DE102007059709A1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

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Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein kapazitiver Sensor mit wenigstens einer Referenzimpedanz (2) und wenigstens einem Meßkondensator (3), mit wenigstens einer elektrischen Wechselsignalquelle (4), mit einem Stromführungsnetzwerk (5) sowie mit einer Auswerteeinheit (6), wobei die Referenzimpedanz (2) und der Meßkondensator (3) über das Stromführungsnetzwerk (5) derart mit der Wechselsignalquelle (4) und der Auswerteeinheit (6) in Verbindung stehen, daß die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensators (3) und/oder ein die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensaotrs (3) charakterisierendes Auswertesignal von der Auswerteeinheit (6) auswertbar sind, wobei die Referenzimpedanz (2) abstimmbar ist. Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor vermeidet - zumindest teilweise - Nachteile bei den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensoren dadurch, daß die Referenzimpedanz abstimmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit wenigstens einer Referenzimpedanz und wenigstens einem Meßkondensator, mit wenigstens einer elektrischen Wechselsignalquelle, mit einem Stromführungsnetzwerk sowie mit einer Auswerteeinheit, wobei die Referenzimpedanz und der Meßkondensator über das Stromführungsnetzwerk derart mit der Wechselsignalquelle und der Auswerteeinheit in Verbindung stehen, daß die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz und des Meßkondensators von der Auswerteeinheit auswertbar sind.
  • Kapazitive Sensoren der zuvor beschriebenen Art sind beispielsweise aus der USA-Patentschriften 5,650,730 und 5,793,217 bekannt und werden zur Ermittlung der Kapazität des Meßkondensators bzw. der Änderung der Kapazität des Meßkondensators verwendet. Diese Sensoren weisen ein spezielles Stromführungsnetzwerk auf, nämlich ein solches aus seriell verschalteten Dioden, die einen Diodenring bilden.
  • In dem kapazitiven Sensor selbst ist oft nur eine Elektrode des Meßkondensators ausgebildet und die andere Elektrode des Meßkondensators wird durch die Umgebung des kapazitiven Sensors gebildet. Der Meßkondensator ist also im Regelfall kein Kondensator im Sinne eines vollständigen elektrotechnischen Bauelements, sondern eine mit einer Kapazität ausgestattete Anordnung, deren aktive Elektrode dem kapazitiven Sensor zugeordnet ist, wobei sich ein elektrisches Streufeld von der aktiven Elektrode in die Umgebung erstreckt.
  • Im Stand der Technik wird als Referenzimpedanz meist ein Referenzkondensator eingesetzt. Wenn im folgenden konkret von einer Referenzkapazität die Rede ist, dann haben die Ausführungen gleichwohl in der Regel auch allgemeiner Gültigkeit für eine Referenzimpedanz; die Kapazität des Referenzkondensators entspricht dann dem Wert der Referenzimpedanz, unabhängig davon, wie die Referenzimpedanz bauteilmäßig realisiert ist. Der Lade- und Entladestrom eines Referenzkondensators entspricht dann dem Lade- und Entladestrom einer Referenzimpedanz, wobei die Referenzimpedanz die ihr zuge führte Energie anderweitig umsetzen kann als nur in dem elektrischen Feld eines Kondensators.
  • Die Kapazität des beschriebenen Sensors kann sich einerseits dann ändern, wenn die Geometrie der Anordnung und damit das Streufeld der aktiven Elektrode verändert wird, andererseits kann sich die Kapazität des Sensors – ohne eine Änderung der Erstreckung des Streufeldes – auch ändern bei einer Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Raumes, in dem sich das elektrische Feld erstreckt. Aufgrund dieser allgemeinen Eigenschaften werden kapazitive Sensoren häufig als Näherungsschalter und als Füllstandsdetektoren eingesetzt.
  • Bei kapazitiven Sensoren der eingangs beschriebenen Art ist die Wechselsignalquelle üblicherweise als Schwingkreis ausgebildet, wie beispielsweise als ein harmonischer Schwingkreis in Form eines LRC-Netzwerkes, der so geschaltet ist, daß er eine Dauerschwingung ausführt. Während des zunehmenden Signalpegels innerhalb der positiven Halbschwingung des Wechselsignals wird der Meßkondensator über einen Strom aufgeladen, der über einen ersten Pfad des Diodenrings fließt und die – häufig als Referenzkondensator ausgebildete – Referenzimpedanz wird während dessen mit einem Strom aufgeladen, der über einen zweiten Pfad des Diodenrings fließt. Die über den jeweils einen Pfad fließende Ladestrom wird über den jeweils anderen Pfad als Entladestrom abgeleitet.
  • Die Funktionsweise des beschriebenen kapazitiven Sensors beruht folglich darauf, daß der Ladestrom der Referenzimpedanz, die insbesondere als Referenzkondensator ausgestaltet sein kann, bzw. der Ladestrom des Meßkondensators jeweils über einen anderen Pfad des Sensors bzw. des Stromführungsnetzwerks fließt als der Entladestrom des Referenzkondensators bzw. des Meßkondensators. Sind die Kapazitäten des Referenzkondensators und des Meßkondensators gleich groß, so ist der über den ersten Pfad bzw. den zweiten Pfad hineinfließende Strom im Mittel gleich dem aus dem ersten Pfad bzw. aus dem zweiten Pfad des als Diodenring ausgebildeten Stromführungsnetzwerks hinausfließende Strom. Sind die Kapazitäten des Referenzkondensators und des Meßkondensators hingegen unterschiedlich groß, ergibt sich im zeitlichen Mittel in jedem Pfad des als Diodenring ausgebildeten Stromfüh rungsnetzwerks ein resultierender Strom. Durch Auswertung der Differenzströme der in dem ersten und zweiten Pfad des Stromführungsnetzwerks fließenden Lade- und Entladeströme ist ersichtlich, in welchem Verhältnis die Kapazität des Meßkondensators zu der Kapazität des Referenzkondensators steht.
  • Bei den aus den USA-Patentschriften 5,650,730 und 5,793,217 bekannten gattungsgemäßen kapazitiven Sensoren werden die über den Referenzkondensator und den Meßkondensator fließenden Ströme in der Auswerteeinheit über zwei Strom-Spannungswandler einem Summierer zugeführt, der die Spannungen mit unterschiedlichen Vorzeichen verarbeitet, so daß ein Differenzsignal resultiert. Dieses Differenzsignal wird letztlich – nach möglichen weiteren schaltungstechnischen Zwischenschritten – mit einem Referenz- oder Schwellsignal verglichen, wobei das Referenzsignal eine Schwelle definiert, deren Erreichen ein bestimmtes Ereignis anzeigt, wie z. B. eine hinreichende Annäherung eines Objekts an den kapazitiven Sensor oder das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines bestimmten Füllstandes.
  • Nachteilig an dem beschriebenen kapazitiven Sensor ist, daß die Auswertung der Stromsignale in der Auswerteeinheit vergleichsweise aufwendig ist, insbesondere die Vorgabe eines Referenzwertes, mit dem die Differenz der stromspannungsgewandelten Ströme verglichen wird, schaltungstechnisch aufwendig und teuer ist sowie außerdem anfällig für Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Wechselsignals ist. Des weiteren hat sich herausgestellt, daß die bekannten Sensoren bei der im Stand der Technik angegebenen Arbeitsfrequenz von 2 MHz nicht geeignet sind, als Füllstandssensoren eingesetzt zu werden, da sie dann nicht in der Lage sind, zu unterscheiden, ob ein Medium einen größeren Volumenbereich um den Sensor ausfüllt oder ob lediglich eine geringe Anhaftung dieses Mediums an dem Sensor verblieben ist, nachdem das Medium den zu überwachenden Bereich des kapazitiven Sensors verlassen hat, der Füllstand also unter die Position des kapazitiven Sensors abgesunken ist. Ferner sind die beschriebenen kapazitiven Sensoren für einen Intervallbetrieb nicht tauglich, da bei abgeschalteter Anregung des Stromführungsnetzwerks mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle der Differenzstrom als auszuwertendes Signal ebenfalls sofort zusammenbricht und für eine weitere Auswertung nicht mehr nutzbar ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile bei den bekannten kapazitiven Sensoren der hier in Rede stehenden Art – zumindest teilweise – zu vermeiden.
  • Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, die Referenzimpedanz abstimmbar ist und das zusätzlich oder alternativ zu den Lade- und Entladeströmen auch ein die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz und des Meßkondensators charakterisierendes Auswertesignal bereitgestellt wird, daß direkt von der Auswerteeinheit auswertbar ist.
