DE112017000503T5

DE112017000503T5 - Kapazitäts-Messschaltung mit Sensorverdrahtungsdiagnose

Info

Publication number: DE112017000503T5
Application number: DE112017000503.5T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20190047502A1; US10793097B2; WO2017129552A1; LU92960B1

Abstract

Eine Kapazitäts-Messschaltung (28) zum Bestimmen eines Fühlstroms eines kapazitiven Sensors (12) mit einer Fühlelektrode und einer Schutzelektrode umfasst eine periodische Signalspannungsquelle (24), eine Fühlstrom-Messschaltung (30), die dafür ausgelegt ist, den Fühlstrom mit Bezug auf eine Bezugsspannung zu bestimmen, mindestens ein fernsteuerbares Schaltelement (40), wobei im ersten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an die periodische Messspannung anschließt, um eine erste Bezugsspannung bereitzustellen, und im zweiten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an eine zweite Bezugsspannung anschließt, die sich von der ersten Bezugsspannung unterscheidet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kapazitäts-Messschaltung, ein kapazitives Messsystem, das eine solche Kapazitäts-Messschaltung umfasst, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen kapazitiven Messsystems hinsichtlich einer Unterbrechungsdiagnose des kapazitiven Sensors.
Hintergrund der Erfindung
Kapazitive Mess- und/oder Erkennungssysteme haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem weit verbreitet für die Erkennung des Vorliegens und/oder der Position eines leitfähigen Körpers in der Nähe einer Elektrode des Systems verwendet. Ein kapazitiver Sensor, der manchmal als elektrischer Feldsensor oder Näherungssensor bezeichnet wird, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss von dem Gefühlten (einer Person, einem Körperteil einer Person, einem Haustier, einem Gegenstand, usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen wenigstens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor weist mindestens eine Fühlelektrode auf, die selbst die eine oder die mehreren Antennenelektroden aufweisen könnte, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
Die verschiedenen kapazitiven Fühlmechanismen werden zum Beispiel in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 erläutert. Das Dokument beschreibt das Konzept des Fühlens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere, um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer zu fühlen. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Fühlens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Der zu fühlende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Parallelmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein Spannungsschwingungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfängerelektrode aufgebaut wird, und der an der Empfängerelektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den gefühlten Körper modifiziert werden kann. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
Die kapazitive Kopplung wird im Allgemeinen durch das Anlegen eines Wechselspannungssignals an eine kapazitive Antennenelektrode und durch Messen des von der Antennenelektrode entweder gegen Masse (im Lademodus) oder, im Kopplungsmodus, in die zweite Elektrode (Empfängerelektrode) fließenden Stroms bestimmt. Dieser Strom wird normalerweise mittels eines Transimpedanzverstärkers gemessen, der an die Fühlelektrode angeschlossen ist und der einen in die Fühlelektrode fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, die proportional zu dem in die Antennenelektrode fließenden Strom ist.
Einige kapazitive Sensoren sind als kapazitive Fühlsensoren ohne Schutzelektrode mit einer einzelnen Fühlelektrode ausgeführt. Auch werden recht häufig kapazitive Sensoren verwendet, die eine Fühlelektrode und eine Schutzelektrode umfassen, die proximal angeordnet und voneinander isoliert sind. Diese Technik des „Schutzes“ ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wird häufig zum bewussten Maskieren und somit Formen eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensors verwendet. Hierfür wird die Schutzelektrode auf demselben elektrischen Wechselstrompotential gehalten wie die Fühlelektrode. Infolgedessen ist ein Raum zwischen der Fühlelektrode und der Schutzelektrode frei von einem elektrischen Feld, und der kapazitive Schutz-Fühl-Sensor ist in einer Richtung zwischen der Fühlelektrode und der Schutzelektrode unempfindlich.
Zum Beispiel beschreibt das Patentdokument US 8,354,936 B2 einen kapazitiven Beifahrerdetektor für ein Fahrzeug. Der kapazitive Beifahrerdetektor umfasst eine Hauptelektrode, eine Nebenelektrode und eine Schutzelektrode. Die Hauptelektrode und die Nebenelektrode sind voneinander getrennt und in einem Sitz eines Fahrzeugs angeordnet. Die Schutzelektrode ist zwischen der Hauptelektrode und einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet und von der Hauptelektrode getrennt. Eine empfindliche Merkmal-Messeinheit ist dafür ausgelegt, ein Wechselspannungssignal selektiv oder komplett an die Hauptelektrode, die Nebenelektrode und die Schutzelektrode anzulegen und Strom, der in der Hauptelektrode, der Nebenelektrode bzw. der Schutzelektrode erzeugt wird, in eine Spannung umzuwandeln. Der kapazitive Beifahrerdetektor umfasst ferner eine Steuereinheit, die einen Strom, der durch die Schutzelektrode fließt, als Bezugsstrom definiert, wenn eine Spannung der Hauptelektrode und eine Spannung der Schutzelektrode dasselbe Potential haben. Die Steuereinheit definiert eine Stromfließrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als negative Richtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode höher als die Spannung der Schutzelektrode ist. Die Steuereinheit definiert die Stromfließrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als positive Richtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode niedriger als die Spannung der Schutzelektrode ist. Die Steuereinheit korrigiert die Spannung der Hauptelektrode basierend auf dem durch die Schutzelektrode fließenden Strom derart, dass eine korrigierte Spannung der Hauptelektrode als Beifahrerbestimmungsdaten eingestellt wird.
Auch wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Schutzelektrode erzeugt wird, erkennt die Steuereinheit die Kapazität des Beifahrers korrekt.
Kapazitive Messsysteme, die bei der Steuerung von Airbag-Systemen oder anderen sicherheitsbezogenen Anwendungen verwendet werden, können als sicherheitsrelevante Systemkomponenten betrachtet werden. Es kann somit notwendig sein, die richtige Funktion der verschiedenen Komponenten des Sensors (Fühlelektrode und/oder Schutzelektrode) zu überwachen, um ein falsches Ablesen durch das kapazitive Belegungssystem oder das System eines berührungslosen Grenztasters auszuschließen.
Bei den derzeit erhältlichen Systemen sind die Komplexität und die Kosten, die zur Erkennung einer Sensorunterbrechung, insbesondere der Unterbrechung einer Schutzelektrode, notwendig sind, recht hoch. Derzeitige Lösungen umfassen Mittel, wie unter anderem eine komplexe Unterbrechungsmessschaltung, eine Diode zwischen der Fühlelektrode und der Schutzelektrode, ein vierdrähtiges Kabel für einen Foliensensor, vier Klemmverbindungen, vier Steckerstifte usw.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein weniger komplexes Diagnosekonzept für ein kapazitives Messsystem, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, zur Verfügung zu stellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Kapazitäts-Messschaltung zum Bestimmen eines Fühlstroms eines kapazitiven Sensors gelöst, der wenigstens eine elektrisch leitende Fühlelektrode und wenigstens eine elektrisch leitende Schutzelektrode umfasst, die proximal angeordnet und gegenseitig voneinander getrennt sind.
Der Begriff „galvanisch getrennt“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere dahingehend, dass kein Gleichstrom (Direct Current, DC) zwischen galvanisch getrennten Objekten geleitet wird.
Die vorgeschlagene Kapazitäts-Messschaltung umfasst

