiert ist, bestimmt der Mikrocontroller 133 eine Neigung des Sensors. In der Vergleichstabelle gibt es dabei für jeden Wert der ersten Differenzkapazität zwei korrespondierende Werte des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360°. Ebenso gibt es für den Wert der zweiten Differenzkapazität zwei korrespondierende Werte des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° in der Vergleichstabelle. Der Mikrocontroller 133 vergleicht nun die beiden korrespondierenden Werte des Neigungswinkels für die erste Differenzkapazität mit den beiden korrespondierenden Werten des Neigungswinkels für die zweite Differenzkapazität und ermittelt den Wert des Neigungswinkels, der in den beiden Wertepaaren, also in dem korrespondierenden Wertepaar für die erste Differenzkapazität und dem korrespondierenden Wertepaar für die zweite Differenzkapazität vorhanden ist. Dieser Wert entspricht dem tatsächlichen Neigungswinkel, um den der Kapazitätssensor ausgelenkt wird. Somit ist eine Ermittlung des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° möglich.
In 5 wird die Abhängigkeit des Neigungswinkels von der ersten Differenzkapazität, die in 5 mit dem Bezugszeichen ΔC1 versehen ist, und von der zweiten Differenzkapazität, die in 5 mit dem Bezugszeichen ΔC2 versehen ist, erläutert. Auf der x-Achse des in 5 gezeigten Graphen sind die Werte des Neigungswinkels bei einer Rechtsdrehung des Sensors 100 in 1 um die Rotationsache 119 in einem Bereich von 0° bis 360° angetragen. In der in 1 gezeigten Referenzstellung des Sensors 100 ist der Neigungswinkel 0°. Auf der y-Achse ist ein auf den Messbereich der Differenzkapazität normierter Wert der ersten ΔC1 und der zweiten ΔC2 Differenzkapazität, zu dem ein Faktor von 0,5 hinzuaddiert worden ist, angetragen. Anders ausgedrückt ist auf der y-Achse ein Verhältnis der gemessenen Differenzkapazität zu einer Differenz zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert der Differenzkapazität angetragen. Eine gestrichelte Linie erläutert einen Verlauf der normierten Werte der ersten Differenzkapazität ΔC1 in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel. Eine durchgezogene Linie erläutert einen Verlauf der normierten Werte der zweiten Differenzkapazität ΔC2 in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel.
Im Folgenden wird erläutert, wie ein Neigungswinkel von 120° mit der in 4 gezeigten Anordnung gemäß einer modifizierten Ausführungsform eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ermittelt werden kann. Dabei wird angenommen, dass sich der Neigungswinkel während der Messung der ersten Differenzkapazität ΔC1 und der zweiten ΔC2 Differenzkapazität nicht ändert.
Zuerst setzt der Mikrocontroller 133 die Umschalter 137a–d in die durch die durchgezogene Linie dargelegte Schalterstellung, um die erste Differenzkapazität zu ermitteln. Wie aus 5 hervorgeht, ergibt sich bei einem Neigungswinkel von 120° des Sensors ein normierter Wert für die erste Differenzkapazität ΔC1 von 0,625. Der Mikrocontroller 133 bestimmt dabei einen ersten Neigungswinkelwert 139a von 120°, der zu der normierten ersten Differenzkapazität ΔC1 von 0,625 korrespondiert, und einen zweiten Neigungswinkelwert 139b von 240°, der ebenfalls zu der normierten ersten Differenzkapazität ΔC1 von 0,625 korrespondiert. Der Mikrocontroller 133 legt den ersten Neigungswinkelwert bzw. Messzwischenwert 139a und den zweiten Neigungswinkelwert 139b in einem nicht gezeigten Register in dem Mikrocontroller 133 ab.
Anschließend verändert der Mikrocontroller 133 die Stellung des ersten bis vierten Umschalters 137a–d, so dass diese die in 4 gestrichelt gezeichnete Stellung einnehmen. Dies führt dazu, dass der Mikrocontroller mittels der an dem ersten bis dritten Mikrocontroller-Anschluss 135a–c anliegenden Signale die zweite Differenzkapazität ΔC2 ermittelt. Bei einem Winkel von 120° nimmt die zweite Differenzkapazität ΔC2 einen normierten Wert von 0,875 ein. Diesem normierten Wert von 0,875 entsprechen in der Vergleichstabelle in dem Mikrocontroller zwei Neigungswinkelwerte, ein dritter Neigungswinkelwert 141a von 60° und ein vierter Neigungswinkelwert 141b von 120°. Der Mikrocontroller 133 legt die beiden Neigungswinkelwerte 141a, 141b ebenfalls in dem nicht gezeigten Register in dem Mikrocontroller 133 ab.