  • Durch diese einfache Maßnahme kann der Wert der Referenzimpedanz – und damit auch die Kapazität einer als Referenzkondensator ausgestalteten Referenzimpedanz – in jedem gewünschten Beeinflussungszustand des kapazitiven Sensors auf die mit dem Beeinflussungszustand verbundene Impedanz bzw. Kapazität des Meßkondensators abgeglichen werden. Durch die Abgleichmöglichkeit im Bereich des eigentlichen kapazitiven Sensors kann auf eine Abgleichmöglichkeit bzw. Möglichkeit der Nullpunkteinstellung innerhalb der Auswerteeinheit verzichtet werden, so daß die Auswerteeinheit schaltungstechnisch wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Stromführungsnetzwerk wenigstens eine erste Schaltungseinheit mit einem hochohmigen Eingang, mit einem niederohmigen Ausgang und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen sowie eine zweite Schaltungseinheit mit einem hochohmigen Eingang, mit einem niederohmigen Ausgang und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen umfaßt, wobei die erste Schaltungseinheit und die zweite Schaltungseinheit über jeweils einen Betriebsspannungsanschluß an einer gemeinsamen Verbindungsstelle miteinander verbunden sind und einen Spannungsteiler einer im wesentlichen konstanten Betriebsspannung bilden. Dabei ist ferner vorgesehen, daß der Eingang der ersten Schaltungseinheit und der Eingang der zweiten Schaltungseinheit mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle beaufschlagbar ist, wobei der Ausgang der ersten Schaltungseinheit mit der ersten Elektrode der abstimmbaren Referenz impedanz verbunden ist und die zweite Elektrode der Referenzimpedanz mit einem Bezugspotential verbunden ist und der Ausgang der zweiten Schaltungseinheit mit der ersten Elektrode des Meßkondensators verbunden ist, wobei das die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz und des Meßkondensators charakterisierende Auswertesignal an der Verbindungsstelle – insbesondere von der Auswerteeinheit – abgreifbar ist.
  • Durch den hochohmigen Eingang der ersten Schaltungseinheit und den hochohmigen Eingang der zweiten Schaltungseinheit ist zunächst deutlich weniger Leistung von der Wechselsignalquelle erforderlich, um das Stromführungsnetzwerk in geeigneter Weise anzusteuern, als dies beispielsweise bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, aus einem Diodenring bestehenden Stromführungsnetzwerk der Fall ist, denn der Diodenring zeichnet sich insgesamt durch eine ausgeprägte Niederohmigkeit aus. Trotzdem sind die mit dem Ausgang der ersten Schaltungseinheit verbundene Referenzimpedanz und der mit dem Ausgang der zweiten Schaltungseinheit verbundene Meßkondensator gut ansteuerbar, da sowohl der Ausgang der ersten Schaltungseinheit als auch der Ausgang der zweiten Schaltungseinheit niederohmig ausgelegt sind.
  • Die an dem Ausgang der ersten Schaltungseinheit angeschlossene Referenzimpedanz und der an dem Ausgang der zweiten Schaltungseinheit angeschlossene Meßkondensator beeinflussen insgesamt die Impedanz der ersten Schaltungseinheit und die Impedanz der zweiten Schaltungseinheit, so daß die über der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit abfallende Betriebsspannung in dem Verhältnis über der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit abfällt, indem sich die Impedanzen der ersten Schaltungseinheiten und der zweiten Schaltungseinheit zueinander verhalten. Wenn die erste Schaltungseinheit und die zweite Schaltungseinheit identisch aufgebaut sind, hängt das Verhältnis der über der ersten Schaltungseinheit und der über der zweiten Schaltungseinheit abfallenden Spannungen im wesentlichen nur noch von den Impedanzen ab, die an dem Ausgang der ersten Schaltungseinheit und an dem Ausgang der zweiten Schaltungseinheit angeschlossen sind. Ist der Wert der an dem Ausgang der ersten Schaltungseinheit angeschlossenen Referenzimpedanz gleich dem Wert der Impedanz des an dem Ausgang der zweiten Schaltungseinheit angeschlossenen Meßkondensators, teilt sich die Betriebsspannung zu gleichen Teilen über der ersten Schaltungs einheit und der zweiten Schaltungseinheit auf, so daß das an der Verbindungsstelle der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit anliegende und abgreifbare Auswertesignal im wesentlichen der halben Betriebsspannung entspricht. Bei voneinander abweichenden Werten der Referenzimpedanz einerseits und der Impedanz des Meßkondensators andererseits, stellen sich an der Verbindungsstelle der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit Spannungen ein, die von der halben Betriebsspannung abweichen. Dadurch, daß die Referenzimpedanz abgleichbar ist, kann der aus der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit gebildete Spannungsteiler immer so eingestellt werden, daß das Auswertesignal der halben Betriebsspannung entspricht. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die erste Schaltungseinheit und die zweite Schaltungseinheit immer symmetrisch betrieben werden können, so daß vergleichbare Verhältnisse bei der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit vorliegen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wechselsignalquelle an- und abschaltbar ist und/oder die Verbindung zwischen der Wechselsignalquelle und dem Stromführungsnetzwerk unterbrechbar und wiederherstellbar ist. Dies wird z. B. durch einen Schalter, insbesondere durch einen Halbleiter-Multiplexer umgesetzt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, den kapazitiven Sensor so auszugestalten, daß das Stromführungsnetzwerk nur zeitweise – insbesondere periodisch – mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle beaufschlagt ist.
  • Durch den unterbrochenen Betrieb der Wechselsignalquelle bzw. des Stromführungsnetzwerkes und der Auswerteeinheit sind kapazitive Sensoren mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme realisierbar. Die Wechselsignalquelle kann beispielsweise einfach dadurch an- und abgeschaltet werden, indem die Wechselsignalquelle durch einen – elektronischen – Schalter von ihrer Betriebsspannungsversorgung getrennt wird. Andere Wechselsignalquellen verfügen über einen extra hierzu vorgesehenen Steuereingang, der ebenfalls entsprechend genutzt werden kann.
  • Problematisch beim An- und Abschalten der Versorgungsspannung der Wechselsignalquelle ist möglicherweise eine mit dem Schaltvorgang einhergehende Anschwingzeit, die die Wechselsignalquelle benötigt, um das gewünschte Ausgangssignal bereitzustellen. Diese Problematik kann umgangen werden, indem die Verbindung zwischen der Wechselsignalquelle und dem Stromführungsnetzwerk unterbrechbar und wiederherstellbar ausgelegt ist, beispielsweise durch einen Schalter. Auch hier ist die Leistungsaufnahme des kapazitiven Sensors gegenüber einem solchen Sensor ohne Unterbrechung der Wechselsignalleitung reduziert, da die Schaltungsteile, die von der Wechselsignalquelle gespeist werden – Stromführungsnetzwerk und gegebenenfalls Auswerteeinheit – zu den Zeiten fehlender Wechselsignale eine deutlich reduzierte Leistungsaufnahme gegenüber dem angesteuerten Zustand haben.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Halteglied an der Verbindungsstelle zwischen der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit angeordnet ist, wobei das Halteglied insbesondere so ausgelegt ist, daß es das Auswertesignal an der Verbindungsstelle vorhält, wobei das Halteglied vorzugsweise als Haltekondensator realisiert ist.
  • Dadurch ist es möglich, alle von der Auswerteeinheit durchzuführenden und auf dem Auswertesignal fußenden Funktionen weiterhin durchzuführen, auch wenn das Stromführungsnetzwerk nicht mit einem Wechselsignal aus der Wechselsignalquelle beaufschlagt ist. Dieser Ausgestaltung kommt dann besondere Bedeutung zu, wenn die erste Schaltungseinheit und die zweite Schaltungseinheit als komplementäre Emitterfolgerschaltungen oder komplementäre Sourcefolgerschaltungen ausgebildet sind, wobei die Emitterfolgerschaltungen dann insbesondere ohne Vorspannung bzw. die komplementäre Sourcefolgerschaltungen insbesondere ohne Ruhestrom betrieben werden. In diesem Fall wird das Stromführungsnetzwerk bei Ausbleiben einer Ansteuerung durch die Wechselsignalquelle hochohmig, insbesondere zwischen den Betriebsspannungsanschlüssen der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit, so daß das Halteglied insbesondere auch als Haltekondensator realisierbar ist, da eine Entladung des Haltekondensators über die sehr hochohmige erste Schaltungseinheit bzw. zweite Schaltungseinheit nur sehr langsam erfolgt.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des kapazitiven Sensors ist auch aus folgendem Grund sehr vorteilhaft. Es ist unmittelbar ersichtlich, daß die Höhe der in den Pfaden des Stromführungsnetzwerks fließenden Ströme nicht nur abhängig ist von der Größe der Referenzimpedanz bzw. der Kapazität des Referenzkondensators und des Meßkondensators, sondern die Höhe der Ströme auch unmittelbar abhängig ist von der Frequenz und der Amplitude des Wechselsignals, mit dem der kapazitive Sensor beaufschlagt wird. Dies ist begründet in der Frequenzabhängigkeit der Recktanz und der Amplitudenabhängigkeit des Stromes durch eine Recktanz von der an der Recktanz anliegenden Spannung.