- eine periodische Signalspannungsquelle, die dafür ausgelegt ist, an einen Ausgangsanschluss eine Mess-Wechselspannung anzulegen, wobei wenigstens eine der wenigstens einen elektrisch leitenden Fühlelektrode und der wenigstens einen elektrisch leitenden Schutzelektrode elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle anschließbar ist, um die periodische Messspannung zu erhalten,
- eine Fühlstrom-Messschaltung, die dafür ausgelegt ist, anhand einer Bezugsspannung den Fühlstrom zu bestimmen, der eine Position eines Objekts relativ zum kapazitiven Sensor anzeigt, und
- wenigstens ein Schaltelement, das durch eine Schalt-Fernsteuereinheit zwischen wenigstens einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand fernsteuerbar ist.

Die Konfiguration ist derart, dass

- in dem ersten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement die Fühlstrom-Messschaltung elektrisch an den Ausgangsanschluss anschließt, um die periodische Messspannung als eine erste Bezugsspannung zur Bestimmung des Fühlstroms bereitzustellen, und
- in dem zweiten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement die Fühlstrom-Messschaltung elektrisch an eine zweite Bezugsspannung anschließt, die sich von der ersten Bezugsspannung unterscheidet.

Der Begriff „dafür ausgelegt sein“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als speziell programmiert, ausgelegt, eingerichtet oder angeordnet.
Der Begriff „elektrisch anschließbar/angeschlossen bzw. verbindbar/verbunden“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist so zu verstehen, dass er galvanische elektrische Anschlüsse bzw. Verbindungen ebenso wie Anschlüsse bzw. Verbindungen, die durch eine kapazitive und/oder induktive elektromagnetische Kopplung hergestellt werden, umfasst.
Es sei hier ferner angemerkt, dass die Begriffe „erste(r/s)“ und „zweite(r/s)“ in dieser Anmeldung nur zu Unterscheidungszwecken verwendet werden und in keiner Weise eine Reihenfolge oder eine Priorität anzeigen oder vorwegnehmen sollen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Messfehler auftritt, wenn eine Fühlelektrode und eine Schutzelektrode des kapazitiven Sensors nicht auf genau demselben Wechselstrompotential gehalten werden. Durch bewusstes Ändern der Bezugsspannung, die verwendet wird, um den Fühlstrom zu bestimmen, durch Anschließen der Fühlstrom-Messschaltung an die zweite Bezugsspannung, die von der ersten Bezugsspannung verschieden ist, kann ein Signal von der Fühlstrom-Messschaltung erzeugt werden, das eine elektrische Unterbrechung anzeigen kann, wobei die Unterbrechung jede Unterbrechung von elektrischen Verbindungen zwischen den jeweiligen Fühl- und Schutz-Verkabelungs- und Verbindungselementen einschließen kann.
Die Kapazitäts-Messschaltung ist vorzugsweise dafür ausgelegt, eine absolute Differenz zwischen einem ersten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors, der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement in dem ersten Schaltzustand befindet, und einem zweiten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors, der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement in dem zweiten Schaltzustand befindet, zu bestimmen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Sensorunterbrechung anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert (Δ1V_thresh) für die absolute Differenz des Fühlstroms ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht daher darin, dass das Signal, das eine elektrische Unterbrechung anzeigen kann, durch eine Messung der Fühlstrom-Messschaltung erhältlich ist, und zwar auf die gleiche Weise, wie eine regelmäßige Messung zum Bestimmen des Fühlstroms, der eine Position eines Gegenstands relativ zum kapazitiven Sensor anzeigt, durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Aufwand für zusätzliche Hardware, die zum Erkennen einer elektrischen Unterbrechung notwendig ist, niedrig gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Erkennung einer elektrischen Unterbrechung von einem Kapazitätswert eines Kondensators, der aus der Fühlelektrode und der Schutzelektrode des kapazitiven Sensors gebildet ist, unabhängig ist, und daher insbesondere zum Erkennen von elektrischen Unterbrechungen in einem kapazitiven Sensor mit geringen Kapazitätswerten des Kondensators, der aus der Fühlelektrode und der Schutzelektrode gebildet ist, anwendbar ist, d. h. in Fällen, in denen andere Verfahren zum Erkennen einer elektrischen Unterbrechung grundsätzlich unwirksam sind.
Vorzugsweise kann die periodische Messspannung sinusförmig oder quadratwellenförmig sein, und eine Grundfrequenz der periodischen Messspannung liegt in einem Bereich zwischen 10 kHz und 10 MHz. In diesem Frequenzbereich sind Hardwarekomponenten kosteneffektiv und ohne weiteres erhältlich. Der Begriff „Grundfrequenz“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als eine niedrigste sinusförmige Frequenz in einer Fourier-Analyse der periodischen Messspannung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kapazitäts-Messschaltung ferner einen passiven Stromkreis, der elektrisch an den Ausgangsanschluss der periodischen Signalspannungsquelle angeschlossen und dafür ausgelegt ist, die zweite Bezugsspannung bereitzustellen. Auf diese Weise kann die zweite Bezugsspannung auf einfache und komponentensparende Weise bereitgestellt werden.
Vorzugsweise umfasst der passive Stromkreis einen Spannungsteiler. Auf diese Weise kann eine Amplitude des von der Fühlstrom-Messschaltung erzeugten Signals durch bewusstes Ändern der Bezugsspannung, die zum Bestimmen des Fühlstroms verwendet wird, definiert werden, um eine Signaldifferenz zu optimieren, die aus einer Messung erhalten wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement im ersten Schaltzustand befindet, gegenüber einer Messung im zweiten Schaltzustand.
Vorzugsweise bildet die Schalt-Fernsteuereinheit Teil eines Mikrokontrollers, durch den eine zuverlässige und einfache Fernsteuerung des wenigstens einen Schaltelements und auf diese Weise eine zuverlässige Erkennung einer elektrischen Unterbrechung ermöglicht werden kann. Mikrokontroller, die auf geeignete Weise ausgerüstet sind und zum Beispiel eine Prozessoreinheit, eine digitale Speichereinheit, eine Mikrokontroller-Systemuhr, eine Multiplexeinheit und Analog-Digital-Wandler umfassen, sind heute in vielen Varianten ohne weiteres erhältlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kapazitäts-Messschaltung ist die Schalt-Fernsteuereinheit dafür ausgelegt, für einen vorbestimmten Zeitraum das wenigstens eine fernsteuerbare Schaltelement von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu schalten und, wenn der Zeitraum abgelaufen ist, zurück in den ersten Schaltzustand zu schalten. Durch Auswahl eines geeigneten vorbestimmten Zeitraums kann eine quasi kontinuierliche Überwachung hinsichtlich elektrischer Unterbrechungen erreicht werden, während sich der kapazitive Sensor in einem betriebsbereiten Zustand befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kapazitäts-Messschaltung umfasst die Fühlstrom-Messschaltung einen Transimpedanzverstärker (StromSpannungswandler) und ist das wenigstens eine Schaltelement elektrisch an einen Referenzeingangsanschluss des Transimpedanzverstärkers angeschlossen. Auf diese Weise kann problemlos eine Differenz eines von der Fühlstrom-Messschaltung erzeugten Signals durch bewusstes Wechseln von der ersten Bezugsspannung zur zweiten Bezugsspannung, die zum Bestimmen des Fühlstroms verwendet wird, erhalten werden. In Ausführungsformen kann das kapazitive Messsystem eine Demodulationsschaltung umfassen, die dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal oder ein Eingangssignal der Fühlstrom-Messschaltung in Bezug auf die periodische Messspannung zu demodulieren. Falls die Demodulationsschaltung zur Demodulation eines Eingangssignals der Fühlstrom-Messschaltung ausgelegt ist, würde die Demodulationsschaltung vorzugsweise an den Referenzeingangsanschluss des Transimpedanzverstärkers angeschlossen, und das mindestens eine Schaltelement wird demgemäß elektrisch an die Demodulationsschaltung angeschlossen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitives Messsystem zur Verfügung gestellt. Das kapazitive Messsystem umfasst

- eine Ausführungsform der Kapazitäts-Messschaltung, die vorstehend offenbart wurde,
- eine Schalt-Fernsteuereinheit zur Fernsteuerung des wenigstens einen Schaltelements, und
- wenigstens einen kapazitiven Sensor, der elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der wenigstens eine kapazitive Sensor wenigstens eine elektrisch leitende Fühlelektrode und wenigstens eine elektrisch leitende Schutzelektrode umfasst, die proximal angeordnet und galvanisch voneinander getrennt sind.

