DE10204572B4

DE10204572B4 - Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes

Info

Publication number: DE10204572B4
Application number: DE10204572A
Authority: DE
Inventors: Jaromir Palata; Jörg Schulz
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: DE10204572A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit einer Spannungsquelle, mit mindestens einem Ladeschalter und mindestens einem Umladeschalter, mit einem den Ladeschalter und den Umladeschalter steuernden, vorzugsweise einen Taktgenerator enthaltenden Steuergerät, mit einem Speicherkondensator und mit einer an den Speicherkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, wobei die Spannungsquelle über den geschlossenen Ladeschalter mit einer Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist und die zweite Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem dem Ladeschalter fernen Anschluß der Spannungsquelle verbunden oder verbindbar ist, so daß bei geschlossenem Ladeschalter das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement von der Spannungsquelle geladen wird, wobei eine Elektrode des Speicherkondensators mit der mit dem Ladeschalter verbundenen Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbunden oder verbindbar ist und wobei die zweite Elektrode des Speicherkondensators über den geschlossenen Umladeschalter mit der zweiten Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist, so daß bei geöffnetem Ladeschalter und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit einer Spannungsquelle, mit mindestens einem Ladeschalter und mindestens einem Umladeschalter, mit einem den Ladeschalter und den Umladeschalter steuernden, vorzugsweise einen Taktgenerator enthaltenden Steuergerät, mit einem Speicherkondensator und mit einer an den Speicherkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, wobei die Spannungsquelle über den geschlossenen Ladeschalter mit einer Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist und die zweite Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem dem Ladeschalter fernen Anschluß der Spannungsquelle verbunden oder verbindbar ist, so daß bei geschlossenem Ladeschalter das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement von der Spannungsquelle geladen wird, wobei eine Elektrode des Speicherkondensators mit der mit dem Ladeschalter verbundenen Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbunden oder verbindbar ist und wobei die zweite Elektrode des Speicherkondensators über den geschlossenen Umladeschalter mit der zweiten Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist, so daß bei geöffnetem Ladeschalter und geschlossenem Umladeschalter das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement auf den Speicherkondensator entladen bzw. die in dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement gespeicherte Ladung in den Speicherkondensator umgeladen wird, und wobei aus der am Speicherkondensator nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen anstehenden Spannung durch die Auswerteschaltung die Kapazität bzw. eine Kapazitätsänderung des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes bestimmbar ist.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Kapazität" der Kapazitätswert eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes gemeint; eine "Kapazitätsänderung" meint folglich eine Änderung des Kapazitätswertes eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes. Mit "Erfassung" der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung ist im Rahmen der Erfindung sowohl eine nur qualitative Erfassung als auch eine quantitative Erfassung, also eine echte Messung, gemeint.
"Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" meint im Rahmen der Erfindung jedes Schaltungselement und jedes Bauelement, das kapazitive Eigenschaften hat, häufig auch als Kapazität bezeichnet wird, wobei dann nicht der Kapazitätswert gemeint ist. Ein "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" ist insbesondere ein Kondensator. Als "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" wird im Rahmen der Erfindung aber auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalter, im Zusammenwirken mit einem Beeinflussungskörper, bezeichnet. "Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" meint im Rahmen der Erfindung z. B. aber auch die Kapazität, die miteinander kapazitiv wirkende Leitungen darstellen. Nachfolgend wird statt von einem "kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement" immer von einem Sensorkondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf einen Kondensator im engeren Sinne verbunden ist.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Spannungsquelle" sowohl eine interne Spannungsquelle insgesamt als auch ein Anschluß für eine externe Spannungsquelle gemeint.

Die Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, arbeitet nach dem sogenannten "Ladungsverschiebungsprinzip", auch mit "Charge Transfer Sensing" bezeichnet, ist z. B. aus den deutschen Patentschriften 197 01 899 und 197 44 152 bekannt und soll im folgenden in Verbindung mit einer Skizze, 1, erläutert werden:

Die 1 zeigt – prinzipiell, als Ausführungsbeispiel – eine Schaltungsanordnung zur Erfassung, nämlich zur quantitativen Erfassung, also zur Messung der Kapazität eines Sensorkondensators 1, – wobei der Sensorkondensator 1 nur beispielhaft, wie zuvor erläutert, für ein kapazitives Schaltungs- oder Bauelement steht. Zu der Schaltungsanordnung gehört zunächst eine Spannungsquelle 2, wobei mit dem Begriff "Spannungsquelle" sowohl eine innerhalb der Schaltungsanordnung realisierte Spannungsquelle als auch ein Anschluß für eine solche Spannungsquelle gemeint sein soll. Bei der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist nur ein Anschluß für eine – interne oder externe – Spannungsquelle vorgesehen; gleichwohl wird nachfolgend dieser Anschluß für eine Spannungsquelle immer mit Spannungsquelle 2 bezeichnet.

