DE102018003268A1 - Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Bestimmung der elektrischen Kapazität. Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die elektrische Kapazität zwischen zwei Messelektroden unabhängig von den Erdungseigenschaften messbar ist.
Dazu sind zwei Messelektroden beabstandet nebeneinander angeordnet. Jede der Messelektroden ist mit einer geerdeten Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen invertiert oder differentiell zueinander sind und der fließende Strom ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität zwischen den Messelektroden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Bestimmung der elektrischen Kapazität.
  • Einrichtungen zur Bestimmung der elektrischen Kapazität können zur Bestimmung von Distanzen angewandt werden. So können bei Füllstandsmessungen die elektrische Kapazität des Kondensators gemessen werden, der sich zwischen der Flüssigkeit und einer Messelektrode ausbildet. Bei Beschleunigungssensoren auf Basis von MEMS kann die Auslenkung eines Masseelements anhand der Kapazität erfasst werden. Bei berührungsempfindlichen Displays kann die kapazitive Kopplung des Fingers mit Elektroden im Display gemessen werden.
  • Die Messung basiert in der Regel auf Sende- und/oder Empfangselektroden, die zusammen mit dem Objekt einen Kondensator bilden. Um die Kapazität zu messen, wird ein sich änderndes elektrisches Feld mit Hilfe einer sich ändernden Spannung angelegt und dann der entstehende Strom gemessen. Aus der Stromstärke und dessen Phasenverlauf lässt sich die Kapazität bestimmen. Alternativ kann auch eine Sprungfunktion als Signal angelegt und die Anstiegszeit der Spannung nach einem Widerstand gemessen werden. Aus der Anstiegszeit lässt sich dann die Kapazität herleiten. Die Kapazität des Kondensators ist abhängig vom Abstand des Objekts von einer Elektrode, der Fläche der Elektrode und den dielektrischen Eigenschaften des Materials zwischen dem Objekt und der Elektrode. Die Elektrodenfläche und die Materialeigenschaften relativ konstant sind, lässt sich der Abstand aus der Kapazität berechnen. Da das Objekt die Gegenseite der Kondensatorplatte bildet, muss der Stromkreis geschlossen werden, indem das Objekt geerdet ist. Darüber hinaus kann eine kapazitive oder elektrische Kopplung mit der Umgebung und/oder der Messelektronik vorhanden sein. Sowohl die Kopplungsstärke als auch die Materialeigenschaften gehen dabei als Unbekannte in die Messung ein, wodurch eine genaue Messung erschwert ist. Des Weiteren können die Objekte auch nicht geerdet sein oder es ist eine schwache kapazitive Kopplung mit der Umgebung vorhanden, so dass der Stromkreis unterbrochen ist und die Kapazität nicht messbar ist.
  • Bekannte Lösungen sind
    • - das zu messende Objekt wird mithilfe einer zusätzlichen Leitung geerdet,
    • - auf dem Objekt wird eine weitere geerdete Elektrode angebracht oder
    • - neben einer Messelektrode wird eine weitere geerdete Elektrode am Sensor verwendet, so dass sich das Objekt zwischen zwei Elektrodenplatten befindet.
  • Die Erdung mithilfe einer zusätzlichen Leitung ist nicht immer möglich und die Kontaktposition hat Einfluss auf die Messung, da der Strom durch das gesamte Objekt fließt. Die Messung erfolgt nicht berührungslos.
  • Bei einer weiteren Elektrode auf dem Objekt hat die Kontaktposition der Leitung keinen Einfluss auf die Messung. Es muss jedoch eine Elektrode am Objekt aktiv angebracht und weiterhin eine Leitung verlegt werden. Die Messung erfolgt nicht berührungslos.
  • Wenn sich das Objekt zwischen zwei Elektrodenplatten befindet, so haben die Materialeigenschaften einen sehr großen Einfluss auf die Messung, da das Objekt als Dielektrikum fungiert. Des Weiteren liefern geerdete und nicht geerdete Objekte unterschiedliche Messwerte.
  • So ist beispielsweise durch die Druckschrift EP 2 700 936 B1 eine kapazitive Messschaltung für Garninspektion bekannt, wobei eine Wheattstonische Messbrücke mit einem Referenzkondensator und zwei Abgleichkondensatoren genutzt wird. Zur Kapazitätsmessung befindet sich das geerdete Objekt zwischen zwei parallelen Kondensatorplatten als Dielektrikum. Letzteres bildet den Messkondensator aus.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Kapazität zwischen zwei Messelektroden unabhängig von den Erdungseigenschaften zu messen.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Einrichtungen zur Bestimmung der elektrischen Kapazität zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die elektrische Kapazität zwischen zwei Messelektroden unabhängig von den Erdungseigenschaften messbar ist.
  • Dazu sind zwei Messelektroden beabstandet nebeneinander angeordnet. Jede der Messelektroden ist mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen invertiert oder differentiell zueinander sind und der fließende Strom ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität zwischen den Messelektroden ist.