Auf diese Weise kann ein kapazitives Messsystem mit inhärenten Erkennungsmitteln mit geringer Komplexität zum Erkennen von elektrischen Unterbrechungen erreicht werden.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine kapazitive Sensor des kapazitiven Messsystems zum Betrieb im Lademodus ausgelegt.
Vorteilhafterweise bildet die Schalt-Fernsteuereinheit Teil eines Mikrokontrollers. Auf diese Weise können eine zuverlässige und einfache Fernsteuerung des wenigstens einen Schaltelements und eine zuverlässige Erkennung einer elektrischen Unterbrechung erreicht werden.
In manchen Ausführungsformen umfasst das kapazitive Messsystem eine Demodulationsschaltung, die dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal oder ein Eingangssignal der Fühlstrom-Messschaltung in Bezug auf die periodische Messspannung zu demodulieren. Hierdurch können ohne weiteres und vorteilhafterweise eine phasengleiche Komponente und eine Quadraturkomponente des Ausgangssignals der Fühlstrom-Messschaltung für die weitere Signalverarbeitung mit einem verringerten Rauschpegel erreicht werden, wie es auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist.
Vorzugsweise umfasst die Demodulationsschaltung wenigstens eines von einem demodulierenden synchronen Gleichrichter und einem elektronischen multiplizierenden Mischer. Ferner wird bevorzugt, dass die Demodulationsschaltung Teil des Transimpedanzverstärkers bildet, und insbesondere nutzen die Demodulationsschaltung und der Transimpedanzverstärker ein Gehäuse gemeinsam, wodurch eine geringe Signalverzerrung und/oder eine geringe Aufnahme von elektronischem Rauschen erreicht werden kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform des kapazitiven Messsystems wie vorstehend offenbart hinsichtlich einer Unterbrechungsdiagnose des kapazitiven Sensors gelöst.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Steuern des wenigstens einen Schaltelements, so dass dieses im ersten Schaltzustand ist,
- Bestimmen eines ersten Fühlstroms des kapazitiven Sensors,
- Steuern des wenigstens einen Schaltelements, so dass dieses im zweiten Schaltzustand ist,
- Bestimmen eines zweiten Fühlstroms des kapazitiven Sensors,
- Bestimmen einer absoluten Differenz zwischen dem ersten Fühlstrom und dem zweiten Fühlstrom,
- Vergleichen der bestimmten absoluten Differenz mit wenigstens einem vorbestimmten Schwellenwert für die absolute Differenz des Fühlstroms, und
- Erzeugen eines Ausgangssignals, das eine Sensorunterbrechung anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.

Da Kapazitätswerte anhand von bestimmten Fühlströmen bestimmt werden können, ist das Bestimmen eines Fühlstroms äquivalent zum Bestimmen eines Kapazitätswertes. Somit versteht sich die Wendung „Bestimmen eines Fühlstromwertes“, wie sie in dieser Anmeldung verwendet wird, so, dass sie das Bestimmen irgendeiner anderen physikalischen Größe umfasst, die äquivalent zum Fühlstrom ist, insbesondere einer Impedanz oder Spannung. Durch Anwenden des vorgeschlagenen Verfahrens kann eine wirksame Überwachung bezüglich einer elektrischen Unterbrechung erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner Schritte, die auszuführen sind, falls die bestimmte absolute Differenz gleich dem oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Bei diesen Schritten handelt es sich um

- das Steuern des wenigstens einen Schaltelements, so dass dieses im ersten Schaltzustand ist, und
- die Wiederaufnahme des Bestimmens von Fühlstromwerten des kapazitiven Sensors.