Zu der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung gehören weiter – funktionsnotwendig – ein Ladeschalter 3 und ein Umladeschalter 4, ein den Ladeschalter 3 und den Umladeschalter 4 – abwechselnd – steuerndes, vorzugsweise einen nicht dargestellten Taktgenerator enthaltendes Steuergerät 5, ein Speicherkondensator 6 und eine an den Speicherkondensator 6 angeschlossene Auswerteschaltung 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Steuergerät 5 und die Auswerteschaltung 7 zu einer Steuer- und Auswerteeinheit 8 zusammengefaßt.

Wie die 1 zeigt, ist die Spannungsquelle 2 über den geschlossenen Ladeschalter 3 mit einer Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 verbindbar und die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 mit dem dem Ladeschalter 3 fernen Anschluß der Spannungsquelle 2 verbunden; im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung der zweiten Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 mit dem dem Ladeschalter 3 fernen Anschluß der Spannungsquelle 2 dadurch realisiert, daß sowohl die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 als auch der dem Ladeschalter 3 ferne Anschluß der Spannungsquelle 2 auf einem gemeinsamen Potential liegen, nämlich dem Massepotential 11. Die zuvor beschriebene Verbindung von Sensorkondensator 1, Spannungsquelle 2 und Ladeschalter 3 führt dazu, daß bei geschlossenem Ladeschalter 3 der Sensorkondensator 1 von der Spannungsquelle 2 geladen wird.

Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, ist eine Elektrode 12 des Speicherkondensators 6 mit der mit dem Ladeschalter 3 verbundenen Elektrode 9 des Speicherkondensators 1 verbunden und ist die zweite Elektrode 13 des Speicherkondensators 6 über den geschlossenen Umladeschalter 4 mit der zweiten Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 verbindbar. Die zuvor beschriebene Verbindung von Sensorkondensator 1, Umladeschalter 4 und Speicherkondensator 6 führt dazu, daß bei geöffnetem Ladeschalter 3 und geschlossenem Umladeschalter 4 der Sensorkondensator 1 auf den Speicherkondensator 6 entladen bzw. die in dem Sensorkondensator 1 gespeicherte Ladung in den Speicherkondensator 6 umgeladen wird.

Schließlich zeigt die 1 noch, daß an die Elektrode 12 des Speicherkondensators 6 ein Entladeschalter 14 angeschlossen ist, mit dem die Elektrode 12 des Speicherkondensators 6 mit dem Massepotential 11 verbindbar ist. Vor dem Beginn einer Messung der Kapazität des Sensorkondensators 1 wird der Speicherkondensator 6 zuerst definiert entladen, und zwar dadurch, daß sowohl der Umladeschalter 4 als auch der Entladeschalter 14 geschlossen werden; sind der Umladeschalter 4 und der Entladeschalter 14 geschlossen, so ist der Speicherkondensator 6 über den Umladeschalter 4, Massepotential 11 und den Entladeschalter 14 kurzgeschlossen.

Wie im Stand der Technik zum "Ladungsverschiebungsprinzip" bzw. zum "Charge Transfer Sensing" bekannt, ist aus der am Speicherkondensator 6 nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen anstehenden Spannung durch die Auswerteschaltung 7 die Kapazität des Sensorkondensators 1 bestimmbar, und zwar unter der Voraussetzung, daß die Spannung der Spannungsquelle 2 und die Kapazität des Speicherkondensators 6 bekannt sind, – weil bekanntermaßen die Spannung an einem Kondensator proportional zu seiner Ladung ist.

