DE102011077926B4

DE102011077926B4 - Sensormesssystem, das impulsstromsignale verwendet

Info

Publication number: DE102011077926B4
Application number: DE102011077926A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Granig; Dirk Hammerschmidt; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: US8552316B2; DE102011077926A1; US20110308866A1

Abstract

Die offenbarte Erfindung liefert eine Struktur und ein Verfahren zum problemlosen Messen von kapazitiven und/oder ohmschen Komponenten eines Sensorsystems. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Struktur einen Signalgenerator auf, der dazu konfiguriert ist, einen Laststrom an ein Messelement auszugeben, das Messsensorelemente und eine parasitäre Kapazität enthält. Über eine Integration des Laststroms an der parasitären Kapazität wird eine steuerbare Anregungsspannung erzeugt und an die Messsensorelemente, die kapazitive und ohmsche Komponenten aufweisen, ausgegeben. Die gesteuerte Spannung durch die Messvorrichtung kann dahin gehend manipuliert werden, zu bewirken, dass die kapazitiven und ohmschen Komponenten einen Transienteneffekt aufweisen. Der resultierende Ausgangsstrom, der aus der Messvorrichtung bereitgestellt wird, weist somit Transientenansprechcharakteristika (z. B. die Einschwingzeit, Amplitude) auf, die seitens einer Messschaltung selektiv gemessen werden können, um ohne weiteres Werte der kapazitiven und ohmschen Messelemente zu ermitteln. Ferner können zweckgebundene Demodulationstechniken dazu verwendet werden, die kapazitiven und ohmschen Komponenten zu messen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Sensorsystem und insbesondere auf ein kapazitives Sensorsystem.
Beschreibung
Bei modernen Fahrzeugen sind Sensorsysteme wichtige Komponenten, die Fahrzeugführer mit Informationen versorgen, die sich auf den Zustand ihres Fahrzeugs beziehen. Üblicherweise verwenden derartige Sensorsysteme einen Sensor, der eine Messvorrichtung aufweist, um eine Spannung oder einen digitalen Wert zu bestimmen, die bzw. der an eine zentrale Aufzeichnungseinheit (z. B. einen bordeigenen Computer des Fahrzeugs) geleitet wird, die dahin gehend konfiguriert ist, die Informationen auf einer nutzerfreundlichen visuellen Anzeige an einen Fahrer weiterzuleiten.
Die US 7,339,384 B2 bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors.
Die US 7,129,714 B2 bezieht sich auf ein kapazitives Messsystem.
Die US 4,675,670 A bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dynamischen und kontaktlosen Messung von kleinen Abständen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sensormodul mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Insbesondere kann ein Sensor dahin gehend konfiguriert sein, Veränderungen einer messbaren Quantität auf der Basis einer Veränderung elektronischer Parameter (z. B. Widerstand, Kapazität) eines Messsensorelements nachzuverfolgen. Das Messsensorelement liefert auf der Basis der elektronischen Parameter ein Signal an eine Messschaltung, die daraufhin Veränderungen der elektrischen Parameter des Sensorelements misst. Die Veränderungen können in eine Ausgangsspannung oder in ein digitales Signal umgewandelt werden, die bzw. das einer Auswertungsschaltung bereitgestellt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Sensorsystems, das dahin gehend konfiguriert ist, ein gesteuertes Transientenansprechen zu erzeugen und daraus kapazitive und ohmsche Komponenten zu messen;
2 ein Blockdiagramm eines Sensorsystems, das dahin gehend konfiguriert ist, einer Messvorrichtung, die kapazitive und ohmsche Elemente aufweist, eine Anregungsspannung bereitzustellen, die ein spannungsamplitudengesteuertes Signal aufweist;
3 ein Signaldiagramm, das verschiedene der Messschaltung der 2 zugeordnete Signale zeigt;
4A eine Messvorrichtung, die einen Treibstofftank aufweist, der eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die durch den Inhalt des Treibstofftanks getrennt sind;
4B Signale in der Messschaltungsanordnung der 4A als Funktion der Zeit;
5 ein hierin vorgesehenes Sensorsystem, das ferner eine Rückkopplungsschleife umfasst, um die resultierende Anregungsspannung zu messen;
6A ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems, das eine Messschaltung zum Bestimmen kapazitiver und ohmscher Komponenten einer Messvorrichtung aufweist;
6B ein Ausführungsbeispiel von Demodulationssignalen, die durch das Sensorsystem der 6A erzeugt werden;
6C ein alternatives Ausführungsbeispiel von Demodulationssignalen, die durch das Sensorsystem der 6A erzeugt werden;
7A ein Blockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems, das eine Messschaltung zum Bestimmen kapazitiver und ohmscher Komponenten einer Messvorrichtung aufweist;
7B ein Ausführungsbeispiel eines Abtastens, das durch das Sensorsystem der 7A durchgeführt werden kann;
8A ein Blockdiagramm eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems, das eine Messschaltung zum Bestimmen kapazitiver und ohmscher Komponenten einer Messvorrichtung aufweist;
8B ein Ausführungsbeispiel von Phasendifferenzen, die durch das Sensorsystem der 8A durchgeführt werden können; und
9 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Messen von kapazitiven und/oder ohmschen Elementen eines Sensorsystems veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungsfiguren beschrieben, bei denen gleiche Bezugszeichen durchgehend dazu verwendet werden, auf gleiche Elemente Bezug zu nehmen, und bei denen die veranschaulichten Strukturen und Vorrichtungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Viele Sensorsysteme stützen sich auf die Verwendung elektrischer Felder, um messbare Sensorparameter (z. B. den Flüssigkeitsstand in einem Kraftstofftank, das Gewicht eines Objekts auf einem Sitz usw.) zu charakterisieren. Derartige Sensorsysteme können durch die Verwendung zweier oder mehrerer Elektroden elektrische Felder bilden, wobei eine Elektrode einen Treiber umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, und die andere(n) Elektrode(n) als Empfänger fungiert bzw. fungieren, der bzw. die dazu konfiguriert ist bzw. sind, die Auswirkung, die eine messbare Quantität (z. B. Treibstoffstand, Reifendruck usw.) auf das Signal hat, zu erfassen. Indem Veränderungen des Signals gemessen werden, können Veränderungen des elektrischen Feldes und somit Veränderungen eines messbaren Sensorparameters ermittelt werden.
Kapazitive Elemente sind eine übliche Form eines Elektrisches-Feld-Sensors, der bei vielen Sensorsystemen umfassend eingesetzt wird. Kapazitive Elemente können zwei Elektroden umfassen, die durch ein dielektrisches Medium voneinander getrennt sind. Relative Veränderungen der Kapazität (d. h. ΔC/C) zwischen den Elektroden eines kapazitiven Sensors können durch eine Messschaltung gemessen werden und dazu verwendet werden, eine Veränderung eines äußeren Einflusses zu ermitteln. Beispielsweise verändert sich bei einem kapazitiven Drucksensor die Kapazität eines kapazitiven Sensors dann, wenn seine Elektroden infolge eines zunehmenden Drucks näher aufeinander zu bewegt werden. Bei anderen kapazitiven Sensoren bewirkt eine Veränderung von dielektrischem Material zwischen Kondensatorelektroden eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante zwischen den Elektroden, was zu einer Veränderung der Kapazität, wie sie durch die Sensoren gemessen wird, führt. Systeme bei Automobilen können kapazitive Sensorelemente für Sitzbelegungsdetektoren, Abstandsdetektoren, Treibstoffstandmessgeräte usw. verwenden.
