DE19851506C1 - Capacitive sensor evaluation method e.g. for pressure sensor, has periodic input signal supplied simultaneously to integration path containing reference capacitor and series circuit containing resistor and sensor capacitor - Google Patents

Capacitive sensor evaluation method e.g. for pressure sensor, has periodic input signal supplied simultaneously to integration path containing reference capacitor and series circuit containing resistor and sensor capacitor

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Abstract

The evaluation method uses a symmetrical periodic input signal (U0) supplied to an integration path (1) containing a reference capacitor (4) for providing an intermediate signal (U1) and to a series circuit (2), provided by a resistor (R2) and the sensor capacitor (6), at the resistor side. The intermediate signal is coupled to the opposite end of the series circuit, with the measuring signal (U2) obtained from the connection node between the resistor and the sensor capacitor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, insbesondere für Drucksensoren, unter Einsatz eines Referenzkondensators, eines Meßkondensa­ tors mit einer von einer zu erfassenden physikalischen Meßgröße beeinflußbaren Meßkapazität und eines periodischen, im wesentlichen symmetrischen Eingangssig­ nals U0, wobei in einem Integrationszweig mittels des Referenzkondensators oder des Meßkondensators durch Integration des Eingangssignals U0 ein Zwischensignal U1 erzeugt wird und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und dem Meßkonden­ sator oder dem Referenzkondensator vorgesehen ist.The invention relates to an evaluation method for capacitive sensors, in particular for pressure sensors, using a reference capacitor, a measuring capacitor with a measuring capacitance that can be influenced by a physical measured variable to be detected and a periodic, essentially symmetrical input signal U 0 , in an integration branch by means of the reference capacitor or the measuring capacitor by integrating the input signal U 0, an intermediate signal U 1 is generated and a series circuit comprising a resistor and the measuring capacitor or the reference capacitor is provided.

Es sind verschiedene Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren bekannt. Dabei geht es immer darum, den Kapazitätswert oder eine Kapazitätsänderung eines kapa­ zitiven Bauelementes qualitativ oder quantitativ zu erfassen. Meistens handelt es sich bei dem kapazitiven Bauelement um einen Kondensator oder um die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalter. Häufig wird dabei ein zweites kapazitives Bauele­ ment verwendet, dessen Kapazitätswert dann als Referenzgröße zur Auswertung mit herangezogen wird. Nachfolgend wird statt von einem kapazitiven Bauelement im­ mer vom einem Kondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf einen Kondensator im engeren Sinne verbunden ist. Insbesondere wird im Rahmen der Erfindung unter Kondenstor auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungs­ schalters verstanden.Various evaluation methods for capacitive sensors are known. Here it is always about the capacity value or a capacity change of a kapa qualitative or quantitative citation component. Mostly it is in the case of the capacitive component around a capacitor or around the electrode capacitive proximity switch. Often a second capacitive component is used ment, the capacitance value is then used as a reference value for evaluation is used. In the following, instead of a capacitive component in the spoken of a capacitor, without being restricted a capacitor is connected in the narrower sense. In particular, is in the frame the invention under capacitor also the electrode of a capacitive approximation switch understood.

Bei bekannten Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, wie sie beispielsweise in der DE 30 07 426 A1 beschrieben werden, wird der gesuchte Kapazitätswert bei­ spielsweise über eine Brückenschaltung bestimmt oder als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung eingesetzt. Bei einem anderen Auswerteverfah­ ren, wie es aus der DE 44 23 907 A1 und der DE 44 35 877 A1 bekannt ist, wird der Ladungstransport beim Auf- oder Entladen eines Kondensators gemessen und so der Kapazitätswerts bzw. die Kapazitätsänderung im Vergleich zu einem Referenzkon­ densator bestimmt. Die bekannten Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren wei­ sen typenspezifisch unterschiedliche Vor- und Nachteile auf.In known evaluation methods for capacitive sensors, as for example in described in DE 30 07 426 A1, the capacity value sought is at determined for example via a bridge circuit or as frequency-determining Element used in an oscillator circuit. With another evaluation procedure ren, as is known from DE 44 23 907 A1 and DE 44 35 877 A1, the Charge transport measured when charging or discharging a capacitor and so the Capacity value or the change in capacity compared to a reference con capacitor determined. The known evaluation method for capacitive sensors knows have different advantages and disadvantages depending on the type.

Bei dem aus der DE 44 35 877 A1 bekannten Auswerteverfahren werden der Refe­ renzkondensator und der Meßkondensator mittels einer gemeinsamen Stromquelle gleichzeitig be- und entladen, wobei der erzeugte Strom ein Vielfaches des tatsächli­ chen Ladestroms beträgt. Dies ist notwendig, um den Einfluß der kapazitiven Kriech­ ströme und Kapazitäten in der Gesamtschaltung möglichst klein zu halten. Erst unmit­ telbar vor den Kondensatoren wird der für die Ladung tatsächlich benötigte Lade­ strom mittels eines Stromteilers abgezweigt. Das Generieren des Vielfachen des Lade­ stroms zusammen mit dem Strombedarf der getakteten Stromquelle selbst und dem ei­ ner notwendigen Linearisierungsmaßnahme schließt eine störsichere Anwendung in einem Zweileitertransmitter für 4 bis 20 mA nahezu aus.In the evaluation method known from DE 44 35 877 A1, the ref renzkondensator and the measuring capacitor by means of a common current source loading and unloading at the same time, the electricity generated being a multiple of the actual  Chen charging current is. This is necessary to reduce the influence of capacitive creep keep currents and capacities in the overall circuit as small as possible. Not until now The charge that is actually required for the charge becomes visible in front of the capacitors branched off by means of a current divider. Generating multiples of the ark currents together with the power requirements of the clocked power source itself and the egg The necessary linearization measure includes an interference-free application a two-wire transmitter for 4 to 20 mA almost.