Anschließend liest der Mikrocontroller die vier Neigungswinkelwerte 139a, 139b, 141a, 141b aus dem Register aus und vergleicht diese miteinander. Der erste Neigungswinkelwert 139a und der vierte Neigungswinkelwert 141b treten dabei unter den ausgelesenen Neigungswinkelwerten zweimal auf. Der Mikrocontroller 133 erkennt dies und stellt daran fest, dass der Wert des Neigungswinkels bzw. der Messgröße 120° beträgt. Diesen Wert von 120° gibt er mittels eines hier nicht gezeigten Ausgangssignals aus.
Der Versatz beider Messkurven zueinander entspricht der Rotation der Elektrodenpaare 103 und 105 zueinander. Auf der Basis der Signale für jede der beiden Anordnungen lässt sich somit die Position der gekreuzten Differential-Kondensator-Anordnung bzw. des Kapazitätssensors 100 durch eine weitere logische Rechenstufe, die hier z. B. in einem Mikrocontroller implementiert ist, ermitteln.
Somit ist in der modifizierten Ausführungsform des Sensors 100 bzw. der Differential-Kondensator-Anordnung eine Kontaktierung der Elektroden 103a, 103b, 105a, 105b mittels des Mikrocontrollers 133 bzw. einer elektrischen Schaltung derart möglich, dass je nach Kontaktierung der Elektroden zwei verschiedene Differential-Kondensator-Anordnungen kontaktiert und ausgelesen werden können, aufgrund welcher die Lage der dielektrischen Flüssigkeit 106 bzw. eines Fluids ermittelt werden kann. Jedoch könnte man statt der dielektrischen Flüssigkeit 106 auch einen elektrisch leitfähigen Körper, dessen Position sich in Abhängigkeit von der Neigung des Sensors 100 ändert, in dem Zwischenraum zwischen den Elektrodenpaaren 103, 105 anordnen.
In 6 wird gezeigt, wie die Verarbeitungseinrichtung 117 in dem in 1 gezeigten Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alternativ zu dem oben erläuterten Verfahren den Wert des Neigungswinkels bestimmen kann.
6 zeigt eine Ausführungsform der in 1 gezeigten Verarbeitungseinrichtung 117. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 ist dabei mit einem ersten Analog-Digital-Wandler 143 gekoppelt, während der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler 145 gekoppelt ist. Ein Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 143 ist an ein erstes Wertregister 147 angeschlossen, während ein Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 145 an ein zweites Wertregister 149 angeschlossen ist.
Das erste Wertregister 147 ist mit einer ersten Zuweisungseinrichtung 151 verbunden, während das zweite Werteregister 149 mit einer zweiten Zuweisungseinrichtung 153 gekoppelt ist. Die erste Zuweisungseinrichtung 151 ist an ein erstes Messzwischenwertregister 155a angeschlossen, und ein zweites Messzwischenwertregister 155b angeschlossen. Die zweite Zuweisungseinrichtung 153 ist an ein drittes Messzwischenwertregister 157a und ein viertes Messzwischenwertregister 157b angeschlossen.
Das erste Messzwischenwertregister 155a ist mit einer ersten Vergleichsschaltung 159a und einer zweiten Vergleichsschaltung 159b gekoppelt. Das zweite Messzwischenwertregister 155b ist mit einer dritten Vergleichsschaltung 159c und einer vierten Vergleichsschaltung 159d gekoppelt.
Das dritte Messzwischenwertregister 157a ist mit der ersten Vergleichsschaltung 159a und der vierten Vergleichsschaltung 159d gekoppelt. Das vierte Messzwischenwertregister 157b ist mit der zweiten Vergleichsschaltung 159b und der dritten Vergleichsschaltung 159c gekoppelt.