Jedoch können sich bei komplexeren Sensorsystemen kapazitive oder ohmsche Messungen allein für Sensormesszwecke als unzureichend erweisen. Beispielsweise können Sensorsysteme, die dazu konfiguriert sind, eine Mehrzahl von Parametern zu messen (z. B. Treibstoffsensorsysteme, die dazu konfiguriert sind, sowohl den Treibstoffstand als auch das Vorliegen leitfähiger Treibstoffzusätze zu detektieren), nicht nur von kapazitiven Messungen abhängen. Stattdessen verwenden derartige Systeme Messungen mehr als eines Kriteriums (z. B. Kapazität, Widerstand), um mehrere sich verändernde Parameter zu ermitteln. Beispielsweise kann ein gemessener Widerstand dazu verwendet werden, zu messen, ob Zusatzstoffe in einer Flüssigkeit vorliegen, während eine Kapazität gemessen werden kann, um eine Menge der Flüssigkeit zu ermitteln.
Deshalb können komplexe Sensorsysteme dazu konfiguriert sein, sowohl kapazitive Sensoren als auch ohmsche Erfassungselemente aufzuweisen, was zu Sensorsystemen führt, die sowohl Veränderungen des elektrischen Widerstandes als auch Veränderungen der Kapazität messen. Jedoch stützen sich derartige Sensorsysteme oft auf verschiedene Detektionseinrichtungen, um den Widerstand und die Kapazität zu messen, was zu komplexen Sensorsystemen führt, deren Bau kostspielig und deren Implementierung schwierig ist.
Demgemäß sind hierin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum problemlosen Messen mehrerer Parameter (z. B. kapazitiver und/oder ohmscher Elemente) eines Sensorsystems bereitgestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen das Verfahren und die Vorrichtung ein Liefern einer steuerbaren Anregungsspannung an ein oder mehrere Messsensorelemente, das bzw. die kapazitive und ohmsche Komponenten aufweist bzw. aufweisen. Die den Messsensorelementen bereitgestellte steuerbare Anregungsspannung kann auf steuerbare Weise manipuliert werden, um zu bewirken, dass kapazitive und ohmsche Komponenten, die in den Messsensorelementen enthalten sind, einen Transienteneffekt bzw. Übergangseffekt (transient effect) aufweisen. Der aus dem Messsensorelement bereitgestellte resultierende Ausgangsstrom weist somit Transientenansprechcharakteristika auf (z. B. Einschwingzeit, stationäre Amplitude), die den kapazitiven und ohmschen Komponenten entsprechen, die selektiv gemessen werden können, um ohne weiteres mehrere messbare Sensorparameter (z. B. Treibstoffkonzentration und Treibstoffstand) zu ermitteln.
Bei einem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise ist ein Signalgenerator 102 dazu konfiguriert, einen Eingangslaststrom I_IN auszugeben, der zwischen einem ersten (z. B. hohen) Stromwert und einem zweiten (z. B. niedrigen) Stromwert wechselt. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Messelement 104, das ein Messsensorelement 106 und einen Anregungswellengenerator 108 aufweist, dazu konfiguriert, einen Eingangslaststrom I_IN zu empfangen und daraus eine steuerbare Anregungsspannung V_IN (d. h. ein Spannungspotential V_IN am Ausgang des Anregungswellengenerators 108) zu erzeugen. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist eine Massekapazität (z. B. eine parasitäre Kapazität) eines Messelements 104 z. B. Messsensorelemente auf. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel empfängt die Massekapazität den Eingangslaststrom I_IN und fungiert auf der Basis des empfangenen Eingangslaststroms I_IN als Anregungswellengenerator, um eine steuerbare Anregungsspannung V_IN zu erzeugen (d. h. speichert Ladungen aufgrund des Eingangsstroms I_IN, die zu einer steuerbaren Anregungsspannung V_IN über den Kondensator hinweg führen).
Das Messsensorelement 106, das eine oder mehrere kapazitive und/oder ohmsche Komponenten umfasst, ist dazu konfiguriert, die steuerbare Anregungsspannung V_IN zu empfangen, die dazu konfiguriert ist, ein Transientenansprechen bzw. eine Transientenantwort (transient response) der darin enthaltenen kapazitiven und ohmschen Komponenten zu bewirken. Ein Ausgangsstrom I_OUT (Ausgangsstrom), der Transientenansprechcharakteristika aufweist, wird an eine Messschaltung 110 ausgegeben. Die Messschaltung 110 ist dazu konfiguriert, den Ausgangsstrom I_OUT zu empfangen und die Transientenansprechcharakteristika (z. B. Einschwingzeit, stationäre Amplitude), die den kapazitiven und ohmschen Komponenten entsprechen, selektiv zu messen. Ausgehend von diesen gemessenen Transientenansprechcharakteristika können die kapazitiven und ohmschen Komponenten ohne weiteres ermittelt werden.
2 veranschaulicht ein ausführlicheres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Anregungswellengenerator, der eine geerdete bzw. an Masse angelegte Kapazität 204 aufweist, dazu konfiguriert ist, einem Messsensorelement 208, das kapazitive Komponenten 210 und ohmsche Komponenten 212 aufweist, eine Anregungsspannung V_IN bereitzustellen. Man wird erkennen, dass die geerdete Kapazität eine parasitäre Kapazität umfassen kann, die in dem Messelement von Natur aus vorliegt.
Wie in 2 gezeigt ist, reguliert ein steuerbarer Anregungsstrom, der auf einer Anregungsspannung V_IN beruht, die gebildet wird, indem der Eingangsstrom I_IN unter Verwendung des parasitären geerdeten Kondensators 204 integriert wird, den Strom durch ein Messsensorelement 208, was zu einem Transientenausgangsstrom I_OUT führt, der ein Transientenansprechen aufweist, das auf der Basis der Werte der kapazitiven und ohmschen Komponenten variiert. Somit kann das Transientenansprechen gemessen werden, um ohne einen störenden Einfluss einer parasitären Eingangskapazität zu Masse 204 das Netzwerk zu charakterisieren (d. h. den Wert von kapazitiven und ohmschen Komponenten des Messsensorelements zu ermitteln). 3 ist ein Signaldiagramm 300, das verschiedene Signale (I_IN, V_IN, I_OUT) über die Zeit hinweg, die dem Sensorsystem 200 zugeordnet sind, zeigt, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
Wie in 2 gezeigt ist, ist im Einzelnen eine Stromquelle 202 dazu konfiguriert, einen Eingangsstrom I_IN zu erzeugen, der eine Mehrzahl von Stromimpulsen aufweist. Die Stromquelle 202 kann einen Digital/Analog-Wandler (DAC – digital-to-analog converter) umfassen, der bei einem Ausführungsbeispiel dazu konfiguriert ist, auf der Basis eines empfangenen digitalen Steuersignals einen analogen Eingangsstrom auszugeben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, in 3 gezeigt, kann die Stromquelle dazu konfiguriert sein, einen Eingangsstrom I_IN auszugeben, der eine Mehrzahl von Rechteckstromimpulsen aufweist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Eingangsstrom I_IN alternativ geformte Signale (die z. B. beim Implement natürlicherweise existieren) wie z. B. ein Signal, dieren von Stromimpulsgeneratorenas trapezförmige Stromimpulse aufweist, aufweisen.