  • Die zwei Messelektroden werden mit invertierten oder differentiellen Signalen der Wechselspannungsquellen betrieben. Hierdurch wird ein zu messendes Objekt virtuell und kontaktlos geerdet, da genau die mittlere Wechselspannung der beiden Signale über die Messelektroden am Objekt anliegt. Die Kapazität wird durch Messung des Elektrodenstroms oder der Anstiegszeit der Spannung bestimmt. Die elektrische Kapazität wird vorteilhafterweise unabhängig vom Erdungszustand des Objekts an oder beabstandet zu den Messelektroden gemessen, ohne jegliche Manipulation am Objekt selbst. Eine Manipulation ist beispielsweise eine aktive Erdung mit einer Erdungsleitung.
  • Vorteilhafterweise müssen die Objekte nicht mehr aktiv geerdet werden. Die Messung kann in Kontakt oder kontaktlos zu den Messelektroden erfolgen. Damit kann auch eine Annäherung eines Objektes erfasst werden. Weiterhin hat die Kontaktposition einer Erdung des Objekts keinen Einfluss auf die Messung. Der Strom fließt nur durch die Oberfläche der Objekte. Die Beeinflussung der Messung durch das Material wird somit verringert und bleibt konstant, sofern sich das Material nicht ändert. Darüber hinaus muss keine zusätzliche geerdete Elektrode am Objekt angebracht werden. Geerdete und nicht geerdete Objekte liefern identische Messsignale. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Gleichtaktstörung, wie beispielsweise 50 Hz/60 Hz aus dem Stromnetz, durch eine große Signalfrequenz unterdrückt wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
  • Jede der Messelektroden ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 über einen Messwiderstand mit einer geerdeten Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen invertiert oder differentiell zueinander sind und der Strom ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität zwischen den Messelektroden ist.
  • Die mittlere an den Messelektroden anliegende Spannung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 bei gespiegelten Ausgangssignalen der Wechselspannungsquellen konstant und bei mittelwertfreien und gespiegelten Signalen Null Volt.
  • Die Messelektroden weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 jeweils eine Abschirmelektrode auf, die jeweils über einen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1 mit der jeweiligen Messelektrode verbunden sind. Damit wird das Messelektrodensignal mit einem Verstärkungsfaktor von 1 an die Abschirmelektroden weitergeleitet. Störungen und kapazitive Kopplungen von der Rückseite der Messelektrode werden hierdurch minimiert.
  • Die Messelektroden sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gleich ausgebildet.
  • Die Messelektroden sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 beabstandet nebeneinander an einem Objekt angeordnet. Jede Messelektrode ist mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen invertiert oder differentiell zueinander sind, der fließende Strom ein Maß zur Bestimmung der Kapazität des Objekts ist und das Objekt virtuell und kontaktlos geerdet ist.
  • Die Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein Näherungssensor. Die Messelektroden werden mit invertierten oder differentiellen Signalen der Wechselspannungsquellen betrieben. Zwischen Objekt und den beiden Messelektroden bilden sich bei Annäherung zwei weitere identische Kondensatoren. Das Objekt ist hierdurch virtuell geerdet, da genau die mittlere Spannung des differentiellen Signals anliegt, was bei differentiellen Signalen konstant ist. Unabhängig von den Erdungseigenschaften bleiben die Messwerte konstant und sind nur noch von den Materialeigenschaften an sich und der Distanz abhängig. Somit lässt sich die Näherung zuverlässig bestimmen. Die Kapazität kann durch Messung des Elektrodenstroms durch einen der Messwiderstände bestimmt werden. Der Näherungssensor kann somit unabhängig vom Erdungszustand des zu messenden Objektes die Näherung messen, ohne jegliche Manipulation am Messobjekt selbst, beispielsweise durch eine aktive Erdung mit Erdungsleitung.
  • Die Messelektroden sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 beabstandet nebeneinander angeordnet, so dass die elektrische Kapazität eines sich annähernden und zu detektierenden Objekts gemessen wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität eines Objekts,
    • 2 eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität eines sich annähernden Objekts und
    • 3 eine Einrichtung als ein Näherungssensor.
  • Eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no besteht im Wesentlichen aus zwei gleichen Messelektroden Ep , En , die jeweils mit einer geerdeten Wechselspannungsquelle ue , -ue verbunden sind.
  • Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no eines Objekts 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
  • Zur Messung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no sind zwei Messelektroden Ep , En beabstandet nebeneinander angeordnet, so dass das Objekt 1 virtuell geerdet (VGND) ist. Jede Messelektrode Ep , En ist mit einer geerdeten Wechselspannungsquelle ue , -ue verbunden, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen ue , -ue invertiert oder differentiell zueinander sind. Die Kapazitäten Zpa , Zna der Kondensatoren sind abhängig vom Abstand der Messelektroden Ep , En , der Fläche der Messelektroden Ep , En und den dielektrischen Eigenschaften des Materials, beispielsweise Luft, zwischen dem Objekt und den Messelektroden Ep , En . Die mittlere an den Messelektroden Ep , En anliegende Wechselspannung ist bei mittelwertfreien und gespiegelten Ausgangssignalen der Wechselspannungsquellen ue , -ue Null Volt. Der Strom ie ist ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no zwischen den Messelektroden Ep , En .