Aus der bekannten Spannung der Spannungsquelle 2, der Kapazität des Speicherkondensators 6 und der Anzahl von Lade- und Entladezyklen läßt sich die Kapazität des Sensorkondensators 1 entweder dadurch bestimmen, daß die Anzahl der für eine bestimmte Spannung am Speicherkondensator 6 erforderlichen Lade- und Umladezyklen festgestellt wird, oder dadurch, daß die bei einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen am Speicherkondensator 6 anstehende Spannung festgestellt wird.

Die bekannten, nach dem "Ladungsverschiebungsprinzip" ("Charge Transfer Sensing") arbeitenden Schaltungsanordnungen haben sich in der Praxis durchaus bewährt und werden deshalb umfangreich realisiert. Sie sind jedoch mit einem Nachteil behaftet, nämlich empfindlich gegen NF-Störspannungen. Solche NF-Störspannungen können das Meßergebnis verfälschen, was im folgenden in Verbindung mit einer Skizze, 2, erläutert werden soll, – wobei die in 2 dargestellte Schaltungsanordnung voll und ganz der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht, lediglich zusätzlich eine NF-Störspannungsquelle 15 eingezeichnet ist.

Es sei angenommen, daß die Spannungsquelle 2 eine Betriebsspannung U_B von 5 V zur Verfügung stellt und die NF-Störspannungsquelle 15 eine NF- Störspannung U_S mit einem Momentanwert von 1 V generiert. Das NF-Störspannungspotential P_S soll an der zweiten Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 gegenüber dem Massepotential 11 für den Betrachtungszeitpunkt positiv sein; bezogen auf das Massepotential 11 liegt also an der zweiten Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 ein NF-Störspannungspotential P_S von 1 V.

Es sei ferner angenommen, daß vor dem Beginn des Meßzyklus zunächst der Umschalter 4 und der Entladeschalter 14 geschlossen waren, so daß der Speicherkondensator 6 definiert entladen worden ist, und daß dann während des Meßzyklus der Entladeschalter 14 geöffnet bleibt.

Nunmehr soll ein erster Lade- und Umladezyklus stattfinden; zunächst wird also der Ladeschalter 3 für eine Ladezeit t_L geschlossen, die ausreichend ist für das Laden des Sensorkondensators 1, und dann wird, nachdem der Ladeschalter 3 wieder geöffnet worden ist, der Umladeschalter 4 für eine Umladezeit t_U geschlossen, die ausreichend ist für das Umladen der zunächst im Sensorkondensator 1 gespeicherten Ladung in den Speicherkondensator 6.

Für die nun folgende Betrachtung ist zu berücksichtigen, daß die Lade- und Umladezykluszeit t_LUZ des Lade- und Umladezyklus, die in der Regel geringfügig größer ist als die Summe aus der Ladezeit t_L und der Umladezeit t_U, klein ist gegenüber der Periodendauer t_S der NF-Störspannung U_S, daß aber auch die Meßzeit t_MZ, also die sich aus der einen Meßzyklus bestimmenden Anzahl von Lade- und Umladezyklen ergibt, klein ist gegenüber der Periodendauer t_S der NF-Störspannung U_S.

Für die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung, also ohne die NF-Störspannungsquelle 15, die in 2 gezeigt ist, gilt, daß die Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 auf dem Betriebsspannungspotential P_UB der Spannungsquelle 2 liegt, also auf 5 V, und die zweite Elektrode 10 auf dem Massepotential 11 liegt, also auf 0 V, und daß sich die Ladung des Sensorkondensators 1, die nach dem Schließen des Umladeschalters 4 in den Speicherkondensator 6 umgeladen wird, aus der Kapazität des Sensorkondensators 1 und der Betriebsspannung U_B von 5 V ergibt.

An dieser Stelle sei auf folgendes erläuternd hingewiesen: Das Umladen der nach dem Laden im Sensorkondensator 1 gespeicherten Ladung auf den Speicherkondensator 6 führt dazu, daß die Spannung am Speicherkondensator 6, die beim Beginn des Umladens 0 V betragen hat, sowohl während jedes Umladens als auch bei jedem dem ersten Umladen folgenden Umladen ansteigt. Das bedeutet vor allem auch, daß beim zweiten Umladen weniger Ladung vom Sensorkondensator 1 auf den Speicherkondensator 6 umgeladen wird als beim ersten Umladen, beim dritten Umladen weniger als beim zweiten Umladen, beim vierten Umladen weniger als beim dritten Umladen usw.