Eine Ausleseeinrichtung 161 ist mit der ersten bis vierten Vergleichsschaltung 159a–d jeweils elektrisch verbunden und an das erste Messzwischenwertregister 155a und das zweite Messzwischenwertregister 155b angeschlossen. Ein Ausgang der Ausleseeinrichtung 161 ist mit einem Eingang des Messwerteregisters 163 verbunden, und ein Ausgang des Messwerteregisters 163 ist an einen Ausgangsanschluss 165 der Verarbeitungseinrichtung 117 angeschlossen.
Der erste Analog-Digital-Wandler 143 wandelt ein Signal von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111, dessen Höhe von der ersten Differenzkapazität ΔC1 abhängt, in einen ersten Wert, vorzugsweise einen ersten binären Wert, um und legt diesen ersten Wert in dem ersten Wertregister 147 ab. Der zweite Analog-Digital-Wandler 145 wandelt ein Signal von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113, dessen Höhe von der zweiten Differenzkapazität ΔC2 abhängt, in einen zweiten Wert, vorzugsweise einen zweiten binären Wert, um und legt diesen zweiten Wert in dem zweiten Wertregister 149 ab. Die erste Zuweisungseinrichtung 151 liest den ersten Wert aus dem ersten Werteregister 147 aus und bestimmt mittels einer Vergleichstabelle einen ersten Messzwischenwert und einen zweiten Messzwischenwert und legt den ersten Messzwischenwert in dem ersten Messzwischenwertregister 155a und den zweiten Messzwischenwert in dem zweiten Messzwischenwertregister 155b ab. Der erste Messzwischenwert und der zweite Messzwischenwert korrespondieren dabei mit den beiden möglichen Neigungswinkelwerten, um die der Sensor 100 bei dem gemessenen Wert der ersten Differenzkapazität ΔC1 geneigt sein könnte. Die zweite Zuweisungseinrichtung 153 liest den zweiten Wert aus dem zweiten Werteregister 149 aus und bestimmt mittels einer Vergleichstabelle einen dritten Messzwischenwert und einen vierten Messzwischenwert und legt den dritten Messzwischenwert in dem dritten Messzwischenwertregister 157a und den vierten Messzwischenwert in dem vierten Messzwischenwertregister 157b ab. Der dritte Messzwischenwert und der vierte Messzwischenwert korrespondieren mit den möglichen Neigungswinkelwerten, um die der Sensor 100 bei dem gemessenen Wert der zweiten Differenzkapazität ΔC2 geneigt sein könnte. Hierbei gilt für die Verläufe des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität ΔC1 und der zweiten Differenzkapazität ΔC2 nach wie vor der in 5 gezeigte Verlauf.
Die erste Vergleichsschaltung 159a vergleicht den ersten Messzwischenwert mit dem dritten Messzwischenwert. Die zweite Vergleichsschaltung 159b vergleicht den ersten Messzwischenwert mit dem vierten Messzwischenwert. Die dritte Vergleichsschaltung 159c führt einen Abgleich des zweiten Messzwischenwerts mit dem vierten Messzwischenwert durch. Die vierte Vergleichsschaltung 159d führt einen Vergleich des zweiten Messzwischenwerts mit dem dritten Messzwischenwert durch. In sämtlichen Vergleichsschaltungen 159a–d erfolgt der Vergleich der Messzwischenwerte mittels einer XOR-Funktion, die einen binären Wert 0 liefert, wenn die beiden verglichenen Werte identisch sind.
Die Ausleseeinrichtung 161 liest die Werte der ersten bis vierten Vergleichsschaltungen 159a–d aus und ermittelt die Vergleichsschaltung aus den vier Vergleichsschaltungen, die den binären Wert 0 liefert.
Anschließend liest sie, wenn die erste oder die zweite Vergleichsschaltung 159a–b den binären Wert 0 liefert, den Messzwischenwert aus dem ersten Messzwischenwertregister 155a aus, oder wenn die dritte oder vierte Vergleichsschaltung 159c–d den binären Wert 0 liefern, den Messzwischenwert aus dem zweiten Messzwischenwertregister 155b aus. Der ausgelesene Messzwischenwert wird anschließend von der Ausleseeinrichtung 161 in das Messwertregister 163 geschrieben.
