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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Kapazität.
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Eine solche Schaltungsanordnung kann beispielsweise in kapazitiven Sensoren Anwendung finden. Kapazitive Sensoren zur Erkennung von Objekten aus unterschiedlichen Materialien und Formen sowie Füllständen von granulären, pulverförmigen oder flüssigen Medien oder auch zur Abstandsmessung von Werkzeugmaschinen arbeiten nach dem Prinzip eines Plattenkondensators. Dessen Kapazität hängt von der Plattenfläche, dem Plattenabstand und einem zwischen den Platten befindlichen Dielektrikum ab. Objekte und Medien mit höherer Dichte als Luft im Erfassungsbereich zwischen den Platten führen zu einer Erhöhung der Kapazität, die vom Sensor ausgewertet wird. Aus praktischen Gründen stehen sich die Platten bei kapazitiven Sensoren nicht gegenüber, sondern sind in einer Ebene angeordnet. In 1 ist ein an sich bekannter Aufbau eines derartigen Sensors schematisch dargestellt. Hierbei ist die erste Platte 1 die zu messende aktive Elektrode, die zweite Platte bzw. Gegenelektrode 4 kann z.B. ein mit einer Bezugsmasse verbundenes Metallgehäuse des Sensors sein. In 1 ist der Feldlinienverlauf zwischen der ersten Platte 1 und der Gegenelektrode 4 schematisch dargestellt. Gemessen wird hierbei die Kapazität zwischen der ersten Platte 1 und der Bezugsmasse. Die besondere Herausforderung besteht nun in der außerordentlich geringen Messkapazität und deren Änderung durch Objekte oder Füllstände. Der Messbereich liegt abhängig von der Anwendung und Baugröße zwischen 20 fF und 3.000 fF, insbesondere 20 fF bis 100 fF.
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Die erste Elektrode 1 ist beidseitig empfindlich, d.h. auch zum Nichterfassungsbereich zum Sensorinneren hin. Damit ergibt sich an der ersten Elektrode 1 bereits ohne ein Objekt oder ein Medium im Erfassungsbereich eine hohe parasitäre Grundkapazität durch die Nähe zum Gehäuse 4, durch eine Schutzkappe 3 und durch z.B. im Sensor enthaltene Vergussmassen 8. Diese Grundkapazität ist um ein Vielfaches höher als die zu messende Kapazität. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, ist eine Schirmelektrode oder Feldbündelelektrode 2 vorgesehen, welche die erste Elektrode 1 im Sensorinneren becherförmig umgibt. Da die Schirmkapazität zwischen der ersten Elektrode 1 und der Feldbündelelektrode 2 meist als Schirmlage einer Leiterplatte, speziell in flachen Geräten, realisiert ist, beträgt diese mehrere pF und kann deshalb nicht einfach mit der Bezugsmasse verbunden werden. Sie muss niederohmig durch ein geeignetes Signal 7 gesteuert werden, welches eine elektronische Schaltung 5 bereitstellt, damit sie sich in Bezug auf die Phase und Amplitude von dem Potenzial an der ersten Elektrode 1 bzw. am Eingang 6 der elektronischen Schaltung 5 so wenig wie möglich unterscheidet. Dies wird z.B. durch nichtinvertierende Spannungsfolger bzw. Pufferverstärker mit hoher Eingangsimpedanz, geringer Eingangskapazität und niederohmigem Ausgang erreicht. Andere Verfahren nutzen die Schirmkapazität als integralen Bestandteil in Form eines kapazitiven Spannungsteilers zwischen der zu messenden Kapazität der ersten Elektrode 1 zur Masse und der Kapazität der ersten Elektroden 1 zur Kapazität der Schirmelektrode 2. Eine elementare Herausforderung stellen dabei parasitäre Halbleiterkapazitäten am Messeingang 6 der elektronischen Schaltung 5 dar, die ebenfalls in Größenordnungen über der zu messenden Kapazität liegen. Diese Faktoren begrenzen die Leistungsfähigkeit bzw. den Erfassungsbereich oder Schaltabstand über der Temperatur, die EMV und weitere Industrieanforderungen.
