DE102007028335A1

DE102007028335A1 - Kapazitives Messsystem mit Autokalibration

Info

Publication number: DE102007028335A1
Application number: DE102007028335A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gebhardt; Gernot Scheinert; Armin Kohler; Eduard Bischler; Ulrich Pok
Original assignee: RECHNER IND ELEKTRONIK GmbH; RECHNER INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: RECHNER IND ELEKTRONIK GmbH; RECHNER INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2027-06-16
Also published as: DE102007028335B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein kapazitives Messsystem nach dem 3-Elektroden-Messprinzip mit einer im Wesentlichen stabilen und von allen Beeinflussungen unabhängigen Generatorausgangsspannung und mit wenigstens einer Sensoreinheit zur Messung einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der bei der Messung dieser Sensoreinheit auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist. Zur Realisierung einer gesteigerten Messempfindlichkeit für den allgemeinen industriellen Einsatz besitzt die elektronische Auswerteeinrichtung ferner eine Schaltungseinrichtung, die in der Schaltungsstruktur zum Verarbeiten wenigstens eines nicht lediglich unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleiteten Eingabesignals und zur Generierung eines übergeordneten Stellsignals zur Veränderung eines unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleiteten Ausgangssignals angeordnet und angepasst ist, wobei diese Schaltungseinrichtung in einen Regelkreis zur Autokalibration der Schaltungsstruktur integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Messsystem nach dem 3-Elektroden-Messprinzip mit wenigstens einer Sensoreinheit zur Messung einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der absoluten Kapazitätsänderung während der Messung dieser Sensoreinheit aufweist.
Das 3-Elektroden-Messprinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass ein Generator zunächst zwischen zwei unterschiedlichen Bezugspotentialen eine Wechselspannung einspeist. Zusätzlich wird eine Messelektrode daraufhin durch ein zu detektierendes Messobjekt unterschiedlich an das elektrische Feld zwischen den beiden anderen Potentialen angekoppelt und die hierbei hervorgerufenen Kapazitätsänderungen werden absolut erfasst.
Ein solches 3-Elektroden-Messprinzip, welches einem Fachmann auf diesem Gebiet an und für sich bekannt ist und daher nachfolgend im Wesentlichen nicht weiter ausgeführt wird, ermöglicht bekanntermaßen ferner eine weite räumliche Trennung zwischen den rein passiven Sensorstrukturen und der Auswerteelektronik. Damit können die Sensoren bei entsprechender Ausführung in einem großen Temperaturbereich betrieben werden, bei einigen Applikationen z. B. bis 800°C.
Das Gesamt-Temperaturverhalten eines solchen Messsystems wird letztlich durch das Temperaturverhalten der Einzelkomponenten und deren Zusammenwirken bestimmt. Dabei ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit der Elektronik durch entsprechende Schaltungsstrukturen weitestgehend zu eliminieren. Diesbezüglich wird die DE 100 27 507 C1 in Bezug genommen und inhaltlich auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung miteinbezogen. So ermöglicht es die dort beschriebene Schaltungsanordnung, extrem kleine Kapazitätsänderungen zu erfassen. Die Grenzen der Erfassbarkeit werden bestimmt einerseits u. A. durch das Eigenrauschen der Wechselspannungsverstärker, und in weitaus stärkerem Maße jedoch andererseits durch das Temperaturverhalten der passiven Bauelemente im Sensorbereich. So sind die wenigstens 2 Elektroden eines Sensors üblicherweise zwangsläufig durch Isolationswerkstoffe mechanisch miteinander verbunden und besitzen zumeist noch eine Schutzhülle für den Einsatz unter Industriebedingungen. Bei räumlicher Trennung von passiven Sensoren und den elektronischen Komponenten sind üblicherweise Koaxial- oder Triaxialkabel erforderlich, deren Isolationswerkstoffe ebenfalls temperaturabhängige Kennwerte aufweisen. Selbst das für höchste Ansprüche allgemein in der Elektrotechnik eingesetzte PTFE weist für die hier zu stellenden Anforderungen zu große Temperaturabhängigkeiten auf.