Aus der DE 42 26 137 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Signals eines kapazitiven Meßwertfühlers bekannt, bei der das Signal des kapazitiven Meß­ wertfühlers die Impulslänge eines Monoflops bestimmt. Die durch das Monoflop gebildeten Impulse werden integriert und als Meßsignal dem einen Eingang eines Verstärker- und Offsetsubtraktions-Schaltkreises zugeführt. Diese bekannte Schal­ tungsanordnung ist dadurch relativ aufwendig, weil zum einen der Verstärker- und Offsetsubtraktions-Schaltkreis die Funktion eines sonst üblichen Refernzkondensa­ tors übernimmt, zum anderen zusätzlich ein einstellbarer Multivibrator zur Triggerung des Monoflops benötigt wird.DE 42 26 137 A1 describes a circuit arrangement for evaluating the signal a capacitive measuring sensor is known, in which the signal of the capacitive measuring the pulse length of a monoflop. That through the monoflop Formed pulses are integrated and the one input of a Amplifier and offset subtraction circuit fed. This well-known scarf arrangement is relatively expensive because, on the one hand, the amplifier and Offset subtraction circuit functions as an otherwise common reference condenser tors also takes over an adjustable multivibrator for triggering of the monoflop is needed.

Bei dem Auswerteverfahren, von dem die Erfindung ausgeht (DE 197 08 330 C1), wird mittels des Referenzkondensators oder des Meßkondensators durch Integration des Eingangssignals U0 ein Zwischensignal U1 und mittels des Meßkondensators oder des Referenzkondensators durch Differentiation des Zwischensignals U1 das Meßsignal U2 erzeugt. Dieses Auswerteverfahren ermöglicht zwar die Anwendung in einem Zweileitertransmitter für 4 bis 20 mA, nachteilig ist bei diesem Verfahren jedoch die Reihenschaltung zweier aktiver Stufen mit gegensätzlicher Aufgabe (Integrieren- Differenzieren). Darüber hinaus ist nachteilig, daß mit dem Eingangssignal U0 und dem Meßsignal U2 zwei Signale mit relativ hoher Amplitude und nur relativ geringem Amplitudenunterschied für die anschließende Auswertung zur Verfügung stehen. Somit bewirken bereits relativ kleine Abweichungen einer oder beider Amplituden relativ starke Meßgrößenabweichungen, wobei die Abweichungen der Amplituden beispielsweise durch Temperatur- oder EMV-Einflüsse hervorgerufen werden kön­ nen. In the evaluation method on which the invention is based (DE 197 08 330 C1), an intermediate signal U 1 is generated by means of the reference capacitor or the measuring capacitor by integrating the input signal U 0 and the measuring signal U 1 by means of the measuring capacitor or the reference capacitor by differentiating the intermediate signal U 1 2 generated. Although this evaluation method enables use in a two-wire transmitter for 4 to 20 mA, the disadvantage of this method is the series connection of two active stages with opposite tasks (integrating-differentiating). In addition, it is disadvantageous that the input signal U 0 and the measurement signal U 2 are two signals with a relatively high amplitude and only a relatively small difference in amplitude for the subsequent evaluation. Thus, even relatively small deviations in one or both amplitudes cause relatively large deviations in the measured variables, the deviations in the amplitudes being able to be caused, for example, by temperature or EMC influences.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Auswerteverfahren für kapa­ zitive Sensoren anzugeben, bei dem die Temperaturstabilität und die elektromagneti­ sche Verträglichkeit (EMV) deutlich erhöht ist, das trotzdem jedoch nur einen sehr geringen Strombedarf aufweist.The invention is therefore based on the object of an evaluation method for kapa to specify zitive sensors, in which the temperature stability and the electromagnetic cal compatibility (EMC) is significantly increased, but still only a very has low power requirements.

Das erfindungsgemäße Auswerteverfahren, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal zusätzlich dem wider­ standsseitigen Ende der Reihenschaltung und das Zwischensignal dem kondensator­ seitigen Ende der Reihenschaltung zugeführt wird und daß das Potential am Verbin­ dungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Meßkondensator bzw. dem Refe­ renzkondensator als Meßsignal verwendet wird. The evaluation method according to the invention, in which the task shown above is solved, is characterized in that the input signal in addition to the stand-side end of the series circuit and the intermediate signal to the capacitor side end of the series connection and that the potential at the connec point between the resistor and the measuring capacitor or the Refe reference capacitor is used as a measurement signal.  