Es kann eine quasi kontinuierliche Überwachung betreffend elektrische Unterbrechungen erreicht werden, während gleichzeitig die betriebliche Verfügbarkeit des kapazitiven Sensors nahezu unbeeinträchtigt bleibt, wenn die Schritte des Verfahrens periodisch ausgeführt werden.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 einen äquivalenten Schaltplan eines kapazitiven Messsystems mit einer Kapazitäts-Messschaltung gemäß der Erfindung mit einem elektrisch angeschlossenen kapazitiven Sensor zeigt; und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zum Betreiben des kapazitiven Messsystems gemäß 1 ist.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 veranschaulicht schematisch einen äquivalenten Schaltplan eines kapazitiven Messsystems 10 mit einer Kapazitäts-Messschaltung 28 gemäß der Erfindung. Das kapazitive Messsystem 10 umfasst ferner einen kapazitiven Sensor 12 und eine Schalt-Fernsteuereinheit 46, deren Funktion nachstehend beschrieben wird.
Der kapazitive Sensor 12 umfasst eine elektrisch leitende Fühlelektrode und eine elektrisch leitende Schutzelektrode, die proximal angeordnet und gegenseitig voneinander getrennt sind. Die Fühlelektrode ist durch eine Fühlimpedanz 14 gekennzeichnet, die einen Fühl-Verdrahtungswiderstand umfasst, der an einem Fühlknoten 16 endet. Die Schutzelektrode ist durch eine Schutzimpedanz 18 gekennzeichnet, die einen Schutz-Verdrahtungswiderstand umfasst, der an einem Schutzknoten 20 endet. Eine Fühl-Schutz-Impedanz 22, die in erster Linie von kapazitiver Art ist, ist elektrisch parallel zwischen der Fühlimpedanz 14 und der Schutzimpedanz 18 angeschlossen. Bei dieser speziellen Ausführungsform hat die Fühl-Schutz-Impedanz 22 eine Kapazität von etwa 1 nF, aber kapazitive Sensoren mit einer höheren oder niedrigeren Fühl-Schutz-Kapazität werden auch in Betracht gezogen.
Die Kapazitäts-Messschaltung 28 umfasst eine periodische, nämlich sinusförmige, Signalspannungsquelle 24, die dafür ausgelegt ist, eine Wechselmessspannung an einem Ausgangsanschluss 26 anzulegen. Die Schutzelektrode, die durch die Schutzimpedanz 18 dargestellt ist, ist elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle 24 angeschlossen, um die periodische Messspannung zu empfangen, die von dort zum Schutzknoten 20 übertragen wird.
Die Kapazitäts-Messschaltung 28 umfasst eine Fühlstrom-Messschaltung 30, die elektrisch an die Fühlelektrode angeschlossen und dafür ausgelegt ist, einen durch die Fühlelektrode fließenden Fühlstrom zu bestimmen. Die Fühlstrom-Messschaltung 30 umfasst einen Transimpedanzverstärker (TIA), dessen Funktion darin besteht, den an einem Signaleingangsanschluss 32 bereitgestellten Fühlstrom in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die proportional zum bestimmten Fühlstrom ist. Der TIA ist dafür ausgelegt, den Fühlstrom in Bezug auf eine Bezugsspannung umzuwandeln, die einem Referenzeingangsanschluss 34 bereitgestellt wird.
Der kapazitive Sensor 12 ist dafür ausgelegt, im Lademodus betrieben zu werden. Der Fühlstrom zeigt eine Position eines Gegenstands relativ zum kapazitiven Sensor 12 an. Ein Gegenstand, der sich der Fühlelektrode nähert, ist in dem äquivalenten Schaltplan aus 1 durch eine unbekannte Impedanz 36 angezeigt, die an ein Erdpotential 38 angeschlossen ist, wobei es sich zum Beispiel um ein Fahrzeug-Erdpotential handeln kann. Falls sich der geerdete Gegenstand der Fühlelektrode nähert, ändert sich die unbekannte Impedanz 36 dahingehend, dass sich zumindest ihr kapazitiver Abschnitt erhöht, und der Fühlstrom, der zwischen der Fühlelektrode und dem Erdpotential 38 fließt, und dadurch erhöht sich eine Amplitude des TIA-Ausgangsspannungssignals, was eine größere Nähe des Gegenstands zum kapazitiven Sensor 12 anzeigt.
Ferner umfasst die Kapazitäts-Messschaltung 28 ein Schaltelement 40, das von der Schalt-Fernsteuereinheit 46 zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand fernsteuerbar ist. Das Schaltelement 40 ist als ein Multiplexgerät ausgebildet, das von einem Mikrokontroller 54 gesteuert wird. Das Multiplexgerät umfasst mehrere Eingangsanschlüsse 42, von denen zwei Eingangsanschlüsse 42₁ , 42₂ , eingesetzt werden, und einen Ausgangsanschluss 44. Der Multiplexgerät-Ausgangsanschluss 44 ist elektrisch an den Referenzeingangsanschluss 34 des TIA angeschlossen.