  • Wenn das von der Wechselsignalquelle erzeugte Wechselsignal einer Frequenzänderung oder einer Amplitudenänderung unterliegt, wirkt sich dies auf die Höhe der Ströme aus, die über die Strompfade des aus dem Stand der Technik bekannten Stromführungsnetzwerks mit der Auswerteeinheit ausgetauscht werden. Infolgedessen ist auch das Differenzsignal, das im Stand der Technik in der Auswerteeinheit aus beiden Strömen gebildet wird, abhängig von einer Änderung des Wechselsignals in der Frequenz und/oder in der Amplitude. Da die Vergleichs- bzw. Schwellspannung innerhalb der Auswerteeinheit sich jedoch nicht zwangsläufig in entsprechender Weise verändern muß – dies tatsächlich sogar vollkommen unwahrscheinlich ist, weil es keine Verknüpfung mit der Wechselsignalquelle gibt – ist die Zuverlässigkeit des Ergebnisses, das der aus dem Stand der Technik bekannte kapazitive Sensor liefert, abhängig von einem beständigen Wechselsignal, wobei sich "beständig" auf die Konstanz des Wechselsignals in der Frequenz und in der Amplitude bezieht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor ist eine solche Abhängigkeit des Meßergebnisses von dem von der Wechselsignalquelle erzeugten Wechselsignal nicht mehr vorhanden. Da die Einstellung des Schwellwertes direkt am Meßkondensator erfolgt und ein in der Frequenz und in der Amplitude veränderliches Wechselsignal sowohl auf die Referenzimpedanz bzw. den Referenzkondensator als auch auf den Meßkondensator wirkt, wird ein durch die Abstimmung der Referenzimpedanz bzw. des Referenzkondensators definierter Beeinflussungszustand nach wie vor erkannt, im wesentlichen unabhängig von der Frequenz- und Amplitudenbeständigkeit des Wechselsignals.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzimpedanz über einen Schalter schaltbar, und zwar derart, daß nur definierte Teile der über den Ausgang der ersten Schaltungseinheit fließenden Ströme für die Auf- bzw. Entladung der geschalteten Referenzimpedanz zur Verfügung stehen. Durch diese Maßnahme ist der Wert der geschalteten Referenzimpedanz bzw. die Kapazität de geschalteten Referenzkondensators steuerbar von Null – Schalter ist dauerhaft geöffnet – bis zu dem Nennwert der Referenzimpedanz bzw. der Nennkapazität des Referenzkondensators – Schalter ist dauerhaft geschlossen. Die Referenzimpedanz bzw. der Referenzkondensator kann insbesondere dadurch geschaltet werden, daß die Verbindung der zweiten Elektrode der Referenzimpedanz bzw. des Referenzkondensators mit dem Bezugspotential geschaltet wird oder die Verbindung der ersten Elektrode der Referenzimpedanz bzw. des Referenzkondensators mit dem Ausgang der ersten Schaltungseinheit geschaltet wird.
  • Die Einstellung der Impedanz- bzw. Kapazitäts-Zwischenwerte wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel genauer dadurch erreicht, daß der Schalter über ein pulsweitenmoduliertes Signal betätigbar ist und betätigt wird. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das pulsweitenmodulierte Signal zur Schaltung des Schalters eine Frequenz oberhalb der Frequenz des Wechselsignals der Wechselsignalquelle aufweist, da dann aus jedem Bereich der Schwingung korrespondierende Ströme zur Ladung des geschalteten Referenzkondensators bzw. des geschalteten Teils des Referenzkondensators beitragen. Bei hohen oder sehr hohen Meßfrequenzen – beispielsweise bei Wechselsignalfrequenzen im Bereich von 150 MHz – ist es jedoch vorteilhafter, wenn das pulsweitenmodulierte Signal zur Schaltung des Schalters eine Frequenz unterhalb der Frequenz des Wechselsignals der Wechselsignalquelle aufweist, da dies geringere Anforderungen an die Abtastung stellt und im Mittel gleichermaßen jeder Bereich der Schwingung wirksam ist.
  • Alternativ zu der Umsetzung des abstimmbaren Referenzkondensators mit Hilfe eines Schalters wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des kapazitiven Sensors als Referenzkondensator eine Kapazitätsdiode eingesetzt, die auch als Varicaps bzw. Varaktoren bezeichnet werden, die aber in der Regel eine hohe Steuerspannung benötigen, beispielsweise Steuerspannungen von einigen zehn Volt, die in üblichen digitalen Schaltungen nicht zur Verfügung stehen und daher erst erzeugt werden müssen. Demgegenüber ist die zuvor dargestellte Lösung des abstimmbaren Referenzkondensators mit einem durch ein pulsweitmoduliertes Signal betätigten Schalter auch deshalb vorteilhaft, weil zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals zur Betätigung des Schalters direkt das Ausgangssignal eines Mikrocontroller-Ports verwendet werden kann, ohne daß das Signal einer Verstärkung bedürfte.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wechselsignalquelle über einen Koppelkondensator wechselstrommäßig mit dem Eingang der ersten Schaltungseinheit und über einen weiteren Koppelkondensator mit dem Eingang der zweiten Schaltungseinheit verbunden.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß beim Einsatz des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors eine Unterscheidung zwischen einer lediglich geringfügigen Anhaftung eines Mediums an dem Sensor und der Umgebung des Sensors mit einem großen Volumen des Mediums – Anwendungsfall Füllstandsmessung – um so besser möglich ist, je höher die Frequenz des von dem Meßkondensator emittierten elektrischen Wechselfeldes ist. Dies mag mit der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Polarisation zu tun haben und mit der Abnahme des Beitrages der Orientierungspolarisation zu der Dielektrizität eines Mediums bei sehr hohen Frequenzen. Dazu sind jedoch Frequenzen des Wechselsignals notwendig, die weit über der Arbeitsfrequenz von 2 MHz der elektrischen Wechselsignalquelle liegen, die bei den bekannten Sensoren üblich sind, von denen die Erfindung ausgeht.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Lehre der Erfindung ist die Frequenz der Wechselsignalquelle und damit die Frequenz der von der Wechselsignalquelle erzeugten Wechselsignale – in einem gewünschten Bereich – vorgebbar. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil der kapazitive Sensor durch die Wahl und die Vorgabe einer geeigneten Frequenz des Wechselsignals optimal an die physikalischen Eigenschaften des zu erkennenden Mediums – insbesondere bei Füllstandsmessungen – anpaßbar ist. Besonders vorteilhaft ist diese Eigenschaft umsetzbar, wenn die Wechselsignalquelle als gesteuerter Oszillator, wie z. B. als spannungs-, strom- oder widerstandsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist oder auch als digitaler Oszillator.
  • Bei einer nochmals bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Lehre der Erfindung erzeugt die Wechselsignalquelle Wechselsignale mit einer Frequenz von mehr als 10 MHz, wobei insbesondere Frequenzen von mehr als 100 MHz eingesetzt werden, vorzugsweise eine Frequenz von im wesentlichen 150 MHz. Vorteilhaft sind auch Frequenzen innerhalb von ISM-Bändern nutzbar, die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische (Industrial, Scientific, and Medical) Anwendungen freigegeben sind. Hierbei kommt insbesondere der Frequenzbereich von 433,05 MHz bis 434,79 MHz in Frage, da es sich hier um Frequenzen handelt, die schaltungstechnisch noch gut beherrschbar sind und Frequenzen dieser Größenordnung besonders geeignet sind, da sich bei diesen Frequenzen des Wechselsignals und des emittierten elektrischen Wechselfeldes das geschilderte Problem im Zusammenhang mit der Anhaftung des Mediums an dem kapazitiven Sensor nicht stellt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des kapazitiven Sensors ist, wie bereits mehrfach angedeutet, die Referenzimpedanz als Referenzkondensator ausgebildet, wobei der Referenzkondensator insbesondere aus einem ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensator und einem zweiten, abstimmbaren Referenzkondensator besteht, wobei es besonders vorteilhaft ist, den ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensator und den zweiten, abstimmbaren Referenzkondensator parallel zu schalten. Bei dieser Anordnung ist die Kapazität des gesamten Referenzkondensators steuerbar von einer Minimal-Kapazität, die der nominalen Kapazität des nicht abstimmbaren Referenzkondensators entspricht – Schalter ist dauerhaft geöffnet – bis zu einer Maximal-Kapazität, die sich aus der Summe der Nennkapazität des ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensators und der Nennkapazität des zweiten, abstimmbaren Referenzkondensators ergibt. Durch geeignetes Hinzu- und Hinwegschalten des zweiten, abstimmbaren Referenzkondensators läßt sich jeder Kapazitätswert zwischen diesen beiden Werten einstellen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß die Referenzimpedanz durch wenigstens ein Halbleiterbauelement realisiert ist, wobei das Halbleiterbauelement insbesondere durch ein von einer Steuereinrichtung erzeugtes pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert ist, wobei das pulsweitenmodulierte Signal insbesondere über einen Tiefpaß gefiltert ist. Wenn davon die Rede ist, daß die Referenzimpedanz durch wenigstens ein Halbleiterbauelement realisiert ist, dann umfaßt dies selbstverständlich auch eine ein Halbleiterbauelement umfassende Schaltung, wobei das Halbleiterbauelement dann maßgeblich zur Realisierung der wirksamen Impedanz beiträgt; dies ist insbesondere dann der Fall, wenn über das Halbleiterbauelement der entsprechende Lade- und Entladestrom aus dem Stromführungsnetzwerk fließt.
  • Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung eines Halbleiterbauelements ist die -jedenfalls grundsätzlich erzielbare – Hochfrequenztauglichkeit und die damit verbundene präzise, hochfrequente Ansteuerbarkeit zur Realisierung einer Referenzimpedanz. An sich bekannte digitale Potentiometer weisen üblicherweise nur eine Bandbreite von wenigen 100 kHz bei einem Widerstand im Bereich von einigen 10 kΩ bis zu einigen 100 kΩ auf. Damit sind die bekannten digitalen Potentiometer für die hier interessierende Anwendung nicht geeignet, da die Referenzimpedanz bei vielen erfindungsgemäßen Schaltungsvarianten insbesondere kleiner als 100Ω sein sollte.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als Halbleiterbauelement ein Transistor, insbesondere ein Bipolartransistor in Emitterfolgerschaltung oder ein Junction Field Effect Transistor (JFET) verwendet wird. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung eines Photowiderstandes oder eines Optokopplers. Vorzugsweise wird eine Steuerelektrode des Halbleiterbauelements über das – insbesondere tiefpaßgefilterte – pulsweitenmodulierte Signal angesteuert.
  • Wenn von "einer Steuerelektrode" des Halbleiterbauelements die Rede ist, dann ist damit im Fall des Bipolartransistors in Emitterfolgerschaltung die Basiselektrode des Transistors gemeint und im Falle eines JFET die Gate-Elektrode. Im Falle des Photowiderstandes ist die Steuerelektrode keine Elektrode im gegenständlichen, schaltungsmäßig anschließbaren Sinne, sondern der mittels geeigneter elektromagnetischer Strahlung beeinflußbare Bereich des Photowiderstandes, und im Fall des Optokopplers besteht die Steuerelektrode aus den Anschlüssen des Photosenders.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Steuereinrichtung den über das Halbleiterbauelement fließenden Strom, ermittelt aus dem erfaßten Strom die Impedanz des Halbleiterbauelements und regelt den Wert der Referenzimpedanz – also des Halbleiterbauelements – durch geeignete Ansteuerung des Halbleiterbauelements auf einen vorgegebenen Im pedanzwert. Durch diese Maßnahme ist insgesamt eine Regelschleife realisiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stimmt eine Steuereinrichtung die Referenzimpedanz so ab, daß der Wert der Referenzimpedanz dem Wert der Impedanz des Meßkondensators im Wesentlichen folgt, insbesondere indem die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz und des Meßkondensators ausgeglichen sind, bzw. indem der Spannungswert des Auswertesignals im wesentlichen der halben Betriebsspannung des Spannungsteilers entspricht. Dies hat zur Folge, daß das Stromführungsnetzwerk im Mittel immer im Gleichgewicht ist – also symmetrisch betrieben wird –, sogar dann, wenn die Wechselsignalquelle frequenzveränderlich betrieben wird ("Wobbel-Generator", Sweeping).
  • Bei eine weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors ist der Meßkondensator mit dem Stromführungsnetzwerk über eine elektrische Leitung verbunden, so daß die elektrische Leitung und der Meßkondensator einen Resonator bilden, wobei die elektrische Leitung insbesondere eine Koaxialleitung ist und/oder wobei der Resonator insbesondere ein λ/4-Resonator ist. Durch diese Maßnahme, insbesondere durch die Verwendung einer Koaxialleitung, lassen sich auf einfache Weise Resonanzfrequenzen bis in den Megahertz- und Gigahertz-Bereich hinein erzielen, wobei in diesem Frequenzbereich die Unterscheidung zwischen einer lediglich geringfügigen Anhaftung eines Mediums an dem Sensor und der Umgebung des Sensors mit einem großen Volumen des Mediums – wie oben beschrieben – besonders gut möglich ist.
  • Die Resonanzfrequenz der Anordnung aus elektrischer Leitung – Koaxialleitung – und Meßkondensator hängt u. a. von der Länge der elektrischen Leitung ab, wobei die Resonanzfrequenz um so höher ist, je kürzer die elektrische Leitung ist. Zur Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Resonators ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in der elektrischen Leitung eine Spule vorgesehen, wobei durch die Induktivität der Spule die Resonanzfrequenz des Resonators insbesondere reduziert wird; die Induktivität der Spule "verlängert" gleichsam auf elektrischem Wege die elektrische Leitung. Dadurch ist die Resonanzfrequenz des Resonators insbesondere auch auf Fre quenzen im Bereich von 150 MHz einstellbar, so daß Medium-Anhaftungen von größeren Mediumvolumina unterscheidbar sind.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Lehren der Erfindung sind/ist die Auswerteeinheit und/oder die Steuereinrichtung so eingerichtet, daß die Impedanz des Meßkondensators durch Messung der Resonanzfrequenz des Resonators und des im Resonanzfall fließenden Stromes ausgewertet werden kann. Es ist hier bewußt von Impedanz die Rede, da ein realer Meßkondensator nicht nur kapazitive Eigenschaften hat, sondern insgesamt als Impedanz in Erscheinung tritt. Durch Messung der Resonanzfrequenz des Resonators und des im Resonanzfall fließenden Stromes kann nicht nur die Impedanz des Meßkondensators, sondern auch die Impedanz des Resonators ausgewertet werden, wenn der Meßkondensator und eine geeignet ausgebildete elektrische Leitung insgesamt einen Resonator bilden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist/sind die Auswerteeinheit und/oder die Steuereinrichtung so ausgestaltet, daß die Impedanz des Meßkondensators bestimmt wird, indem der Resonator bei einer beliebigen aber im wesentlichen fest gewählten Frequenz betrieben wird und der im beeinflußten Zustand des Meßkondensators erfaßte Strom verglichen wird mit dem im unbeeinflußten Zustand der Meßkondensators erfaßten Strom. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Höhe des erfaßten Stromes und/oder die Höhe der berechneten Stromdifferenz als Schaltkriterium verwendet, z. B. bei einem als Näherungsschalter ausgestalteten kapazitiven Sensor.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors zeichnet sich dadurch aus, daß die Wechselsignalquelle und/oder die Auswerteeinheit und/oder die Steuereinrichtung so ausgestaltet sind/ist, daß die Resonanzfrequenz des Resonators ermittelt werden kann, und die gemessene Resonanzfrequenz des Resonators verglichen wird mit der vorgegebenen oder ermittelten Resonanzfrequenz des Resonators im unbeeinflußten Zustand des kapazitiven Sensors, wobei insbesondere die Differenz der Resonanzfrequenzen des Resonators ausgewertet werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel trägt dem Umstand Rechnung, daß sich die Resonanzfrequenz des Resonators mit sich ändernder externer Beeinflussung des Resonators bzw. des Meßkondensators ändert. Wird beispielsweise eine gewisse Differenz der Resonanz frequenz erreicht, kann ein Schaltvorgang bei einem als Näherungsschalter ausgebildeten kapazitiven Sensor ausgelöst werden.
  • Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit einem abstimmbaren Referenzkondensator in schematischer Darstellung,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit einer ersten Schaltungseinheit und einer zweiten Schaltungseinheit,
  • 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit unterbrechbarer Verbindung zwischen Wechselsignalquelle und Stromführungsnetzwerk,
  • 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit Emitterfolgerschaltungen als erste und zweite Schaltungseinheit,
  • 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Referenzkondensators des kapazitiven Sensors nach 2,
  • 6a, 6b weitere Ausführungsbeispiele abstimmbarer Referenzkondensatoren für erfindungsgemäße kapazitive Sensoren,
  • 7 Die Realisierung der Referenzimpedanz mit einem Transistor als Halbleiterbauelement,
  • 8 Die Realisierung der Referenzimpedanz mit einer Photodiode bzw. einem Optokoppler als Halbleiterbauelement,
  • 9 Die Realisierung der Referenzimpedanz mit einer Doppeldiode als Halbleiterbauelement,
  • 10 ein Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung des Meßkondensators mit einer elektrischen Leitung zu einem Resonator und
  • 11 ein Ausführungsbeispiel mit einem Resonator gemäß 10 mit einem zusätzlichen Referenzresonator.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors 1 mit einer Referenzimpedanz 2 und einem Meßkondensator 3, mit wenigstens einer elektrischen Wechselsignalquelle 4, mit einem Stromführungsnetzwerk 5 sowie mit einer Auswerteeinheit 6. Die Referenzimpedanz 2 und der Meßkondensator 3 stehen über das Stromführungsnetzwerk 5 derart mit der Wechselsignalquelle 4 und der Auswerteeinheit 6 in Verbindung, daß die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz 2 und des Meßkondensators 3 und/oder ein die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz 2 und des Meßkondensators 3 charakterisierendes Auswertesignal von der Auswerteeinheit 6 auswertbar sind/ist, wobei die Referenzimpedanz 2 abstimmbar ist. Durch die Abstimmbarkeit der Referenzimpedanz 2 kann der Wert der Referenzimpedanz in jedem gewünschten Beeinflussungszustand des kapazitiven Sensors auf die von dem Beeinflussungszustand abhängige Impedanz bzw. Kapazität des Meßkondensators abgeglichen werden. Durch die Abgleichmöglichkeit im Bereich des eigentlichen kapazitiven Sensors kann auf eine Abgleichmöglichkeit bzw. Möglichkeit der Nullpunkteinstellung innerhalb der Auswerteeinheit verzichtet werden, was die Schaltung enorm vereinfacht.
  • In den 1 bis 3 und 10 bis 11 ist der Meßkondensator 3 stets mit dem für einen Kondensator – im Sinne eines elektrischen Bauteils – üblichen Schaltzeichen dargestellt. Tatsächlich wird die zweite Elektrode des Meßkondensators 3 bei den für einen kapazitiven Sensor üblichen Anwendungen durch die Umgebung des kapazitiven Sensors gebildet, und die Kapazität bildet sich zwischen der ersten Elektrode des Meßkondensators 3 und der Umgebung dieser aktiven Elektrode des Meßkondensators 3 aus.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 weist das Stromführungsnetzwerk 5 eine erste Schaltungseinheit 7 mit einem hochohmigen Eingang 8, mit einem niederohmigen Ausgang 9 und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen 10a, 10b sowie eine zweite Schaltungseinheit 11 mit einem hochohmigen Eingang 12, mit einem niederohmigen Ausgang 13 und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen 14a, 14b auf. Die erste Schaltungseinheit 7 und die zweite Schaltungseinheit 11 sind in einer Verbindungsstelle 15 über jeweils einen Betriebsspannungsanschluß 10b, 14a miteinander verbunden und bilden einen Spannungsteiler einer im wesentlichen konstanten Betriebsspannung UB. Der Eingang 8 der ersten Schaltungseinheit 7 und der Eingang 12 der zweiten Schaltungseinheit 11 werden mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle 4 beaufschlagt, wobei der Ausgang 9 der ersten Schaltungseinheit 7 mit der ersten Elektrode 16a der abstimmbaren Referenzimpedanz 2 verbunden ist und die zweite Elektrode 16b der Referenzimpedanz 2 mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der Ausgang 13 der zweiten Schaltungseinheit 11 ist mit der ersten Elektrode 17a des Meßkondensators 3 verbunden. Daß die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz 2 und des Meßkondensators 3 charakterisierende Auswertesignal ist dann an der Verbindungsstelle 15 von der Auswerteeinheit 6 abgreifbar. Durch die hochohmigen Eingänge 8, 12 der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 wird die Wechselsignalquelle 4 praktisch nicht belastet.
  • Aufgrund der bereits oben detailliert erläuterten Wirkung des als Spannungsteiler ausgestalteten Stromführungsnetzwerkes 5, die sich aus den Lade- und Entladeströmen der Referenzimpedanz 2 und des Meßkondensators 3 ergeben. Weisen die Referenzimpedanz 2 und der Meßkondensator 3 gleiche Impedanzwerte auf, ergeben sich – gleicher Aufbau der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 vorausgesetzt, was vorliegend der Fall ist – gleiche Lade- und Entladeströme und damit gleiche Impedanzen der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11, woraus ein Auswertesignal in Höhe der halben Betriebsspannung resultiert. Bei unterschiedlichen Werten der Referenzimpedanz 2 und des Meßkondensators 3 resultieren in der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 unterschiedlich große Lade- und Entladeströme, weshalb der Spannungsteiler in diesem Fall unsymmetrisch ist und das Auswertesignal von der halben Betriebsspannung abweicht.
  • Durch Auswertung des Auswertesignals ist also feststellbar, ob der Meßkondensator 3 im Verhältnis zur Referenzimpedanz 2 eine bestimmte Impedanz erreicht hat oder nicht. Die Kapazität des Meßkondensators 3 variiert dabei üblicherweise durch Annäherung eines Gegenstandes an die aktive Elektrode des Meßkondensators 3 oder durch die stoffliche Veränderung der Umgebung der aktiven Elektrode des Meßkondensators 3 mittels eines zu detektierenden Mediums (Füllstandsmessung).
  • Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer kapazitiver Sensoren 1 zeichnen sich dadurch aus, daß der Referenzkondensator 2 abstimmbar ist, seine Impedanz also eingestellt werden kann. Dadurch, daß der Referenzkondensator 2 abstimmbar ist, ist der aus dem Stand der Technik bekannte Nullpunktabgieich – Vorgabe eines Schwellwertes – aus der Auswerteeinheit 6 in den eigentlichen Sensorbereich verlagert worden. Abgesehen davon, daß die Auswerteeinheit 6 nunmehr schaltungstechnisch wesentlich einfacher ausgestaltet ist und daher auch wesentlich günstiger zu fertigen ist, weisen die dargestellten Ausführungsbeispiele auch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Beständigkeit und Güte des Wechselsignals auf, das von der Wechselsignalquelle 4 in das Stromführungsnetzwerk 5 eingespeist wird. Der Vorteil ist darin begründet, daß die Referenzimpedanz 2 in dem gewünschten Beeinflussungszustand des Meßkondensators 3 auf die Kapazität des Meßkondensators 3 abgestimmt wird. Dadurch ergibt sich im zu detektierenden Beeinflussungszustand des Meßkondensators 3 ein symmetrischer, ausgeglichener Spannungsteiler, und zwar unabhängig davon, ob das von der elektrischen Wechselsignalquelle 4 erzeugte Wechselsignal in der Frequenz und in der Amplitude veränderlich ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Verbindung zwischen der Wechselsignalquelle 4 und dem Stromführungsnetzwerk 5 unterbrechbar und wiederherstellbar ausgestaltet, nämlich durch einen Halbleiter-Multiplexer 18. Insgesamt ist der dargestellte kapazitive Sensor 1 so ausgestaltet, daß das Stromführungsnetzwerk 5 nur zeitweise mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle 4 beaufschlagt ist, so daß die Leistungsaufnahme des in 3 dargestellten kapazitiven Sensors 1 geringer ist gegenüber einem durchgehend betriebenen kapazitiven Sensor. In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll herausgestellt, ein Halteglied an der Verbindungsstelle 15 zwischen der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 anzuordnen, wobei das Halteglied so ausgelegt ist, daß es das Auswertesignal an der Verbindungsstelle 15 vorhält. Dies ist in 4 dargestellt, wobei das Halteglied hier als Haltekondensator 19 realisiert ist.
  • In 4 ist ferner zu erkennen, daß die erste Schaltungseinheit 7 und die zweite Schaltungseinheit 11 als komplementäre Emitterfolgerschaltungen ohne Vorspannung ausgeführt sind, wodurch die Eingänge 8, 12 der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 hochohmig und die Ausgänge 9, 13 der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 niederohmig sind. Dadurch, daß auf eine Vorspannung der Emitterfolgerschaltungen verzichtet worden ist, sind die Emitterfolgerschaltungen hochohmig, sobald die Eingänge 8, 12 nicht mehr angesteuert werden. Das bedeutet aber, daß die auf dem Haltekondensator 19 befindliche Ladung über die erste Schaltungseinheit 7 und die zweite Schaltungseinheit 11 nicht abfließen kann, so daß das Auswertesignal über einen langen Zeitraum erhalten bleibt, vorausgesetzt, daß die Verbindungsstelle 15 auch nur hochohmig belastet wird. Durch diese Maßnahme liegt ein Auswertesignal auch dann vor, wenn die Eingänge 8, 12 der ersten Schaltungseinheit 7 und der zweiten Schaltungseinheit 11 nicht angesteuert werden.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 und 6 ist die Referenzimpedanz 2 jeweils als Referenzkondensator dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 5 wird die Abstimmbarkeit des Referenzkondensators 2 dadurch erreicht, daß der Referenzkondensator 2 über einen Schalter 20 schaltbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dabei durch den Schalter 20 die zweite Elektrode 16b des Referenzkondensators 2 mit dem Bezugspotential 21 verbunden oder von dem Bezugspotential 21 getrennt. Dadurch wird gewährleistet, daß der Referenzkondensator 2 nur zu den Zeiten geladen werden kann, in denen der Schalter 20 eine Verbindung mit dem Bezugspotential 21 hergestellt hat. Wenn der Schalter 20 zu den Zeiten, zu denen der Referenzkondensator 2 aufgrund der an dem Ausgang 9 der ersten Schaltungseinheit 7 anliegenden Spannung theoretisch ladbar bzw. entladbar wäre, nur zeitweilig geschlossen ist, wird der Referenzkondensator 2 auch nur teil weise aufgeladen, so daß ein solcher Referenzkondensator 2 vorgetäuscht wird, der eine geringere Kapazität hat als die tatsächliche Nennkapazität des Referenzkondensators 2. Mit der in 5 angegebenen Schaltung lassen sich somit Kapazitäten des Referenzkondensators 2 einstellen, die zwischen der Kapazität Null und der Nennkapazität des Referenzkondensators 2 liegen.