  • Zur Messung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no des Objekts 1 sind dazu die Messelektroden Ep , En beabstandet nebeneinander an dem Objekt 1 angeordnet, welches virtuell und kontaktlos geerdet (VGND) ist.
  • Die 2 zeigt eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no eines sich annähernden Objekts 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
  • In einer Ausführungsform ist eine Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no ein Näherungssensor. Die Messelektroden Ep , En sind beabstandet nebeneinander angeordnet, so dass die elektrische Kapazität Z'po , Z'no eines sich annähernden und zu detektierenden Objekts 1 bei Annäherung gemessen wird. Zwischen Objekt 1 und den beiden Messelektroden Ep , En bilden sich bei Annäherung zwei weitere identische Kondensatoren Zpa , Zna . Das Objekt 1 ist hierdurch virtuell geerdet (VGND), da genau die mittlere Spannung des differentiellen Signals anliegt, was bei differentiellen und mittelwertfreien Signalen 0 Volt ist. Der Strom ie ist ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität zwischen den Messelektroden Ep , En .
  • Die 3 zeigt eine Einrichtung als ein Näherungssensor in einer prinzipiellen Darstellung.
  • In Ergänzung der Ausführungsform kann jede der beabstandet zueinander angeordneten Messelektroden Ep , En über einen Messwiderstand Rpm, Rnm mit der geerdeten Wechselspannungsquelle ue , -ue verbunden sein. Der Strom ie durch die Messwiderstände Rpm , Rnm ist ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität Z'po , Z'no zwischen den Messelektroden Ep , En .
  • In einer weiteren Ausführungsform können die Messelektroden Ep , En jeweils eine Abschirmelektrode Sp , Sn aufweisen, die jeweils über einen Verstärker Gp , Gn mit einem Verstärkungsfaktor von 1 mit der jeweiligen Messelektrode Ep , En verbunden sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2700936 B1 [0008]

Claims (8)

  1. Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität (Z'po, Z'no), dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messelektroden (Ep, En) beabstandet nebeneinander angeordnet sind, dass jede der Messelektroden (Ep, En) mit einer Wechselspannungsquelle (ue, -ue) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen (ue, -ue) invertiert oder differentiell zueinander sind und der fließende Strom (ie) oder die Anstiegszeit der Spannung ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität (Z'po, Z'no) ist.
  2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Messelektroden (Ep, En) über eine Strommesseinrichtung mit einer Wechselspannungsquelle (ue, -ue) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen (ue, -ue) invertiert oder differentiell zueinander sind und der Strom (ie) ein Maß zur Bestimmung der elektrischen Kapazität (Z'po, Z'no) zwischen den Messelektroden (Ep, En) ist.
  3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere an den Messelektroden (Ep, En) anliegende Spannung bei gespiegelten Ausgangssignalen der Wechselspannungsquellen (ue, -ue) konstant und bei mittelwertfreien und gespiegelten Signalen Null Volt ist.
  4. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (Ep, En) jeweils eine Abschirmelektrode (Sp, Sn) aufweisen, die jeweils über einen Verstärker (Gp, Gn) mit einem Verstärkungsfaktor von 1 mit der jeweiligen Messelektrode (Ep, En) verbunden sind.
  5. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (Ep, En) gleich ausgebildet sind.
  6. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beabstandet zueinander angeordneten Messelektroden (Ep, En) beabstandet an oder zu einem Objekt (1) so befinden, dass eine symmetrische kapazitive Kopplung vorhanden ist oder entsteht, dass jede Messelektrode (Ep, En) mit einer Wechselspannungsquelle (ue, -ue) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannungen der Wechselspannungsquellen (ue, -ue) invertiert oder differentiell zueinander sind, der fließende Strom (ie) oder die Anstiegszeit der Spannung ein Maß zur Bestimmung der Kapazität (Z'po, Z'no) des Objekts 1 ist und das Objekt (1) virtuell und kontaktlos geerdet (VGND) ist.
  7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung der elektrischen Kapazität (Z'po, Z'no) ein Näherungssensor ist.
  8. Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (Ep, En) beabstandet nebeneinander angeordnet sind, so dass die elektrische Kapazität (Z'po, Z'no) eines sich annähernden und zu detektierenden Objekts (1) gemessen wird.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130003034A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-03 Mapper Lithography Ip B.V. Active Shield for Capacitive Measurement System
EP2700936A2 (de) * 2008-10-16 2014-02-26 Uster Technologies AG Simulation von Messungen mit einer kapazitiven Messschaltung

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