Die vier Vergleichsschaltungen 159a–d ermitteln somit einen Messzwischenwert aus dem ersten und zweiten Messzwischenwert, der gleich ist zu einem Messzwischenwert aus dem dritten und vierten Messzwischenwert. Der in beiden Paaren der Messzwischenwerte auftretende Messzwischenwert gibt die tatsächliche Höhe des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° an, um den der Sensor 100 geneigt ist.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Flüssigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch könnte alternativ ein beliebiges bewegliches Element zwischen den beiden Elektrodenpaaren angeordnet sein, das die erste und die zweite Differenzkapazität beeinflusst. Eine mögliche Alternative wäre eine Ausführung des beweglichen Elements als eine drehbare Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material, welche vorzugsweise mit kleinem Abstand zwischen den sich beispielsweise stirnseitig gegenüberliegenden Elektroden drehbar angebracht ist. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die dielektrische Flüssigkeit, die zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist, eine andere Dielektrizitätszahl als das sie umgebende Medium auf, wobei beliebige Verhältnisse der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit zu dem die Flüssigkeit umgebenden Medium möglich sind.
Alternativ zu der dielektrischen Flüssigkeit könnte auch eine elektrisch leitende Flüssigkeit zwischen den Elektrodenpaaren angeordnet werden, deren Anordnung zwischen den Elektroden ebenfalls z. B. von der Neigung des Sensors abhängig ist. Auch kann das die Flüssigkeit umgebende Medium ein beliebiger Stoff sein, der vorzugsweise in Abhängigkeit von der Messgröße seine Anordnung zwischen den Elektrodenpaaren ändert. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeit zwischen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 so angeordnet, dass sie bei einer Referenzstellung des Sensors mit einer der Elektroden des ersten oder des zweiten Elektrodenpaars vorzugsweise vollständig überlappt, jedoch sind beliebige Füllstände der Flüssigkeit hierzu Alternativen.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerungseinrichtung 115 so ausgelegt, dass abwechselnd die erste Differenzkapazität und die zweite Differenzkapazität gemessen werden, jedoch sind beliebige Abläufe der Messung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Ansteuerungseinrichtung so ausgelegt, dass vorzugsweise innerhalb eines Zeitraums von weniger als zehn Sekunden die erste Differenzkapazität und die zweite Differenzkapazität gemessen werden, jedoch sind beliebige Zeiträume hierzu Alternativen.
Alternativ hierzu könnte die Ansteuereinrichtung auch so ausgelegt werden, dass abhängig von einem Wert des Nei gungswinkels wahlweise ein Wert des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität oder der zweiten Differenzkapazität bestimmt wird. Beispielsweise könnte die Ansteuereinrichtung so ausgelegt werden, dass in einem Bereich des Neigungswinkels von –60° bis 60°, in dem die erste Differenzkapazität eine geeignete Empfindlichkeit bzw. Linearität aufweist, der Neigungswinkel in Abhängigkeit von einem Wert der ersten Differenzkapazität ermittelt wird, und in einem Bereich des Neigungswinkels von 60° bis 120° bzw. von –120° bis –60°, in dem die zweite Differenzkapazität eine geeignete Empfindlichkeit bzw. Nichtlinearität aufweist, der Neigungswinkel in Abhängigkeit von dem Wert der zweiten Differenzkapazität bestimmt wird. Dabei ist eine beliebige Wahl der Bereichsendpunkte, an denen die Ansteuereinrichtung von einer Messung des Werts der ersten Differenzkapazität auf eine Messung des Werts der zweiten Differenzkapazität bzw. von einer Bestimmung des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität auf eine Bestimmung des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der zweiten Differenzkapazität bzw. auch umgekehrt umschaltet, möglich.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind das erste und das zweite Elektrodenpaar kreisförmig. Jedoch sind beliebige Formen des ersten und des zweiten Elektrodenpaars hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode und die dritte Elektrode und die vierte Elektrode kreissektorförmig, jedoch sind beliebige Formen der ersten bis vierten Elektrode hierzu Alternativen.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft eine Rotationsachse, um die sich der Sensor dreht, bevorzugt durch den Mittelpunkt des ersten Elektrodenpaars und den Mittelpunkt des zweiten Elektrodenpaars. Jedoch sind beliebige Verläufe der Rotationsachse, um die sich der Sensor dreht, gegenüber dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar Alternativen hierzu. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Rotationsachse vorzugsweise senkrecht zu dem ersten Elektrodenpaar und senkrecht zu dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch sind beliebige Winkel für die Anordnung der Rotationsachse zu dem ersten Elektrodenpaar und zu dem zweiten Elektrodenpaar Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das erste Elektrodenpaar parallel zu dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch sind beliebige Anordnungen der Elektrodenpaare untereinander möglich.