Der Eingangsstrom I_IN wird dem parasitären Massekondensator 204 bereitgestellt, der als Anregungswellengenerator arbeitet. Der Kondensator integriert Ladungen, die durch den Eingangsstrom I_IN bereitgestellt werden, was zu einem Spannungspotential V_IN führt. Auf der Basis des Spannungspotentials V ist der Kondensator 204 dazu konfiguriert, einem Messsensorelement 208 eine steuerbare Anregungsspannung V_IN bereitzustellen, die eine gesteuerte Spannung und einen steuerbaren Strom aufweist, wobei der steuerbare Strom proportional zu einer Änderung des Spannungspotentials V_IN ist, das der Eingangslaststrom I_IN über den gesamten Kondensator 204 hinweg bildete. Es wird einleuchten, dass bei der Messschaltung der 2 die parasitären Eingangskapazitäten während des Betriebs vernachlässigt werden können, was ein großer Vorteil für den Systembetrieb ist.
Bei einem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel laden (z. B. treiben sie Ladung in den Kondensator 204) und entladen die Rechteckimpulse des Eingangsstroms I_IN abwechselnd den parasitären Massekondensator 204. Während der Kondensator 204 durch den seitens des Eingangsstroms I_IN bereitgestellten Konstantstrom abwechselnd geladen und entladen wird, entsteht über die gesamte parasitäre Massekapazität 204 hinweg eine Spannung V_IN mit variierendem Potential, die eine lineare Spannungsrampe aufweist. Die lineare Rampenspannung führt zu einem Anregungsstrom I_EX, der einen steuerbaren Strom umfasst, der über einen Zeitraum hinweg konstant ist. Mit anderen Worten, da der seitens des Kondensators 204 bereitgestellte Anregungsstrom I_EX gleich der Kapazität ist, die mit der Zeitableitung der Spannung V_IN an dem Kondensator 204 multipliziert wird, liefert die in 3 gezeigte Dreieckspannungswellenform V_IN eine steuerbare Änderung der Spannung, die während eines Zeitraums eine konstante Neigung aufweist, was zu einem ohne weiteres gesteuerten Ausgangsstrom I_OUT führt, der eine im Wesentlichen rechteckige Wellenform aufweist, die ähnlich dem Eingangsstrom ist.
Wie beispielsweise in 3 gezeigt ist, lädt der Eingangsstrom I_IN, wenn er hoch ist, Ladung in die parasitäre Massekapazität 204, wodurch das Spannungspotential V_IN an dem Kondensator 204 (an einem Knoten 206) erhöht wird. Diese Erhöhung des Spannungspotentials V_IN umfasst eine lineare nach oben gerichtete Spannungsrampe (bei Periode 302 gezeigt). Wenn der Eingangsstrom I_IN gering ist, entlädt der Kondensator 204, wodurch das Spannungspotential V_IN an dem Kondensator 204 (an dem Knoten 206) verringert wird. Diese Verringerung des Spannungspotentials V_IN umfasst eine lineare nach unten gerichtete Spannungsrampe (bei 304 gezeigt), die zu einem konstanten Anregungsstrom I_EX führt.
Der parasitäre Massekondensator 204 ist ferner mit einem Messsensorelement 208 gekoppelt, das dazu konfiguriert ist, den Anregungsstrom I_EX zu empfangen. Das Messsensorelement kann zwei oder mehr Messelektroden umfassen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die Elektroden kapazitive und/oder ohmsche Komponenten auf, die bei dem Messsensorelement 208 als kapazitive Komponente 210, ohmsche Komponente 212 veranschaulicht sind. Wie in 2 gezeigt ist, ist das Messsensorelement 208 dazu konfiguriert, eine steuerbare Anregungsspannung zu empfangen, die ferner durch den Eingangsstrom I_IN gesteuert wird. Insbesondere steuert die mit der Hilfe des parasitären Massekondensators 204 erzeugte Anregungsspannung die Spannung und den Strom, die bzw. der dem Messsensorelement 208 bereitgestellt wird.
Die in 3 gezeigte Dreieck-Rampenspannung führt zu einem Anregungsstrom I_EX, der einen Strom aufweist, der im Wesentlichen rechteckige Impulse für das Messsensorelement umfasst. Jedoch weisen das kapazitive und das ohmsche Element 210 und 212 einen Transienteneffekt auf die Stromimpulse, die im Wesentlichen Rechteckstromimpulse sind, auf, während sich der Anregungsstrom von einem stabilen Zustand in einen anderen bewegt. Der Transien-teneffekt umfasst eine Einschwingregion 306, bei der der Strom über einen Zeitraum hinweg zunimmt, in dem das Ansprechen des Stroms innerhalb einer Bandbreite des endgültigen Werts liegt, und eine stationäre Region 308 (z. B. den endgültigen Wert selbst). Während der Anregungsstrom I_EX ansteigt und abfällt, liefert das Messsensorelement 208 durchgehend ein Transientenansprechen, das die steuerbaren Rechteckimpulse des Anregungsstroms I_EX verändert.
Eine Messschaltung 214, die dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom I_OUT zu empfangen, der ein Transientenansprechen aufweist, kann Charakteristika des Transientenansprechens (z. B. die Einschwingzeit, den stationären Stromwert) messen und daraus die Werte der kapazitiven und der ohmschen Komponente des Messsensorsystems 208 zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Messschaltung 214 eine Strommessvorrichtung (z. B. ein Amperemeter) umfassen, die dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom I_OUT zu messen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Strommessvorrichtung dazu konfiguriert sein, am Ausgang eine Spannungsdifferenz aufzuweisen, die nahezu null beträgt, was somit zu einem parasitischen Ausgangskondensator 216 führt, der vernachlässigbar ist.
Insbesondere wird die Länge der Einschwingzeit 306 durch die ohmsche Komponente 212 des Messsensorelements 208 beeinflusst. Beispielsweise führt eine Schwankung des Widerstands zwischen Messelektroden zu einer Schwankung von Einschwingzeiten, wie durch die gepunkteten Linien von I_OUT in 3 gezeigt ist. Deshalb kann die Messschaltung 214 durch Messen der Einschwingzeit 306 des Ausgangsstroms I_OUT die ohmsche Komponente 212 des Messsensorelements 208 messen. Desgleichen wird die Amplitude der stationären Region 308 durch die kapazitive Komponente 210 des Messsensorelements 208 beeinflusst. Beispielsweise bewirken Änderungen des Werts der kapazitiven Komponente (z. B. aufgrund von Veränderungen der Dielektrizitätskonstante zwischen Messelektroden), dass die stationäre Amplitude (steady state amplitude) des Ausgangsstroms I_OUT zunimmt oder abnimmt. Somit kann die Messschaltung 214, indem sie die stationäre Amplitude 308 des Ausgangsstroms I_OUT misst, die kapazitive Komponente 210 des Messsensorelements 208 messen. Demgemäß können durch Messen der Einschwingzeit und des stationären Wertes des Ausgangsstroms I_OUT die ohmsche und die kapazitive Komponente des Messsensorelements ermittelt werden.
Bei einem bestimmten Beispiel beträgt der Widerstand zwischen Messelektroden im Wesentlichen null, was zu einem Ausgangsstrom I_OUT führt, der eine nahezu rechteckige Ausgangswelle aufweist. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel erfährt die Vorrichtung 208 eine kapazitive Kopplung, so dass der Ausgangsstrom I_OUT am Anfang wenig Transientenverhalten aufweist (d. h. eine Einschwingzeit, die im Wesentlichen gleich null ist, die als Ausgangsstrom gemessen würde, der eine nahezu rechteckige Wellenform aufweist). Stattdessen springt der Ausgangsstrom I_OUT fast sofort zu dem stationären Wert, der mit der Größe des kapazitiven Elements 210 variiert (da die Änderungsrate der Spannung V_IN konstant ist).