Das, was zuvor erläutert worden ist, muß bei der weiter oben beschriebenen Bestimmung der Kapazität des Sensorkondensators 1 aus der Spannung der Spannungsquelle 2, der Kapazität des Speicherkondensators 6 und aus der Anzahl der für eine bestimmte Spannung am Speicherkondensator 6 erforderlichen Lade- und Umladezyklen bzw. aus der bei einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen am Speicherkondensator 6 anstehenden Spannung berücksichtigt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Kapazität des Speicherkondensators 6 sehr groß ist gegenüber der Kapazität des Sensorkondensators 1, wenn die Ladezeit t_L sehr klein ist und wenn die Meßzeit t_MZ sehr klein ist, also die einen Meßzyklus bestimmende Anzahl von Lade- und Umladezyklen klein ist, das, was zuvor erläutert worden ist, unberücksichtigt bleiben kann. In der Praxis kann das, was zuvor erläutert worden ist, jedoch nicht unberücksichtigt bleiben, wird das vielmehr bei der Bestimmung der Kapazität des Sensorkondensators 1 berücksichtigt.

Ist nun die in 2 dargestellte NF-Störspannungsquelle 15 mit, wie zuvor vorausgesetzt, einer NF-Störspannung U_S mit einem Momentanwert – beim Beginn eines Umladezyklus – von 1 V wirksam und steigt der Momentanwert der NF-Störspannung U_S während des Umladezyklus, dann gilt, daß nicht nur die zuvor im Sensorkondensator 1 gespeicherte Ladung in den Speicherkondensator 6 umgeladen wird, daß vielmehr auch ein von der zeitlichen Änderung der NF-Störspannung U_S verursachter Strom durch den Sensorkonden sator 1 in den Speicherkondensator 6 fließt, also zusätzlich Ladung in den Speicherkondensator 6 transportiert wird. Der von der zeitlichen Änderung der NF-Störspannung U_S verursachte, durch den Sensorkondensator 1 in den Speicherkondensator 6 fließende Strom soll nachfolgend mit NF-Störspannungs-Fehlerstrom, die dadurch zusätzlich in den Speicherkondensator 6 transportierte Ladung mit NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet werden. Das Meßergebnis, das aus der am Speicherkondensator 6 nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen anstehenden Spannung bestimmbar ist, wird also durch die zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S verfälscht, weil die sich am Speicherkondensator 6 ergebende Spannung nicht mehr nur von der Spannung der Spannungsquelle 2, also der Betriebsspannung U_B, der Anzahl von Lade- und Umladezyklen und der Kapazität des Speicherkondensators 6 abhängig ist, vielmehr nun auch abhängig ist von der nicht gewollten und in ihrer Größe nicht bekannten NF-Störspannung U_S bzw. der zeitlichen Änderung der NF-Störspannung U_S während eines Umladezyklus, nämlich von der dadurch verursachten NF-Störspannungs-Fehlerladung.

Es gibt verschiedene, im Stand der Technik bekannte Maßnahmen, um den Einfluß von eingestreuten NF-Störspannungen zu vermindern. Hierzu zählt das in der deutschen Offenlegungsschrift 35 44 187 beschriebene Konzept der "aktiven Schirmung"'. Dieses Konzept kann auf die oben beschriebene Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, jedoch nicht sinnvoll angewendet werden, da der Vorteil einer Meßschaltung mit nur zweiwertigem Spannungspegel nicht vorliegt und daher das Potential der Abschirmung mit erheblichem zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand dem veränderlichen Potential der oben beschriebenen Meßschaltung nachgeführt werden müßte.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß das zuvor erläuterte Verfälschen des Meßergebnisses durch NF-Störspannungen nicht mehr eintritt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die zuvor hergeleitete und dargestellte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement vom Kapazitätswert her entsprechendes kapazitives Störspannungskompensations element vorgesehen ist, daß eine Elektrode des Störspannungskompensationselements an die zweite Elektrode des Speicherkondensators und die zweite Elektrode des Störspannungskompensationselements an die zweite Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements angeschlossen ist und daß das Störspannungskompensationselement in gleicher Weise wie das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement durch eine NF-Störspannung beeinflußbar ist.