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die erste bis vierte Elektrode jeweils eine Halbkreisform auf, jedoch sind beliebige Kreissegmentwinkel oder auch andere Formen der Elektroden hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung überlappen sich bei einer Draufsicht auf die Elektrodenpaare aus einem senkrechten Betrachterwinkel das erste Elektrodenpaar und das zweite Elektrodenpaar flächenmäßig vollständig, jedoch sind beliebige Überlappungen der Elektrodenpaare Alternativen, solange jeweils beide Elektroden eines Elektrodenpaars mit dem jeweils anderen Elektrodenpaar überlappen.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die beiden Elektrodenpaare kreisförmig und bilden zueinander rotierte Flächenpaare, wobei ein Rotationswinkel, um den die beiden Flächenpaare zueinander rotiert sind, hier z. B. 90° beträgt. Jedoch sind beliebige Werte des Winkels, um den die Elektrodenpaare zueinander rotiert sind, Alternativen.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind in 5 die Kurvenverläufe einer Funktion, die eine Abhängigkeit der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität von dem Neigungswinkel des Sensors angibt, bzw. eines ersten Differenzkapazitätsmess grössenzusammenhangs und eines zweiten Differenzkapazitätsmessgrössenzusammenhangs dargestellt, wobei die Kurvenverläufe identisch sind, jedoch um einen Flächenpaarrotationswinkel zueinander phasenverschoben sind. Jedoch sind beliebige Verläufe der Funktion der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel, die auch nicht identisch sein können, hierzu Alternativen.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestimmt die Ausleseeinrichtung 161 mittels der ersten bis vierten Vergleichsschaltung den Messzwischenwert, der dem Messwert entspricht. In den Vergleichsschaltungen wurden hierzu vier Messzwischenwerte über eine XOR-Funktion miteinander verglichen. Die Vergleichsschaltungen verknüpfen hierzu einen ersten und zweiten Funktionseingangswert bzw. Messzwischenwert mit einem dritten und einem vierten Funktionseingangswert. Dann ermitteln sie den Funktionsausgangswert aus den vier Funktionsausgangswerten, bei dem eine der vier Vergleichsschaltung den binären Wert 0 als Funktionsaungangswert liefert. Jedoch sind beliebige Schaltungsimplementierungen hierzu Alternativen, die den ersten und den zweiten Messzwischenwert jeweils mit dem dritten und vierten Messzwischenwert vergleichen und auch andere Funktionen als eine XOR-Funktion anwenden.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden in 1 ein erster Schalter 107 und ein zweiter Schalter 109 eingesetzt, um die erste und die zweite Elektrode bzw. die dritte und die vierte Elektrode miteinander elektrisch zu verbinden oder voneinander elektrisch zu trennen. Hierbei sind beliebige Einrichtungen zum Verbinden oder Trennen der Elektroden der Elektrodenpaare bzw. Implementierungen der Schalter, wie z. B. als Feldeffekttransistorschalter oder Relais, möglich.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 4 eine Ausführungsform der Verarbeitungseinrichtung gezeigt, die ein Mikrocontroller einrichtung gezeigt, die ein Mikrocontroller ist. Jedoch sind beliebige Recheneinrichtungen, die aus dem Wert der ersten Differenzkapazität und dem Wert der zweiten Differenzkapazität mittels einer Software, in der eine Nachschlagtabelle implementiert ist, den Messwert bestimmen, Alternativen. Auch die von dem Mikrocontroller 133 durchgeführte Steuerung der Stellung der Umschalter kann von einer beliebigen Steuerungseinrichtung ausgeführt werden, die auch nicht auf dem Mikrocontroller 133 sondern z. B. in einer externen Logikschaltung implementiert sein kann.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Sensor beispielsweise als eine Differential-Kondensator-Anordnung in einem Gehäuse ausgeführt, wobei das Gehäuse eine Kavität aufweist, an deren erster Stirnseite mindestens zwei Elektroden angeordnet sind und an deren zweiter Stirnseite mindestens zwei weitere Elektroden angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden an der ersten Stirnseite gegenüber den Elektroden an der zweiten Stirnseite um einen Rotationswinkel in einem Bereich von 0° bis 180° verdreht angeordnet. Die Kavität ist hierbei in mindestens einem Gehäuseelement gebildet, das das Gehäuse aufweist. Zugleich ist in der Kavität eine dielektrische Flüssigkeit angeordnet, die die Kavität teilweise ausfüllt. Alternativen hierzu sind jedoch beliebig ausgebildete Sensoren, in denen die Elektroden eines ersten Elektrodenpaars und eines zweiten Elektrodenpaars so angeordnet sind, beispielsweise mit einer beliebigen Halterung, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum gebildet ist, in dem ein bewegliches Element angeordnet ist, wobei die Elektroden eines Elektrodenpaars sich jeweils mit den beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappen. Auch könnte dann die dielektrische Flüssigkeit, die z. B. das bewegliche Element bildet, in einem separaten Behälter angeordnet werden.