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Aus der
DE 10 2013 201 704 A1 ist eine kapazitive Sensoranordnung oder ein kapazitives Messverfahren mit Kompensation parasitärer Kapazitäten bekannt geworden, welches durch periodische Auf- und Entladung einer Messkapazität über einen hohen Widerstand als niederfrequenter Oszillator arbeitet. Die Schwingfrequenz dieses niederfrequenten Oszillators wird als Maß für die Messkapazität ausgewertet. Parasitäre Eingangskapazitäten sollen durch einen Pufferverstärker mit einem angepassten Spannungsverstärkungsfaktor größer 1 kompensiert werden.
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Aus der
DE 197 01 899 A1 geht eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes hervor, bei welchem durch permanente Ent- und Aufladung einer Messkapazität über elektronische Umschalter die nötige Ladungsmenge ausgewertet wird. Die parasitären Eingangskapazitäten sollen durch Differenzauswertung gegenüber einem zweiten, gleich aufgebauten Zweig kompensiert werden. Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung kann kein für bündige Sensoren zwingend notwendiges Schirmsignal bereitgestellt werden.
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Ein Gerät zum Anzeigen des Vorhandenseins, der Annäherung oder der Vergrößerung von festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen, bei welchem eine Messkapazität die Schwingbedingung eines Oszillators bzw. rückgekoppelten Verstärkers im Gegenkopplungszweig bestimmt, ist aus der
DE 1 673 841 A1 bekannt geworden. Kleine Änderungen der Messkapazität werden mit Hilfe der Schwingungsamplitude ausgewertet.
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Die
DE 101 56 580 B4 offenbart Oszillatorschaltungen zur Detektion kleiner Kapazitäten oder Kapazitätsunterschiede zum Einsatz in kapazitiven Sensoren. Bei dieser Oszillatorschaltung wird das Schwingungsverhalten eines Oszillators als Maß für die Messkapazität ausgewertet.
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Ein Verfahren zur Detektion und Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal und ein kapazitiver Sensor hierzu gehen aus der
DE 199 45 330 A1 hervor. Bei diesem Verfahren und der Schaltungsanordnung pendelt eine Anordnung bestehend aus einem Verstärker mit konstanter Versorgungsspannung mit einer Messelektrode am Eingang sowie einer Gleichrichterschaltung am Ausgang gegenüber der Bezugsmasse mit einer Rechteckspannung konstanter, hoher Amplitude. Das durch die Messkapazität gegen Bezugsmasse verursachte Signal wird verstärkt, gleichgerichtet und als Gleichspannung als Maß für die Messkapazität gegen Bezugsmasse ausgegeben.
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Aus der
DE 10 2009 017 011 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Messkapazität bekannt geworden, bei der die Messkapazität durch einen elektronischen Einschalter periodisch schlagartig auf null entladen und bei offenem Schalter über einen Widerstand aufgeladen wird. Der über einen RC-Tiefpass gewonnene Mittelwert der Ladekurven entspricht der Messkapazität. Die parasitären Eingangskapazitäten werden durch Differenzauswertung zu einem zweiten, gleich aufgebauten Zweig kompensiert. Ein für bündige Sensoren zwingend notwendiges Schirmsignal wird nicht zur Verfügung gestellt.