Aus dem, was eingangs ausgeführt worden ist, ergibt sich, daß das in Rede stehende Auswerteverfahren eine Schaltungsanordnung voraussetzt, die einerseits einen Inte­ grationszweig und andererseits eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R2 und dem Meßkondensator oder dem Referenzkondensator aufweist. Dazu korrespondiert, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dadurch gekennzeichnet ist, daß das Po­ tential am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2 und dem Meßkondensa­ tor oder Referenzkondensator als Meßsignal U2 verwendet wird. Liegt eine Schal­ tungsanordnung vor, bei der die Reihenschaltung aus einem Widerstand R2 und dem Meßkondensator besteht, so wird das Potential am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2 und dem Meßkondensator als Meßsignal U2 verwendet. Liegt jedoch eine Schaltungsanordnung vor, bei der die Reihenschaltung aus einem Widerstand R2 und dem Referenzkondensator besteht, so wird das Potential am Verbindungs­ punkt zwischen dem Widerstand R2 und dem Referenzkondensator als Meßsignal U2 verwendet.From what has been stated at the outset, it follows that the evaluation method in question requires a circuit arrangement which, on the one hand, has an integration branch and, on the other hand, has a series circuit comprising a resistor R 2 and the measuring capacitor or the reference capacitor. This corresponds to the fact that the method according to the invention is also characterized in that the potential at the connection point between the resistor R 2 and the measuring capacitor or reference capacitor is used as the measuring signal U 2 . If there is a circuit arrangement in which the series circuit consists of a resistor R 2 and the measuring capacitor, the potential at the connection point between the resistor R 2 and the measuring capacitor is used as the measuring signal U 2 . However, if there is a circuit arrangement in which the series circuit consists of a resistor R 2 and the reference capacitor, the potential at the connection point between the resistor R 2 and the reference capacitor is used as the measurement signal U 2 .

Für die Schaltungsanordnung, die dem Auswerteverfahren zugrundeliegt, von dem die Erfindung ausgeht (DE 197 08 330 C1), gilt, daß zwei aktive Stufen vorgesehen sind, nämlich der Integrationszweig und ein Differentiationszweig; sowohl der Inte­ grationszweig als auch der Differentiationszweig weisen einen Operationsverstärker auf (vgl. die Fig. 1 und 2 in der DE 197 08 330 C1). Demgegenüber genügt für das er­ findungsgemäße Verfahren eine Schaltungsanordnung, die nur eine aktive Stufe auf­ weist, nämlich den Integrationszweig. Statt der bei dem bekannten Verfahren vorge­ sehenen zweiten aktiven Stufe, Differentiationszweig mit Operationsverstärker, ist eine einfache Reihenschaltung aus einem Widerstand R2 und dem Meßkondensator oder Referenzkondensator vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert folglich weniger Bauteile, und der Strombedarf und die Temperaturempfindlichkeit sind verringert.For the circuit arrangement on which the evaluation method on which the invention is based (DE 197 08 330 C1), it applies that two active stages are provided, namely the integration branch and a differentiation branch; Both the integration branch and the differentiation branch have an operational amplifier (cf. FIGS . 1 and 2 in DE 197 08 330 C1). In contrast, a circuit arrangement which has only one active stage, namely the integration branch, is sufficient for the method according to the invention. Instead of the second active stage provided in the known method, differentiation branch with operational amplifier, a simple series connection of a resistor R 2 and the measuring capacitor or reference capacitor is provided. The method according to the invention consequently requires fewer components, and the power requirement and the temperature sensitivity are reduced.

Bei dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren wird vorzugsweise das Eingangssig­ nal U0 in Form einer Rechteckspannung hochohmig dem Referenzkondensator oder dem Meßkondensator zugeführt und das Meßsignal U2 hochohmig abgetastet und anschließend verstärkt. Der Integrationszweig besteht dabei vorzugsweise aus einem dem Referenzkondensator bzw. dem Meßkondensator vorgeschalteten Widerstand R1 und einem dem Referenzkondensator bzw. dem Meßkondensator parallelgeschal­ teten Operationsverstärker. Die rechteckförmige Eingangsspannung U0 wird somit auf dem Wege der Integration in eine Dreieckspannung umgewandelt, gemäß der Gleichung
In the evaluation method according to the invention, the input signal U 0 is preferably supplied in the form of a square-wave voltage with high resistance to the reference capacitor or the measuring capacitor, and the measurement signal U 2 is sampled with high resistance and then amplified. The integration branch preferably consists of a resistor R 1 connected upstream of the reference capacitor or the measuring capacitor and an operational amplifier connected in parallel with the reference capacitor or the measuring capacitor. The rectangular input voltage U 0 is thus converted into a triangular voltage in accordance with the equation

wobei C1 die zur Integration notwendige Kapazität darstellt, d. h. die Kapazität des Referenzkondensators oder des Meßkondensators.where C 1 represents the capacitance required for integration, ie the capacitance of the reference capacitor or the measuring capacitor.

Vorteilhafterweise wird das Meßsignal U2 einem Regelglied zugeführt, wobei das Re­ gelglied durch Einspeisung eines Zusatzstromes I3 das Meßsignal U2 auf Null regelt und dann das Ausgangssignal U4 des Regelgliedes als Meßsignal verwendet wird. Al­ ternativ oder zusätzlich zum Ausgangssignal U4 des Regelgliedes kann auch der Zu­ satzstrom I3 als Meßsignal verwendet werden.Advantageously, the measurement signal U 2 is fed to a control element, wherein the control element Re regulates the measurement signal U 2 to zero by feeding in an additional current I 3 and then the output signal U 4 of the control element is used as the measurement signal. Al ternatively or in addition to the output signal U 4 of the control element, the set current I 3 can also be used as a measurement signal.

Gemäß einer weitere vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die hier noch er­ wähnt werden soll, wird der Anfang und das Ende eines Pulses, d. h. die Frequenz, des Eingangssignals U0, durch das Erreichen eines bestimmten Spannungspegels des Zwischensignals U1 festgelegt.According to a further advantageous embodiment of the invention, which he will be mentioned here, the beginning and the end of a pulse, ie the frequency, of the input signal U 0 is determined by reaching a certain voltage level of the intermediate signal U 1 .