Einleitend ist ausgeführt worden, was im Rahmen der Erfindung mit "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" gemeint ist und daß dann immer statt von einem "kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement" von einem Sensorkondensator gesprochen wird. Folglich soll nachfolgend statt von einem "kapazitiven Störspannungskompensationselement" immer von einem Störspannungskompensationskondensator gesprochen werden; auch damit soll eine Einschränkung auf einen Kondensator im engeren Sinne nicht verbunden sein.

Daß und wie bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der erfindungsgemäß vorgesehene Störspannungskompensationskondensator, angeschlossen wie zuvor aufgezeigt, den weiter oben beschriebenen, das Verfälschen des Meßergebnisses bewirkenden Einfluß von NF-Störspannungen eliminiert, soll im folgenden in Verbindung mit einer weiteren Skizze, 3, erläutert werden:
Die in 3 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung, wobei lediglich zusätzlich ein Störspannungskompensationskondensator 16 eingezeichnet ist, der eine dem Sensorkondensator 1 entsprechende Kapazität aufweist und zu dem eine Störspannungskompensationselektrode 17 gehört. Die Störspannungskompensationselektrode 17 des Störspannungskompensationskondensators 16 ist an die zweite Elektrode 13 des Speicherkondensators 6 angeschlossen. Der Störspannungskompensationskondensator 16 und die Störspannungskompensationselektrode 17 sind in gleicher Weise wie der Sensorkondensator 1 und die erste Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 durch eine NF-Störspannung U_S beeinflußbar; das ist in 3 dadurch dargestellt, daß die NF-Störspannungsquelle 15 sowohl an die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 als auch an die zweite Störspannungskompensationselektrode 18 des Störspannungskompensationskondensators 16 angeschlossen ist.
Für die nun folgende Betrachtung soll hinsichtlich der Betriebsspannung U_B der Spannungsquelle 2 und der NF-Störspannung U_S der NF-Störspannungsquelle 15 genau das gelten, was zuvor in Verbindung mit der 2 vorausgesetzt worden ist. Auch wird wieder angenommen, daß zunächst der Umschalter 4 und der Entladeschalter 14 geschlossen waren, so daß der Speicherkondensator 6 definiert entladen worden ist, nunmehr jedoch sowohl der Umladeschalter 4 als auch der Entladeschalter 14 geöffnet sind, im übrigen auch der Ladeschalter 3 geöffnet ist.
Nach dem Öffnen des Umladeschalters 4 – und bei noch geöffnetem Ladeschalter 3 – ist der Speicherkondensator 6 praktisch nach wie vor entladen, jedoch haben sowohl der Sensorkondensator 1 als auch der Störspannungskompensationskondensator 16 eine ihrer – vorausgesetzt, gleichen – Kapazität und der momentanen NF-Störspannung U_S entsprechende Ladung; die erste Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 und die erste Störspannungskompensationselektrode 17 des Störkompensationskondensators 16 haben das – mit 0 V angenommene – Massepotential 11, und die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 und die zweite Störspannungskompensationselektrode 18 des Störspannungskompensationskondensators 16 haben das NF-Störspannungspotential P_S mit einem Momentanwert von 1 V.
Nunmehr soll wieder ein erster Lade- und Umladezyklus stattfinden; wie zuvor erläutert, wird also zunächst der Ladeschalter 3 für eine Ladezeit t_L geschlossen und wird dann, nachdem der Ladeschalter 3 wieder geöffnet worden ist, der Umladeschalter 4 für eine Umladezeit t_U geschlossen.
Während vor dem Schließen des Ladeschalters 3 die erste Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 das Massepotential 11 und die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 das NF-Störspannungspotential P_S mit einem Momentanwert von 1 V hat, der Sensorkondensator 1 – von der ersten Elektrode 9 zur zweiten Elektrode 10 gesehen – also auf – 1 V geladen ist, hat das Schließen des Ladeschalters 3 zur Folge, daß die erste Elektrode 9 des Sensorkondensators 1 das Betriebsspannungspotential P_UB von 5 V hat, während die zweite Elektrode 10 des Sensorkondensators 1 nach wie vor das NF-Störspannungspotential P_S mit einem Momentanwert von 1 V haben soll. Während also vor dem Schließen des Ladeschalters 3 der Sensorkondensator 1 – von der ersten Elektrode 9 zur zweiten Elektrode 10 gesehen, auf – 1 V geladen ist, ist der Sensorkondensator 1 nach dem Schließen des Ladeschalters 3 und dem sich daran unmittelbar anschließenden Laden des Sensorkondensators 1 auf + 4 V geladen, – wiederum von der ersten Elektrode 9 zur zweiten Elektrode 10 gesehen. Die Ladung, die notwendig ist, um den Sensorkondensator 1 von – 1 V auf + 4 V umzuladen, ist die gleiche, die erforderlich ist, um einen nicht geladenen Sensorkondensator 1 auf + 5 V zu laden. Die Ladung, die von der Spannungsquelle 2 über den Ladeschalter 3 in den Sensorkondensator 1 fließt, läßt den Speicherkondensator 6 unbeeinflußt.