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Die
DE 198 50 290 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur linearen kapazitiven Messung einer eine Kapazität beeinflussenden veränderlichen Größe, bei der ein linearer Wechselspannungsverstärker eingangsseitig über ein abgeschirmtes Kabel mit einer ersten abgeschirmten Elektrode und ausgangsseitig mit einem Gleichrichter verbunden ist, welcher über eine Zwischenstufe mit einem Steuereingang eines steuerbaren Wechselspannungsgenerators gekoppelt ist, sowie mit einer Signalauswerteeinrichtung. Zur Vereinfachung der Schaltungsanordnung werden die Abschirmung der ersten Elektrode direkt und der Eingang des Wechselspannungsverstärkers niederohmig mit einem Bezugspotential verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität bereitzustellen, welche den Einfluss der eingangs beschriebenen parasitären Halbleiterkapazitäten minimiert, ein Schirmsignal für eine Schirmelektrode bereitstellt und die Erfassung sehr kleiner Messkapazitäten mit geringem Aufwand und somit größere Erfassungsbereiche, Schaltabstände und darüber hinaus auch stabilere Schaltungsanordnungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen invertierenden Verstärker mit hoher Leerlaufspannungsverstärkung, dessen Eingang mit einem Anschluss der wenigstens einen Messkapazität und mit einem Anschluss einer Gegenkopplungskapazität verbunden ist, wobei der andere Anschluss der wenigstens einen Messkapazität mit einem Bezugspotenzial und der andere Anschluss der Gegenkopplungskapazität mit einem Ausgang des invertierenden Verstärkers verbunden ist, durch eine Gleichrichterschaltung, der die Spannung am Ausgang des invertierenden Verstärkers zugeführt ist und die an ihrem Ausgang eine mit der Spannung am Ausgang des invertierenden Verstärkers korrespondierende Spannung erzeugt und durch einen Haltekondensator zur Pufferung der Spannungsversorgung des invertierenden Verstärkers und der Gleichrichterschaltung gelöst, wobei ein Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers mit einer periodischen Steuerspannung gegenüber dem Bezugspotenzial beaufschlagt ist und der andere Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers über eine Diode mit einer externen Versorgungsspannung beaufschlagt ist, wobei die periodische Steuerspannung von einer Signalquelle erzeugt wird, die einen Steuereingang aufweist, über welchen der Pegel der periodischen Steuerspannung stufenlos einstellbar ist und wobei dieser Steuereingang mit einem Ausgang einer Regeleinrichtung verbunden ist, welche die am Ausgang der Gleichrichterschaltung erzeugte Spannung mit einer Sollspannung vergleicht und abhängig von dem Vergleich ein dem Steuereingang der Signalquelle zugeführtes Ausgangssignal ausgibt, bis der Pegel der periodischen Steuerspannung, die dem Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers zugeführt wird, einen Wert erreicht, bei dem die an dem Ausgang der Gleichrichterschaltung erzeugte Spannung mit der Sollspannung übereinstimmt und wobei bei Übereinstimmung der am Ausgang der Gleichrichterschaltung anliegenden Spannung mit der Sollspannung mindestens die am Ausgang der Regeleinrichtung anliegende Spannung ein Maß für die wenigstens eine Messkapazität ist, gelöst.
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Die Aufgabe wird darüber hinaus durch eine Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität gelöst durch einen invertierenden Verstärker mit hoher Leerlaufspannungsverstärkung, dessen Eingang mit einem Anschluss der wenigstens einen Messkapazität (11) und mit einem Anschluss einer Gegenkopplungskapazität verbunden ist, wobei der andere Anschluss der Gegenkopplungskapazität mit einem Ausgang des invertierenden Verstärkers verbunden ist, und durch eine Gleichrichterschaltung, der die Spannung am Ausgang des invertierenden Verstärkers zugeführt ist und die an ihrem Ausgang eine mit der Spannung am Ausgang des invertierenden Verstärkers korrespondierende Spannung erzeugt, wobei ein Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers mit dem Bezugspotenzial verbunden ist und der andere Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers mit einer externen Versorgungsspannung verbunden ist, wobei eine periodische Steuerspannung von einer Signalquelle erzeugt wird, deren Steuereingang mit einem Ausgang einer Regeleinrichtung verbunden ist, welche die am Ausgang der Gleichrichterschaltung erzeugte Spannung mit einer Sollspannung vergleicht und abhängig von dem Vergleich ein, dem Steuereingang der Signalquelle zugeführtes Ausgangssignal ausgibt, abhängig von dem in der Signalquelle der Pegel der periodischen Steuerspannung, die dem anderen Anschluss der wenigstens einen Messkapazität zugeführt ist, solange verändert wird, bis die an dem Ausgang der Gleichrichterschaltung erzeugte Spannung mit der Sollspannung übereinstimmt und wobei bei Übereinstimmung der am Ausgang der Gleichrichterschaltung anliegenden Spannung mit der Sollspannung mindestens die am Ausgang der Regeleinrichtung anliegende Spannung ein Maß für die wenigstens eine Messkapazität ist.