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 2 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenIn detail, there are now a multitude of possibilities for the inventive method To further develop evaluation methods for capacitive sensors. Please refer to this on the one hand to the claims subordinate to claims 1 and 2, on the other hand, in connection with the description of preferred exemplary embodiments with the drawing. Show in the drawing

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung entsprechend einem ersten Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Senso­ ren, Fig. 1 shows a circuit arrangement corresponding to a first game Ausführungsbei of the evaluation method according to the invention for capacitive Senso reindeer,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung entsprechend einem zweiten Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sen­ soren, Fig. 2 shows a circuit arrangement according to a second execution example of the evaluation method according to the invention for capacitive sensors Sen,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines dritten Ausführungsbeispieles des er­ findungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren und Fig. 3 shows a circuit arrangement of a third embodiment of the inventive evaluation method for capacitive sensors and

Fig. 4 eine auf die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 aufbauende Schal­ tungsanordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungs­ gemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren. Fig. 4 shows a circuit arrangement according to the Fig. 3 constituting TIC arrangement of another embodiment of the modern fiction, evaluation method for capacitive sensors.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung entsprechend einem ersten Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren. Auf die Schaltungsanordnung wird ein Eingangssignal U0 gegeben, welches hier in Form ei­ ner Rechteckspannung ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Integrationszweig 1, einer Reihenschaltung 2 und einem Verstärker 3. Der Integra­ tionszweig 1 besteht aus einem Widerstand R1, aus einem Referenzkondensator 4, der eine Kapazität C1 aufweist, und einem Operationsverstärker 5. Da der nicht-invertie­ rende Eingang des Operationsverstärkers 5 auf Masse liegt, wirkt der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 5 als "virtuelle Masse". Dadurch hat der Verbin­ dungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Referenzkondensator 4 Nullpo­ tential. Das rechteckförmige Eingangssignal U0 wird durch den Integrationszweig 1 in ein Zwischensignal U1 umgewandelt, welches die Form einer Dreieckspannung hat. Parallel zu dem Integrationszweig 1 ist die Reihenschaltung 2 geschaltet, die aus einem Widerstand R2 und einem Meßkondensator 6 mit der Kapazität C2 besteht. Fig. 1 shows a circuit arrangement according to a first embodiment of the inventive evaluation method for capacitive sensors. An input signal U 0 is given to the circuit arrangement, which is formed here in the form of a square wave voltage. The circuit arrangement consists of an integration branch 1 , a series circuit 2 and an amplifier 3 . The integration branch 1 consists of a resistor R 1 , a reference capacitor 4 , which has a capacitance C 1 , and an operational amplifier 5 . Since the non-inverting input of the operational amplifier 5 is at ground, the inverting input of the operational amplifier 5 acts as a "virtual ground". As a result, the connec tion point between the resistor R 1 and the reference capacitor 4 has zero potential. The rectangular input signal U 0 is converted by the integration branch 1 into an intermediate signal U 1 , which has the form of a triangular voltage. In parallel with the integration branch 1 the series circuit 2 is connected which consists of a resistor R2 and a measuring capacitor 6 of capacitance C. 2

Für die dargestellte Schaltungsanordnung gilt also, daß das Eingangssignal U0 zu­ sätzlich dem widerstandsseitigen Ende der Reihenschaltung 2 und das Zwischensig­ nal U1 dem kondensatorseitigen Ende der Reihenschaltung 2 zugeführt wird.For the circuit arrangement shown, it is true that the input signal U 0 is additionally fed to the resistor-side end of the series circuit 2 and the intermediate signal U 1 to the capacitor-side end of the series circuit 2 .

Bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungsanordnungen ist im Integrations­ zweig 1 jeweils der Referenzkondensator 4 und in der Reihenschaltung 2 der Meß­ kondensator 6 enthalten. Umgekehrt kann jedoch auch der Integrationszweig 1 den Meßkondensator 6 und die Reihenschaltung 2 den Referenzkondensator 4 aufwei­ sen. Wird - wie in den Figuren dargestellt - der Referenzkondensator 4 zur Integra­ tion benutzt, so hat dies den Vorteil, daß die Steilheit des Zwischensignals U1 kon­ stant bleibt. In the illustrated in FIGS. 1 to 4 circuitry in the integration branch 1 of the reference capacitor in the series circuit 4 and 2 of the measuring capacitor is included 6 respectively. Conversely, however, the integration branch 1 can have the measuring capacitor 6 and the series circuit 2 the reference capacitor 4 . If - as shown in the figures - the reference capacitor 4 is used for integration, this has the advantage that the steepness of the intermediate signal U 1 remains constant.

Das Potential am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2 und dem Meß­ kondensator 6 wird als Meßsignal U2 verwendet, nämlich hochohmig abgetastet und dem Verstärker 3 zugeführt. Der Verstärker 3 besteht aus einem Operationsverstär­ ker 7 und zwei Widerständen R4 und R5. Anhand der Fig. 1 erkennt man folgenden Zusammenhang zwischen dem Meßsignal U2 und dem Eingangssignal U0
The potential at the connection point between the resistor R 2 and the measuring capacitor 6 is used as the measuring signal U 2 , namely sampled with high resistance and supplied to the amplifier 3 . The amplifier 3 consists of an operational amplifier 7 and two resistors R 4 and R 5 . With reference to FIG. 1 one recognizes the following relationship between the measurement signal U 2 and the input signal U 0

Für den Fall, daß der Widerstand R1 dem Widerstand R2 entspricht und auch die Ka­ pazität C1 des Referenzkondensators 4 der Kapazität C2 des Meßkondensators 6 ent­ spricht, folgt aus der Gleichung (2), daß das Meßsignal U2 den Wert Null annimmt. Eine Veränderung der Kapazität C2 des Meßkondensators 6 kann somit unmittelbar anhand der Veränderung des Meßsignals U2 festgestellt werden.In the event that the resistance R 1 corresponds to the resistance R 2 and also the capacitance C 1 of the reference capacitor 4 corresponds to the capacitance C 2 of the measuring capacitor 6 , it follows from equation (2) that the measuring signal U 2 has the value zero assumes. A change in the capacitance C 2 of the measuring capacitor 6 can thus be determined directly on the basis of the change in the measuring signal U 2 .