Wie hierin vorgesehen ist, stützt sich die Messschaltung 200 dementsprechend auf das Transientenverhalten eines Ausgangsstroms I_OUT, um ohne weiteres mehrere messbare Sensorparameter (z. B. Treibstoffkonzentration und Treibstoffstand) durch die Messung ohmscher Komponenten (auf der Basis einer Einschwingzeit) und/oder kapazitiver Komponenten (auf der Basis einer Änderung der Amplitude) zu detektieren.
Es wird einleuchten, dass sich, während sich messbare Sensorparameter (z. B. Treibstoffstand, Reifendruck usw.) ändern, die Transientencharakteristika des Ausgangsstroms I_OUT ansprechend darauf ebenfalls ändern. Beispielsweise veranschaulichen 4A und 4B ein Beispiel dafür, wie sich Transientencharakteristika, die kapazitiven und ohmschen Komponenten des Messsensorelements entsprechen, für einen Treibstoffmesssensor mit der Zeit ändern können (z. B. bei einem Treibstoffsystem eines Automobils). Insbesondere veranschaulicht 4A eine Messschaltung 400, die einen Treibstofftank 416 mit einer Treibstofftankmessvorrichtung aufweist, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die durch den Inhalt des Treibstofftanks getrennt sind. 4B veranschaulicht ein Signaldiagramm, das Signale in der Messschaltungsanordnung der 4A als Funktion der Zeit veranschaulicht.
Der Inhalt des Treibstofftanks kann einen auf Erdöl basierenden Treibstoff umfassen, der einen Stand (z. B. Treibstoffmenge) aufweist, der durch Messen einer Kapazität zwischen den zwei Messelektroden ermittelt werden kann. Außerdem kann das Vorliegen etwaiger Treibstoffzusätze durch Messen eines Widerstands zwischen den zwei Messelektroden ermittelt werden. Während eines ersten Zeitraums 418, wenn der Treibstofftank 416 im Wesentlichen voll ist, sind die Kapazität und der Widerstand, die zwischen den Messelektroden gemessen werden, gleich den Werten C₁ bzw. R₁. Der Kapazitätswert C₁ entspricht einem relativ vollen Treibstofftank, da die große Menge an Treibstoff in dem Tank einen großen Dielektrizitätswert (ε) zwischen Messelektroden liefert. Der Widerstand R₁ kann dem Vorliegen eines bestimmten Treibstoffzusatzes, der in dem Treibstofftank vorhanden ist, entsprechen.
Mit abnehmender Treibstoffmenge in dem Tank nimmt der Dielektrizitätswert zwischen Messelektroden ab, was zu einer Abnahme der gemessenen Kapazität fuhrt (z. B. Cx = ε_rC_o, wobei Co die Kapazität ohne ein Dielektrikum zwischen Elektroden ist). Beispielsweise wird während eines zweiten Zeitraums 420 ein kapazitiver Wert C2 gemessen, wobei C₂ < C₁. Der kleinere kapazitive Wert C₂ weist darauf hin, dass die Dielektrizitätskonstante zwischen Messelektroden aufgrund eines Abfalls der Treibstoffmenge in dem Treibstofftank 416 abgenommen hat. Während eines dritten Zeitraums 422 wird ein kapazitiver Wert C₃ gemessen, wobei C₃ < C₂. Der kleinere kapazitive Wert von C₃, der nahezu gleich einer Kapazität ist, die eine Dielektrizitätskonstante von Luft (ε_r ~ 1) aufweist, weist darauf hin, dass der Treibstofftank 416 im Wesentlichen leer ist. Durch Messen des stationären Zustands und der Einschwingzeit des Transientenansprechens des Ausgangsstroms I_OUT können dementsprechend die Kapazität (und somit der Treibstoffstand) und der Widerstand (und somit der Zusatzstoff) dazu verwendet werden, ohne weiteres mehrere messbare Sensorparameter (z. B. Treibstoffkonzentration und Treibstoffstand) des Sensorsystems zu ermitteln.
Obwohl 4A und 4B die Anwendung eines Sensorsystems zur Verwendung bei einem Treibstoffmesssensor beschreiben, sollen diese Figuren die Anwendung des hierin offenbarten Sensorsystems nicht einschränken. 4A und 4B veranschaulichen stattdessen ein nicht-einschränkendes Beispiel einer beispielhaften Anwendung der vorliegenden Erfindung, um das Verständnis des Sensorsystems für einen Leser zu erleichtern. Es wird einleuchten, dass das hierin bereitgestellte Sensorsystem bei einer großen Bandbreite von Anwendungen eingesetzt werden kann, die Anwendungen im Automobilbereich (z. B. Sitz-Airbag-Sensoren) und nicht im Automobilbereich liegende Anwendungen umfassen.
5 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Sensorsystem 500 dazu konfiguriert ist, ferner eine Rückkopplungsschleife 518 zu umfassen, um die resultierende Anregungsspannung zu messen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Rückkopplungsschleife 518 dazu konfiguriert sein, Betriebsspannungspegel anzupassen, indem sie auf der Basis des Wertes der Spannung V_IN an dem Eingang der Messvorrichtung (Knoten 506) eine Rückkopplung bereitstellt. Die Rückkopplungsschleife 518 kann einen Analog/Digital-Wandler (ADC – analog-to-digital converter) 520, der zum Messen von Sperrspannungen konfiguriert ist, und einen Digital/Analog-Wandler (DAC) 502, der zum Bereitstellen eines Eingangsstroms I_IN konfiguriert ist, umfassen. Die Rückkopplungsschleife 518 kann dazu konfiguriert sein, die Amplitude des Ausgangsstroms I_OUT an dem Ausgang des Messsensorelements 508 zu steuern, indem sie den Eingangsstrom I_IN an das Messsensorelement 508 verändert. Die Rückkopplungsschleife 518 ermöglicht somit eine Anpassung an den Eingangsstrom I_IN, der unabhängig von dem Netzwerk ist, mit der sie verbunden ist, um den maximalen Ausgang I_OUT zu erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Eingangsstrom I_IN so verändert werden, dass der dem parasitären Kondensator 504 bereitgestellte Strom an einen optimalen Bereich angepasst wird, um Messungen des kapazitiven und des ohmschen Elements 510 und 512 durchzuführen. Beispielsweise kann die Rückkopplungsschleife 518 dazu konfiguriert sein, einen Eingangsstrom I_IN zu liefern, der eine maximal zulässige Spannungsamplitude V_IN aufweist, um die höchstmögliche Kapazität für die Messung zu erhalten. Die Rückkopplungsschleife kann in Fällen, in denen in dem System relativ große parasitäre Kapazitäten 216 vorliegen, besonders nützlich beim Verändern der Amplitude des Eingangsstroms I_IN sein. Beispielsweise können Übertragungsleitungskapazitäten vorliegen und können einen Effekt auf die gemessenen resistiven und kapazitiven Komponenten aufweisen, falls der Eingangsstrom I_IN zu gering ist.
