DE112018000249T5

DE112018000249T5 - Robustes, kostengünstiges kapazitives Messsystem

Info

Publication number: DE112018000249T5
Application number: DE112018000249.7T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110249230B; JP7080893B2; CN110249230A; US11193797B2; JP2020505610A; US20200116530A1; LU100036B1; KR20190110122A; KR102458166B1; WO2018141773A1

Abstract

Eine komplexe Strommessschaltung zum Bestimmen eines im Lademodus betriebenen komplexen Abfühlstroms eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors umfasst eine periodische Signalspannungsquelle (1), eine Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) und eine Demultiplexerschaltung (DMX). Mindestens eine Abfühlantennenelektrode des kapazitiven Sensors ist elektrisch an die Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung (DMX) anschließbar. Jede der Signalausgangsleitungen der Demultiplexerschaltung (DMX) ist an eine andere von Differenzsignal-Eingangsleitungen (8, 8', 9, 9') der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) elektrisch angeschlossen. Die Demultiplexerschaltung (DMX) umfasst drei oder vier Signalausgangsleitungen und die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) umfasst bei drei Signalausgangsleitungen drei Operationsverstärker (15, 20, 61) mit jeweils einem Signaleingangsanschluss oder bei vier Signalausgangsleitungen zwei Differentialverstärker (30, 30') mit jeweils zwei Signaleingangsanschlüssen. Jede Signalausgangsleitung ist elektrisch an einen anderen der Signaleingangsanschlüsse angeschlossen. Für jede Differenzsignal-Eingangsleitung (8, 8', 9, 9') ist entweder ein Kondensator (10, 10', 11, 11'; 10, 11, 60) elektrisch zwischen dem Ausgangsanschluss der periodischen Signalspannungsquelle (1) und der Differenzsignal-Eingangsleitung (8, 8', 9, 9') angeschlossen, wobei eine Impedanz des Kondensators (10, 10', 11, 11'; 10, 11, 60) bei einer Betriebsfrequenz des elektrischen Messsignals nahe null Ohm liegt, oder ein galvanischer Anschluss an einer anderen der Signalausgangsleitungen (8, 8', 9, 9') der Demultiplexerschaltung (DMX) vorgesehen. Ein durch die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) vorgesehenes Ausgangssignal ist zum Bestimmen des komplexen Abfühlstroms verwendbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet kapazitiver Messschaltungen und insbesondere eine kapazitive Messvorrichtung mit einer oder mehreren Elektroden, durch welche Merkmale wie beispielsweise die Form und die Position eines Objekts mit einer komplexen Permittivität, die sich von einer Umgebung unterscheidet, mittels einer kapazitiven Kopplung über das Objekt bestimmt werden.
Hintergrund der Erfindung
Kapazitive Sensoren sowie kapazitive Mess- und/oder Erfassungsvorrichtungen, bei denen kapazitive Sensoren benutzt werden, finden einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem zur Erfassung der Anwesenheit und/oder Position eines leitfähigen Körpers in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet. Der Begriff „kapazitiver Sensor“ bezeichnet in der hierin gebrauchten Bedeutung einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss dessen anspricht, was bei einem elektrischen Feld abgefühlt wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Objekt usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche während des Betriebs des Sensors ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Abfühlelektrode (welche mit emittierenden Antennenelektroden identisch oder davon verschieden sein könnte), an welcher der Einfluss eines Objekts oder Lebewesens auf das elektrische Feld erfasst wird.
Bei einigen kapazitiven Sensoren (mit dem so genannten „Lademodus“; im Engl. „loading mode“) dient die mindestens eine Antennenelektrode gleichzeitig als Abfühlelektrode. In diesem Fall ermittelt eine Messschaltung einen Strom, der als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung in die mindestens eine Antennenelektrode fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der mindestens einen Antennenelektrode und dem Massepotential. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus“; im Engl. „coupling mode“) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Abfühlelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung einen Strom oder eine Spannung, der bzw. die in der Abfühlelektrode induziert wird, wenn mindestens eine sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
Verschiedene kapazitive Abfühlmechanismen werden zum Beispiel in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al. erklärt, die in IEEE Computer Graphics and Applications, 18 (3): 54-60, 1998, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Abfühlung eines elektrischen Feldes, das zur Durchführung berührungsloser dreidimensionaler Positionsmessungen und insbesondere zur Abfühlung der Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen, verwendet wird. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Abfühlung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode“ (Lademodus), „shunt mode“ (Nebenschlussmodus) und „transmit mode“ (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das abzufühlende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld gegen eine Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem gerade abgefühlten Körper ab. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird.
Die Stärke der kapazitiven Kopplung kann beispielsweise bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt wird und der Strom gemessen wird, der von dieser Antennenelektrode entweder zu Masse (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließt. Dieser Strom kann mittels eines Transimpedanzverstärkers gemessen werden, der an die Abfühlelektrode angeschlossen ist und der den in die Abfühlelektrode fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, die proportional zu diesem Strom ist.
Einige kapazitive Sensoren sind als nur abfühlende kapazitive Sensoren mit einer einzigen Abfühlelektrode ausgelegt. Ferner werden ziemlich oft kapazitive Sensoren benutzt, die eine Abfühlelektrode und eine Schutzelektrode umfassen, die nahe beieinander angeordnet und gegenseitig voneinander isoliert sind. Diese Methode des „Schützens“ ist in der Technik weithin bekannt und wird häufig zum zweckbestimmten Maskieren und somit Gestalten eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensors angewendet. Dazu wird die Schutzelektrode auf dem gleichen elektrischen Wechselstrompotential gehalten wie die Abfühlelektrode. Infolgedessen ist ein Raum zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode frei von einem elektrischen Feld und ist der kapazitive Schutz-Mess-Sensor in einer Richtung zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode unempfindlich.
Es wurden viele verschiedene kapazitive Abfühlsysteme für Insassen vorgeschlagen, beispielsweise zur Steuerung der Entfaltung von einem oder mehreren Airbags wie z. B. einem Fahrerairbag, einem Beifahrerairbag und/oder einem Seitenairbag. Das an Jinno et al. erteilte US-Patent 6,161,070 betrifft ein Abfühlsystem für Insassen einschließlich einer einzigen Antennenelektrode, die auf einer Oberfläche eines Fahrgastsitzes in einem Kraftfahrzeug angebracht ist. Ein Oszillator legt ein oszillierendes Spannungssignal an die Antennenelektrode an, wodurch ein sehr kleines elektrisches Feld rings um die Antennenelektrode erzeugt wird. Jinno schlägt die Erfassung der An- oder Abwesenheit eines Fahrgasts auf dem Sitz auf Basis der Amplitude und der Phase des zur Antennenelektrode fließenden Stroms vor.