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der sich in der Art der Verarbeitung des Meßsignals U2 von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel unterscheidet. Übereinstimmend mit der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 weist die Schaltungs­ anordnung gemäß Fig. 2 - und auch die Schaltungsanordnungen gemäß den Fig. 3 und 4 - einen Integrationszweig 1 und eine Reihenschaltung 2 auf. Der Integrations­ zweig 1 besteht wiederum aus einem Widerstand R1, dem Referenzkondensator 4 mit der Kapazität C1 und einem Operationsverstärker 5. Ebenso weist die Reihenschal­ tung 2 wiederum einen Widerstand R2 und den Meßkondensator 6 mit der Kapazi­ tät C2 auf. Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 wird das Meßsignal U2 ei­ nem Regelglied 8 zugeführt. Das Regelglied 8 weist einen Operationsverstärker 9 und einen Widerstand R3 auf und regelt über einen Zusatzstrom I3 das Meßsignal U2 auf Null. Das Ausgangssignal U4 des Regelgliedes 8 wird als Meßgröße verwendet. Fig. 2 shows a circuit arrangement in which the type of processing of the measurement signal U 2 differs from the previously described embodiment. According to the circuit arrangement according to FIG. 1, the circuit arrangement according to FIG. 2 - and also the circuit arrangements according to FIGS. 3 and 4 - has an integration branch 1 and a series circuit 2 . The integration branch 1 in turn consists of a resistor R 1 , the reference capacitor 4 with the capacitance C 1 and an operational amplifier 5 . Likewise, the series circuit 2 again has a resistor R 2 and the measuring capacitor 6 with the capaci ty C 2 . In the circuit arrangement shown in FIG. 2, the measurement signal U 2 is supplied ei nem typically member 8. The control element 8 has an operational amplifier 9 and a resistor R 3 and regulates the measurement signal U 2 to zero via an additional current I 3 . The output signal U 4 of the control element 8 is used as a measured variable.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, welche eine vorteilhafte Weiter­ bildung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 darstellt. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 weist wiederum einen Integrationszweig 1, eine Reihenschaltung 2 und ein Regelglied 8 auf. Im Unterschied zu den Fig. 1 und 2 sind die Widerstände R1 und R2 bei der Ausführung gemäß Fig. 3 und 4 als veränderbare Widerstände ausgeführt. FIG. 3 shows a circuit arrangement which represents an advantageous further development of the circuit arrangement according to FIG. 2. The circuit arrangement according to FIG. 3 in turn has an integration branch 1 , a series connection 2 and a control element 8 . In contrast to FIGS. 1 and 2, the resistors R 1 and R 2 in the embodiment according to FIGS. 3 and 4 are designed as variable resistors.

Darüber hinaus wird nun zusätzlich das Potential U3 am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Referenzkondensator 4 herausgeführt und auf den Operationsverstärker 9 des Regelgliedes 8 gegeben. Im Unterschied zu der Schal­ tungsanordnung gemäß Fig. 2 wird bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 nicht das Meßsignal U2 sondern die Differenz zwischen dem Potential U3 und dem Meßsig­ nal U2 auf Null geregelt. Dadurch, daß der nicht-invertierende Eingang des Opera­ tionsverstärkers 9 - d. h. der Bezugspunkt des Regelgliedes 8 - nunmehr nicht mit Masse, sondern mit dem Potential U3 verbunden ist, können eventuelle Offsetfehler des Integrationszweiges 1, insbesondere des Operationsverstärkers 5, verringert wer­ den. Im Unterschied zu der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 weist das Regel­ glied 8 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 zusätzlich zwei veränderbare Wider­ stände R4 und R5 auf, welche einen Spannungsteiler bezüglich des Ausgangssig­ nals U4 darstellen.In addition, the potential U 3 at the connection point between the resistor R 1 and the reference capacitor 4 is now additionally brought out and applied to the operational amplifier 9 of the control element 8 . In contrast to the circuit arrangement according to FIG. 2, not the measurement signal U 2 but the difference between the potential U 3 and the measurement signal U 2 is regulated to zero in the circuit arrangement according to FIG. 3. Characterized in that the non-inverting input of the operational amplifier 9 - ie the reference point of the control element 8 - is now connected not to ground but to the potential U 3 , possible offset errors of the integration branch 1 , in particular the operational amplifier 5 , who reduced the. In contrast to the circuit arrangement according to FIG. 2, the control element 8 of the circuit arrangement according to FIG. 3 additionally has two variable resistors R 4 and R 5 , which represent a voltage divider with respect to the output signal U 4 .