Es wird einleuchten, dass die Messschaltung (die z. B. 214 entspricht) verschiedene Schaltungsanordnungen umfassen kann, die dazu konfiguriert sind, verschiedene Techniken anzuwenden, um die kapazitiven und ohmschen Komponenten von Messsensorelementen anhand des Transientenansprechens des Ausgangsstroms I_OUT zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel können Demodulationsprinzipien verwendet werden, um Daten, die die Einschwingzeit (den Widerstand) und den stationären Wert (die Kapazität) betreffen, aus jeweiligen Impulsen eines empfangenen Ausgangsstroms I_OUT zu extrahieren. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können auch Abtasten oder Phasendifferenzmessungen verwendet werden, um aus dem Transientenansprechen des Ausgangsstroms I_OUT ohmsche und kapazitive Komponenten zu erhalten.
6A veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 600, das eine Messschaltung 614 aufweist, die dazu verwendet werden kann, die kapazitiven und ohmschen Komponente eines Messsensorelements 608 anhand des Transientenansprechens des Ausgangsstroms I_OUT zu ermitteln. Die in 6A gezeigte Messschaltung 614 weist einen Demodulationsgenerator 616 auf, der dazu konfiguriert ist, ein erstes Differenz-Phasen-Demodulation-Signal Mod_D und ein zweites Differenz-Phasen-Demodulation-Signal Mod_W zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Demodulationsgenerator 616 einen Signalgenerator 618 und einen Phasenverschieber 620 umfassen. Der Signalgenerator 618 ist dazu konfiguriert, das erste und das zweite Demodulationssignal Mod_D und Mod_W auszugeben. Der Phasenverschieber 620 ist dazu konfiguriert, die Phase des ersten Demodulationssignals Mod_D zu verschieben, was zu einem Demodulationssignal Mod_D (das aus dem Demodulationsgenerator 616 ausgegeben wird) führt, das relativ zu dem Demodulationssignal Mod_W eine Phasenverschiebung aufweist. Das erste und das zweite Demodulationssignal (Mod_W, Mod_D) können einem ersten und einem zweiten Multiplizierer 622 bereitgestellt werden, die dazu konfiguriert sind, den Ausgangsstrom I_OUT mit dem ersten und dem zweiten Demodulationssignal zu multiplizieren, was zu demodulierten Komponenten Demod_W und Demod_D führt, die dazu verwendet werden können, die ohmschen und/oder kapazitiven Komponenten anhand des Transientenansprechens des Ausgangsstroms I_OUT zu ermitteln. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Demodulationsgenerator 616 alternative Schaltungsanordnungen umfassen, um Demodulationssignale zu erzeugen, die eine Phasendifferenz zwischen denselben aufweisen.
Bei einem in 6B gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Demodulationssignale einfache rechteckige Demodulationssignale (Mod_W, Mod_D), die eine 90 Grad aufweisende Phasenverschiebung zwischen denselben aufweisen. Die Demodulationssignale (Mod_W, Mod_D) sind dazu konfiguriert, den empfangenen Ausgangsstrom (I_OUT) in verschiedene Komponenten (Demod_W, Demod_D), die zum Ermitteln der ohmschen und/oder kapazitiven Elemente des empfangenen Ausgangsstroms verwendet werden können, zu demodulieren.
Insbesondere wird ein erstes Demodulationssignal Mod_D mit dem Ausgangsstrom I_OUT multipliziert. Das erste Demodulationssignal Mod_D kehrt die Polarität des Ausgangsstroms I_OUT um, wenn das Demodulationssignal niedrig ist, was zu einem Differenz-Phasedemodulierten Signal Demod_D führt, das sich auf den stationären Zustand des Ausgangsstroms fokussiert. Das resultierende Differenz-Phase-demodulierte Signal Demod_D kann dazu verwendet werden, die kapazitive Komponente der Messvorrichtung zu ermitteln (z. B. liefert Demod_D einen Stromwert über einen stationären Zustand hinweg, der integriert werden kann, um eine aus dem Messsensorelement ausgegebene Ladungsmenge zu liefern, da I = dQ/dt. Auf der Basis der Ladungsmenge kann ein computerbasierter Algorithmus dazu verwendet werden, die kapazitive Komponente der Messvorrichtung zu messen (C = Q(V)).
Ein zweites Demodulationssignal Mod_W, das bezüglich des ersten Demodulationssignals eine Phasenverschiebung von 90 Grad aufweist, wird mit dem Ausgangsstrom I_OUT multipliziert. Das zweite Demodulationssignal Mod_W kehrt die Polarität des Ausgangsstroms I_OUT um, wenn das Demodulationssignal niedrig ist, was zu einem Mit-Phasedemodulierten Signal Demod_W führt, das sich auf die Neigungsänderungen des Ausgangsstroms I_OUT fokussiert. Somit isoliert das resultierende Mit-Phase-demodulierte Signal Demod_W einen Teil der Wellenform, der dazu verwendet werden kann, die ohmsche Komponente des Messsensorelements zu ermitteln, (z. B. sieht Demod_W eine Änderung des Stroms über die Zeit hinweg vor, aus der die ohmsche Komponente des Messsensorelements ermittelt werden kann. Beispielsweise kann unter Verwendung der gemessenen Kapazität (C), eines zu einem ersten Zeitpunkt gemessenen Stroms (I₀), eines zu einem zweiten Zeitpunkt gemessenen Stroms (I) und eines Zeitpunkts zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt (t) ein Computeralgorithmus dahingehend implementiert werden, den Widerstand unter Verwendung der Gleichung I = I₀e^–t/RC zu ermitteln). Demgemäß ermöglicht Demodulation, dass eine Analyse auf verschiedene Bereiche des Ausgangsstromsignals fokussiert wird.
Bei einem in 6C gezeigten anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Demodulationssignale einfache rechteckige gefensterte Demodulationssignale. Wie in 6C gezeigt ist, können Demodulationssignale (Mod_D, Mod_W), die zwei verschiedene Demodulationsfenster umfassen, dazu verwendet werden, den empfangenen Ausgangsstrom I_OUT in demodulierte Signale (Demod_D, Demod_W) zu demodulieren, die verschiedene Komponenten aufweisen, die sich entweder auf den stationären Zustand oder die Einschwingzeit des Transientenansprechens des Ausgangsstroms fokussieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält das Differenz-Phase-demodulierte Signal Demod_D stationäre Regionen des Ausgangsstroms I_OUT und das Mit-Phase-demodulierte Signal enthält Einschwingzeitregionen des Ausgangsstroms I_OUT Beispielsweise kann das Differenz-Phase-Demodulation-Fenstersignal Mod_D mit dem Ausgangsstrom I_OUT multipliziert werden, was zu einem demodulierten Signal Demod_D führt, das einen stationären Strom aufweist, der dazu verwendet werden kann, Komponenten zu ermitteln, die auf die Kapazität des empfangenen Ausgangsstroms bezogen sind (z. B. auf dieselbe Weise, die in 6B beschrieben ist). Das Mit-Phase-Demodulation-Fenstersignal Mod_W kann mit dem Ausgangsstrom I_OUT multipliziert werden, was zu einem demodulierten Signal Demod_W führt, das einen Strom aufweist, aus dem die Einschwingzeit dazu verwendet werden kann, Komponenten zu ermitteln, die auf die Kapazität des empfangenen Ausgangsstroms bezogen sind (.B. auf dieselbe Weise, die in 6B beschrieben ist).