Das an Stanley erteilte US-Patent 6,392,542 lehrt einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrode umfasst, die in einem Sitz angebracht werden kann und mit einer Abfühlschaltung wirkgekoppelt ist, die an die Elektrode ein oszillierendes oder gepulstes Signal mit einer Frequenz anlegt, die auf Sitznässe „bestenfalls schwach anspricht“. Stanley schlägt die Messung der Phase und Amplitude des zur Elektrode fließenden Stroms vor, um einen belegten oder leeren Sitz zu erfassen und die Sitznässe auszugleichen.
Die luxemburgische Patentanmeldung LU 92 299 A1 beschreibt ein kapazitives Abfühlsystem, das eine Antennenelektrode und eine Steuer- und Auswerteschaltung umfasst, die einen Differential-Transimpedanzverstärker (DTIA) umfasst. Der DTIA umfasst einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang, einen Steuersignaleingang und einen Ausgang und ist dafür ausgelegt, einen ersten Strom derart in den ersten Signaleingang zu speisen, dass eine am ersten bzw. zweiten Signaleingang erzeugte erste und zweite Spannung der an den Steuersignaleingang angelegten Spannung folgen, sowie am Ausgang ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Strom angibt. Es ist ein Demultiplexer vorgesehen, um die Antennenelektrode abwechselnd zum ersten Stromeingang und zum zweiten Stromeingang zu schalten. Eine Bezugswechselspannung wird an einem Bezugsspannungsknoten erzeugt, der mit dem Steuersignaleingang des DTIA wirkverbunden ist. Die Steuer- und Auswerteschaltung umfasst einen Fehlerverstärker, der an seinem Ausgang, der an den Steuersignaleingang angeschlossen ist, ein Fehlersignal erzeugt, welches einer Verstärkung einer Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsspannungsknoten und der Antennenelektrode entspricht.
Andere hatten den Gedanken, das Heizelement einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Abfühlsystems für Insassen zu benutzen. Die internationale Anmeldung WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann und in der Sitzfläche angeordnet ist, wobei der Leiter ferner eine Elektrode eines Zwei-Elektroden-Sitzbelegungssensors bildet.
Die internationale Anmeldung WO 95/13204 A1 offenbart ein ähnliches System, bei dem die Schwingungsfrequenz eines an das Heizelement angeschlossenen Oszillators gemessen wird, um den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes herzuleiten. Kompliziertere Kombinationen aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Sensor werden beispielsweise in den Patentschriften US 7,521,940 B2 , US 2009/0295199 A1 und US 6,703,845 offenbart.
Die Patentschrift US 8,354,936 B2 beschreibt beispielhaft einen kapazitiven Insassendetektor für ein Fahrzeug. Der kapazitive Insassendetektor umfasst eine Hauptelektrode, eine Unterelektrode und eine Schutzelektrode. Die Hauptelektrode und die Unterelektrode sind voneinander getrennt und in einem Fahrzeugsitz angeordnet. Die Schutzelektrode ist zwischen der Hauptelektrode und einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet und von der Hauptelektrode getrennt. Eine charakteristische Empfindlichkeits-Messeinheit ist dafür ausgelegt, ein Wechselspannungssignal selektiv an die Hauptelektrode, die Unterelektrode und die Schutzelektrode oder an alle anzulegen und einen in der Hauptelektrode, der Unterelektrode bzw. der Schutzelektrode erzeugten Strom in eine Spannung umzuwandeln. Der kapazitive Insassendetektor umfasst des Weiteren eine Steuervorrichtung, die einen durch die Schutzelektrode fließenden Strom als Bezugsstrom definiert, wenn eine Spannung der Hauptelektrode und eine Spannung der Schutzelektrode das gleiche Potential aufweisen. Die Steuervorrichtung definiert eine Stromflussrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als Minusrichtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode höher als die Spannung der Schutzelektrode ist. Die Steuervorrichtung definiert die Stromflussrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als Plusrichtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode niedriger als die Spannung der Schutzelektrode ist. Die Steuervorrichtung korrigiert die Spannung der Hauptelektrode basierend auf dem durch die Schutzelektrode fließenden Strom derart, dass eine korrigierte Spannung der Hauptelektrode als Datenwert zur Insassenbestimmung eingestellt wird. Selbst wenn zwischen der Hauptelektrode und der Schutzelektrode eine Potentialdifferenz erzeugt wird, erfasst die Steuervorrichtung die Kapazität des Insassen richtig.
Es entsteht eine schwierige Situation für kapazitive Abfühlvorrichtungen, die für Fahrzeuganwendungen vorgesehen sind und demzufolge Kraftfahrzeug-Vorschriften und -Normen wie beispielsweise ISO 11451-4 (Straßenfahrzeuge - Elektrische Störungen durch schmalbandig gestrahlte elektromagnetische Energie - Fahrzeug-Prüfungen - Teil 4: Stromeinspeisung in den Kabelbaum (BCI)) erfüllen müssen. Kapazitive Abfühlvorrichtungen werden während der BCI-Prüfung leicht durch eingespeiste Hochfrequenzströme (HF-Ströme) gestört.
Ferner hat eine kapazitive Abfühlvorrichtung mit mindestens einer Abfühlelektrode (im Folgenden auch als „Abfühlung“ bezeichnet) und mindestens einer Schutzelektrode (im Folgenden auch als „Schutz“ bezeichnet) parasitäre Impedanzen, die systematisch die Messgenauigkeit einer unbekannten Impedanz beeinträchtigen, die durch Bestimmen eines in den kapazitiven Sensor fließenden Abfühlstroms zu messen ist. Diese Impedanzen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein, eine Abfühlung-zu-Schutz-Impedanz, eine Schutz-zu-Masse-Impedanz, eine Abfühlung-zu-Abfühlung-Strommessschaltungs-Impedanz und eine Schutz-zu-Signalspannungsquelle-Impedanz.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Strommessschaltung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung bereitzustellen, die weniger für Störungen durch eingespeiste HF-Ströme empfindlich ist, eine verringerte Auswirkung einer Abfühlung-zu-Schutz-Impedanz auf die Messgenauigkeit zeigt und eine schnelle Bestimmung des komplexen Abfühlstroms gestattet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine komplexe Strommessschaltung gelöst, die dafür ausgelegt ist, einen komplexen Abfühlstrom eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors zu bestimmen, der im Lademodus betrieben wird und der eine periodische Signalspannungsquelle, eine Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung und eine Demultiplexerschaltung umfasst.
Die periodische Signalspannungsquelle ist dafür ausgelegt, ein periodisches elektrisches Messsignal an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen, der elektrisch an mindestens eine Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors anschließbar ist.
Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung umfasst mindestens einen elektronischen Verstärker, mindestens zwei Differenzsignal-Eingangsleitungen und mindestens einen Signalausgang.
Die Demultiplexerschaltung umfasst einen Demultiplexer, eine Signaleingangsleitung, eine Vielzahl von Signalausgangsleitungen und einen lokalen Oszillator zum Steuern des Schaltbetriebs. Mindestens eine Abfühlantennenelektrode des kapazitiven Sensors ist elektrisch an die Signaleingangsleitung anschließbar. Jede der Signalausgangsleitungen ist an eine andere der mindestens zwei Differenzsignal-Eingangsleitungen der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung elektrisch angeschlossen.
Die Demultiplexerschaltung (DMX) umfasst drei oder vier Signalausgangsleitungen und die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) umfasst bei drei Signalausgangsleitungen drei Operationsverstärker mit jeweils einem Signaleingangsanschluss oder bei vier Signalausgangsleitungen zwei Differentialverstärker mit jeweils zwei Signaleingangsanschlüssen. Jede Signalausgangsleitung ist elektrisch an einen anderen der Signaleingangsanschlüsse angeschlossen.
Für jede Differenzsignal-Eingangsleitung ist entweder