Das Meßsignal U2 und das Potential U3 können anstelle einem als Regler ausgebilde­ ten Operationsverstärker auch einem als Subtrahierer ausgebildeten Operationsver­ stärker zugeführt werden. In diesem Fall würde dann das Ausgangssignal U4 des Subtrahierers als Meßgröße herausgeführt werden.The measurement signal U 2 and the potential U 3 can be supplied to an operational amplifier designed as a subtractor instead of an operational amplifier designed as a regulator. In this case, the output signal U 4 of the subtractor would be brought out as a measured variable.

Anhand der Fig. 3 soll eine Anpassung der Auswerteelektronik an herstellungsbe­ dingte Toleranzen der einzelnen, in der Schaltungsanordnung enthaltenen Bauteile, d. h. ein Abgleich des kapazitiven Sensors erklärt werden. Dabei gibt es zwei Ab­ gleichkriterien, die möglichst eingehalten werden sollen. Bei dem sogenannten "Null­ abgleich" soll bei einem unbeeinflußten - kein Druck - Meßkondensator 6 das Aus­ gangssignal U4 den Wert Null annehmen. Bei dem sogenannten "Verstärkungsab­ gleich" soll bei einem maximal beeinflußten - 100% Druck - Meßkondensator 6 das Ausgangssignal U4 einen vorbestimmten Maximalwert annehmen. Zur Erreichung der beiden Abgleichkriterien können nun entweder nur die beiden Widerstände R1 und R2 eingestellt werden oder vorteilhafterweise sowohl die Widerstände R1 und R2 als auch die Widerstände R4 und R5 verändert werden. Bei einem solchen in Fig. 3 dar­ gestellten Zweiwegabgleich erfolgt der Nullabgleich mit Hilfe der beiden Widerstän­ de R1 und R2 und der Verstärkungsabgleich mit Hilfe des durch die beiden Wider­ stände R4 und R5 gebildeten Spannungsteilers. Alternativ kann der Verstärkungsab­ gleich auch durch Verändern des Eingangssignals U0 und/oder des Widerstandes R3 erfolgen.Is intended with reference to FIGS. 3 to adapt the transmitter to herstellungsbe-related tolerances of the individual, contained in the circuit arrangement components, ie a balancing of the capacitive sensor will be explained. There are two matching criteria that should be observed as far as possible. In the so-called "zero adjustment", the output signal U 4 should assume the value zero for an uninfluenced - no pressure - measuring capacitor 6 . In the case of the so-called "gain amplification equal", the output signal U 4 is to assume a predetermined maximum value with a maximally influenced - 100% pressure measuring capacitor 6 . To achieve the two matching criteria, either only the two resistors R 1 and R 2 can now be set, or advantageously both the resistors R 1 and R 2 and the resistors R 4 and R 5 can be changed. In such a two-way adjustment shown in FIG. 3, the zero adjustment takes place with the aid of the two resistors R 1 and R 2 and the gain adjustment with the aid of the voltage divider formed by the two resistors R 4 and R 5 . Alternatively, the gain can also be made by changing the input signal U 0 and / or the resistor R 3 .

Für die in Fig. 3 dargestellte Schaltung erhält man folgenden Zusammenhang zwi­ schen dem Ausgangssignal U4 und dem Eingangssignal U0
For the circuit shown in FIG. 3, the following relationship is obtained between the output signal U 4 and the input signal U 0

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, welche eine Weiterbildung der Schaltungs­ anordnung gemäß Fig. 3 darstellt. Die Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 4 unter­ scheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3 zunächst dadurch, daß das Ausgangssignal U4 weiterverarbeitet wird. Hierzu wird das Ausgangssignal U4 jeweils während der positiven und der negativen Periodenhälfte getrennt auf einen nachfolgenden Subtrahierer 10 gegeben in welchem das Teilpotential U4 -während der negativen Periodenhälfte von dem Teilpotential U4 + während der positiven Perio­ denhälfte subtrahiert wird, und zwar mit Hilfe eines Subtrahierers 10. Am Ausgang des Subtrahierer 10 liegt somit ein Potentialhub ΔU an, welcher als Meßergebnis her­ ausgeführt wird. Diese Art der Auswertung hat den Vorteil, daß Offsetfehler, die an den verwendeten Operationsverstärkern 5 und 9 auftreten, sich gegenseitig kom­ pensieren. Außerdem wird sowohl der Auf- als auch der Entladezyklus des Referenz­ kondensators 4 und des Meßkondensators 6 zur Signalauswertung benutzt. Für den Spannungshub ΔU erhält man somit bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 fol­ gende Gleichung:
 Fig. 4 shows a circuit arrangement which represents a development of the circuit arrangement according to FIG. 3. The circuit arrangement according to FIG. 4 differs from the circuit arrangement according to FIG. 3 initially in that the output signal U 4 is processed further. For this purpose, the output signal U 4 is given separately during the positive and the negative half of the period to a subsequent subtractor 10 in which the partial potential U 4 - during the negative half of the period is subtracted from the partial potential U 4 + during the positive period, with the help a subtractor 10 . At the output of the subtractor 10 there is therefore a potential swing ΔU which is carried out as the measurement result. This type of evaluation has the advantage that offset errors that occur on the operational amplifiers 5 and 9 used compensate each other. In addition, both the charging and discharging cycle of the reference capacitor 4 and the measuring capacitor 6 are used for signal evaluation. The following equation is thus obtained for the voltage swing ΔU in the circuit arrangement according to FIG. 4:

Im Idealfall ist U4 + = -U4 - = U4, R1 = R2 = R und R3 << R4, R5, so daß sich für den Spannungshub ΔU folgender, vereinfachter Zusammenhang ergibt:
Ideally, U 4 + = -U 4 - = U 4 , R 1 = R 2 = R and R 3 << R 4 , R 5 , so that the following simplified relationship results for the voltage swing ΔU:

Der zweite Unterschied zwischen der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 4 und der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3 besteht darin, daß der Anfang und das Ende eines Pulses des Eingangssignals U0 durch das Erreichen eines bestimmten Span­ nungspegels des Zwischensignals U1 festgelegt wird. Hierzu wird das Zwischensig­ nal U1 auf einen Schwellendetektor 11 gegeben, dessen Ausgang mit einem Rechteckgenerator 12 verbunden ist, so daß bei jedem Erreichen einer Hysterese­ grenze eine Invertierung des Rechteckgeneratorausgangssignals und damit des Ein­ gangssignals U0 erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, daß sich das Zwischensignal U1 stets innerhalb des auswertbaren Spannungsbereichs befindet, d. h. der Operations­ verstärker 5 bleibt stets in seinem Arbeitsbereich und wartet nicht auf eine externe Umschaltung, wodurch ein Zeitverlust entstehen würde. Ein kapazitiver Sensor, der nach dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren arbeitet, weist somit eine schnelle Ansprechzeit auf.The second difference between the circuit arrangement according to FIG. 4 and the circuit arrangement according to FIG. 3 is that the beginning and the end of a pulse of the input signal U 0 is determined by reaching a certain voltage level of the intermediate signal U 1 . For this purpose, the intermediate signal U 1 is given to a threshold detector 11 , the output of which is connected to a square wave generator 12 , so that each time a hysteresis limit is reached, the square wave generator output signal and thus the input signal U 0 are inverted. This ensures that the intermediate signal U 1 is always within the evaluable voltage range, ie the operational amplifier 5 always remains in its working range and does not wait for an external switchover, which would result in a loss of time. A capacitive sensor that works according to the evaluation method according to the invention thus has a fast response time.

Die Erfindung ist zuvor als Auswertverfahren für kapazitive Sensoren beschrieben worden. Gegenstand der Erfindung sind selbstverständlich auch die zuvor erläuter­ ten, in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungsanordnungen. Gegenstand der Erfin­ dung sind schließlich auch und insbesondere kapazitive Sensoren, die nach dem er­ findungsgemäßen Auswerteverfahren arbeiten bzw. bei denen die erfindungsgemäs­ sen, zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen verwirklicht sind.The invention has previously been described as an evaluation method for capacitive sensors. The invention naturally also relates to the previously explained circuits shown in FIGS. 1 to 4. Finally, the subject of the invention are also and in particular capacitive sensors which operate according to the evaluation method according to the invention or in which the circuit arrangements described above are implemented.

Claims (13)

1. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, insbesondere für Drucksensoren, unter Einsatz eines Referenzkondensators (4), eines Meßkondensators (6) mit einer von ei­ ner zu erfassenden physikalischen Meßgröße beeinflußbaren Meßkapazität und eines periodischen, im wesentlichen symmetrischen Eingangssignals (U0), wobei in einem Integrationszweig mittels des Referenzkondensators (4) durch Integration des Ein­ gangssignals (U0) ein Zwischensignal (U1) erzeugt wird und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (R2) und dem Meßkondensator (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (U0) zusätzlich dem widerstandsseitigen Ende der Reihenschaltung und das Zwischensignal (U1) dem kondensatorseitigen Ende der Reihenschaltung zugeführt wird und daß das Potential am Verbindungs­ punkt zwischen dem Widerstand (R2) und dem Meßkondensator (6) als Meß­ signal (U2) verwendet wird.1. Evaluation method for capacitive sensors, in particular for pressure sensors, using a reference capacitor ( 4 ), a measuring capacitor ( 6 ) with a measuring capacitance which can be influenced by a physical measured variable and a periodic, substantially symmetrical input signal (U 0 ), in an integration branch by means of the reference capacitor ( 4 ) by integrating the input signal (U 0 ), an intermediate signal (U 1 ) is generated and a series circuit comprising a resistor (R 2 ) and the measuring capacitor ( 6 ) is provided, characterized in that the input signal (U 0 ) additionally the resistor-side end of the series circuit and the intermediate signal (U 1 ) is fed to the capacitor-side end of the series circuit and that the potential at the connection point between the resistor (R 2 ) and the measuring capacitor ( 6 ) as a measurement signal (U 2 ) is used. 2. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, insbesondere für Drucksensoren, unter Einsatz eines Referenzkondensators (4), eines Meßkondensators (6) mit einer von ei­ ner zu erfassenden physikalischen Meßgröße beeinflußbaren Meßkapazität und eines periodischen, im wesentlichen symmetrischen Eingangssignals (U0), wobei in einem Integrationszweig mittels des Meßkondensators (6) durch Integration des Eingangs­ signals (U0) ein Zwischensignal (U1) erzeugt wird und eine Reihenschaltung aus ei­ nem Widerstand (R2) und dem Referenzkondensator (4) vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Eingangssignals (U0) zusätzlich dem widerstandsseitigen Ende der Reihenschaltung und das Zwischensignal (U1) dem kondensatorseitigen Ende der Reihenschaltung zugeführt wird und daß das Potential am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (R2) und dem Referenzkondensator (4) als Meßsignal (U2) verwendet wird. 2. Evaluation method for capacitive sensors, in particular for pressure sensors, using a reference capacitor ( 4 ), a measuring capacitor ( 6 ) with a measuring capacitance which can be influenced by a physical measured variable and a periodic, essentially symmetrical input signal (U 0 ), wherein in an integration branch by means of the measuring capacitor ( 6 ) by integrating the input signal (U 0 ) an intermediate signal (U 1 ) is generated and a series circuit of egg nem resistor (R 2 ) and the reference capacitor ( 4 ) is provided, characterized in that the input signal (U 0 ) is additionally fed to the resistance-side end of the series circuit and the intermediate signal (U 1 ) to the capacitor-side end of the series circuit and that the potential at the connection point between the resistor (R 2 ) and the reference capacitor ( 4 ) as a measurement signal (U 2 ) is used. 3. Auswerteverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der In­ tegrationszweig einen dem Referenzkondensator oder dem Meßkondensator vorge­ schalteten Widerstand R1 und einen dem Referenzkondensator oder dem Meßkon­ densator parallelgeschalteten Operationsverstärker aufweist.3. Evaluation method according to claim 1 or 2, characterized in that the integration branch in one of the reference capacitor or the measuring capacitor pre-connected resistor R 1 and one of the reference capacitor or the measuring capacitor capacitor connected in parallel. 4. Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal U0 in Form einer Rechteckspannung hochohmig dem Refe­ renzkondensator oder dem Meßkondensator zugeführt wird und Meßsignal U2 hochohmig abgetastet und anschließend verstärkt wird.4. Evaluation method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the input signal U 0 in the form of a square-wave voltage is supplied with high impedance to the reference capacitor or the measuring capacitor, and measuring signal U 2 is sampled with high resistance and then amplified. 5. Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal U2 einem Regelglied zugeführt wird und das Regelglied durch Einspeisung eines Zusatzstromes I3 das Meßsignal U2 auf Null regelt und das Aus­ gangssignal U4 des Regelgliedes als Meßsignal verwendet wird.5. Evaluation method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measurement signal U 2 is fed to a control element and the control element regulates the measurement signal U 2 to zero by feeding in an additional current I 3 and uses the output signal U 4 of the control element as a measurement signal becomes. 6. Auswerteverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential U3 am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Referenzkondensa­ tor oder dem Meßkondensator herausgeführt wird und das Potential U3 und das Meßsignal U2 in einem Subtrahierer miteinander verglichen werden und das Aus­ gangssignal U4 des Subtrahierers als Meßgröße verwendet wird.6. Evaluation method according to claim 3, characterized in that the potential U 3 at the connection point between the resistor R 1 and the reference capacitor or the measuring capacitor is brought out and the potential U 3 and the measuring signal U 2 are compared in a subtractor and the off output signal U 4 of the subtractor is used as a measured variable. 7. Auswerteverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential U3 und das Meßsignal U2 einem Regelglied zugeführt werden und das Regelglied durch Einspeisung eines Zusatzstromes I3 die Differenz zwischen dem Potential U3 und dem Meßsignal U2 zu Null regelt und das Ausgangssignal U4 des Regelgliedes als Meßgröße verwendet wird.7. Evaluation method according to claim 6, characterized in that the potential U 3 and the measurement signal U 2 are supplied to a control element and the control element regulates the difference between the potential U 3 and the measurement signal U 2 to zero by feeding an additional current I 3 and that Output signal U 4 of the control element is used as a measured variable. 8. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal U4 jeweils während der positiven und der negativen Periodenhälfte auf einen weiteren Subtrahierer gegeben wird und daß anschließend zur Bestimmung des Spannungshubs ΔU das Teilpotential U4 - wäh­ rend der negativen Periodenhälfte von dem Teilpotential U4 + während der positiven Periodenhälfte subtrahiert wird.8. Evaluation method for capacitive sensors according to one of claims 5 to 7, characterized in that the output signal U 4 is given to a further subtractor in each case during the positive and the negative half of the period and that the partial potential U 4 is then determined to determine the voltage swing ΔU . is subtracted from the partial potential U 4 + during the positive half of the period during the positive half of the period. 9. Auswerteverfahren nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu­ satzstrom I3 als Regelgröße zusätzlich oder anstelle des Ausgangssignals U4 als Meß­ größe verwendet wird.9. Evaluation method according to claim 4 or 7, characterized in that the additional current I 3 is used as a control variable in addition or instead of the output signal U 4 as a measurement variable. 10. Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang und das Ende eines Pulses des Eingangssignals U0 durch das Errei­ chen eines bestimmten Spannungspegels des Zwischensignals U1 festgelegt werden. 10. Evaluation method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the beginning and the end of a pulse of the input signal U 0 are determined by the attainment of a certain voltage level of the intermediate signal U 1 . 11. Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgleich der Bauteiltoleranzen des kapazitiven Sensors durch Verändern der vorzugsweise einstellbaren Widerstände R1 und R2 erreicht wird.11. Evaluation method according to one of claims 3 to 10, characterized in that a comparison of the component tolerances of the capacitive sensor is achieved by changing the preferably adjustable resistors R 1 and R 2 . 12. Auswerteverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ein Nullabgleich als auch ein Verstärkungsabgleich des kapazitiven Sensors durchge­ führt werden kann.12. Evaluation method according to claim 11, characterized in that both a Zero adjustment as well as a gain adjustment of the capacitive sensor can be led. 13. Auswerteverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Nullabgleich die Widerstände R1 und R2 einge­ stellt werden und für den Verstärkungsabgleich das Ausgangssignal U4 über einen Spannungsteiler eingestellt wird.13. Evaluation method according to one of claims 6 to 10 and according to claim 12, characterized in that the resistors R 1 and R 2 are set for the zero adjustment and the output signal U 4 is set via a voltage divider for the gain adjustment.
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