Somit ist es also nur möglich, mit bestimmten Gestaltungseinschränkungen solche Messsysteme mit extrem hohen Empfindlichkeiten zu realisieren. Bei den Sensoren bedeutet das z. B. die Einbeziehung von Luftstrecken im Isolationsbereich, wodurch jedoch eine geringere Robustheit der Sensoren in Kauf genommen werden muss. Ein Verzicht auf längere Kabelverbindungen hingegen, bedeutet einen Kompaktaufbau, wobei jedoch die Elektronik am Einsatzort der dort herrschenden Temperatur ausgesetzt ist, so dass sich höhere Umgebungstemperaturen somit verbieten.
Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist, ein kapazitives, das 3-Elektroden-Messprinzip anwendendes Messsystem mit einer gegenüber dem dargestellten Stand der Technik nochmals gesteigerten Messempfindlichkeit für den allgemeinen industriellen Einsatz zu realisieren.
Eine erfindungsgemäße Lösung ist bereits durch einen Gegenstand mit den Merkmalen nach des anhängenden unabhängigen Anspruchs gegeben. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung eines kapazitiven Messsystems nach dem 3-Elektroden-Messprinzip mit einer im Wesentlichen stabilen und von allen Beeinflussungen unabhängigen Generatorausgangsspannung und mit wenigstens einer Sensoreinheit zur Erfassung einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der absoluten Kapazitätsänderung dieser Sensoreinheit aufweist, zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass in der elektronischen Auswerteeinheit eine zusätzliche übergeordnete Schaltungseinrichtung zur Generierung eines Stellsignals zur Veränderung des Ausgangssignals aus einer nicht unmittelbar aus der Messung resultierenden Größe vorhanden ist, wobei diese Schaltungseinrichtung sowohl mit schaltungsinternen als auch mit externen Komponenten zu einem Regelkreis geschlossen werden kann und damit eine Autokalibration ermöglicht wird.
Diese übergeordnete Regelung bei einem das 3-Elektroden-Messprinzip anwendenden Messsystem, bei welcher ein in praktischer Ausführung am Ausgang einer Verstärkerkette anliegendes Messsignal der Sensoreinheit als Istwert einer Stellgrößengenerierungseinrichtung zugeführt wird und die zur Stellgrößengenerierung ferner einen in Abhängigkeit von der Applikation mit unterschiedlichen Methoden gebildeten Sollwert einsetzt, führt als generierte Stellgröße in bevorzugter Ausführung zur Beeinflussung des Übertragungsfaktors der Verstärkerkette eine Spannung für die Offsetverschiebung des Arbeitspunktes einer oder mehrerer Glieder dieser Verstärkerkette zurück.
Die Erfindung hat sich insbesondere für Sonden mit einem Temperatureinsatzbereich von ca. –100°C bis ca. +250°C, bei speziellen Ausführungen sogar bis ca. 800°C als besonders vorteilhaft bewiesen, wobei die Messungen im Wesentlichen vollständig unabhängig von Verschmutzungen der Sensoren waren. Die dem 3-Elektroden-Messprinzip mögliche Applikationsbreite, wie Mehrkanalmessungen, Differenzmessungen als auch die freien Gestaltungsmöglichkeiten für die Sensoren bleiben erhalten und werden folglich von der Erfindung mit abgedeckt.
Weitere, mit unmittelbar aus der Messung entstehenden Größen beaufschlagte Regelschaltungen zur Arbeitspunktstabilisierung sind bekanntermaßen von Vorteil und können bei vorliegender Anordnung im Wesentlichen beliebig angeordnet werden.
Bei der Erfindung ist ferner von Vorteil, dass das verwendete Stellsignal das Ausgangssignal ohne Änderung der Messempfindlichkeit bezüglich der absoluten Kapazitätsänderung beeinflussen kann.
Applikationsspezifisch wird ferner zweckmäßig das übergeordnete Stellsignal aus einem von der Messung unabhängigen, jedoch örtlich oder zeitlich eindeutig definiertem Zustand gebildet. Hierbei wird das übergeordnete Stellsignal bevorzugt aus einem Führungssignal generiert, welches aus dem Ausgangssignal und/oder einem weiteren internen Signal der zugrundeliegenden Messungsvorgaben nach einem vorgegebenen funktionellem Zusammenhang abgeleitet ist.