7A–7B veranschaulichen ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem abgetastete Werte des Ausgangsstroms I_OUT, die zu verschiedenen Zeitpunkten genommen werden, Komponenten ermitteln sollen, die auf die Kapazität des empfangenen Ausgangsstroms bezogen sind. 7A veranschaulicht eine Messschaltung 714, die einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 716 aufweist, der dazu konfiguriert ist, ein digitales Signal an eine Abtastvorrichtung 718 und einen Speicher 720 auszugeben. Der ADC 716 empfängt den Ausgangsstrom I_OUT und wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um, das durch die Abtastvorrichtung 718 abgetastet werden kann. Die Abtastvorrichtung 718 tastet verschiedene Punkte entlang des digitalen Signals ab und speichert die abgetasteten Werte in einem Speicher 720. Die abgetasteten Werte können anschließend dazu verwendet werden, den kapazitiven und den ohmschen Wert des Messsensorelements zu ermitteln.
Insbesondere, wie in 7B gezeigt ist, kann die Abtastvorrichtung einen Abtastwert an Punkten 722, 724, 726 und 728 für einen Impuls des Ausgangsstroms I_OUT messen. Die Kapazität kann anhand einer durch den abgetasteten Wert 724 bereitgestellten Amplitude ermittelt werden. Der Widerstand kann anhand einer Differenz der Amplituden, die zwischen den Abtastwerten 722 und 724 (oder 726 und 728) gemessen wird, ermittelt werden. Die Differenz bezüglich der Amplitude kann zusammen mit der Zeit zwischen den Messungen (z. B. der Anzahl von Taktzyklen) dazwischen dazu verwendet werden, eine Einschwingzeit und somit eine ohmsche Komponente zu ermitteln. Falls beispielsweise die Amplitudendifferenz zwischen den abgetasteten Werten 722 und 724 im Wesentlichen gleich null ist, kann auch die ohmsche Komponente im Wesentlichen gleich null sein. Falls der Widerstand zunimmt, ändert sich der Abtastwert 724 nicht, jedoch der Abtastwert 722 ändert sich. Je größer der Widerstand, desto größer die Differenz zwischen 716 und 724. Deshalb kann die Messung von 724 dazu verwendet werden, die kapazitive Wirkung zu ermitteln, während die Differenz zwischen der Messung bei 722 und der Messung bei 724 dazu verwendet werden kann, die Kapazität des Messsensorelements zu ermitteln.
8A–8B veranschaulichen ein wieder anderes alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Phasenbeziehung der Ausgangsströme mit dem Eingangsstimulus verglichen werden kann, um die ohmsche Komponente des Messsensorelements zu ermitteln. 8A veranschaulicht eine Messschaltung 814, die einen Komparator 816 und einen Phasendetektor 818 aufweist. Der Komparator ist dazu konfiguriert, einen Ausgangsstrom I_OUT und einen Komparatorparameter COMP_PARAM (in 8B als gestrichelte Linie gezeigt) zu empfangen und zu vergleichen. Wenn der Ausgangsstrom der Schaltung größer wird als der Komparatorwert, ist der Ausgang des Komparators hoch. Alternativ dazu gilt, dass, wenn der Ausgangsstrom geringer ist als der Komparatorwert, der Ausgang des Komparators niedrig ist. Auf der Basis des Vergleichs gibt der Komparator ein Signal COMP_OUT an einen Phasendetektor aus, der dazu konfiguriert ist, das Vergleichssignal COMP_OUT und den Eingangsstrom I_IN zu empfangen und die Phasendifferenz zwischen denselben zu messen. Die als Fehlersignal ausgegebene Phasendifferenz kann anschließend dazu verwendet werden, Transientenkomponenten, die auf die Kapazität des empfangenen Ausgangsstroms bezogen sind, zu ermitteln.
Insbesondere ist die Messschaltung 814 dazu konfiguriert, eine Ausgangsstromamplitude und eine Phasendifferenz zwischen der ansteigenden Flanke des Eingangsstroms I_IN und der ansteigenden Flanke des Komparatorausgangs COMP_OUT zu messen. Der kapazitive Wert kann anhand der Amplitude des Ausgangsstroms gemessen werden. Der ohmsche Wert kann anhand der Phasendifferenz ermittelt werden. Mit zunehmender Phasendifferenz zwischen dem Eingangsstrom I_IN und dem Komparatorausgang COMP_OUT nimmt der Wert des ohmschen Elements zu. Desgleichen nimmt der Wert des ohmschen Elements ab, wenn die Phasendifferenz zwischen dem Eingangsstrom I_IN und dem Komparatorausgang COMP_OUT abnimmt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Messschaltung 814 dazu konfiguriert, einen zweiten Komparator aufzuweisen, der dazu konfiguriert ist, ohmsche und kapazitive Komponenten zu berechnen. Wie in 8 gezeigt ist, umfasst die Messschaltung 814 einen ersten Komparator 816 und einen zweiten Komparator 820, wobei der erste und der zweite Komparator verschiedene Vergleichswerte, COMP_PARAM und COMP_{PARM_2}, aufweisen, um zwei verschiedene Phasen, PHASE und PHASE 2, zu erhalten. Die Zeitdifferenzen zwischen COMP_OUT und COMP_{OUT_2} sowie die Zeit zwischen dem Anregungssignal und COMP_OUT ^oder COMP_{OUT_2} kann dazu verwendet werden, die ohmsche und kapazitive Komponente des Sensorelements zu extrahieren.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Messen von kapazitiven und/oder ohmschen Elementen eines Sensorelements veranschaulicht. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Eingangslaststroms, der einem Anregungsspannungsgenerator bereitgestellt wird, der dazu konfiguriert ist, daraus einen Eingangsstrom zu erzeugen. Das Anregungssignal, das einen spannungsamplitudengesteuerten Strom aufweist, wird einem Messsensorelement bereitgestellt. Das Anregungssignal steuert den durch das Messsensorelement fließenden Strom, wodurch es bewirkt, dass kapazitive und ohmsche Elemente eines Messsensorelements einen Transienteneffekt aufweisen. Resultierende Ausgangsströme aus dem Messsensorelement weisen somit ein Transientenansprechen auf, das mittels einer Messschaltung gemessen werden kann. Gemessene Charakteristika des Transientenansprechens (z. B. die Einschwingzeit, Amplitude) können anschließend dazu verwendet werden, das Netzwerk ohne weiteres zu charakterisieren (z. B. mehrere messbare Sensorparameter zu messen, indem der Wert kapazitiver und ohmscher Messsensorelemente ermittelt wird).
Obwohl das Verfahren 900 nachstehend als eine Serie von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben wird, wird einleuchten, dass die veranschaulichte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn zu interpretieren ist. Beispielsweise können manche Handlungen in unterschiedlicher Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen als den hierin veranschaulichten und/oder beschriebenen auftreten. Außerdem sind eventuell nicht alle veranschaulichten Handlungen erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der Offenbarung hierin zu implementieren. Ferner kann bzw. können eine oder mehrere der hierin gezeigten Handlungen in einer oder mehreren separaten Handlungen und/oder Phasen durchgeführt werden.
Bei 902 wird ein Eingangsstrom erzeugt. Der Eingangsstrom kann einen trapezförmigen Stromimpuls umfassen, der über die Zeit hinweg zwischen einem ersten und einem zweiten Stromwert (z. B. einem hohen und einem niedrigen Datenzustandswert) variiert. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann der Eingangsstrom einen Stromimpuls, der im Wesentlichen ein Rechteckstromimpulsist, umfassen.