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Ein zentraler Punkt der erfindungsgemäßen Lösungen ist ein invertierender Verstärker mit möglichst hoher Leerlaufspannungsverstärkung größer 100, dessen Ausgang über eine feste Kapazität auf den Eingang rückgekoppelt bzw. gegengekoppelt wird. Ein solcher Verstärker ist sehr einfach mit einer zweistufigen Transistorschaltung oder einem Standardoperationsverstärker realisierbar. Ein Anschluss der zu messenden Kapazität ist mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. An den anderen Anschluss der zu messenden Kapazität wird eine periodische Steuerspannung mit z.B. sinus- oder vorzugsweise rechteckförmiger Kurvenform angelegt. Ohne die Gegenkopplung durch die Gegenkopplungskapazität würde der Ausgang des Verstärkers an der positiven Halbwelle der periodischen Steuerspannung an seine negative Stellgrenze zur Masse und in der negativen Halbwelle der periodischen Steuerspannung an seine positive Stellgrenze zur Versorgungsspannung springen. Durch die Gegenkopplung über die Gegenkopplungskapazität kann der Verstärker aber die Spannungsverschiebung durch die periodische Steuerspannung an seinem Eingang ausgleichen. Der Verstärker versucht gewissermaßen, die Spannungsänderung an seinem Eingang auf null bzw. an einem statischen Arbeitspunktpotenzial zu halten. Über eine Auswertung der resultierenden Wechselströme kann die Beziehung zwischen den wirksamen Größen hergeleitet werden. Die Ausgangsspannung hängt nur noch von der periodischen Steuerspannung und dem Verhältnis der zu messenden Kapazität zu der Rückkopplungskapazität und damit bei gegebener periodischer Steuerspannung und gegebener Rückkopplungskapazität direkt von der zu messenden Kapazität ab:
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Dabei bedeuten:
Ua = Ausgangsspannung
Us = periodische Steuerspannung
Cfix = Gegenkopplungskapazität
Cm = zu messende Kapazität
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In der Gleichung gibt es keine weiteren, zu berücksichtigen Einflussgrößen. Deshalb können auch sehr kleine Kapazitäten bei geeigneter Wahl von Cfix und Us sehr präzise und stabil erfasst werden.
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Durch das Bestreben des Verstärkers die dynamische Eingangsspannung auf Nullpotential zu halten, ergibt sich zwischen dem Eingang des Verstärkers V und seiner Bezugsmasse ein virtuelles Nullpotenzial.
Dies ist von fundamentaler Bedeutung, weil hierdurch die Eingangsimpedanz des Verstärkers in weiten Grenzen keinen Einfluss auf das Messerergebnis ausübt, da an ihr keine Wechselspannungsanteile anliegen. Die beim Stand der Technik störenden Eingangskapazitäten von Messchaltungen sind beim erfindungsgemäßen Gegenstand durch das virtuelle Nullpotenzial neutralisiert.
Weiterhin ergibt sich hieraus, dass eine Schirmkapazität einfach zwischen dem Eingang des Verstärkers und seiner Bezugsmasse angeschlossen werden kann. Zusätzliche Steuersignale und Pufferverstärker sind nicht erforderlich!