So hat sich bewährt, dass der funktionelle Zusammenhang zur Ableitung des Führungssignals eine Mittelwertbildung des Ausgangssignals über eine wesentlich größere Zeit als die Messzeit ist. Ergänzend oder alternativ kann die übergeordnete Stellgröße auch unter Verwendung eines zum Messsensor identischen Sensors mit konstanter, nicht objektabhängiger Ankopplung sowie einem nachfolgenden zum Messkanal identischen Verstärkerkanal abgeleitet werden.
Zweckmäßig kann ferner sein, wenn wischen den identischen Verstärkerkanälen ein Symmetrieabgleich für den von den angeschlossenen Sensoren definierten Arbeitspunkt ermöglicht wird.
Von Vorteil ist ferner, dass die übergeordnete Stellgröße modulierend auf eine für einen extrem großen Stellbereich geeignete Schaltung einwirken kann, der Modulationsgrad frei wählbar ist und damit resultierend ein Grob – Fein – Stellverhalten erzielbar ist.
In praktische Weiterbildung wird die Stellgröße zudem einer Schaltungsvorrichtung zugeführt, die zur Ableitung von Warnsignalen geeignet ist.
Insbesondere mit dem Einsatz eines Mikrocontrollers lässt sich eine leistungsfähige und variable Regelungsstruktur aufbauen und die Stellgröße leicht erzeugen, z. B. durch Verwendung von Digitalpotentiometern. Besonders bedeutsam ist ferner die Vielfalt eines Mikrokontrollers bei der Ermittlung von Sollgrößen bzw. -werten.
Nachfolgend werden drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei die Figuren zeigen:
1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Messsystems mit einem Referenzsensor und einen Messsensor,
2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Messsystems mit einem beweglich angeordneten Messsensor, und
3 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Messsystems mit einem stationär angeordneten Messsensor und daran vorbeibewegten Messobjekten.
Bevor auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Messsysteme im Einzelnen Bezug genommen wird, sei angenommen, dass die Empfindlichkeit eines jeden solchen nach dem 3-Elektroden-Messprinzip arbeitenden Messsystems bei vorgegebener Sensorgeometrie im Wesentlichen durch die Gesamtverstärkung der Auswerteelektronik bestimmt wird. Unter Anwendung der Lehre von DE 100 27 507 C1 , gemäß welcher die Sättigung des Verstärkers bei hohem Verstärkungsfaktor durch Mischen der Signalspannung mit einer invertierten Vergleichsspannung verhindert wird, wird gemäß der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Offsetverschiebung für die Signalspannung durchgeführt, welche darüber hinaus auch mehrfach hintereinander durchgeführt werden kann.
Durch die hierdurch mehrfach anwendbare Offsetverschiebungermöglicht es die Erfindung folglich, den Verstärkungsfaktor der Verstärkerkette im Wesentlichen beliebig groß zu machen ohne die Sättigung zu erreichen. Die praktische Obergrenze wird durch das Verstärkerrauschen erreicht und die Temperaturstabilität wird mit wachsender Verstärkung vor allem bei DC-Verstärkern immer aufwendiger.
Da es schwierig ist, Verstärkerketten mit extrem hoher Verstärkung stabil bezüglich Änderung von Temperatur und anderer Betriebsparameter zu gestalten sowie identisches Übertragungsverhalten mehrerer Verstärkerketten bei gleichzeitiger Offsetverschiebung durch Parallelansteuerung zu erzielen und die temperaturabhängigen Parameter der passiven Sensorperipherie ohnehin vorgegeben sind, werden Stabilität und Identität zumindest in einem benötigten Arbeitspunkt durch eine in den Figuren nicht dargestellte weitere, z. B. der Lehre von DE 100 27 507 C1 folgende, Regelung bewirkt.