- ein Kondensator elektrisch zwischen dem Ausgangsanschluss der periodischen Signalspannungsquelle und der Differenzsignal-Eingangsleitung angeschlossen, wobei eine Impedanz des Kondensators bei einer Betriebsfrequenz des elektrischen Messsignals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, der nahe null Ohm liegt, oder
- ein galvanischer Anschluss an einer anderen der Signalausgangsleitungen der Demultiplexerschaltung vorgesehen.

Ein an dem mindestens einen Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung vorgesehenes Ausgangssignal ist zum Bestimmen des komplexen Abfühlstroms verwendbar.
Der komplexe Abfühlstrom gibt eine unbekannte Impedanz an, die eine Position eines Objekts relativ zu der mindestens einen Abfühlantennenelektrode darstellt.
Der Ausdruck „dafür ausgelegt“ ist in der in dieser Anmeldung gebrauchten Bedeutung insbesondere als spezifisch programmiert, ausgelegt, bereitgestellt oder angeordnet zu verstehen.
Der Begriff „kapazitiver Schutz-Mess-Sensor“ ist in der in dieser Anmeldung gebrauchten Bedeutung insbesondere als ein kapazitiver Sensor zu verstehen, der mindestens eine elektrisch leitende Abfühlantennenelektrode und mindestens eine elektrisch leitende Schutzantennenelektrode umfasst, die galvanisch voneinander getrennt sind und die normalerweise nahe beieinander angeordnet sind.
Der Ausdruck „elektrisch anschließbar/elektrisch angeschlossen“ ist in der in dieser Anmeldung gebrauchten Bedeutung so zu verstehen, dass er galvanische elektrische Anschlüsse sowie elektrische Anschlüsse, die durch kapazitive und/oder induktive elektromagnetische Kopplung gebildet werden, umfasst.
Es versteht sich, dass das elektrische Messsignal vorzugsweise, aber nicht unbedingt, ein sinusförmiges Signal ist. Im Falle eines sinusförmigen Signals kann die Betriebsfrequenz beispielsweise die Grundfrequenz sein, d. h. eine niedrigste Sinusfrequenz in einer Fourier-Analyse des periodischen elektrischen Messsignals.
Die Kapazität des Kondensators wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass eine Impedanz bei der Betriebs- oder Grundfrequenz kleiner als 100 Ohm, vorzugsweise kleiner als 10 Ohm, bevorzugter kleiner als 1 Ohm und am meisten bevorzugt kleiner als 100 mOhm ist.
Bei der vorgeschlagenen komplexen Strommessschaltung wird der komplexe Abfühlstrom zu einem Differenzsignaleingang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung gedemultiplext. Eine Spannung an den mindestens zwei Differenzsignal-Eingangsleitungen wird auf einem Potential der mindestens einen Schutzantennenelektrode gehalten. Durch die vorgeschlagene komplexe Strommessschaltung kann eine Auswirkung der Abfühlung-zu-Schutz-Impedanz auf die Messgenauigkeit einer kapazitiven Abfühlvorrichtung im Wesentlichen verringert werden. Des Weiteren ist die vorgeschlagene komplexe Strommessschaltung weniger für Störungen durch HF-Ströme wie beispielsweise eingespeiste HF-Ströme in einer BCI-Prüfung empfindlich. Darüber hinaus kann die Verwendung einer Demultiplexerschaltung mit drei oder vier Signalausgangsleitungen und einer geeigneten Anzahl von Operationsverstärkern oder Differentialverstärkern in der vorgeschlagenen komplexen Strommessschaltung eine schnelle Bestimmung des komplexen Abfühlstroms ermöglichen. Komplexe Strommessungen mit definierten Phasendifferenzen von Signalen an Differenzsignaleingängen verschiedener elektronischer Verstärker können ermöglicht werden. Dies führt im Vergleich zu bekannten komplexen Strommessschaltungen zu einer schnelleren Bestimmung von In-Phase- und Quadraturphase-Anteilen des komplexen Abfühlstroms, die zur Berechnung der unbekannten Impedanz verwendet werden können.
Die erfindungsgemäße Strommessschaltung ist insbesondere in KFZ-Anwendungen vorteilhaft anwendbar, die insbesondere so zu verstehen sind, dass sie Anwendungen für Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Busse umfassen.
Es versteht sich für den Fachmann ohne Weiteres, dass die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung ferner eine Vielzahl passiver elektronischer Bauteile als externe Schaltungsanordnung umfassen kann.
Der mindestens eine Signalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltungist ist vorzugsweise als Differenzsignalausgang ausgebildet. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass der mindestens eine Signalausgang als Eintaktausgang ausgelegt ist.
Das elektrische Messsignal ist vorzugsweise als ein sinusförmiges Spannungssignal mit einer Grundfrequenz im Bereich zwischen 10 kHz und 100 MHz gebildet. Dadurch lässt sich eine Anordnung der komplexen Strommessschaltung ermöglichen, die zwischen dem Geräteaufwand und der für die spezifische Anwendung erforderlichen Empfindlichkeit ausgewogen ist.
Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung umfasst vorzugsweise zwei oder mehr Operationsverstärker. Diese Ausgestaltung ist auch dann geeignet, wenn keine Unterdrückung von Gleichtaktstrom notwendig ist. Vorzugsweise wird eine Differenz von Ausgangsleitungen der zwei oder mehr Verstärker für die weitere Signalverarbeitung genutzt.
Die Verwendung von zwei oder mehr Verstärkern bei der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung kann bei geeigneten Ausgestaltungen die Möglichkeit bieten, zwei parallel betriebene komplexe Strommesspfade einzubauen.
Es versteht sich, dass, wenn die Demultiplexerschaltung eine Vielzahl von drei oder vier Signalausgangsleitungen umfasst, die Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals entweder gleich einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen sein kann oder die Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals sich von einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) um einen vorbestimmten Betrag unterscheiden kann, der nicht null ist. Im ersteren Fall können komplexe Strommessungen mit definierten Phasendifferenzen zwischen dem elektrischen Messsignal und dem lokalen Oszillator ermöglicht werden. Im letzteren Fall wird eine Zwischenfrequenz, die gleich der Differenz der zwei Frequenzen ist, am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung erzeugt. Das Vorhandensein der Zwischenfrequenz kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, Offset-Gleichspannungen im Signal zu beseitigen.
Die vorbestimmten Toleranzgrenzen können vorzugsweise niedriger als 0,1 % sein. Bei einer typischen Frequenz von 7 MHz, einer Messzeit von 10 ms und einem Phasenfehler von 1 Grad beträgt die maximale Frequenzdifferenz 0,28 Hz, was 0,04 ppm entspricht.
Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung umfasst bei bevorzugten Ausgestaltungen der komplexen Strommessschaltung mindestens eine analoge elektronische Stromleitungsvorrichtung.
Analoge elektronische Stromleitungsvorrichtungen (oder kurz: Stromleitungsvorrichtungen) sind in verschiedenen Typen (Typ I, II und III) in der Technik bekannt. Eine Stromleitungsvorrichtung ist eine dreipolige analoge elektronische Vorrichtung (siehe 9 bis 11). Die Stromleitungsvorrichtung vom Typ II (kurz: CCII) lässt sich formal beispielsweise durch folgende Gleichung beschreiben: $[\begin{matrix} i_{y} \\ v_{x} \\ i_{z} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & \pm 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{y} \\ i_{x} \\ v_{z} \end{matrix}]$
d. h.