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der auf Anspruch 1 bzw. 2 rückbezogenen Unteransprüche. So ist beispielsweise vorgesehen, dass der invertierende Verstärker, die Gegenkopplungskapazität, die Gleichrichterschaltung und der Haltekondensator einen Schaltungsteil bilden, der als Ganzer mit der periodischen Steuerspannung gegenüber dem Bezugspotenzial pendelt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Spannungsversorgung des Schaltungsteils bei einer positiven/negativen Halbwelle der periodischen Steuerspannung, bei gesperrter Diode durch den Haltekondensator und bei einer negativen/positiven Halbwelle der periodischen Steuerspannung, bei durchgängiger Diode unter Nachladen des Haltekondensators durch die externe Versorgungsspannung/gegen das Bezugspotenzial erfolgt.
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Die periodische Steuerspannung weist vorzugsweise eine Rechteckform auf. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass anstelle der Regeleinrichtung ein Gleichspannungsstellglied vorgesehen ist, dessen Ausgang dem Steuereingang der Signalquelle zugeführt ist, wobei mindestens die am Ausgang der Gleichrichterschaltung anliegende Spannung ein Maß für die wenigstens eine Messkapazität ist.
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Darüber hinaus kann gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Messkapazität durch eine aktive Messelektrode und wenigstens eine, die aktive Messelektrode becherförmig umgebende Schirmelektrode oder Feldbündelelektrode gebildet wird, wobei die Schirmelektrode oder Feldbündelelektrode mit der periodischen Steuerspannung beaufschlagt wird und wobei eine Kapazität gegenüber dem Bezugspotenzial gemessen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- In 1 ist schematisch ein Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten bündigen kapazitiven Sensors dargestellt.
- 2 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität.
- 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität.
- 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität.
- 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Messung einer Messkapazität.
- 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Ein an sich bekannter Aufbau eines bündigen Sensors, der eingangs beschrieben wurde, ist in 1 dargestellt. Ein solcher Sensor wird durch einen Plattenkondensator realisiert, bei dem sich aus praktischen Gründen die Platten nicht gegenüberliegen, sondern in einer Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung der Platten wird nachfolgend als Messkapazität bezeichnet. In 2 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer solchen Messkapazität 11 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist durch einen invertierenden Verstärker 10 mit hoher Leerlaufspannungsverstärkung gekennzeichnet, dessen Eingang 13 mit einem Anschluss der wenigstens einen Messkapazität 11 und mit einem Anschluss einer Gegenkopplungskapazität 12 verbunden ist, wobei der andere Anschluss der wenigstens einen Messkapazität 11 mit einem Bezugspotenzial 14 und der andere Anschluss der Gegenkopplungskapazität 12 mit einem Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers 10 verbunden sind. Es ist eine Gleichrichterschaltung 16 vorgesehen, der die Spannung am Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers 10 zugeführt ist und die an ihrem Ausgang eine mit der Spannung am Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers 10 korrespondierende Spannung 18 erzeugt. Es ist ferner ein Haltekondensator 17 zur Pufferung der Spannungsversorgung des invertierenden Verstärkers 10 und der Gleichrichterschaltung 16 vorgesehen. Der invertierende Verstärker 10, die Gegenkopplungskapazität 12, die Gleichrichterschaltung 16 und der Haltekondensator 17 bilden einen Schaltungsteil 50, auf den nachfolgend noch näher eingegangen wird. Ein Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 ist mit einer periodischen Steuerspannung 20 gegenüber dem Bezugspotenzial 14 beaufschlagt und der andere Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 ist über eine Diode 25 mit einer externen Versorgungsspannung 26 beaufschlagt.