Außerdem berücksichtigt die Erfindung auch Möglichkeiten der Abstimmung der Verstärkerketten in einer Grob-/Feinabgleich-Aufteilung, wobei das Verhältnis zwischen Grob-/Feinbereich auch variabel sein kann.
Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt. In diesem Blockschaltbild sind, ebenso wie in den weiteren Blockschaltbildern, Strukturen zur Stabilisierung eines Generators 1, bevorzugt die in der DE 100 27 507 C1 erläuterten Strukturen zur Stabilisierung des Generators, nicht dargestellt. Für die nachfolgende Beschreibung aller in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird jedoch grundsätzlich bei allen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, das die Ausgangsgröße des Generators 1 eine Wechselspannung zwischen einem schaltungsinternen Bezugspunkt 2 und einem Schutzleiterpotential bzw. Umgebungspotential 3 ist und im wesentlichen stabil und von allen Beeinflussungen unabhängig ist. Auf die Darstellung des Generators ist aus Gründen der Übersichtlichkeit bei 2 und bei 3 verzichtet.
Gemäß Ausführungsbeispiel nach 1 integriert das Messsystem zwei Sensoreinheiten, einen Referenzsensor 4 und einen Messsensor 5, die identisch aufgebaut sind, bis auf den Unterschied, dass der Referenzsensor 4 eine feste Ankopplung an das Schutzleiterpotential 3 besitzt und sich im Wirkungsbereich des Messsensors 5 ein zu detektierendes Messobjekt 6 befindet, welches eine veränderliche Ankopplung bewirkt.
Die Ausgangssignale der beiden Sensoren 4 und 5 werden zwei identischen Verstärkerkanälen 7 und 8 zugeführt. Die Verstärkerkanäle umfassen eine Verstärkereinheit oder eine Kette von Verstärkereinheiten, und im vorliegendenden Fall wenigstens eine AC-Verstärkerstufe, einen Gleichrichter und einer DC-Verstärkerstufe, wobei einzelne oder mehrere Verstärkerstufen von einer äußeren Stellgröße 9, bevorzugt von einer Offsetspannung, abhängige Arbeitspunkte besitzen.
Das Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wäre somit bei fester Stellgröße 9 sowie idealen Eigenschaften aller seiner Komponenten konstant, ist in der Praxis jedoch abhängig von der Gesamtwirkung aller einzelnen Driftgrößen.
Gleiches gilt für das Ausgangssignal 11 der Verstärkerkette des Messkanals 8, allerdings wird hier zusätzlich die Beeinflussung durch das Messobjekt 6 wirksam.
Das Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wird einer Funktionseinheit 12 zur Generierung der Stellgröße 9 als Istwert zugeführt, wobei die Einheit 12 zur Stellgrößengenerierung zusätzlich mit einem Sollwert 13 beaufschlagt wird. Mittels der am Eingang der Einheit 12 anliegenden Signale 10 und 13 wird das Stellgrößensignal 9 generiert und am Ausgang der Einheit 12 bereitgestellt, von dem aus das Stellgrößensignal 9 wiederum an einander entsprechende Verstärker beider Verstärkerkanäle 7 und 8 gelegt wird. Selbstverständlich kann die Einheit 12 auch eine weitere Signalverstärkungsfunktionalität besitzen.
Der Regelkreis, der den Referenzsensor 4, den die Referenzverstärkerkette umfassenden Kanal 7 und die Einheit 12 integriert, bewirkt, dass der durch den Sollwert 13 vorgegebene Arbeitspunkt der Referenzverstärkerkette des Kanals 7 konstant bleibt und die Gesamtwirkung aller Einzeldriften, z. B. verursacht durch Verschmutzung oder temperaturbasiert, eliminiert werden. Im Wesentlichen werden somit alle Drifterscheinungen, also insbesondere sowohl der passiven Bestandteile des Referenzsensors 4 und der hier nicht explizit dargestellten Kabel- und Steckverbindungen zwischen Sensor und Elektronik, als auch aller Bestandteile der Verstärkerkette ausgeregelt. Die einzig verbleibende Größe, deren Drift nicht ausgeregelt wird, ist der Sollwert 13.