i_y = 0
v_x = v_y
i_z = ±i_x

Das Zeichen vor i_x bezieht sich auf CCII+ bzw. CCII-.
Die Eigenschaften der in Betracht gezogenen Stromleitungsvorrichtungen werden zum Beispiel beschrieben bei K. C. Smith und A. S. Sedra, „The Current Conveyor - A New Building Block", IEEE Proc., 56, S. 1368-1369, 1968; und bei Sedra, A., Smith, K., „A second-generation current-conveyor and its applications", IEEE Trans., Bd. CT-17, S. 132-134, 1970. Diese Dokumente sollen hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit mit Wirkung für diejenigen Jurisdiktionen einbezogen werden, die eine Einbeziehung durch Verweis zulassen.
Die Verwendung mindestens einer Stromleitungsvorrichtung bei der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung kann eine wesentlich kleinere Wechselstrom-Eingangsimpedanz für einen Signalausgang der Demultiplexerschaltung bereitstellen und dadurch die Verwendung von Kondensatoren mit kleineren Kapazitätswerten zwischen dem Ausgangsanschluss der periodischen Signalspannungsquelle und den Differenzsignal-Eingangsleitungen der Differential-Transimpedanzschaltung ermöglichen. Ferner lässt sich durch die fast perfekten Eingangs- und Ausgangsimpedanzeigenschaften von Stromleitungsvorrichtungen eine Steigerung der Gesamtleistung für die komplexe Strommessschaltung erzielen.
Bei der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung werden vorzugsweise Stromleitungsvorrichtungen vom Typ II (CCII+ und/oder CCII-) benutzt.
Vorzugsweise ist die mindestens eine analoge elektronische Stromleitungsvorrichtung aus diskreten Bauteilen aufgebaut. Dadurch kann eine besonders kostengünstige Lösung für die komplexen Strommessungen zur Verfügung gestellt werden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen eines komplexen Abfühlstroms eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors, der im Lademodus betrieben wird, unter Verwendung der vorgeschlagenen komplexen Strommessschaltung vorgesehen, wobei die Betriebsfrequenz des elektrischen Messsignals gleich einer Betriebsfrequenz des lokalen Oszillators der Demultiplexerschaltung innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen ist. Die im Rahmen mit der komplexen Strommessschaltung beschriebenen Vorteile gelten in vollem Umfang für das Verfahren.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals für mindestens eine Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors,
- Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle und einem Schaltbetrieb der Demultiplexerschaltung (DMX) auf einen ersten Phasenwert, so dass ein Absolutwert von einer der Phasen a priori bekannt ist,
- dann Bestimmen einer Spannung oder einer Spannungsdifferenz an der Differenzsignal-Ausgangsleitung der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung,
- dann Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle und dem Schaltbetrieb der Demultiplexerschaltung auf einen zweiten Phasenwert, der sich von dem ersten Phasenwert unterscheidet, und
- dann Bestimmen einer Spannung oder einer Spannungsdifferenz an der Differenzsignal-Ausgangsleitung der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung.