Der Ausgangsanschluss 26 der Signalspannungsquelle 24 ist elektrisch an einen ersten 42₁ der zwei eingesetzten Multiplexgerät-Eingangsanschlüsse 42₁ , 42₂ angeschlossen. Im ersten Schaltzustand verbindet das Multiplexgerät elektrisch die Fühlstrom-Messschaltung 30, nämlich den Referenzeingangsanschluss 34 des TIA, mit dem Ausgangsanschluss 26 der Signalspannungsquelle 24, um die periodische Messspannung als erste Bezugsspannung zum Bestimmen des Fühlstroms bereitzustellen. Im ersten Schaltzustand ist der TIA dafür ausgelegt, den am Signaleingangsanschluss 32 bereitgestellten Fühlstrom in Bezug auf die periodische Messspannung umzuwandeln, die dem Referenzeingangsanschluss 34 bereitgestellt wird.
Die Kapazitäts-Messschaltung 28 umfasst ferner einen passiven Stromkreis 48, der parallel an die periodische Signalspannungsquelle 24 angeschlossen ist. Der passive Stromkreis 48 umfasst einen Spannungsteiler 50, der zwei Impedanzen umfasst und dafür ausgelegt ist, eine zweite Bezugsspannung bereitzustellen. Hierfür verbindet das Multiplexgerät im zweiten Schaltzustand die Fühlstrom-Messschaltung 30, nämlich den Referenzeingangsanschluss 34 des TIA, elektrisch mit dem Zentrum des Spannungsteilers 50, um eine periodische Messspannung einer geringeren Amplitude als die zweite Bezugsspannung zum Bestimmen des Fühlstroms bereitzustellen.
Im Moment des bewussten Überführens des Schaltelements 40 von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand ist die Spannungsdifferenz zwischen der Fühlelektrode und der Schutzelektrode nicht mehr im Wesentlichen wie zuvor null, und der gemessene Fühlstrom zeigt nun eine Impedanz zwischen dem Fühlknoten 16 und dem Schutzknoten 20 der Kapazitäts-Messschaltung 28 an, was den Fühl-Verdrahtungs- und den Schutz-Verdrahtungswiderstand umfasst. Eine Differenz im TIA-Ausgangsspannungssignal kann zum Erkennen einer elektrischen Unterbrechung in dem kapazitiven Sensor 12 durch Anwenden eines nachstehend beschriebenen Verfahrens genutzt werden.
Die eigentliche Amplitude, die dem Referenzeingangsanschluss 34 des TIA im zweiten Schaltzustand bereitgestellt wird, kann durch Auswählen eines passenden Wertes für ein Verhältnis der Impedanzen des Spannungsteilers 50 eingestellt werden. Die Absolutwerte der Impedanzen werden vorzugsweise groß genug ausgewählt, um zu vermeiden, dass eine zu große Last auf die periodische Signalspannungsquelle 24 gegeben wird. Im zweiten Schaltzustand ist der TIA dafür ausgelegt, den an dem Signaleingangsanschluss 32 vorgesehenen Fühlstrom in Bezug auf einen Bruchteil der periodischen Messspannung, die dem Referenzeingangsanschluss 34 bereitgestellt wird, umzuwandeln, was bedeutet, dass sich die zweite Bezugsspannung von der ersten Bezugsspannung unterscheidet. Es wird im Prinzip auch in Betracht gezogen, dass die Amplitude der ersten Bezugsspannung der Amplitude der periodischen Messspannung gleicht und dass die Amplitude der zweiten Bezugsspannung gleich oder nahe einer Amplitude von null Volt ist.
Wie vorstehend erwähnt, wird das Multiplexgerät von einem Mikrokontroller 54 gesteuert. Ferner bildet die Schalt-Fernsteuereinheit 46 zum Fernsteuern des Schaltelements 40, das durch das Multiplexgerät gebildet ist, einen Teil des Mikrokontrollers 54 und ist von einer Prozessoreinheit 56 des Mikrokontrollers 54 steuerbar.
Das kapazitive Messsystem 10 umfasst ferner einen elektronischen multiplizierenden Mischer als Demodulationsschaltung 52, die dafür ausgelegt ist, das TIA-Ausgangsspannungssignal in Bezug auf die periodische Messspannung so zu demodulieren, dass ein gleichphasiger Abschnitt des TIA-Ausgangsspannungssignals und ein Quadraturabschnitt des TIA-Ausgangsspannungssignals zur weiteren Signalverarbeitung und Rauschreduzierung erhalten werden.
Der Mikrokontroller 54 umfasst mehrere Digital-Analog-Wandler (nicht gezeigt) zum digitalen Umwandeln des gleichphasigen Abschnitts und des Quadraturabschnitts des TIA-Ausgangsspannungssignals und ist dafür ausgelegt, die digital umgewandelten Signalabschnitte in einer digitalen Datenspeichereinheit 58 aufzuzeichnen.
Nachstehend wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben des kapazitiven Messsystems 10 in Bezug auf eine Unterbrechungsdiagnose des kapazitiven Sensors beschrieben. Ein Ablaufdiagramm des Verfahrens ist in 2 angegeben. Bei der Vorbereitung der Verwendung des kapazitiven Messsystems 10 versteht sich, dass sich alle betroffenen Einheiten und Vorrichtungen in einem betriebsbereiten Zustand befinden und wie in 1 veranschaulicht ausgelegt sind.