Der Messkanal 8 wird durch parallele Ansteuerung zum Referenzkanal 7 mit der gleichen Stellgröße 9 auf den gleichen Arbeitspunkt eingestellt. Bei fehlendem Messobjekt 6 entspricht folglich das Ausgangssignal 11 des Messkanals 8 dem Ausgangssignal 10 des Referenzkanals und bei im Wesentlichen idealer Regelung somit dem Sollwert 13.
Die Empfindlichkeit der Messung bezüglich der absoluten Kapazitätsänderung am Messsensor 5 wird durch diese übergeordnete Regelung nicht beeinflusst.
Durch gleichzeitige Zuführung des Ausgangssignals 11 des Messkanals 8 sowie des Sollwertes 13 zu einem Differenzverstärker 14 wird ein Ausgangssignal 15, beim vorliegenden Beispiel ein analoges Ausgangssignal, gebildet, das im Wesentlichen driftfrei ist und nur durch das Messobjekt 6 bestimmt wird.
Mit einem Trigger 19 z. B., lässt sich auf einfachste Weise aus dem Analogsignal 15 ein Grenzwertsignal 20 bilden.
Die erzielbare Messauflösung sowie die Konstanz der Messung werden in der beschriebenen Schaltungsstruktur nach weitgehender Eliminierung aller Driftgrößen somit nur noch durch die Identität der Verstärkerkanäle 7 und 8 bestimmt. Vorteilhaft ist hier die Integration der Verstärkerkanäle auf einem Chip.
Ferner lässt sich mit einer zweckmäßigen Weiterbildung das Verhalten der erfindungsgemäßen Anordnung noch weiter verbessern. Um die Palette der anschließbaren Sensoren sowie den Wertebereich für den Sollwert 13 sehr groß zu halten, sieht die Erfindung bevorzugt zusätzliche Maßnahmen vor, welche auch ohne die Notwendigkeit der Sicherstellung einer Identität der Verstärkerkanäle 7 und 8 über den gesamten Arbeitsbereich auskommt.
In zweckmäßiger Ausführung ist hierzu zusätzlich die Möglichkeit eines Symmetrieabgleichs vorgesehen, mittels welchem die Unsymmetrie beider Kanäle für einen durch die Sensorauswahl erforderlichen Arbeitspunkt minimiert werden kann. Basierend auf 1 werden dazu einer Symmetrieerfassungsschaltung 16 die Ausgangssignale 10 und 11 der beiden Verstärkerkanäle 7 und 8 zugeführt und die aktuelle Differenz über einen Symmetrieindikator 17, z. B. in Form eines tolerierbaren Fensters, angezeigt. Bei nicht vorhandenem Messobjekt 6 kann dann bereits mit Handabgleich 18 dieser Toleranzbereich eingestellt werden. Es wird angemerkt, dass hauptsächlich wegen der Sensorvariabilität ein großer Einstellbereich für die Arbeitspunkte erforderlich ist und der Symmetrieabgleich in der Regel also nur einmalig bei der Inbetriebnahme durchgeführt werden muss. Der Aussteuerbereich durch das Messobjekt 6 ist bei hochempfindlichen Messungen vernachlässigbar klein und hat damit keinen nennenswerten Einfluss auf das Symmetrieverhalten mehr.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems für eine hochempfindliche selbstjustierende bzw. autokalibrierende kapazitive Messung ist in 2 dargestellt. Es sei angenommen, es handelt sich hierbei um ein Messsystem für eine Kollisionsschutzüberwachung für einen Roboter.
Gemäß Ausführungsbeispiel nach 2 integriert das erfindungsgemäße Messsystem im vorliegenden Fall lediglich eine Mess-Sensoreinheit 5, die zweckmäßig auf einem beweglichen Roboterteil, beispielsweise auf dessen Arm, angeordnet ist und in der Bewegung die Umgebung abtastet. Bei Annäherung eines fremden Objekts im Wirkungsbereich des Sensors 5 stellt sich somit eine sprunghafte Änderung der Ankopplung an ein Schutz- oder Umgebungspotential 3 ein. Das Signal des Sensors 5 kann z. B. über ein bewegliches Kabel 21 mit der stationären Elektronik verbunden sein, wobei die Schnittstelle zwischen beweglichen und stationären Elementen im Rahmen der Erfindung im Wesentlichen an jeder Stelle des Systems angeordnet sein könnte.