Es ist hiermit anzumerken, dass die Begriffe „erster“ und „zweiter“ in dieser Anmeldung lediglich zum Zwecke der Unterscheidung gebraucht werden und keineswegs eine Reihenfolge oder Priorität angeben oder vorwegnehmen.
Mittels der bei den zwei verschiedenen Phasendifferenzen bestimmten Spannungsdifferenzen kann ein Wert der unbekannten komplexen Impedanz berechnet werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein alternatives Verfahren zum Bestimmen eines komplexen Abfühlstroms eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors, der im Lademodus betrieben wird, unter Verwendung der vorgeschlagenen komplexen Strommessschaltung vorgesehen, wobei sich die Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals von einer Betriebsfrequenz des lokalen Oszillators der Demultiplexerschaltung um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, der nicht null ist. Der im Rahmen mit dieser komplexen Strommessschaltung beschriebene Vorteil der Verwendung einer Zwischenfrequenz gilt in vollem Umfang für das Verfahren.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals für mindestens eine Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors,
- dann Bestimmen einer komplexen Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung bei einer Messfrequenz, die gleich einer Differenz der Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals und der Betriebsfrequenz des lokalen Oszillators oder einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) ist,
- dann elektrisches Verbinden einer fernschaltbaren Bezugsimpedanz stromaufwärts der Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung und
- dann Bestimmen einer komplexen Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung bei der Messfrequenz.

Es kann wiederum mittels der bei den zwei verschiedenen Phasendifferenzen bestimmten Spannungsdifferenzen ein Wert der unbekannten komplexen Impedanz berechnet werden.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung von nicht einschränkenden Ausgestaltungen anhand der beigefügten Zeichnung hervor. Es zeigen:

1 und 2: Anordnungen möglicher Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen komplexen Strommessschaltung und
3: eine Anordnung einer möglichen Ausgestaltung eines Differentialverstärkers für eine Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung einer erfindungsgemäßen komplexen Strommessschaltung.

Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 und 2 zeigen Anordnungen möglicher Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen komplexen Strommessschaltung, die dafür ausgelegt ist, einen komplexen Abfühlstrom eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors, der im Lademodus betrieben wird, zu bestimmen.
Die komplexe Strommessschaltung umfasst eine periodische Signalspannungsquelle 1. Sie erzeugt eine periodische Spannung, die in dieser spezifischen Ausgestaltung eine Sinuswelle mit einer Betriebs- oder Grundfrequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz an einem Ausgangsanschluss ist. Der Ausgangsanschluss ist an einem Schutzknoten 2 elektrisch an eine Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors angeschlossen.
Die komplexe Strommessschaltung umfasst ferner eine Demultiplexerschaltung DMX mit einem Demultiplexer 7, einer Signaleingangsleitung und einer Vielzahl von vier Signalausgangsleitungen sowie eine Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA. Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA umfasst vier Differenzsignal-Eingangsleitungen 8, 8', 9, 9' und Differenzsignalausgänge 16, 16', 21, 21'. Jede der Signalausgangsleitungen der Demultiplexerschaltung DMX ist elektrisch an eine andere der vier Differenzsignal-Eingangsleitungen 8, 8', 9, 9' der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA angeschlossen.
Eine Abfühlantennenelektrode des kapazitiven Sensors ist an einem Abfühlknoten 3 elektrisch an die Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung DMX angeschlossen. Eine parasitäre Kapazität zwischen der Abfühlantennenelektrode und der Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors ist durch einen Kondensator 5 dargestellt. Ein Objekt, das sich der Abfühlantennenelektrode nähert, ist in der Anordnung von 1 durch eine unbekannte Impedanz 4 dargestellt (aus Gründen der Einfachheit als Kondensator dargestellt, wobei die unbekannte Impedanz 4 jedoch auch induktive und/oder ohmsche Komponenten aufweisen kann), die an ein Massepotential angeschlossen ist.
Die Demultiplexerschaltung DMX umfasst eine Vielzahl von vier Signalausgangsleitungen. Der Demultiplexer 7 ist durch vier Schalter 40, 41, 42, 43 und ein Schrittschaltwerk 44 symbolisch dargestellt. Die Schalter 40, 41, 42, 43 werden einzeln und nacheinander durch das Schrittschaltwerk 44, das von dem lokalen Oszillator 45 angesteuert wird, eingeschaltet. Der Schalter 40 wird beispielsweise während eines ersten Viertels des periodischen elektrischen Messsignals eingeschaltet. Während des zweiten Viertels des periodischen elektrischen Messsignals wird der Schalter 42 eingeschaltet. Während des dritten Viertels des periodischen elektrischen Messsignals wird der Schalter 41 eingeschaltet. Während des vierten Viertels des periodischen elektrischen Messsignals wird der Schalter 43 eingeschaltet. Da ein Demodulator, der aus den Schaltern 40, 41 besteht, mit einer Phasendifferenz von 90 Grad im Vergleich zu einem Demodulator, der aus den Schaltern 42, 43 besteht, betrieben wird, kann man die Ausgangsspannungsdifferenzen zwischen den Differenzsignalausgängen 16, 21 und den Differenzsignalausgängen 16', 21' als In-Phase- und Quadraturphase-Anteile des komplexen unbekannten Stroms betrachten, der durch die unbekannte Impedanz 4 fließt. Die In-Phase- und Quadraturphase-Anteile können anschließend dazu verwendet werden, wie oben beschrieben den Wert der unbekannten Impedanz 4 zu berechnen.
Die zwei parallelen Demodulationspfade ermöglichen die gleichzeitige Messung des Real- und Imaginärteils der unbekannten Impedanz 4 und verringern dadurch die Messzeit.
Die Schaltfrequenz der Schalter 40, 41, 42, 43 (d. h. ein Viertel der Frequenz des lokalen Oszillators 45) kann entweder auf die gleiche Frequenz wie die periodische Signalspannungsquelle 1 eingestellt werden oder es kann eine Frequenzdifferenz eingebracht werden.
Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA umfasst zwei Differentialverstärker 30, 30' mit Gleichtaktspannungs-Steuereingang 31, 31', Rückkopplungskondensatoren 13, 13', 18, 18', Rückkopplungswiderstände 14, 14', 19, 19' und Entkopplungswiderstände 12, 12', 17, 17'. Die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA wandelt eine Differenz von Eingangsströmen in die Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und die Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' in eine Spannungsdifferenz zwischen dem Differenzsignalausgang 16, 16' und dem Differenzsignalausgang 21, 21' um. Die Transimpedanz ist durch den Widerstand 14, 14' und den Widerstand 19, 19' sowie den Kondensator 13, 13' und den Kondensator 18, 18' definiert. Vorzugsweise haben der Widerstand 14, 14' und der Widerstand 19, 19' den gleichen Widerstandswert und haben der Kondensator 13, 13' und der Kondensator 18, 18' den gleichen Kapazitätswert. Zusätzlich dazu hält die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA die Gleichspannungsdifferenz zwischen der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' im Wesentlichen bei null V. Darüber hinaus hält sie die Gleichspannungen an der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' im Wesentlichen gleich der Gleichspannung am Gleichtaktspannungs-Steuereingang 31, 31'.
Um eine Ablenkung des unbekannten komplexen Stroms durch die komplexe Impedanz 4 in die parasitäre Kapazität 5 im Wesentlichen zu eliminieren, muss die Wechselstrom-Eingangsimpedanz der komplexen Strommessschaltung zwischen dem Schutzknoten 2 und dem Abfühlknoten 3 im Wesentlichen bei null Ohm bei der Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals gehalten werden. Dies kann durchgeführt werden, indem die Spannungen an der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' im Wesentlichen bei der gleichen Spannung wie derjenigen am Schutzknoten 2 gehalten werden. Es gibt zwei Optionen, um dies zu erzielen:

- Option 1 (in 1 nicht dargestellt): ohne die eingebauten Kondensatoren 10, 10', 11, 11' können die Entkopplungswiderstände 12, 12', 17, 17' im Wesentlichen auf null Ohm eingestellt werden. In diesem Fall stellt die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA die Spannungen an der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' im Wesentlichen auf die gleiche Spannung wie am Schutzknoten 2 ein.
- Option 2 (wie in 1 dargestellt): Hinzufügung von Kondensator 10, 10' und Kondensator 11, 11', welche im Wesentlichen eine Impedanz von null Ohm bei der Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals aufweisen. Die Entkopplungswiderstände 12, 12', 17, 17' verhindern, dass die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA wegen der kapazitiven Last an der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' instabil wird. Die Option 2 besitzt den Vorteil, dass im Wesentlichen alle von außen eingespeisten elektrischen Ströme, beispielsweise bei einer so genannten BCI-Prüfung (Stromeinspeisung in den Kabelbaum), von den Differentialverstärkern 30, 30' fort in den Schutzknoten 2 abgelenkt werden. Der Widerstand 12, 12' und der Widerstand 17, 17' haben vorzugsweise den gleichen Widerstandswert.

Die Option 2 ermöglicht als Alternative die Anwendung einer Ausgestaltung der komplexen Strommessschaltung, wobei der Gleichtaktspannungs-Steuereingang 31, 31' an Wechselstrommasse angeschlossen ist. In diesem Fall müssen alle Kondensatoren 10, 10', 11, 11' montiert werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der Ausgestaltungen der komplexen Strommessschaltung gemäß 1 besteht darin, dass wegen eines symmetrischen Signalverarbeitungswegs von außen eingespeiste elektrische Ströme, die außerhalb der Bandbreite der Demultiplexerschaltung DMX liegen, als Gleichtaktströme an der Differenzsignal-Eingangsleitung 8, 8' und der Differenzsignal-Eingangsleitung 9, 9' vorkommen und am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA im Wesentlichen eliminiert werden.
Die Spannungsdifferenz zwischen den Differenzsignalausgängen der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltungen DTA gemäß 1 kann durch eine Differenzsignalkette weiterverarbeitet werden, die beispielsweise Filter und Verstärker umfasst. Vorzugsweise kann ein Analog-Digital-Wandler (ADW) mit Differentialeingängen an den Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA oder an das Ende der Differenzsignal-Verarbeitungskette angeschlossen werden, wodurch die unterschiedliche Art der Signalverarbeitung über die gesamte Kette erhalten bleibt und dadurch ihre Empfindlichkeit für externe Störquellen optimal verringert wird.
Es ist auch möglich, nur eine der Differenzausgangsleitungen der komplexen Strommessschaltungen gemäß 1 für die Weiterverarbeitung zu benutzen. Die Gleichtaktunterdrückungswirkung der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung bliebe dennoch erhalten.
Das Verfahren zum Bestimmen eines komplexen Abfühlstroms eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors unter Anwendung der Ausgestaltungen der komplexen Strommessschaltung gemäß 1 und 2 umfasst die folgenden Schritte: In einem ersten Schritt wird das periodische elektrische Messsignal der Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird eine Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle 1 und dem lokalen Oszillator 45, 54 auf einen ersten Phasenwert eingestellt, so dass ein Absolutwert einer der Phasen a priori bekannt ist. In einem nächsten Schritt wird eine Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA bestimmt. In einem weiteren Schritt wird dann die Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle 1 und dem lokalen Oszillator 45, 54 auf einen zweiten Phasenwert eingestellt, der sich vom ersten Phasenwert unterscheidet. Anschließend wird in einem nächsten Schritt eine Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA bestimmt. In einem nächsten Schritt werden die Ergebnisse der zwei Messungen zur Berechnung des Werts der unbekannten komplexen Impedanz 4 verwendet. Mit den bekannten zwei absoluten Phasen und der bekannten Schutzspannung stehen ausreichende Informationen für die Berechnung der unbekannten Impedanz 4 zur Verfügung.
Wenn alternativ dazu lediglich die Phasendifferenz zwischen den zwei Phasen bekannt ist, kann eine Vergleichsmessung mit einer a priori bekannten, fernschaltbaren Bezugsimpedanz durchgeführt werden, die elektrisch stromaufwärts der Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung DMX angeschlossen ist, um die unbekannte Impedanz 4 berechnen zu können.
Auch wenn hinter der Demultiplexerschaltung DMX ein Gleichstromversatz in der Signalkette vorliegt, können weitere Messschritte eingeleitet werden. Durch die Implementierung einer zusätzlichen unabhängigen Messung kann eine zusätzliche unbekannte Größe berechnet oder eliminiert werden. Der Gleichstromversatz kann durch Kombinieren der Ergebnisse der zusätzlichen Messungen eliminiert werden.
Als Alternative zum Betrieb der periodischen Signalspannungsquelle 1 und des lokalen Oszillators 45, 54 bei der gleichen Betriebs- oder Grundfrequenz kann zwischen ihnen ein Frequenzversatz mit einem vorbestimmten Betrag, der nicht null ist, eingestellt werden. Wegen des Mischbetriebs der Demultiplexerschaltung DMX tritt die Differenz dieser zwei Frequenzen als Zwischenfrequenz der Wechselspannung am Differenzsignalausgang der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung DTA auf. Die Amplitude und die absolute Phase dieses Zwischenfrequenz-Wechselstromsignals hängt von der komplexen Impedanz der unbekannten Impedanz 4 ab. Die komplexe Impedanz der unbekannten Impedanz 4 kann berechnet werden, indem eine fernschaltbare Bezugsimpedanz stromaufwärts der Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung DMX elektrisch angeschlossen wird und die Amplitude und Phase oder die Komponenten I (In-Phase) und Q (Quadraturphase) des Zwischenfrequenzsignals erneut gemessen werden. Der Vorteil der Verwendung einer Zwischenfrequenz besteht darin, dass ein etwaiger Gleichstromversatz der Signalkette eliminiert wird.