In einem ersten Schritt 60 des Verfahrens wird das Schaltelement 40 von der Schalt-Fernsteuereinheit 46 so gesteuert, dass es im ersten Schaltzustand ist. Falls das Verfahren mit der Kapazitäts-Messschaltung 28 in ihrem regulären Betriebsmodus gestartet wird, sollte sich das Schaltelement 40 bereits im ersten Schaltzustand befinden, und der Schritt 60 ist nur eine Überprüfung des Zustands des Schaltelements 40, oder der Schritt 60 kann weggelassen werden. Im nächsten Schritt 62 wird ein erster Fühlstromwert des kapazitiven Sensors 12 von der Fühlstrom-Messschaltung 30 bestimmt. Wie vorstehend beschrieben, ist das Bestimmen eines Fühlstroms äquivalent zum Bestimmen eines TIA-Ausgangsspannungssignals, das die unbekannte Impedanz 36 anzeigt.
In einem weiteren Schritt 64 wird das Schaltelement 40 von der Schalt-Fernsteuereinheit 46 so gesteuert, dass es während eines vorbestimmten Zeitraums in einem zweiten Schaltzustand ist. Innerhalb dieses Zeitraums wird in einem folgenden Schritt 66 ein zweiter Fühlstromwert des kapazitiven Sensors 12 von der Fühlstrom-Messschaltung 30 bestimmt.
Im nächsten Schritt 68 wird eine absolute Differenz zwischen dem ersten Fühlstrom und dem zweiten Fühlstrom (oder, äquivalent, zwischen der ersten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude und der zweiten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude) vom Mikrokontroller 54 bestimmt. Alternativ werden eine absolute Differenz zwischen den gleichphasigen Abschnitten der ersten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude und der zweiten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude und eine absolute Differenz zwischen dem Quadraturabschnitt der ersten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude und der zweiten bestimmten TIA-Ausgangsspannungsamplitude bestimmt. Der Mikrokontroller 54 vergleicht im folgenden Schritt 70 die bestimmte absolute Differenz mit einem vorbestimmten Schwellenwert ΔV_thresh für die absolute Differenz der TIA-Ausgangsspannungsamplitude und erzeugt ein Ausgangssignal, das in einem weiteren Schritt 72 eine Unterbrechung des kapazitiven Sensors anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ΔV_thresh ist (in der alternativen Version vergleicht der Mikrokontroller 54 die bestimmte absolute Differenz der gleichphasigen Abschnitte mit einem ersten vorbestimmten Schwellenwert für die absolute Differenz der TIA-Ausgangsspannungsamplitude, und die bestimmte absolute Differenz der Quadraturabschnitte mit einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert für die absolute Differenz der TIA-Ausgangsspannungsamplitude). Das Mikrokontroller-Ausgangssignal kann an eine andere Steuereinheit übertragen werden, zum Beispiel an eine Fahrzeugsteuereinheit bei Kraftfahrzeuganwendungen, wodurch es weiter verarbeitet werden kann und wodurch zusätzliche Schritte vorgenommen werden können. Oder das Mikrokontroller-Ausgangssignal kann auf einer Anzeigeeinheit angezeigt werden, um einen Benutzer zu alarmieren.
Falls die bestimmte absolute Differenz gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert ΔV_thresh ist, wird im nächsten Schritt 74 das Schaltelement 40 von der Schalt-Fernsteuereinheit 46 so gesteuert, dass es wieder im ersten Schaltzustand ist, nachdem der vorbestimmte Zeitraum abgelaufen ist. Im folgenden Schritt, der von dem Mikrokontroller 54 ausgeführt wird, wird das Bestimmen von Fühlstromwerten des kapazitiven Sensors 12 wieder aufgenommen, da keine elektrische Unterbrechung in dem kapazitiven Sensor 12 erkannt wurde.
Der Mikrokontroller 54 ist dafür ausgelegt, die Schritte des Verfahrens periodisch zu initiieren, zum Beispiel mit einer Periode von 1 s. Auf diese Weise kann eine quasi kontinuierliche Überwachung betreffend eine elektrische Unterbrechung innerhalb des kapazitiven Sensors 12 eingerichtet werden, und eine betriebliche Verfügbarkeit des kapazitiven Sensors 12 bleibt nahezu unberührt.
Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft, und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und herbeigeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ oder „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließen keine Mehrheit aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: kapazitives Messsystem
12: kapazitiver Sensor
14: Fühlimpedanz
16: Fühlknoten
18: Schutzimpedanz
20: Schutzknoten
22: Fühl-Schutz-Impedanz
24: periodische Signalspannungsquelle
26: Ausgangsanschluss
28: Kapazitäts-Messschaltung
30: Fühlstrom-Messschaltung
32: Signaleingangsanschluss
34: Referenzeingangsanschluss
36: unbekannte Impedanz
38: Erdpotential
40: Schaltelement
42: Eingangsanschluss
44: Ausgangsanschluss
46: Schalt-Fernsteuereinheit
48: passiver Stromkreis
50: Spannungsteiler
52: Demodulationsschaltung
54: Mikrokontroller
56: Prozessoreinheit
58: digitale Datenspeichereinheit