Das Signal des Sensors 5 wird wiederum einem Verstärkerkanal 8 zugeführt und mittels diesem verstärkt. Das Ausgangssignal 11 dieses Messkanal wird einem ADU (Analog-Digital-Umformer) 28 zugeführt, wobei der ADU in diesem Beispiel als Bestandteil eines Mikrocontrollers 30 dargestellt ist. Die aktuelle Position des Roboterarmes wird als Lagesignal 26 aus einer parallel durchgeführten, nicht näher dargestellten Messung, ebenfalls dem Mikrokontroller 30 zugeführt. Das Ausgangssignal 11 des Messkanals nach digitaler Umformung ist mit dem Bezugszeichen 28 belegt.
Die praktische Umsetzung einer Schaltungseinrichtung zur Generierung eines übergeordneten Stellsignals 23 sieht gemäß 2 vor, dass in einem Sollwertspeicher 31 des Mikrokontrollers 26, z. B. in einem teach-in-Lauf, die zu bestimmten Position zugehörigen Werte bei ungestörter Umgebung eingegeben und abgespeichert sind. Das geschieht vorteilhafterweise in ausgesuchten Positionen des Roboters, wo die Anwesenheit fremder Objekte sicher ausgeschlossen werden kann.
Im laufenden Betrieb wird jedesmal beim Erreichen einer solchen bestimmten bzw. ausgesuchten Position im Funktionsblock 30 der einen Sollwertabgleich durchführt, ein Vergleich des entsprechenden aktuell verstärkten und umgeformten Messwertes 28 mit dem im Speicher 31 zu der Position abgelegten Wert durchgeführt. Im Funktionsblock 29 wird daraus eine Stellgröße 23 für ein Digitalpotentiometer 22 gebildet und das Signal 11 auf den abgelegten Wert angeglichen. Damit werden wiederum alle die Messungen verfälschenden Einflüsse eliminiert, also neben den bereits erwähnten Drifterscheinungen auch Ablagerungen oder andere Veränderungen am Sensor 5. Je langsamer die durch diese Einflüsse verursachten Veränderungen gegenüber echten Signaländerungen durch zu erfassende Messobjekte ablaufen, desto größere Zeitintervalle reichen aus, diese Korrekturen vorzunehmen. Der Messwert 28 wird ferner einem Funktionsblock 32 zur Bildung eines Ausgangssignals 24 zugeführt, der somit wiederum ein im Wesentlichen driftfreies und nur durch fremde Objekte bei gestörter Umgebung des Wirkbereichs des Sensors beeinflusstes Ausgangssignal 24 ausgibt.
Für den Fall, dass z. B. durch mechanische Beschädigungen am Sensor 5 ein Abgleich nicht mehr möglich ist, wird zweckmäßig mit einer Funktionseinheit 33 zur Überwachung der Stellgröße 23 zusätzlich ermittelt, ob ein vorgegebener Stellbereich verlassen wird und gegebenenfalls über einen Alarmausgang 34 ein Alarmsignal 35 ausgegeben.
Eine weitere vorteilhafte, bei den Figuren jedoch nicht dargestellte Ausgestaltung für das Stellverhalten ist die Parallelschaltung eines normalen Potentiometers zum Digitalpotentiometer 22. Damit ist eine Aufteilung in einen Grobabgleich, im wesentlichen für die Anpassung an den Sensor, sowie ein Feinabgleich möglich, wobei der Feinabgleich die Aussteuerung durch den Sensor sowie die Gesamtwirkung aller Drifterscheinungen umfasst. Da die Parallelschaltung zweier Potentiometer herkömmlicherweise zu nichtlinearem Stellverhalten führt, ist es in diesem Fall ferner vorteilhaft, über anwendungsspezifisch geeignet angepasste Schaltungsanordnungen sowohl eine Linearisierung als auch eine Wichtung des Anteiles des Digitalpotentiometers 22 zu bewirken.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems für eine hochempfindliche selbstjustierende kapazitive Messung ist in 3 dargestellt. Eine solche eignet sich beispielsweise für eine Fließ- oder Bewegungsüberwachung, z. B. ob Material 6 auf einem Förderband bewegt wird oder das Band leer bzw. verstopft ist.