Claims

Sensor (100) zum Messen einer Messgröße, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Elektrodenpaar (103) mit einer ersten Elektrode (103a) und einer zweiten Elektrode (103b); einem zweiten Elektrodenpaar (105) mit einer dritten Elektrode (105a) und einer vierten Elektrode (105b); wobei zwischen dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) ein Zwischenraum gebildet ist, und wobei die Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodenpaars (103, 105) so angeordnet sind, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars mit beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappt; einem beweglichen Element (106), dessen Position bezüglich des ersten und des zweiten Elektrodenpaars (103, 105) von der Messgröße abhängt und das zwischen dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) angeordnet ist; einer Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) zum Messen einer ersten Differenzkapazität (ΔC1) zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar (103), bei dem die erste (103a) und die zweite Elektrode (103b) leitend miteinander verbunden sind, und die dritte Elektrode (105a) gebildet ist, und einem zweiten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar (103) und die vierte Kondensatorelektrode (105b) gebildet ist, und zum Messen einer zweiten Differenzkapazität (ΔC2) zwischen einem dritten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar (105), bei dem die dritte (105a) und die vierte Elektrode (105b) leitend miteinander verbunden sind, und die erste Elektrode (103a) gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar (105) und die zweite Elektrode (103b) gebildet ist; und einer Verarbeitungseinrichtung (117) zum Erzeugen eines Messwerts für die Messgröße unter Verwendung der ersten Differenzkapazität (ΔC1) und der zweiten Differenzkapazität (ΔC2).
Sensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das bewegliche Element (106) ein Dielektrikum, das so angeordnet ist, dass es abhängig von der Messgröße die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) beeinflusst, aufweist.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, der ein Neigungssensor ist und ausgelegt ist, eine Neigung des Sensors (100) bezüglich einer Referenzrichtung zu bestimmen, bei dem das bewegliche Element (106) eine Flüssigkeit aufweist, deren Anordnung zu dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) von der Neigung des Sensors (100) abhängt, und die eine andere Dielektrizitätszahl hat, als ein die Flüssigkeit in dem Zwischenraum umgebendes Medium.
Sensor (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die Flüssigkeit einen solchen Füllstand aufweist, dass sie bei einer Referenzstellung des Sensors (100) mit einer der Elektroden des ersten oder des zweiten Elektrodenpaars (103, 105) vollständig überlappt.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, um abwechselnd die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu messen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, innerhalb eines Zeitraums von weniger als zehn Sekunden die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu messen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein Neigungssensor ist, und bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, um in Abhängigkeit von einem Neigungswinkel, um den der Neigungssensor geneigt ist, in einem ersten Bereich des Neigungswinkels die erste Differenzkapazität (ΔC1) zu bestimmen und in einem zweiten Bereich des Neigungswinkels die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu bestimmen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erste Elektrodenpaar (103) kreisförmig ist, und die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) kreissektorförmig sind, und der Sensor (100) ein Neigungssensor ist, der ausgelegt ist, sich um eine Rotationsachse (119) zu drehen und einen von einer Neigung des Sensors (100) abhängigen Rotationswinkel zu bestimmen, wobei die Rotationsachse (119) durch den Mittelpunkt des ersten Elektrodenpaars (103) verläuft, und das erste Elektrodenpaar in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (119) angeordnet ist, und das zweite Elektrodenpaar in einer parallelen Ebene zu der Ebene des ersten Elektrodenpaars so angeordnet ist, dass es das erste Elektrodenpaar bei jedem Neigungswinkel flächenmäßig vollständig überdeckt, so dass die zweite Differenzkapazität (ΔC2) linear von dem Rotationswinkel abhängt.