  • In den 6a, 6b ist jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines abstimmbaren Referenzkondensators 2 dargestellt. 6a zeigt, daß der Referenzkondensator 2 aus einem ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensator 22a und einem zweiten, abstimmbaren Referenzkondensator 22b besteht, wobei der erste, nicht abstimmbare Referenzkondensator 22a und der zweite, abstimmbare Referenzkondensator 22b parallel geschaltet sind. Die Kapazität dieser Anordnung kann demnach eingestellt werden zwischen der Nennkapazität des ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensators 22a und der Summe der Nennkapazitäten des ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensators 22a und des zweiten, abstimmbaren Referenzkondensators 22b. 6b zeigt die Realisierung des abstimmbaren Referenzkondensators 22b durch einen Schalter 20, der zwischen dem zweiten, abstimmbaren Referenzkondensator 22b und dem Bezugspotential 21 angeordnet ist.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß aus dem Stand der Technik bekannte kapazitive Sensoren mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von etwa 2 MHz praktisch nicht dazu geeignet sind, eine zuverlässige Füllstandsmessung zu realisieren. Dies hängt damit zusammen, daß bei derartigen Frequenzen häufig meßtechnisch nicht unterscheidbar ist, ob der kapazitive Sensor mit einem großen Volumen des zu detektierenden Mediums umgeben ist oder ob der Sensor nur von einer geringmengigen Anhaftung beeinflußt ist, die an dem Sensor verblieben ist, nachdem sich der Füllstand unter die Position des kapazitiven Sensors abgesenkt hat. Wie sich erfindungsgemäß herausgestellt hat, sind die beiden geschilderten Situationen dann unterscheidbar, wenn mit deutlich höheren Frequenzen des Wechselsignals gearbeitet wird.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wechselsignalquelle 4 so ausgestaltet, daß die Frequenz der Wechselsignale – in einem gewünschten Bereich – vorgebbar ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wechselsignalquelle 4 als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt. Durch die Variabilität der Frequenz der Wechselsignale läßt sich der dargestellte kapazitive Sensor 1 ohne weiters an die physikalischen Eigenschaften verschiedener Medien anpassen, was insbesondere zum Zwecke der Füllstandsmessung und in Verbindung mit den beschriebenen Problemen mit an dem Sensor 1 verbleibenden Rest-Anhaftungen vorteilhaft ist.
  • Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wechselsignalquelle 4 so eingestellt, daß sie Wechselsignale mit einer Frequenz von 434 MHz erzeugt. Dabei handelt es sich um eine Frequenz innerhalb eines freigegebenen ISM-Bandes (Industrial, Scientific and Medical-Band). Neben dem Vorteil, daß Frequenzen innerhalb eines solchen ISM-Bandes lizenzfrei genutzt werden dürfen, liegt ein weiterer Vorteil der gewählten Frequenz darin, daß die Frequenz so hoch ist, daß die eben geschilderte "Restanhaftungs-Problematik" bei den meisten meßtechnisch zu erfassenden Medien nicht mehr auftritt. Bei anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine Wechselsignalfrequenz im Bereich von 150 MHz verwendet, bei der Restanhaftungen von vollvolumigen Sensorumgebungen sehr gut unterscheidbar sind.
  • In den 7, 8 und 9 sind drei Ausführungsbeispiele dargestellt, in denen die Referenzimpedanz 2 durch jeweils eine ein Halbleiterbauelement 24 enthaltende Schaltung realisiert ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Restschaltung nicht dargestellt, die aber jeweils so ausgeführt ist, wie dies z. B. in den 1 bis 4 dargestellt ist.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 wird das Halbleiterbauelement 24 durch ein von einer Steuereinrichtung 25 erzeugtes pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert, wobei das pulsweitenmodulierte Signal bevor es das Halbleiterbauelement 24 direkt oder indirekt erreicht durch einen Tiefpaß 26 gefiltert ist. Der Tiefpaß 26 bewirkt, daß das pulsweitenmodulierte Signal geglättet wird, wobei vorliegend am Ausgang des Tiefpasses 26 – ein pulsweitenmoduliertes Signal mit unveränderlichem Tastverhältnis vorausgesetzt – ein im wesentlichen konstantes Signal zur Ansteuerung des Halbleiterbauelements 24 vorliegt, dessen Höhe lediglich von dem Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals abhängt.
  • In 7 ist das Halbleiterbauelement 24 ein bipolarer npn-Transistor, und in 8 ist das Halbleiterbauelement 24 ein Photowiderstand bzw., wenn die dargestellte LED und der Fotowiderstand in Baueinheit vorliegen, ein Optokoppler. In beiden Fällen werden die Steuerelektroden des Halbleiterbauelements 24 über das pulsweitenmodulierte Signal der Steuereinrichtung 25 angesteuert, indirekt über den Tiefpaß 26.
  • Das Halbleiterbauelement 24 ist in den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 jeweils über eine Spule mit einer Betriebsspannung U'B verbunden, so daß insgesamt der Arbeitspunkt und damit die Impedanz des Halbleiterbauelements 24 in dem Strompfad zwischen dem Ausgang 9 der ersten Schaltungseinheit 7 und Masse einstellbar ist. Die Spule blockt hochfrequente, von dem Ausgang 9 der ersten Schaltungseinheit stammende Signale in Richtung auf die Versorgungsspannung U'B ab, so daß die Lade- und Entladeströme über das Halbleiterbauelement 24 fließen. Mit U'B ist angedeutet, daß es sich nicht unbedingt um die Betriebsspannung des Stromführungsnetzwerks UB handeln muß, gleichwohl ist dies möglich.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 erfaßt die Steuereinrichtung 25 den über das Halbleiterbauelement 24 fließenden Strom und mit Hilfe des erfaßten Stromes die Impedanz des Halbleiterbauelements 24 aus. Dadurch ist es der Steuereinrichtung 25 möglich, die Impedanz des Halbleiterbauelements 24 durch geeignete Ansteuerung des Halbleiterbauelements 24 auf einen vorgegebenen Impedanzwert zu regeln. Die Erfassung des über das Halbleiterbauelement 24 fließenden Stroms erfolgt durch den Strommeßwiderstand 27, an dem eine entsprechende Spannung abfällt. Das Spannungssignal wird in den dargestellten Ausführungsbeispielen, bevor es von der Steuereinrichtung 25 erfaßt wird, über einen weiteren Tiefpaß gefiltert. Durch die Rückführung der über den Strommeßwiderstand 27 abfallenden Spannung wird also ein Regelkreis realisiert.
  • In den in den 7 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen stellt die Steuereinrichtung 25 bzw. bestimmen die Auswerteeinheit 7 und die Steuereinrichtung 25 den Wert der Referenzimpedanz 2 – im wesentlichen realisiert durch das Halbleiterbauelement 24 – ein, indem der Wert der Referenzimpedanz 2 dem Wert der Impedanz des Meßkondensators nachgeführt wird. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist dies umgesetzt, indem die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz 2 so geregelt werden, daß sie den Lade- und Entladströmen des Meßkondensators 3 entsprechen, was gleichbedeutend damit ist, daß das an der Verbindungsstelle 15 anliegende Ausgangssignal dem Wert der halben Betriebsspannung UB entspricht.
  • Zur Erfassung der Lade- und Entladeströme bzw. zur Erfassung der damit korrespondierenden Spannung des Auswertesignals an der Verbindungsstelle 15, steht die Steuereinrichtung 25 mit der Auswerteeinheit 6 in Verbindung, was in den 7 bis 9 nicht ausdrücklich dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9, ist als Halbleiterbauelement 24 eine Doppeldiode eingesetzt. Die Steuereinrichtung 25 erhält einerseits das Auswertesignal aus dem Stromführungsnetzwerk 5 und andererseits die halbe Betriebsspannung aus einem weiteren angedeuteten Spannungsteiler. Die Steuereinrichtung 25 besteht im Wesentlichen aus einem Differenzverstärker, dessen Ausgangssignal – und damit der Strom durch die Doppeldiode – sich so lange ändert, bis die Eingangsdifferenzspannung zu Null wird, was hier gleichbedeutend mit gleichen Lade- und Entladeströmen der Meßkapazität 3 und der Referenzimpedanz 2 ist, worüber sich ohne weiteres auf die Größe der Impedanz der Meßkapazität 3 schließen läßt.