Gemäß Ausführungsbeispiel nach 3 integriert das erfindungsgemäße Messsystem im vorliegenden Fall eine Messsensoreinheit 5, dessen verstärktes Messsignal 11 und anschließend über den ADU 27 digitalisiertes Signal 28 gleichzeitig den Funktionseinheiten 36 und 38 zugeführt wird. Die Funktionseinheit 36 bildet periodisch den Mittelwert des Signals 28 über eine längere Zeit, z. B. über 10 s. Hierfür ist gemäß 3 ein Taktgeber 42 mit der Funktionseinheit 37 entsprechend gekoppelt. Damit wird der Gleichanteil des Signals 28 ermittelt, der von der Funktionseinheit 29 zur Stellgröße 23 weiterverarbeitet wird. Über das Digitalpotentiometer 23 wird in bereits beschriebener Weise die Offsetspannung des Verstärkerkanals 8 verändert. Dieser damit geschlossene Regelkreis bewirkt die Ausregelung aller gegenüber den zu überwachenden Fließ- und Bewegungsvorgängen niederfrequenteren Drift- und Störgrößen. Besonders vorteilhaft ist dabei die erzielbare Ausregelung der Wirkung von Ablagerungen am Sensor 5, z. B. auch bei staubabsondernden Produkten oder Materialien.
Die Funktionseinheit 38 wertet hingegen den höherfrequenten Anteil (bei 3 mit AC-Anteil bezeichnet) des Signals 28 aus. Die durch die Materialbewegungen hervorgerufenen und durch den Sensor 5 erfassten AC-Signalanteile weisen ein charakteristisches Frequenzspektrum auf, wohingegen bei Materialstillstand nur noch das vernachlässigbare Eigenrauschen der Verstärker auftritt. Somit kann über die Funktionseinheit bzw. den Funktionsblock 32 wiederum ein Ausgangssignal 24 gebildet werden, welches die gewünschte Aussage darstellt. Die Überwachung des Stellbereiches erfolgt in der bereits in Bezug auf 2 geschilderten Weise.
Diese Ausführungsbeispiele lassen erkennen, dass die Verwendung der erfindungsgemäßen übergeordneten Regelung bei vielen weiteren Applikationen möglich ist und darüber hinaus besonders günstig dann, wenn zu erfassende Abläufe, insbesondere auch periodische Abläufe, mit eindeutig definierten Zuständen auftreten.
Dann sind extrem empfindliche Messungen bei höchster Konstanz sowie im Wesentlichen keinerlei Beeinflussung des Zeitverhaltens möglich, da die zu eliminierenden Driftgrößen immer in wesentlich größeren Zeiträumen als die Messzeiträume wirken.
Die unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen kapazitiven Messsystems nach dem 3-Elektroden-Messprinzip sind nicht einschränkend sondern lediglich beispielhaft. So lassen sich die einzelnen Merkmale, soweit nicht ausdrücklich anders hervorgehoben auch miteinander in vielfältiger Weise kombinierbar.