Schritte

60: Steuern des Schaltelements in den ersten Schaltzustand
62: Bestimmen des ersten Fühlstromwertes
64: Steuern des Schaltelements in den zweiten Schaltzustand
66: Bestimmen des zweiten Fühlstromwertes
68: Bestimmen der absoluten Differenz
70: Vergleichen der absoluten Differenz mit vorbestimmtem Schwellenwert
72: Erzeugen eines Ausgangssignals
74: Steuern des Schaltelements in den ersten Schaltzustand
ΔV_thresh: Schwellenwert

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

US 8354936 B2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 [0003]

Claims

Kapazitäts-Messschaltung (28) zum Bestimmen eines Fühlstroms eines kapazitiven Sensors (12), umfassend wenigstens eine elektrisch leitende Fühlelektrode und wenigstens eine elektrisch leitende Schutzelektrode, die proximal angeordnet und gegenseitig voneinander galvanisch getrennt sind, wobei die Kapazitäts-Messschaltung (28) Folgendes umfasst: - eine periodische Signalspannungsquelle (24), die dafür ausgelegt ist, an einen Ausgangsanschluss (26) eine Mess-Wechselspannung anzulegen, wobei wenigstens eine der wenigstens einen elektrisch leitenden Fühlelektrode und der wenigstens einen elektrisch leitenden Schutzelektrode elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle (24) anschließbar ist, um die periodische Messspannung zu erhalten, - eine Fühlstrom-Messschaltung (30), die dafür ausgelegt ist, anhand einer Bezugsspannung den Fühlstrom zu bestimmen, der eine Position eines Objekts relativ zum kapazitiven Sensor (12) anzeigt, und - wenigstens ein Schaltelement (40), das durch eine Schalt-Fernsteuereinheit (46) zwischen wenigstens einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand fernsteuerbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an den Ausgangsanschluss (26) anschließt, um die periodische Messspannung als eine erste Bezugsspannung zur Bestimmung des Fühlstroms bereitzustellen, und wobei in dem zweiten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an eine zweite Bezugsspannung anschließt, die sich von der ersten Bezugsspannung unterscheidet, und wobei die Kapazitäts-Messschaltung (28) dafür ausgelegt ist: - eine absolute Differenz zwischen einem ersten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors (12), der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement (40) in dem ersten Schaltzustand befindet, und einem zweiten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors (12), der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement (40) in dem zweiten Schaltzustand befindet, zu bestimmen (68), und - ein Ausgangssignal zu erzeugen (72), das eine Sensorunterbrechung anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert (ΔV_thres) für die absolute Differenz des Fühlstroms ist.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen passiven Stromkreis (48), der an den Ausgangsanschluss (26) der periodischen Signalspannungsquelle (24) angeschlossen und dafür ausgelegt ist, die zweite Bezugsspannung bereitzustellen.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach Anspruch 2, wobei der passive Stromkreis (48) einen Spannungsteiler (50) umfasst.
Kapazitäts-Messchaltung (28) zum Bestimmen eines Fühlstroms eines kapazitiven Sensors (12), umfassend wenigstens eine elektrisch leitende Fühlelektrode und wenigstens eine elektrisch leitende Schutzelektrode, die proximal angeordnet und gegenseitig voneinander galvanisch getrennt sind, wobei die Kapazitäts-Messschaltung (28) Folgendes umfasst: - eine periodische Signalspannungsquelle (24), die dafür ausgelegt ist, an einen Ausgangsanschluss (26) eine Mess-Wechselspannung anzulegen, wobei wenigstens eine der wenigstens einen elektrisch leitenden Fühlelektrode und der wenigstens einen elektrisch leitenden Schutzelektrode elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle (24) anschließbar ist, um die periodische Messspannung zu erhalten, - eine Fühlstrom-Messschaltung (30), die dafür ausgelegt ist, anhand einer Bezugsspannung den Fühlstrom zu bestimmen, der eine Position eines Objekts relativ zum kapazitiven Sensor (12) anzeigt, und - wenigstens ein Schaltelement (40), das durch eine Schalt-Fernsteuereinheit (46) zwischen wenigstens einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand fernsteuerbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an den Ausgangsanschluss (26) anschließt, um die periodische Messspannung als eine erste Bezugsspannung zur Bestimmung des Fühlstroms bereitzustellen, und wobei in dem zweiten Schaltzustand das wenigstens eine Schaltelement (40) die Fühlstrom-Messschaltung (30) elektrisch an eine zweite Bezugsspannung anschließt, die sich von der ersten Bezugsspannung unterscheidet, und wobei die Kapazitäts-Messschaltung (28) ferner einen Spannungsteiler (50) umfasst, der an den Ausgangsanschluss (26) der periodischen Signalspannungsquelle (24) angeschlossen und dafür ausgelegt ist, die zweite Bezugsspannung bereitzustellen.