Wie weiter oben erläutert, hat das Schließen des Ladeschalters 3 nicht nur das zur Folge, was unmittelbar zuvor dargestellt worden ist. Vielmehr fließt nunmehr, verursacht durch die zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S, ein Strom durch den Störspannungskompensationskondensator 16, den Speicherkondensator 6, den geschlossenen Ladeschalter 3 und die Spannungsquelle 2 zurück zur NF-Störspannungsquelle 15 – und damit Ladung in den Speicherkondensator 6. Da diese Ladung wiederum nichts mit der Betriebsspannung U_B der Spannungsquelle 2 zu tun hat, soll auch dieser Transport von Ladung zum Speicherkondensator 6 bzw. in den Speicherkondensator 6 wieder mit NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet werden.
Weiter oben ist in Verbindung mit der 2 erläutert worden, daß die zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S ursächlich ist für einen über den Sensorkondensator 1 und über den Speicherkondensator 6 fließenden NF-Störspannungs-Fehlerstrom sowie einen damit einhergehenden Transport von Ladung zum Speicherkondensator 6, mit NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet. Diese NF-Störspannungs-Fehlerladung entsteht während des Umladezyklus, also bei geschlossenem Umladeschalter 4; sie ist gleichgerichtet mit der funktionsgewollten Umladung der Ladung vom Sensorkondensator 1 in den Speicherkondensator 6, wenn die zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S positiv ist, und wird deshalb nachfolgend als positive NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet. Während des Umladezyklus, also bei geschlossenem Umladeschalter 4, fließt auch ein von der zeitlichen Änderung der NF-Störspannung U_S verursachter Strom über den Störspannungskompensationskondensator 16 und den geschlossenen Umladeschalter 4; dieser Strom läßt den Speicherkondensator 6 und die Ladung im Speicherkondensator 6 unbeeinflußt, kann also unberücksichtigt bleiben.
Zur Lehre der Erfindung und in Verbindung mit der 3 ist erläutert worden, daß die zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S auch ursächlich ist für einen über den Störspannungskompensationskondensator 16 und über den Speicherkondensator 6 fließenden NF-Störspannungs-Fehlerstrom sowie einen damit einhergehenden Transport von Ladung zum Speicherkondensator 6, mit NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet. Diese NF-Störspannungs-Fehlerladung entsteht während des Ladezyklus, also bei geschlossenem Ladeschalter 3; sie ist entgegengerichtet zur funktionsgewollten Umladung der Ladung vom Sensorkondensator 1 in den Speicherkondensator 6 und wird deshalb nachfolgend als negative NF-Störspannungs-Fehlerladung bezeichnet.
Sind nun der Sensorkondensator 1 und der Störspannungskompensationskondensator 16 identisch ausgeführt und in gleicher Weise durch eine zeitliche Änderung der NF-Störspannung U_S beeinflußbar, so sind die positive NF-Störspannungs-Fehlerladung und die negative NF-Störspannungs-Fehlerladung betragsmäßig gleich; sie kompensieren sich also über einen Lade- und Umladezyklus bzw. über die Meßzeit t_MZ, so daß das weiter oben erläuterte Verfälschen des Meßergebnisses durch NF-Störspannungen durch den erfindungsgemäß vorgesehenen und erfindungsgemäß geschalteten Störspannungskompensationskondensator 16 eliminiert ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind vorzugsweise der Sensorkondensator 1 und der Störspannungskompensationskondensator 16 so ausgebildet und angeordnet, daß sich keine richtungsselektive Bevorzugung in Bezug auf die Beeinflussung durch eine NF-Störspannung ergibt.
Bei dem, was bisher ausgeführt worden ist, ist vorausgesetzt worden, daß die Ladezeit t_L und die Umladezeit t_U gleich sind. Wenn das nicht der Fall ist, dann ist dafür zu sorgen, daß das Verhältnis der Kapazität des Sensorkondensators 1 zur Kapazität des Störspannungskompensationskondensators 16 proportional dem Verhältnis der Ladezeit zur Umladezeit ist.
Schließlich sei noch auf folgendes hingewiesen:
In der 3 sind zusätzlich zu dem Sensorkondensator 1 noch weitere Sensorkondensatoren 1a und 1b und zusätzlich zu dem Störspannungskompensationskondensator 16 noch weitere Störspannungskompensationskondensatoren 16a und 16b dargestellt, wobei die Sensorkondensatoren 1, 1a und 1b sowie die Störspannungskompensationskondensatoren 16, 16a und 16b jeweils parallel geschaltet sind; die wirksame Kapazität ergibt sich also aus der Summe der Kapazitäten der Sensorkondensatoren 1, 1a und 1b bzw. aus der Summe der Kapazitäten der Störspannungskompensationskondensatoren 16, 16a und 16b. Eine solche Ausführungsform kann sich dann empfehlen, wenn als kapazitives Schaltungs- oder Bauelement die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalters oder eines kapazitiven Füllstandssensors vorliegt.