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Die periodische Steuerspannung 20 wird von einer Signalquelle 22 erzeugt, die einen Steuereingang 24 aufweist, über welchen der Pegel der periodischen Steuerspannung 20 stufenlos einstellbar ist. Dieser Steuereingang 24 ist mit einem Ausgang 23 einer Regeleinrichtung 21 verbunden, welche die am Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 erzeugte Spannung 18 mit einer Sollspannung 19 vergleicht und abhängig von dem Vergleich ein, dem Steuereingang 24 der Signalquelle 22 zugeführtes Ausgangssignal ausgibt. Abhängig von diesem Ausgangssignal wird in der Signalquelle 22 die periodischen Steuerspannung 20 erzeugt und dem Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers zugeführt. Sobald die Steuerspannung 20 einen Pegel erreicht, bei dem, die an dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 erzeugte Spannung 18 mit der Sollspannung 19 übereinstimmt, ist mindestens die am Ausgang 23 der Regeleinrichtung 21 anliegende Spannung ein Maß für die Messkapazität 11.
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Der zentrale Punkt der Schaltungsanordnung ist der invertierende Verstärker 10 mit möglichst hoher Leerlaufspannungsverstärkung, möglichst größer als 100. Ein solcher Verstärker kann sehr einfach mit einer zweistufigen Transistorschaltung oder einem Standardoperationsverstärker realisiert werden. Der invertierende Verstärker 10, die Gegenkopplungskapazität 12, die Gleichrichterschaltung 16 und der Haltekondensator 17 bilden den Schaltungsteil 50. Dieser Schaltungsteil 50 pendelt gewissermaßen als Ganzer mit der periodischen Steuerspannung 20 gegenüber dem Bezugspotenzial 14, wie nachfolgend beschrieben. Dabei wird in der positiven Halbwelle der Steuerspannung 20 bei gesperrter Diode 25 die Spannungsversorgung durch den Haltekondensator 17 aufrechterhalten und in der negativen Halbwelle der Steuerspannung 20 wird die Spannungsversorgung über die Diode 25 durch die externe Versorgungsspannung 26 realisiert, wobei in diesem Falle auch ein Nachladen des Haltekondensators 17 erfolgt. Die Signalquelle 22 generiert vorzugsweise ein Steuersignal 20 mit rechteckförmiger Kurvenform. Die Amplitude ist über den Steuereingang 24 in weiten Grenzen einstellbar. Die Regeleinrichtung 21 vergleicht die von den Wechselanteilen der Steuerspannung 20 befreite Gleichspannung 18 mit der fest vorgegebenen Sollspannung 19 und generiert hieraus die am Ausgang 23 der Regeleinrichtung anliegende Spannung, die auch als Regelspannung bezeichnet werden kann und durch welche die Amplitude der Steuerspannung 20 über den Steuereingang 24 der Signalquelle geregelt wird, bis die Spannung 18 und die Sollspannung 19 den gleichen Wert aufweisen und auf diese Weise die Ausgangsspannung 15 des Verstärkers 10 über den ganzen Messbereich der Messkapazität 11 konstant gehalten wird. In diesem Falle ist mindestens die Regelspannung am Ausgang 23 ein Maß für den Kapazitätswert der Messkapazität 11.
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In 4 ist eine alternative Ausbildung der Schaltungsanordnung vorgesehen. In 4 sind gleiche Elemente wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sodass auf deren Beschreibung auf das Vorstehende Bezug genommen wird. Im Unterschied zu 2 ist jedoch der negative Anschluss (Kathode) der Diode 25 mit dem Bezugspotenzial 14 verbunden, während der positive Anschluss (Anode) mit einem Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 verbunden ist. Am anderen Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 liegt dagegen die periodische Steuerspannung 20 an, welche die Signalquelle 22 erzeugt. Die externe Versorgungsspannung 26 wird in diesem Falle der Signalquelle 22 zugeführt.
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In diesem Falle wird in der negativen Halbwelle der Steuerspannung 20 bei gesperrter Diode 25 die Spannungsversorgung durch den Haltekondensator 17 aufrechterhalten. In der positiven Halbwelle der Steuerspannung 20 wird die Spannungsversorgung und gleichzeitig das Nachladen des Haltekondensators 17 über die Diode 25 gegen die Bezugsmasse 14 realisiert.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung der wenigstens einen Messkapazität 11 dargestellt. In dieser sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie bei der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist hier statt der Regeleinrichtung 21 ein Gleichspannungsstellglied 27 vorgesehen, dessen Ausgang dem Steuereingang 24 der Signalquelle 22 zugeführt ist, wobei mindestens die am Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 anliegende Spannung 18 ein Maß für die wenigstens eine Messkapazität ist.