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach Anspruch 4, wobei die Kapazitäts-Messschaltung (28) dafür ausgelegt ist: - eine absolute Differenz zwischen einem ersten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors (12), der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement (40) in dem ersten Schaltzustand befindet, und einem zweiten Fühlstromwert des kapazitiven Sensors (12), der bestimmt wird, wenn sich das wenigstens eine Schaltelement (40) in dem zweiten Schaltzustand befindet, zu bestimmen (68), und - ein Ausgangssignal zu erzeugen (72), das eine Sensorunterbrechung anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert (ΔV_thres) für die absolute Differenz des Fühlstroms ist.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalt-Fernsteuereinheit (46) Teil eines Mikrokontrollers (54) bildet.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalt-Fernsteuereinheit (46) dafür ausgelegt ist, das wenigstens eine fernsteuerbare Schaltelement (40) für einen vorbestimmten Zeitraum von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu schalten und zurück in den ersten Schaltzustand zu schalten, wenn der Zeitraum abgelaufen ist.
Kapazitäts-Messschaltung (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fühlstrom-Messschaltung (30) einen Transimpedanzverstärker umfasst und das wenigstens eine Schaltelement (40) elektrisch an einen Referenzeingangsanschluss (34) des Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist.
Kapazitives Messsystem (10), umfassend - eine Kapazitäts-Messschaltung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - eine Schalt-Fernsteuereinheit (46) zur Fernsteuerung des wenigstens einen Schaltelements (40), und - wenigstens einen kapazitiven Sensor (12), der elektrisch an die periodische Signalspannungsquelle (24) angeschlossen ist, wobei der wenigstens eine kapazitive Sensor (12) wenigstens eine elektrisch leitende Fühlelektrode und wenigstens eine elektrisch leitende Schutzelektrode umfasst, die proximal angeordnet und galvanisch gegenseitig voneinander getrennt sind.
Kapazitives Messsystem (10) nach Anspruch 9, wobei der wenigstens eine kapazitive Sensor (12) dafür ausgelegt ist, in einem Lademodus betrieben zu werden.
Kapazitives Messsystem (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Schalt-Fernsteuereinheit (46) Teil eines Mikrokontrollers (54) bildet.
Kapazitives Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ferner umfassend eine Demodulationsschaltung (52), die dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal der Fühlstrom-Messschaltung (30) in Bezug auf die periodische Messspannung zu demodulieren.
Kapazitives Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend eine Demodulationsschaltung (52), die dafür ausgelegt ist, ein Eingangssignal der Fühlstrom-Messschaltung (30) in Bezug auf die periodische Messspannung zu demodulieren.
Verfahren zum Betreiben des kapazitiven Messsystems (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13 in Bezug auf eine Unterbrechungsdiagnose des kapazitiven Sensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Steuern (60) des wenigstens einen Schaltelements (40), so dass dieses im ersten Schaltzustand ist, - Bestimmen (62) eines ersten Fühlstromwertes des kapazitiven Sensors (12), - Steuern (64) des wenigstens einen Schaltelements (40), so dass dieses im zweiten Schaltzustand ist, - Bestimmen (66) eines zweiten Fühlstromwertes des kapazitiven Sensors (12), - Bestimmen (68) einer absoluten Differenz zwischen dem ersten Fühlstrom und dem zweiten Fühlstrom, - Vergleichen (70) der bestimmten absoluten Differenz mit wenigstens einem vorbestimmten Schwellenwert (ΔV_thres) für die absolute Differenz des Fühlstroms, und - Erzeugen (72) eines Ausgangssignals, das eine Sensorunterbrechung anzeigt, falls die bestimmte absolute Differenz kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert (ΔV_thres) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend Schritte, die auszuführen sind, falls die bestimmte absolute Differenz gleich dem oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert (ΔV_thres) ist, nämlich - Steuern (74) des wenigstens einen Schaltelements (40), so dass dieses im ersten Schaltzustand ist, und - Wiederaufnahme des Bestimmens von Fühlstromwerten des kapazitiven Sensors (12).
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Schritte (60-74) periodisch ausgeführt werden.