Sensor (100) gemäß Anspruch 8, bei dem die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) eine Halbkreisform aufweisen, so dass ein Bereich des Rotationswinkels, innerhalb dem sich die zweite Differenzkapazität (ΔC2) bei einer Änderung des Rotationswinkels ändert, maximal wird.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das zweite Elektrodenpaar (105) kreisförmig ist, und die dritte (105a) und die vierte (105b) Elektrode kreissektorförmig sind, und der Sensor ein Neigungssensor ist, der ausgelegt ist, um sich um eine Rotationsachse (119) zu drehen und einen von einer Neigung des Sensors (100) abhängigen Rotationswinkel zu bestimmen, wobei die Rotationsachse (119) durch den Mittelpunkt des zweiten Elektrodenpaars (105) verläuft und das zweite Elektrodenpaar in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (119) angeordnet ist, und das erste Elektrodenpaar (103) in einer parallelen Ebene zu der Ebene des zweiten Elektrodenpaars (105) so angeordnet ist, dass es das zweite Elektrodenpaar (105) bei jedem Neigungswinkel flächenmäßig vollständig überdeckt, so dass die erste Differenzkapazität (ΔC1) linear von dem Rotationswinkel abhängt.
Sensor (100) gemäß Anspruch 10, bei dem die dritte Elektrode (105a) und die vierte Elektrode (105b) eine Halbkreisform aufweisen, so dass ein Bereich des Rotationswinkels innerhalb dem sich bei einer Änderung des Rotationswinkels die erste Differenzkapazität (ΔC1) ändert, maximal wird.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das erste Elektrodenpaar (103) und das zweite Elektrodenpaar (105) die selbe Form aufweisen und sich jeweils vollständig überlappen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das erste (103) und das zweite Elektrodenpaar (105) und die erste (103a), die zweite (103b), die dritte (105a) und die vierte (105b) Elektrode halbkreisförmig sind und zueinander rotierte Flächenpaare bilden.
Sensor (100) gemäß Anspruch 13, der ein Neigungssensor ist und ausgelegt ist, einen Neigungswinkel bezüglich einer Referenzrichtung zu bestimmen, bei dem die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) identische Kurvenverläufe einer Funktion, die eine Abhängigkeit der ersten (ΔC1) und der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) von dem Neigungswinkel angibt, aufweisen, wobei die Kurvenverläufe um einen Flächenpaarrotationswinkel zueinander phasenverschoben sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die beiden Flächenpaare (103, 105) um einen Rotationswinkel zueinander rotiert sind, und bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, um den Messwert für die Messgröße unter Berücksichtigung eines ersten Differenzkapazitätsmessgrößenzusammenhangs für die erste Differenzkapazität (ΔC1) und unter Berücksichtigung eines zweiten Differenzkapazitätsmessgrößenzusammenhangs für die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu ermitteln, wobei der erste Differenzkapazitätsmessgrößenzusammenhang und der zweite Differenzkapazitätsmessgrößenzusammenhang identisch, aber zueinander phasenverschoben sind, und wobei eine Phasenverschiebung von dem Rotationswinkel abhängt.
Sensor (100) gemäß Anspruch 15, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, einen Wert der ersten (ΔC1) und einen Wert der zweiten Differenzkapazität (C2) mit einer Nachschlagtabelle zu vergleichen und daraus den Messwert zu bestimmen.
Sensor (100) gemäß Anspruch 16, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, den Wert der ersten Differenzkapazität (ΔC1) und den Wert der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) an eine Recheneinrichtung (133) zu übertragen, die ausgelegt ist, mittels einer Software, in der die Nachschlagtabelle implementiert ist, den Messwert zu bestimmen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, aus einem Wert der ersten Differenzkapazität (ΔC1) einen erste Messzwischenwert und einen zweiten Messzwischenwert zu ermitteln, und aus einem Wert der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) einen dritten und einen vierten Messzwischenwert zu ermitteln, wobei ein Messzwischenwert aus dem ersten und dem zweiten Messzwischenwert gleich ist zu einem Messzwischenwert aus dem dritten und aus dem vierten Messzwischenwert, den ersten und den zweiten Messzwischenwert jeweils mit dem dritten und dem vierten Messzwischenwert zu vergleichen, um die beiden Messzwischenwerte zu identifizieren, die gleich sind, und in Abhängigkeit von den beiden gleichen Messzwischenwerten den Messwert zu ermitteln.