1: Generator
2: internes Bezugspotential
3: Schutzleiterpotential
4: Referenzsensor
5: Messsensor
6: Messobjekt
7: Referenz-Verstärkerkanal
8: Mess-Verstärkerkanal
9: Stellgröße
10: Ausgangssignal Referenzkanal
11: Ausgangssignal Messkanal
12: Funktionseinheit zur Generierung einer Stellgröße
13: Sollwert
14: Differenzverstärker
15: Analogsignal
16: Symmetrieerfassungsschaltung
17: Symmetrieindikator
18: Symmetrie-Handabgleich
19: Trigger
20: Grenzwertsignal
21: flexibles Sensorkabel
22: Digitalpotentiometer
23: Stellgröße
24: Ausgangssignal
25: Lagesignal
26: Mikrocontroller
27: ADU
28: digitalisiertes Messsignal
29: Funktionseinheit zur Stellgrößenbildung
30: Funktionseinheit zur Sollwertabgleichung
31: Funktionseinheit zur Sollwertspeicherung
32: Funktionseinheit zur Bildung des Ausgangssignals
33: Funktionseinheit zur Überwachung der Stellgröße
34: Funktionseinheit zur Generierung eines Alarms
35: Alarmsignal
36: Funktionseinheit zur Mittelwertbildung
37: Taktgeber
38: Funktionseinheit zur Auswertung hoher Frequenzen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10027507 C1 [0004, 0023, 0025, 0027]

Claims

Kapazitives Messsystem nach dem 3-Elektroden-Messprinzip mit einer im Wesentlichen stabilen und von allen Beeinflussungen unabhängigen Generatorausgangsspannung und mit wenigstens einer Sensoreinheit zur Messung einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung sowie einer elektronischen Auswerteeinrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der bei der Messung dieser Sensoreinheit auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinrichtung ferner eine Schaltungseinrichtung besitzt, die in der Schaltungsstruktur zum Verarbeiten wenigstens eines nicht lediglich unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleiteten Eingabesignals und zur Generierung eines übergeordneten Stellsignals zur Veränderung eines unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleiteten Ausgangssignals angeordnet und angepasst ist, wobei diese Schaltungseinrichtung in einen Regelkreis zur Autokalibration der Schaltungsstruktur integriert ist.
Messsystem nach Anspruch 1, welches eine Regelschaltung zur Arbeitspunktstabilisierung unter Verwendung zumindest eines unmittelbar aus der Messung abgeleiteten Signals besitzt.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal ohne Änderung der Messempfindlichkeit bezüglich der absoluten Kapazitätsänderung durch die Generierung des Stellsignals und die Regelkreisintegration veränderbar ist.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generierte Stellsignal mittels der Regelkreisintegration eine Offsetverschiebung für wenigstens eine AC- und/oder DC-Verstärkerstufe bewirkt.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Schaltungsstruktur der Schaltungseinrichtung zur Generierung des Stellsignals wenigstens ein nicht lediglich unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleitetes Eingabesignal zuführt, welches örtlich und/oder zeitlich in eindeutig definiertem Zustand zur Messung steht.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur der Schaltungseinrichtung zur Generierung des Stellsignals wenigstens ein Eingabesignal zuführt, welches das unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleitete Ausgangssignal ist und/oder ein aus einem weiteren internen Signal des Messsystems nach einem vorgegebenen funktionellem Zusammenhang abgeleitetes Signal ist.
Messsystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang des aus dem weiteren internen Signal des Messsystems nach einem vorgegebenen funktionellem Zusammenhang abgeleiteten Signals eine Mittelwertbildung des unmittelbar aus der Messung der Sensoreinheit abgeleiteten Ausgangssignals über eine wesentlich größere Zeit als die korrespondierende Messzeit ist.
Messsystem nach einem der zwei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Zusammenhang des aus dem weiteren internen Signal des Messsystems nach einem vorgegebenen funktionellem Zusammenhang abgeleiteten Signals auf einem Referenzsignal von einer zur Mess-Sensoreinheit identischen Sensoreinheit mit konstanter, nicht objektabhängige Ankopplung besitzt, sowie mit einem zum der Messsensoreinheit nachfolgenden Verarbeitungskanal identischen Verarbeitungskanal verbunden ist.
Messsystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den identischen Verarbeitungskanälen ein Symmetrieabgleich der Verkstärkung für den von den angeschlossenen Sensoren definierten Arbeitspunkt gegeben ist.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur für einen extrem großen Stellbereich angepasst ist und die übergeordnete Stellgröße modulierend auf diese Schaltungsstruktur einwirkt, wobei der Modulationsgrad zur Einstellung eines Grob-/Fein-Stellverhaltens einstellbar ist.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße ferner einer Alarmeinrichtung zur Ableitung von Warnsignalen zugeführt wird.
Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtung Teil eines Mikrocontrollers ist.