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In 6 ist eine Realisierung der Messkapazität 11 durch eine aktive Messelektrode 28 und wenigstens eine, die aktive Messelektrode 28 vorzugsweise becherförmig umgebende Schirmelektrode 29 dargestellt. Für andere Anwendungen kann diese z.B. auch ringförmig gestaltet sein. Diese Schirmelektrode 29 kann auch als Feldbündelelektrode bezeichnet werden. Die Schirmelektrode oder Feldbündelelektrode 29 wird mit der periodischen Steuerspannung 20 beaufschlagt. Die Kapazität wird gegenüber dem Bezugspotenzial 14 gemessen. In 6 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2 versehen und insoweit wird für deren Beschreibung auf die Ausführungen in Verbindung mit 2 verwiesen.
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Eine andere Realisierung der Schaltungsanordnung zur Messung wenigstens einer Messkapazität 11 ist in 3 dargestellt. Hierbei ist ein invertierender Verstärker 10 mit hoher Leerlaufspannungsverstärkung vorgesehen, dessen Eingang 13 mit einem Anschluss der wenigstens einen Messkapazität 11 und mit einem Anschluss einer Gegenkopplungskapazität 12 verbunden ist, wobei der andere Anschluss der Gegenkopplungskapazität 12 mit einem Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers 10 verbunden ist. Es ist auch hier, wie bereits bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen eine Gleichrichterschaltung 16 vorgesehen, der die Spannung am Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers zugeführt ist und die an ihrem Ausgang eine mit der Spannung am Ausgang 15 des invertierenden Verstärkers 10 korrespondierende Spannung 18 erzeugt. Ein Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 ist mit dem Bezugspotenzial 14 verbunden und der andere Versorgungsspannungsanschluss des invertierenden Verstärkers 10 ist mit einer externen Spannungsversorgung 26 verbunden. Eine periodische Steuerspannung wird von einer Signalquelle 22 erzeugt, deren Steuereingang 24 mit einem Ausgang 23 einer Regeleinrichtung 21 verbunden ist, welche die am Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 erzeugte Spannung 18 mit einer Sollspannung 19 vergleicht und abhängig von dem Vergleich ein, dem Steuereingang 24 der Signalquelle 22 zugeführtes Ausgangssignal 23 ausgibt, bis der Pegel der Steuerspannung 20 die dem wenigstens einen Anschluss der Messkapazität 11 zugeführt wird, einen Wert erreicht, bei dem die am Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 erzeugte Spannung 18 mit der Sollspannung 19 übereinstimmt. Bei Übereinstimmung der am Ausgang der Gleichrichterschaltung 16 anliegenden Spannung 18 mit der Sollspannung 19 ist mindestens die am Ausgang 23 der Regeleinrichtung 21 anliegende Spannung ein Maß für die Messkapazität 11. Auch in diesem Fall erzeugt die Signalquelle 22 ein vorzugsweise rechteckförmiges Signal.
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Der Vorteil der vorbeschriebenen Schaltungen liegt darin, dass der invertierende Verstärker 10 über den gesamten Messbereich der Messkapazität 11 immer mit dem gleichen Pegel arbeitet, wodurch die Anforderungen an ihn minimiert werden. Ein weiterer großer Vorteil der vorbeschriebenen Schaltungen ist es, dass ein großer Messbereich für die Messkapazität erfasst werden kann.
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In der (nicht dargestellten) Kennlinie ‚Regelspannung am Ausgang 23 über zu messende Kapazität‘ werden Änderungen sehr kleiner Kapazitätswerte vorteilhaft gespreizt, während Änderungen größerer Kapazitätswerte vorteilhaft zunehmend komprimiert werden.