Claims

Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit einer Spannungsquelle, mit mindestens einem Ladeschalter und mindestens einem Umladeschalter, mit einem den Ladeschalter und den Umladeschalter steuernden, vorzugsweise einen Taktgenerator enthaltenden Steuergerät, mit einem Speicherkondensator und mit einer an den Speicherkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, wobei die Spannungsquelle über den geschlossenen Ladeschalter mit einer Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist und die zweite Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem dem Ladeschalter fernen Anschluß der Spannungsquelle verbunden oder verbindbar ist, so daß bei geschlossenem Ladeschalter das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement von der Spannungsquelle geladen wird, wobei eine Elektrode des Speicherkondensators mit der mit dem Ladeschalter verbundenen Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbunden oder verbindbar ist und wobei die zweite Elektrode des Speicherkondensators über den geschlossenen Umladeschalter mit der zweiten Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes verbindbar ist, so daß bei geöffnetem Ladeschalter und geschlossenem Umladeschalter das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement auf den Speicherkondensator entladen bzw. die in dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement gespeicherte Ladung in den Speicherkondensator umgeladen wird, und wobei aus der am Speicherkondensator nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Umladezyklen anstehenden Spannung durch die Auswerteschaltung die Kapazität bzw. eine Kapazitätsänderung des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement vom Kapazitätswert her entsprechendes kapazitives Störspannungskompensationselement vorgesehen ist, daß eine Elektrode (17) des Störspannungskompensationselements an die zweite Elektrode (13) des Speicherkondensators (6) und die zweite Elektrode (18) des Störspannungskompensationselements an die zweite Elektrode (10) des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements angeschlossen ist und daß das Störspannungskompensationselement in gleicher Weise wie das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement durch eine NF-Störspannung beeinflußbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement und das kapazitive Störspannungskompensationselement so ausgebildet und angeordnet sind, daß sich keine richtungsselektive Bevorzugung in bezog auf die Beeinflussung durch eine NF-Störspannung ergibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeit (t_L) und die Umladezeit (t_U) gleich sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Ladezeit (t_L) und die Umladezeit (t_U) ungleich sind, das Verhältnis der Kapazität des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes zur Kapazität des kapazitiven Störspannungskompensationselementes proportional dem Verhältnis der Ladezeit (t_L) zur Umladezeit (t_U) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kapazitive Schaltungs- oder Bauelemente und mehrere kapazitive Störspannungskompensationselemente vorgesehen sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Schaltungs- oder Bauelemente einerseits und die kapazitiven Störspannungskompensationselemente andererseits parallel geschaltet sind.