  • Die beiden Dioden der Doppeldiode in 9 sind wechselstrommäßig über die beiden Kondensatoren 30a, die hier eine Kapazität von 100 pF aufweisen, parallel und gegen Masse geschaltet. Für niederfrequente Signale sind die beiden Dioden in Serie geschaltet, wobei der über die beiden Dioden des Halbleiterbauelements 24 fließende Gleichstrom über den Strommeßwiderstand 27 gegen Masse abfließt und die am Strommeßwiderstand abfallende Spannung am Anschluß 31 abgreifbar ist; der Kondensator 30b glättet das den Stromfluß durch die Doppeldiode und damit den Arbeitspunkt der Doppeldiode kennzeichnende Signal. Das am Anschluß 31 anliegende Signal kann dann von der Auswerteeinheit 6 oder der Steuereinrichtung 25 weiterverwendet werden, was im einzelnen nicht dargestellt ist.
  • Daß die Auswerteeinheit 6 und die Steuereinrichtung 25 insgesamt separat dargestellt sind, dient hier nur dem Zweck der Übersichtlichkeit. Tatsächlich lassen sich die Auswerteeinheit 6 und die Steuereinrichtung 25 in einer schal tungstechnischen Einheit realisieren, wie z. B. mit einem Mikrocontroller, was zur Folge hat, daß die Auswerteeinheit 6 und die Steuereinrichtung 25 automatisch "miteinander verbunden" sind.
  • In 10 ist in Teilen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors dargestellt, bei dem nämlich der Meßkondensator 3 mit dem Stromführungsnetzwerk – hier nur angedeutet über den zweiten Ausgang 13 des Stromführungsnetzwerks – über eine elektrische Leitung 28 verbunden ist und zwar so, daß die elektrische Leitung 28 und der Meßkondensator 3 einen Resonator bilden, der bei geeigneter Anregung elektrisch schwingt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Leitung 28 eine Koaxialleitung, wobei der so entstehende Resonator ein λ/4-Resonator ist, auch als λ/4-Leitung bekannt. So lassen sich auf einfache Weise Resonanzfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich hinein erzielen.
  • Da die Resonanzfrequenz des Resonators unter anderem von der Länge der elektrischen Leitung 28, also von der Länge der Koaxialleitung abhängt, die Koaxialleitung aus konstruktiven Gründen aber nicht beliebige Abmessungen aufweisen kann, ist die Resonanzfrequenz des Resonators auf elektrischem Wege angepaßt. In 10 ist eine Spule 29 in der elektrischen Leitung 28 vorgesehen, wobei durch die Induktivität der Spule 29 die Resonanzfrequenz des Resonators reduziert wird. In dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Resonanzfrequenz des Resonators in etwa 150 MHz, eine Frequenz, bei der sich nur geringfügige Anhaftungen an dem Sensor von großvolumigen Umgebungen des Sensors mit Medium gut unterscheiden lassen.
  • Bei den in den 7 und 8 zumindest teilweise dargestellten Ausführungsbeispielen eines kapazitiven Sensors sind die Auswerteeinheit 6 und die Steuereinrichtung 25 so ausgestaltet, daß die Impedanz des Meßkondensators 3 durch Messung der Resonanzfrequenz des Resonators und des im Resonanzfall fließenden Stromes bestimmt werden kann, wozu die Anregungsfrequenz der elektrischen Wechselsignalquelle 4 ständig einen relevanten Frequenzbereich durchfahrt ("Frequenz-Wobbeln", Sweeping).
  • In 11 ist wiederum nur der Teil eines Ausführungsbeispiels eines kapazitiven Sensors dargestellt, der auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 aufbaut. Hier ist ein Referenzresonator 32 parallel zu dem Resonator geschaltet, wobei der Referenzresonator 32 von außen im wesentlichen nicht elektrisch beeinflußbar ist, insbesondere nicht durch das Medium, das den Resonator bzw. die Meßkapazität 5 des Resonators beeinflußt. Zusätzlich ist vorgesehen, daß die Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 von der Resonanzfrequenz des Resonators abweicht. Diese Verstimmung beider Resonatoren ist beabsichtigt, um die Resonatoren insbesondere anhand ihrer Beiträge zu einem gemeinsamen Frequenzgang voneinander unterscheiden zu können.
  • Die Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 ist vorzugsweise so gewählt, daß sie außerhalb des durch verschiedene Beeinflussungszustände der Meßkapazität 3 abdeckbaren Bereichs von Resonanzfrequenzen des Resonators liegt. Dadurch wird sicher vermieden, daß die Resonanzfrequenz des Resonators mit der Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 verwechselbar ist. Wenn vorzugsweise der Referenzresonator 32 im wesentlichen gleiche Bauelemente aufweist wie der Resonator, insbesondere eine im wesentlichen gleiche elektrische Leitung, dann stellt der Referenzresonator 32 gleichsam ein paralleles Modell des Resonators dar, an dem Veränderungen beobachtbar sind, die nicht durch eine externe Beeinflussung des kapazitiven Sensors hervorgerufen worden sein können.
  • Insgesamt ist ein kapazitiver Sensor mit Resonator und Referenzresonator 32 anstelle nur einer Meßkapazität so eingerichtet, daß die Wechselsignalquelle 4 und/oder die Auswerteeinheit 6 und/oder die Steuereinrichtung 25 so ausgestaltet sind/ist, daß der Resonator und der Referenzresonator 32 in einem geeigneten Frequenzbereich angeregt werden können ("Wobbeln"), der Amplitudengang des Differenzstroms und/oder der Differenzspannung der Lade- und Entladeströme erfaßt werden kann, nämlich durch Auswertung des Amplitudengangs des Auswertesignals, die Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 ermittelt werden kann und der Wert der erfaßten Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 mit einem vorgegebenen Wert der Resonanzfrequenz des Referenzresonators 32 verglichen werden kann und aus einer Abweichung beider Werte auf den vorhandenen Eigenschaftsdrift des Referenzresonators 32 und des Resonators geschlossen werden kann. Unter Eigen schaftsdrift ist beispielsweise die Veränderung von Bauteileigenschaften gemeint, die sich unter Temperatureinfluß ändern – Temperaturdrift –, gleichwohl sind beispielsweise auch alterungsbedingte Veränderungen von dem zuvor dargestellten Sensor erkennbar. Die Kenntnis über den Eigenschaftsdrift des Referenzresonators 32 kann auf den von extern beeinflußbaren Resonator übertragen werden, so daß Eigenschaftsdrifts bei der Auswertung erfaßter Meßdaten berücksichtigbar sind und z. B. zur Temperaturkompensation herangezogen werden.

Claims (21)

  1. Kapazitiver Sensor mit wenigstens einer Referenzimpedanz (2) und wenigstens einem Meßkondensator (3), mit wenigstens einer elektrischen Wechselsignalquelle (4), mit einem Stromführungsnetzwerk (5) sowie mit einer Auswerteeinheit (6), wobei die Referenzimpedanz (2) und der Meßkondensator (3) über das Stromführungsnetzwerk (5) derart mit der Wechselsignalquelle (4) und der Auswerteeinheit (6) in Verbindung stehen, daß die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensators (3) und/oder ein die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensators (3) charakterisierendes Auswertesignal von der Auswerteeinheit (6) auswertbar sind, wobei die Referenzimpedanz (2) abstimmbar ist.
  2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromführungsnetzwerk (5) wenigstens eine erste Schaltungseinheit (7) mit einem hochohmigen Eingang (8), mit einem niederohmigen Ausgang (9) und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen (10a, 10b) sowie eine zweite Schaltungseinheit (11) mit einem hochohmigen Eingang (12), mit einem niederohmigen Ausgang (13) und mit zwei Betriebsspannungsanschlüssen (14a, 14b) umfaßt, wobei die erste Schaltungseinheit (7) und die zweite Schaltungseinheit (11) in einer Verbindungsstelle (15) über jeweils einen Betriebsspannungsanschluß (10b, 14a) miteinander verbunden sind und einen Spannungsteiler einer im wesentlichen konstanten Betriebsspannung (UB) bilden, wobei der Eingang (8) der ersten Schaltungseinheit und der Eingang (12) der zweiten Schaltungseinheit (11) mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle (4) beaufschlagbar sind, wobei der Ausgang (9) der ersten Schaltungseinheit (7) mit der ersten Elektrode (16a) der abstimmbaren Referenzimpedanz (2) verbunden ist und die zweite Elektrode (16b) der Referenzimpedanz (2) mit einem Bezugspotential verbunden ist und der Ausgang (13) der zweiten Schaltungseinheit (11) mit der ersten Elektrode (17a) des Meßkondensators (3) verbunden ist, wobei das die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensators (3) charakterisierende Auswertesignal an der Verbindungsstelle (15) – insbesondere von der Auswerteeinheit (6) – abgreifbar ist.