Auf der Basis des Eingangsstroms wird bei 904 eine Anregungsspannung erzeugt. Die Anregungsspannung kann durch eine einfache Schaltungsanordnung erzeugt werden, die dazu konfiguriert ist, eine steuerbare Eingangsspannung zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die einfache Schaltungsanordnung dazu konfiguriert, ein spannungssteuerbares Signal zu erzeugen, das die Spannung und den Strom durch ein Messsensorelement reguliert, um zu einem Ausgangsstrom zu führen, der ein Transientenansprechen aufweist, das auf der Basis der Werte der kapazitiven und ohmschen Messsensorelemente variiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Anregungsspannung durch einen parasitären Massekondensator erzeugt werden, der ansprechend auf den empfangenen Eingangsstrom geladen und entladen wird. Insbesondere speichert der Kondensator dann, wenn der Eingangsstrom hoch ist, Ladungen des Eingangsstroms in dem Kondensator, um zu einem Spannungspotential zu führen. Wenn der Eingangsstrom niedrig ist, entlädt der Kondensator die gespeicherten Ladungen, was zu einer Anregungsspannung führt, die eine Dreieckwellenform aufweist, die eine lineare Spannungsrampe aufweist. Somit ermöglicht der Kondensator die Erzeugung einer Anregungsspannung, die eine steuerbare Spannung aufweist.
Die Anregungsspannung wird bei 906 einem oder mehreren Messsensorelementen bereitgestellt. Die Messsensorelemente, die kapazitive und/oder ohmsche Komponenten aufweisen, bewirken, dass aufgrund der Schwankung der Anregungsspannung ein Transienteneffekt auftritt. Beispielsweise kann die Anregungsspannung dazu führen, dass ein Strom, der im Wesentlichen ein Rechteckstrom ist, in die Messsensorelemente eingegeben wird. Die kapazitiven und ohmschen Elemente der Messsensorelemente können zu einer Einschwingzeit (d. h. einer Ansprechzeit) führen, während derer Änderungen (z. B. von einem niedrigen Strom zu einem hohen Strom) des Stroms, der im Wesentlichen ein Rechteckstrom ist, allmählich ansteigen/abnehmen, bis ein stationärer Zustand erreicht ist.
Das Transientenansprechen des Ausgangsstroms wird bei 908 selektiv gemessen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Transientenansprechen selektive gemessen, um den Wert kapazitiver und ohmscher Elemente des Messsensorelements zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Messung unter Verwendung von Demodulationsprinzipien durchgeführt werden, um Daten, die die Einschwingzeit (den Widerstand) und den statischen Wert (die Kapazität) betreffen, aus jeweiligen Impulsen eines empfangenen Ausgangsstroms I_OUT zu extrahieren. Insbesondere können ein erstes und ein zweites Demodulationssignal (die z. B. eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen denselben aufweisen) erzeugt und anschließend mit dem Ausgangsstrom multipliziert werden, um ein erstes und ein zweites demoduliertes Signal zu bilden. Das erste demodulierte Signal fokussiert sich auf die Einschwingregion des Transientenansprechens, anhand derer die ohmsche Komponente ermittelt werden kann. Das zweite demodulierte Signal fokussiert sich auf die stationäre Region des Transientenansprechens, anhand derer die kapazitive Komponente ermittelt werden kann.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Messung unter Verwendung eines selektiven Abtastens von Werten des Ausgangsstroms durchgeführt werden. Bei einem wieder anderen alternativen Ausführungsbeispiel kann die Messung durch Messen von Phasendifferenzmessungen durchgeführt werden, um aus dem Transientenansprechen des Ausgangsstroms I_OUT ohmsche und kapazitive Komponenten zu erhalten.
Bei 910 werden die kapazitiven und/oder ohmschen Komponenten des Ausgangsstroms auf der Basis der Messungen ermittelt. Beispielsweise kann eine Messung der Einschwingzeit dazu verwendet werden, ohmsche Komponenten des Messsensorelements zu ermitteln, während ein stationärer Stromwert dazu verwendet werden kann, kapazitive Komponenten des Messsensorelements zu ermitteln.
Obwohl die Erfindung bezüglich einer oder mehrerer Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können an den veranschaulichten Beispielen Änderungen und/oder Modifikationen vorgenommen werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche abzuweichen. Insbesondere bezüglich der verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) durchgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf eine „Einrichtung”), die zum Beschreiben derartiger Komponenten verwendet werden, wenn nichts anderes angegeben ist einer jeglichen Komponente oder Struktur entsprechen, die die festgelegte Funktion der beschriebenen Komponente erfüllt (z. B. die funktionell äquivalent ist), obwohl sie mit der offenbarten Struktur, die die Funktion bei den hierin veranschaulichten exemplarischen Implementierungen der Erfindung erfüllt, strukturell äquivalent ist. Obwohl außerdem ein bestimmtes Merkmal der Erfindung bezüglich lediglich einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann ein derartiges Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht und vorteilhaft sein mag. In dem Umfang, in dem die Begriffe „umfassen”, „umfasst”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten derselben entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Patentansprüchen verwendet werden, sollen derartige Begriffe ferner auf ähnliche Weise wie der Begriff „aufweisen”, „aufweist” einschließlich sein.

Claims

Sensormodul, das folgende Merkmale aufweist: einen Signalgenerator (102), der dazu konfiguriert ist, einen Eingangsstrom (I_IN) zu erzeugen, der zwischen hohen und niedrigen Stromwerten wechselt; ein Messelement (104), das dazu konfiguriert ist, den Eingangsstrom zu empfangen und eine steuerbare Anregungsspannung (V_IN) zu erzeugen; ein Messsensorelement (106; 208; 508; 608), das eine oder mehrere kapazitive Komponenten und eine oder mehrere ohmsche Komponenten aufweist, wobei das Messsensorelement dazu konfiguriert ist, die steuerbare Anregungsspannung zu empfangen und auf deren Basis einen Ausgangsstrom (I_OUT) zu liefern, der Transientenansprechcharakteristika aufweist; und eine Messschaltung (110; 214; 400; 614; 714; 814), die dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom zu empfangen und den Wert der kapazitiven und ohmschen Komponenten anhand der Transientenansprechcharakteristika selektiv zu messen.
Sensormodul gemäß Anspruch 1, bei dem die Anregungsspannung unter Verwendung einer geerdeten parasitären Kapazität erzeugt wird, die in dem Messelement von Natur aus vorhanden ist.
Sensormodul gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Transientenansprechcharakteristika eine Einschwingzeit und eine stationäre Amplitude umfassen, wobei die Messschaltung (110; 214; 400; 614; 714; 814) die eine oder mehreren kapazitiven Komponenten anhand der stationären Amplitude ermittelt und wobei die Messschaltung die eine oder die mehreren ohmschen Komponenten anhand der Einschwingzeit ermittelt.
Sensormodul gemäß Anspruch 3, bei dem der Eingangsstrom (I_IN) eine Mehrzahl von Impulsen umfasst, die im Wesentlichen Rechteckimpulse sind und die dazu konfiguriert sind, den geerdeten parasitären Kondensator wechselweise zu laden und zu entladen, was zu einem rampenförmigen Spannungspotential an dem geerdeten parasitären Kondensator führt, der die steuerbare Anregungsspannung (V_IN) liefert.
Sensormodul gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Messvorrichtung dazu konfiguriert ist, Werte des empfangenen Ausgangsstroms (I_OUT) selektiv abzutasten und auf der Basis der abgetasteten Werte die kapazitiven und ohmschen Komponenten zu ermitteln.