Sensor (100) gemäß Anspruch 18, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, den ersten bis vierten Messzwischenwert in einen ersten bis vierten binären Funktionseingangswert umzuwandeln, und den ersten und den zweiten binären Funktionseingangswert jeweils mittels einer XOR-Funktion mit dem dritten und dem vierten binären Funktionseingangswert zu verknüpfen, um ein Paar aus den vier Paaren von verknüpften Funktionseingangswerten zu bestimmen, das einen binären Funktionsausgangswert null liefert, und in Abhängigkeit von einem der beiden verknüpften Funktionseingangswerte in dem bestimmten Paar den Messwert zu bestimmen.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 mit einer Ansteuerungseinrichtung (115), die ausgelegt ist, ein Schaltungselement so anzusteuern, dass, während die Kapazitätsmesseinrichtung die erste Diffe renzkapazität (ΔC1) ermittelt, das Schaltungselement die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) leitend miteinander verbindet, und während die Kapazitätsmesseinrichtung die zweite Differenzkapazität (ΔC2) ermittelt, das Schaltungselement die dritte Elektrode (105a) und die vierte Elektrode (105b) leitend miteinander verbindet.
Sensor (100) gemäß Anspruch 20, bei dem das Schaltungselement einen ersten Schalter (107) aufweist, der zwischen der ersten (103a) und der zweiten Elektrode (103b) angeordnet ist, und einen zweiten Schalter (109) aufweist, der zwischen der dritten (105a) und der vierten Elektrode (105b) angeordnet ist, wobei die Ansteuerungseinrichtung (115) ausgelegt ist, den ersten Schalter zu schließen und den zweiten Schalter zu öffnen, während die Kapazitätsmesseinrichtung die erste Differenzkapazität (ΔC1) ermittelt, und den ersten Schalter (107) zu öffnen und den zweiten Schalter (109) zu schließen, während die Kapazitätsmesseinrichtung die zweite Differenzkapazität (ΔC2) ermittelt.
Sensor (100) gemäß Anspruch 20, der einen Mikrocontroller (133) aufweist, der die Ansteuerungseinrichtung (115) umfasst, wobei der Mikrocontroller (133) ausgelegt ist, während die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) die erste Differenzkapazität (ΔC1) bestimmt, einen ersten Umschalter (137a), der an der ersten Elektrode (103a) angeschlossen ist, und einen zweiten Umschalter (137b), der an der zweiten Elektrode (103b) angeschlossen ist, so zu schalten, dass die erste (103a) und die zweite (103b) Elektrode mit einem ersten Anschluss (135b) des Mikrocontrollers (133) verbunden sind, und einen dritten Umschalter (137c), der mit der dritten Elektrode (105a) verbunden ist, so zu schalten, dass ein zweiter Anschluss (135a) des Mikrocontrollers (133) mit der dritten Elektrode (105a) verbunden ist, und einen vierten Umschalter (137d), der mit der vierten Elektrode (105b) verbunden ist, so zu schalten, dass ein dritter Anschluss (135c) des Mikrocontrollers (133) mit der vierten Elektrode (105b) verbunden ist, und während die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) die zweite Differenzkapazität (ΔC2) bestimmt, den ersten Umschalter (137a) so zu schalten, dass die erste Elektrode (103a) mit dem zweiten Anschluss (135a) des Mikrocontrollers (133) verbunden ist, und den zweiten Umschalter (137b) so zu schalten, dass die zweite Elektrode (103b) mit dem dritten Anschluss (135c) des Mikrocontrollers (133) verbunden ist, und den dritten (137c) und den vierten (137d) Umschalter so zu schalten, dass der erste Anschluss (135b) des Mikrocontrollers (133) mit der dritten (105a) und der vierten Elektrode (105b) verbunden ist.