In 3 ist eine Option für die Auslegung des in 1 gezeigten Differentialverstärkers 30, 30' dargestellt. Ein Operationsverstärker 24 erzeugt das Ausgangssignal für den positiven Ausgang des Differentialverstärkers 30. Ein Operationsverstärker 25 invertiert zusammen mit einem Widerstand 26 und einem Widerstand 27 den Ausgang des Operationsverstärkers 24, wobei der Gleichtaktspannungs-Steuereingang 31 als Bezug benutzt wird, wodurch das Ausgangssignal für den negativen Ausgang des Differentialverstärkers 30 erzeugt wird. Der Widerstand 26 und der Widerstand 27 haben vorzugsweise den gleichen Wert.
2 zeigt eine komplexe Strommessschaltung, die die parallele Messung des Real- und Imaginärteils der unbekannten Impedanz 4 mit nur drei Demodulationsschaltern 50, 51, 52 und drei Operationsverstärkern 15, 20, 61 gestattet. Die Demultiplexerschaltung DMX umfasst eine Vielzahl von drei Signalausgangsleitungen. Der Demultiplexer 7 ist durch die drei Schalter 50, 51, 52 und ein Schrittschaltwerk 53 symbolisch dargestellt. Die Schalter 50, 51, 52 werden einzeln und nacheinander durch das Schrittschaltwerk 53 eingeschaltet, das vom lokalen Oszillator 54 angesteuert wird. Der Schalter 50 wird beispielsweise während des ersten Drittels des periodischen elektrischen Messsignals eingeschaltet. Während des zweiten Drittels des periodischen elektrischen Messsignals wird der Schalter 51 eingeschaltet. Während des dritten Drittels des periodischen elektrischen Messsignals wird der Schalter 52 eingeschaltet. Da die drei Demodulatoren, die aus den jeweiligen Schaltern 50, 51, 52 bestehen, mit einer Phasendifferenz von 120 Grad betrieben werden, sind die resultierenden Ausgangsspannungen an den Differenzsignalausgängen 16, 21, 62 unabhängig und für die Berechnung der In-Phase- und Quadraturphase-Anteile des komplexen unbekannten Stroms verwendbar, der durch die unbekannte Impedanz 4 fließt. Die In-Phase- und Quadraturphase-Anteile können dann wie oben beschrieben zur Berechnung des Werts der unbekannten Impedanz 4 verwendet werden. Wenn man beispielsweise die Ausgangsspannungen der Differenzsignalausgänge 16, 21, 62 mit V₁₆, V₂₁ bzw. V₆₂ bezeichnet, können die In-Phase-Spannung V_i und die Quadraturphase-Spannung V_q aus Folgendem berechnet werden: $V_{i} = \frac{V_{16} - V_{62}}{3}$
$V_{q} = \frac{V_{16} - 2 \cdot V_{21} + V_{62}}{3 \cdot \sqrt{3}}$
Die Schaltfrequenz der Schalter 50, 51, 52 (d. h. ein Drittel der Frequenz des lokalen Oszillators 54) kann auch entweder auf die gleiche Frequenz wie die periodische Signalspannungsquelle 1 eingestellt werden oder es kann eine Frequenzdifferenz, die der oben beschriebenen Ausgestaltung ähnlich ist, eingebracht werden.
Wie zuvor beschrieben, überträgt eine CCII-Schaltung einen Eingangsstrom an ihrem Eingangsanschluss ,X' in einen Ausgangsstrom an ihrem Ausgangsanschluss ,Z'. Der Vorteil der Verwendung einer CCII-Schaltung zwischen den Signalausgangsleitungen der demodulierenden Demultiplexerschaltung DMX und dem Differentialverstärker 30 (1) besteht darin, dass die CCII-Schaltung eine Wechselstrom-Eingangsimpedanz (an ihrem ,X'-Anschluss) für die demodulierende Demultiplexerschaltung DMX bereitstellt, die man wesentlich kleiner als die Wechselstrom-Eingangsimpedanz des Differentialverstärkers 30, 30' machen kann. Dies ermöglicht die Verringerung des Kapazitätswerts oder sogar den Wegfall der Kondensatoren 10, 10', 11, 11' in 2, deren Einbau in eine integrierte Schaltung teuer ist, wenn ihre Werte zu hoch sind (normalerweise z. B. über 100 pF).
Die Schaltung in 2 kann auch verbessert werden, indem eine CCII-Schaltung zwischen den Signalausgangsleitungen der demodulierenden Demultiplexerschaltung DMX und den Operationsverstärkern 15, 20, 61 angeordnet wird, wodurch die Kondensatoren 10, 11, 60 entfallen oder ihre Werte verringert werden können.
Obwohl die Erfindung ausführlich in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend bzw. beispielhaft und nicht als einschränkend aufzufassen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausgestaltungen beschränkt.
Andere Variationen der offenbarten Ausgestaltungen können bei der praktischen Anwendung der beanspruchten Erfindung, anhand einer Studie der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche vom Fachmann verstanden und durchgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ oder „umfassend“ nicht andere Merkmale oder Schritte aus und schließt der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ nicht eine Vielzahl aus, die eine Anzahl von mindestens zwei bedeuten soll. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt werden, deutet nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft angewendet werden kann. Jedwede Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht so aufzufassen, dass sie den Schutzbereich einschränken.
Bezugszeichenliste

1: periodische Signalspannungsquelle
2: Schutzknoten
3: Abfühlknoten
4: unbekannte Impedanz
5: Kondensator
7: Demultiplexer
8: Differenzsignal-Eingangsleitung
9: Differenzsignal-Eingangsleitung
10: Kondensator
11: Kondensator
12: Entkopplungswiderstand
13: Rückkopplungskondensator
14: Rückkopplungswiderstand
15: Operationsverstärker
16: Differenzsignaleingang
17: Entkopplungswiderstand
18: Rückkopplungskondensator
19: Rückkopplungswiderstand
20: Operationsverstärker
21: Differenzsignaleingang
24: Operationsverstärker
25: Operationsverstärker
26: Widerstand
27: Widerstand
30: Differentialverstärker
31: Gleichtaktspannungs-Steuereingang
40: Schalter
41: Schalter
42: Schalter
43: Schalter
44: Schrittschaltwerk
45: lokaler Oszillator
50: Schalter
51: Schalter
52: Schalter
53: Schrittschaltwerk
54: lokaler Oszillator
60: Kondensator
61: Operationsverstärker
62: Signalausgang
DMX: Demultiplexerschaltung
DTA: Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung

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 6161070 [0007]
US 6392542 [0008]
LU 92299 A1 [0009]
WO 92/17344 A1 [0010]
WO 95/13204 A1 [0011]
US 7521940 B2 [0011]
US 2009/0295199 A1 [0011]
US 6703845 [0011]
US 8354936 B2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 11451-4 [0013]
K. C. Smith und A. S. Sedra, „The Current Conveyor - A New Building Block“, IEEE Proc., 56, S. 1368-1369, 1968; und bei Sedra, A., Smith, K., „A second-generation current-conveyor and its applications“, IEEE Trans., Bd. CT-17, S. 132-134 [0041]

Claims

Komplexe Strommessschaltung, die dafür ausgelegt ist, einen komplexen Abfühlstrom eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors, der im Lademodus betrieben wird, zu bestimmen, aufweisend - eine periodische Signalspannungsquelle (1), die dafür ausgelegt ist, ein periodisches elektrisches Messsignal an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen, der elektrisch an mindestens eine Schutzantennenelektrode des kapazitiven Sensors anschließbar ist, - eine Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA), die mindestens einen elektronischen Verstärker (30, 30'; 15, 20, 61), mindestens zwei Differenzsignal-Eingangsleitungen (8, 8', 9, 9') und mindestens einen Signalausgang (16, 16', 21, 21'; 16, 21, 62) aufweist, - eine Demultiplexerschaltung (DMX), die einen Demultiplexer (7), eine Signaleingangsleitung, eine Vielzahl von Signalausgangsleitungen und einen lokalen Oszillator (45; 54) zum Steuern des Schaltbetriebs aufweist, wobei mindestens eine Abfühlantennenelektrode des kapazitiven Sensors elektrisch an die Signaleingangsleitung anschließbar ist und jede der Signalausgangsleitungen an eine andere der mindestens zwei Differenzsignal-Eingangsleitungen (8, 8', 9, 9') der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) elektrisch angeschlossen ist, wobei die Demultiplexerschaltung (DMX) drei oder vier Signalausgangsleitungen aufweist und die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) bei drei Signalausgangsleitungen drei Operationsverstärker (15, 20, 61) mit jeweils einem Signaleingangsanschluss oder bei vier Signalausgangsleitungen zwei Differentialverstärker (30, 30') mit jeweils zwei Signaleingangsanschlüssen aufweist, und wobei jede Signalausgangsleitung elektrisch an einen anderen der Signaleingangsanschlüsse angeschlossen ist, und - für jede Differenzsignal-Eingangsleitung (8, 8', 9, 9') entweder - ein Kondensator (10, 11; 10, 11, 60) elektrisch zwischen dem Ausgangsanschluss der periodischen Signalspannungsquelle (1) und der Differenzsignal-Eingangsleitung (8, 8', 9, 9') angeschlossen ist, wobei eine Impedanz des Kondensators (10, 11; 10, 11, 60) bei einer Betriebsfrequenz des elektrischen Messsignals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, der nahe null Ohm liegt, oder - ein galvanischer Anschluss an einer anderen der Signalausgangsleitungen (8, 8', 9, 9') der Demultiplexerschaltung (DMX) vorgesehen ist, wobei ein an dem mindestens einen Differenzsignalausgang (16, 21; 16, 21, 62) der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) vorgesehenes Ausgangssignal zum Bestimmen des komplexen Abfühlstroms verwendbar ist.
Komplexe Strommessschaltung nach Anspruch 1, wobei das elektrische Messsignal als ein sinusförmiges Spannungssignal mit einer Grundfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 100 MHz gebildet ist.
Komplexe Strommessschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) zwei oder mehr Operationsverstärker (15, 20, 21) aufweist.
Komplexe Strommessschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals gleich einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen ist.
Komplexe Strommessschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals von einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet, der nicht null ist.
Komplexe Strommessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) mindestens eine analoge elektronische Stromleitungsvorrichtung aufweist.
Komplexe Strommessschaltung nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine analoge elektronische Stromleitungsvorrichtung aus diskreten Bauteilen aufgebaut ist.
Verfahren zum Bestimmen eines komplexen Abfühlstroms eines kapazitiven Schutz-Mess-Sensors, der im Lademodus betrieben wird, unter Verwendung der komplexen Strommessschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst - Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals für mindestens eine Schutz-Antennenelektrode des kapazitiven Sensors, - Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle (1) und einem Schaltbetrieb der Demultiplexerschaltung (DMX) auf einen ersten Phasenwert, so dass ein Absolutwert von einer der Phasen a priori bekannt ist, - dann Bestimmen einer Spannung am Differenzsignalausgang (16, 16', 21, 21'; 16, 21, 62) der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA), - dann Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der periodischen Signalspannungsquelle (1) und einem Schaltbetrieb der Demultiplexerschaltung (DMX) auf einen zweiten Phasenwert, der sich von dem ersten Phasenwert unterscheidet, und - dann Bestimmen einer Spannung am Differenzsignalausgang (16, 16', 21, 21'; 16, 21, 62) der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA).
Verfahren zum Bestimmen eines komplexen Abfühlstroms nach Anspruch 8, wobei die Schritte des Bestimmens einer Spannung am Differenzsignalausgang das Bestimmen einer Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst - Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals für mindestens eine Schutz-Antennenelektrode des kapazitiven Sensors, - dann Bestimmen einer komplexen Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang (16, 16', 21, 21'; 16, 21, 62) der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) bei einer Messfrequenz, die gleich einer Differenz der Betriebs- oder Grundfrequenz des elektrischen Messsignals und der Betriebsfrequenz des lokalen Oszillators (45; 54) oder einer Schaltbetriebsfrequenz der Demultiplexerschaltung (DMX) ist, - dann elektrisches Verbinden einer fernschaltbaren Bezugsimpedanz stromaufwärts der Signaleingangsleitung der Demultiplexerschaltung (DMX) und, - dann Bestimmen einer komplexen Spannungsdifferenz am Differenzsignalausgang (16, 16', 21, 21'; 16, 21, 62) der Differential-Transimpedanzverstärkerschaltung (DTA) bei der Messfrequenz.