Sensormodul gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Messvorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Demodulationsschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein erstes Demodulationssignal (MOD_D) und ein zweites Demodulationssignal (MOD_W) zu erzeugen; einen ersten Multiplizierer, der dazu konfiguriert ist, das erste Demodulationssignal und den Ausgangsstrom (I_OUT) zu multiplizieren, was zu einem ersten demodulierten Signal führt, das dazu verwendet werden kann, die Einschwingzeit zu ermitteln, anhand der die eine oder die mehreren ohmschen Komponenten ermittelt werden können; und einen zweiten Multiplizierer, der dazu konfiguriert ist, das zweite Demodulationssignal und den Ausgangsstrom (I_OUT) zu multiplizieren, was zu einem ersten demodulierten Signal führt, das dazu verwendet werden kann, die stationäre Amplitude zu ermitteln, anhand der die eine oder die mehreren kapazitiven Komponenten ermittelt werden können.
Sensormodul gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Messvorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen Komparator (816), der dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom (I_OUT) mit einem Vergleichsparameter zu vergleichen und daraus ein Vergleichsausgangssignal zu erzeugen; und einen Phasendetektor (818), der dazu konfiguriert ist, das Vergleichsausgangssignal und den Eingangsstrom zu empfangen und eine Phasendifferenz zwischen denselben zu messen, wobei die ohmsche Komponente auf der Basis der Phasendifferenz ermittelt werden kann.
Sensormodul gemäß Anspruch 7, bei dem die Messschaltung ferner folgendes Merkmal aufweist: einen zweiten Komparator (820), der dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom mit einem zweiten Vergleichsparameter zu vergleichen und daraus ein zweites Vergleichsausgangssignal zu erzeugen, wobei Phasendifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Vergleichsausgangssignal und Phasendifferenzen zwischen dem zweiten Vergleichsausgang und dem Eingangsstrom dazu verwendet werden können, die ohmschen und die kapazitiven Komponenten zu extrahieren.
Sensormodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Signalgenerator (102) in einer Rückkopplungsschleife enthalten ist, die dazu konfiguriert ist, Betriebspegel des Ausgangsstroms (I_OUT) anzupassen, indem sie auf der Basis des Wertes der Spannung an dem Eingang des Messsensorelements (106; 208; 508; 608) der Rückkopplungsschleife einen Strom bereitstellt.
Sensormodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Signalgenerator (102) einen Analog/Digital-Wandler aufweist, der dazu konfiguriert ist, den Eingangsstrom (I_IN) auf der Basis eines empfangenen Steuersignals bereitzustellen.
Verfahren zum Durchführen kapazitiver Messungen bei einem Sensormodul, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines Eingangsstroms (I_IN), der zwischen einem hohen Stromwert und einem niedrigen Stromwert wechselt; Erzeugen einer steuerbaren Anregungsspannung (V_IN) auf der Basis des Eingangsstroms; Liefern des steuerbaren Eingangsstroms an ein Messsensorelement (106; 208; 508; 608), das kapazitive und ohmsche Komponenten aufweist, wobei das Messsensorelement dazu konfiguriert ist, einen Ausgangsstrom (I_OUT) zu liefern, der ein Transientenansprechen auf der Basis der kapazitiven und ohmschen Komponenten aufweist; Selektives Messen von Komponenten des Transientenansprechens des Ausgangsstroms; und Ermitteln eines Wertes der kapazitiven und ohmschen Komponenten anhand der Komponenten des Transientenansprechens.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die steuerbare Anregungsspannung (V_IN) erzeugt wird, indem Ladungen des Eingangsstroms (I_IN) gespeichert werden, wenn der Eingangsstrom den hohen Stromwert aufweist, und indem die gespeicherten Ladungen entladen werden, wenn der Eingangsstrom den niedrigen Stromwert aufweist, was zu einem rampenförmigen Spannungspotential an dem geerdeten parasitären Kondensator führt, der ferner der Messvorrichtung einen steuerbaren Strom bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Eingangsstrom (I_IN) eine Mehrzahl von Rechteckimpulsen aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Transientenansprechen eine Einschwingzeit und eine stationäre Amplitude aufweist, wobei die kapazitiven Komponenten anhand der stationären Amplitude ermittelt werden und wobei die ohmschen Komponenten anhand der Einschwingzeit ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das selektive Messen von Komponenten des Transientenansprechsignals ein selektives Abtasten von Werten des Ausgangsstroms umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das selektive Messen von Komponenten des Transientenansprechens folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines ersten und eines zweiten Demodulationssignals (MOD_D und MOD_W); Multiplizieren des ersten Demodulationssignals und des Ausgangsstroms (I_OUT), um ein erstes demoduliertes Signal zu bilden, anhand dessen die ohmsche Komponente ermittelt werden kann; und Multiplizieren des zweiten Demodulationssignals und des Ausgangsstroms, um ein zweites demoduliertes Signal zu bilden, anhand dessen die kapazitive Komponente ermittelt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das erste Demodulationssignal bezüglich des zweiten Demodulationssignals um im Wesentlichen 90 Grad phasenverschoben ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner folgende Schritte aufweist: Vergleichen des Ausgangsstroms mit einem Vergleichsparameter und Erzeugen eines Vergleichssignals daraus; und Messen einer Phasendifferenz zwischen dem Vergleichssignal und dem Ausgangsstrom, und Bestimmen der ohmschen Komponente daraus.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, das ferner den Schritt des Erzeugens eines Rückkopplungssignals umfasst, das dazu konfiguriert ist, Betriebspegel des Ausgangsstroms anzupassen, indem auf der Basis des Wertes der Spannung an dem Eingang der Messvorrichtung ein Strom an die Rückkopplungsschleife geliefert wird.
Sensormodul, das folgende Merkmale aufweist: einen Signalgenerator (102), der dazu konfiguriert ist, einen Eingangsstrom (I_IN) zu erzeugen, der eine Mehrzahl von trapezförmigen Stromimpulsen aufweist, die zwischen einem ersten Stromwert und einem zweiten Stromwert, der größer ist als der erste Stromwert, wechseln; einen geerdeten parasitären Kondensator, der dazu konfiguriert ist, ein Spannungspotential zu bilden, indem er durch den Eingangsstrom bereitgestellte Ladungen integriert, wenn der Eingangsstrom den zweiten Stromwert aufweist, und der ferner dazu konfiguriert ist, die Ladungen zu entladen, wenn der Eingangsstrom den zweiten Stromwert aufweist, wodurch eine steuerbare Anregungsspannung (V_IN) erzeugt wird; ein Messsensorelement (106; 208; 508; 608), das eine oder mehrere kapazitive Komponenten und eine oder mehrere ohmsche Komponenten aufweist, wobei das Messsensorelement dazu konfiguriert ist, die steuerbare Anregungsspannung zu empfangen und einen Ausgangsstrom bereitzustellen, der Transientenansprechcharakteristika aufweist, die eine Einschwingzeit und eine stationäre Amplitude umfassen; und eine Messschaltung (110; 214; 400; 614; 714; 814), die dazu konfiguriert ist, den Ausgangsstrom zu empfangen und die eine oder mehreren kapazitiven Komponenten zu ermitteln, indem sie die stationäre Amplitude selektiv misst, und die eine oder mehreren ohmschen Komponenten zu ermitteln, indem sie die Einschwingzeit selektiv misst.