  3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselsignalquelle (4) an- und abschaltbar ist und/oder die Verbindung zwischen der Wechselsignalquelle (4) und dem Stromführungsnetzwerk (5) unterbrechbar und wiederherstellbar ist, insbesondere durch einen Schalter, insbesondere durch einen Halbleiter-Multiplexer (18), wobei der kapazitive Sensor vorzugsweise so ausgestaltet ist, daß das Stromführungsnetzwerk (5) nur zeitweise – insbesondere periodisch – mit dem Wechselsignal der Wechselsignalquelle (4) beaufschlagt ist.
  4. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halteglied an der Verbindungsstelle (15) zwischen der ersten Schaltungseinheit (7) und der zweiten Schaltungseinheit (11) angeordnet ist, wobei das Halteglied insbesondere so ausgelegt ist, daß es das Auswertesignal an der Verbindungsstelle (15) vorhält, wobei das Halteglied vorzugsweise als Haltekondensator (19) realisiert ist.
  5. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinheit (7) und die zweite Schaltungseinheit (11) komplementäre Emitterfolgerschaltungen oder komplementäre Sourcefolgerschaltungen sind, insbesondere ohne Vorspannung bzw. ohne Ruhestrom.
  6. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzimpedanz (2) – zumindest teilweise – über einen Schalter (20) schaltbar ist, insbesondere die Verbindung der zweiten Elektrode (16b) der Referenzimpedanz (2) mit dem Bezugspotential (21) schaltbar ist oder die Verbindung der ersten Elektrode (16a) der Referenzimpedanz (2) mit dem Ausgang (9) der ersten Schaltungseinheit (7) schaltbar ist.
  7. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) über ein pulsweitenmoduliertes Signal betätigbar ist und das pulsweitenmodulierte Signal insbesondere eine Frequenz unterhalb der Frequenz der Wechselsignale der Wechselsignalquelle (4) aufweist, insbesondere bei Frequenzen der Wechselsignale der Wechselsignalquelle (4) von mehr als 100 MHz.
  8. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselsignale der Wechselsignalquelle (4) – in einem gewünschten Bereich – vorgebbar ist, insbesondere indem die Wechselsignalquelle (4) als gesteuerter Oszillator ausgeführt ist, insbesondere als spannungs-, strom-, widerstandsgesteuerter oder digitaler Oszillator.
  9. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselsignalquelle (4) Wechselsignale mit einer Frequenz von mehr als 10 MHz erzeugt, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 100 MHz, vorzugsweise mit einer Frequenz von etwa 150 MHz oder insbesondere mit einer Frequenz in einem ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical Band), hier insbesondere im Bereich von 433,05 MHz bis 434,79 MHz.
  10. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzimpedanz (2) ein Referenzkondensator (22) oder ein Referenzwiderstand ist, wobei der Referenzkondensator (22) bzw. der Referenzwiderstand insbesondere aus einem ersten, nicht abstimmbaren Referenzkondensator (22a) bzw. Referenzwiderstand und einem zweiten, abstimmbaren Referenzkondensator (22b) bzw. Referenzwiderstand besteht und der erste, nicht abstimmbare Referenzkondensator (22a) bzw. Referenzwiderstand und der zweite, abstimmbare Referenzkondensator (22b) bzw. Referenzwiderstand insbesondere parallel geschaltet sind.
  11. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzimpedanz (2) durch wenigstens ein Halbleiterbauelement (24) realisiert ist, wobei das Halbleiterbauelement (24) insbesondere durch ein von einer Steuereinrichtung (25) pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert ist, wobei das pulsweitenmodulierte Signal insbesondere über einen Tiefpaß (26) gefiltert ist.
  12. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (24) ein Transistor, insbesondere ein Bipolartransistor in Emitterfolgerschaltung oder ein Junction Field Effect Transistor (JFET) oder ein Photowiderstand oder ein Optokoppler oder eine Doppeldiode ist, wobei eine Steuerelektrode des Halbleiterbauelements (24) vorzugsweise über das – insbesondere tiefpaßgefilterte – pulsweitenmodulierte Signal angesteuert ist.
  13. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) den über das Halbleiterbauelement (24) fließenden Strom erfaßt, aus dem erfaßten Strom die Impedanz des Halbleiterbauelements (24) auswertet und die Impedanz des Halbleiterbauelements (24) durch geeignete Ansteuerung des Halbleiterbauelements (24) auf einen vorgegebenen Impedanzwert regelt.
  14. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) die Referenzimpedanz (2) so abstimmt, daß der Wert der Referenzimpedanz (2) dem Wert der Impedanz des Meßkondensators (3) folgt, insbesondere indem die Lade- und Entladeströme der Referenzimpedanz (2) und des Meßkondensators (3) ausgeglichen sind bzw. indem der Spannungswert des Auswertesignals im wesentlichen der halben Betriebsspannung (UB) des Spannungsteilers entspricht.
  15. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (3) mit dem Stromführungsnetzwerk (5) über eine elektrische Leitung (28) verbunden ist, so daß die elektrische Leitung (28) und der Meßkondensator (3) einen Resonator bilden, wobei die elektrische Leitung (28) insbesondere eine Koaxialleitung ist und/oder wobei der Resonator insbesondere ein λ/4-Resonator ist.
  16. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Resonators in der elektrischen Leitung (28) eine Spule (29) vorgesehen ist, wobei durch die Induktivität der Spule (28) die Resonanzfrequenz des Resonators insbesondere reduziert wird.
  17. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselsignalquelle (4) und/oder die Auswerteeinheit (6) und/oder die Steuereinrichtung (25) so ausgestaltet sind/ist, daß die Impedanz des Meßkondensators (3) durch Messung der Resonanzfrequenz des Resonators und des im Resonanzfall fließenden Stromes bzw. der sich im Resonanzfall einstellenden Spannung des Auswertesignals ausgewertet werden kann.
  18. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselsignalquelle (4) und/oder die Auswerteeinheit (6) und/oder die Steuereinrichtung (25) so ausgestaltet sind/ist, daß die Resonanzfrequenz des Resonators ermittelbar ist, und die gemessene Resonanzfrequenz des Resonators verglichen wird mit der vorgegebenen oder ermittelten Resonanzfrequenz des Resonators im unbeeinflußten Zustand des kapazitiven Sensors, wobei insbesondere die Differenz der Resonanzfrequenzen des Resonators ausgewertet werden kann.
  19. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (6) und/oder die Steuereinrichtung (25) so ausgestaltet sind/ist, daß die Impedanz des Meßkondensators (3) ausgewertet werden kann, indem der Resonator bei einer beliebigen aber fest gewählten Frequenz betrieben wird und der im beeinflußten Zustand des Meßkondensators (3) erfaßte Strom bzw. Spannungswerts des Auswertesignals verglichen wird mit dem im unbeeinflußten Zustand der Meßkondensators (3) erfaßten Strom bzw. Spannungswert des Auswertesignals.
  20. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzresonator (32) parallel zu dem Resonator geschaltet ist, wobei der Referenzresonator (32) von außen im wesentlichen nicht elektrisch beeinflußbar ist, wobei die Resonanzfrequenz des Referenzresonators (32) von der Resonanzfrequenz des Resonators abweicht, insbesondere die Resonanzfrequenz des Referenzresonators (32) außerhalb des durch verschiedene Beeinflussungszustände der Meßkapazität (3) abdeckbaren Bereiches von Resonanzfrequenzen des Resonators liegt, insbesondere wobei der Referenzresonator (32) im wesentlichen gleiche Bauelemente aufweist wie der Resonator, insbesondere eine im wesentlichen gleiche elektrische Leitung (28).
  21. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselsignalquelle (4) und/oder die Auswerteeinheit (6) und/oder die Steuereinrichtung (25) so ausgestaltet sind/ist, daß der Resonator und der Referenzresonator in einem geeigneten Frequenzbereich angeregt werden können, der Amplitudengang des Differenzstroms und/oder der Differenzspannung der Lade- und Entladeströme erfaßt werden kann, insbesondere durch Auswertung des Amplitudengangs des Auswertesignals, die Resonanzfrequenz des Referenzresonators ermittelt werden kann und der Wert der erfaßten Resonanzfrequenz des Referenzresonators mit einem vorgegebenen Wert der Resonanzfrequenz des Referenzresonators verglichen werden kann und aus einer Abweichung beider Werte auf den vorhandenen Eigenschaftsdrift – insbesondere Temperaturdrift -des Referenzresonators und des Resonators geschlossen werden kann.
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