DE4222788A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen einer Kapazitätsänderung durch einen Computer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Kapazität bei Verwendung eines Computers.

Bei dem Verfahren dieser Erfindung wird eine kapazitive Impedanzänderung einer Last festgestellt, die zwischen den Eingängen eines Computers und Ausgangskanälen anliegt. Eine periodische Wellenform wird an den Ausgangskanal zum indirekten Bereitstellen eines Wechselstromes an die Last angelegt. Der Computer überwacht den Ausgang der Last an dem Eingangskanal des Computers. Sowie die kapazitive Komponente der Last sich zu einem vorbestimmten Schwellwertniveau entlädt, ändert sich der Eingangskanal des Computers zwischen einem logischen Null- und einem logischen Einswert. Der Computer tastet fortwährend den Zustand des Eingangskanals ab und speichert die Information über die Entladezeit der kapazitiven Komponente ab. Eine Änderung in den Entladezeiten zeigt dem Computer an, daß eine Änderung in der Kapazität sich ereignet hat. Wenn die besondere Computerverwendung interne Hochzieh-Widerstände (pull-up) an seinem Eingangskanal einschließt, wird die Ladezeit der kapazitiven Komponente der Last überwacht.

Das Verfahren dieser Erfindung ist insbesondere nützlich zum direkten Anschließen eines im wesentlichen kapazitiven Feuchtigkeitsfühlers an einen Computer. Da die Aufgabe des Fühlens ohne das Durchfließen eines Gleichstroms durch den Fühler und durch Verwenden einer Anregungsfrequenz weit oberhalb von 100 Hz erzielt wird, wird Polarisation verhindert, die den Fühler beschädigen und Eichungenauigkeiten verursachen könnte.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein neues Verfahren zum Feststellen einer Änderung einer Kapazität in einer Last bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein neues Verfahren zum Nachweisen kapazitiver Änderungen in einem Fühler zu schaffen.

Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Kapazitätssensor zu schaffen, der Polarisation des Sensors verhindert.

Weitere Aufgaben dieser Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden.

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sollen nun anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schemazeichnung einer Ausführungsform des Schaltkreises, der zum Ausführen des Verfahrens dieser Erfindung notwendig ist, der an einen allgemein bekannten Feuchtigkeitsfühler oder andere kapazitive Fühler und einen Computer des Typs eines Mikrocontrollers angeschlossen ist;

Fig. 2 eine Schemazeichnung einer anderen Ausführungsform, die zum Ausführen eines anderen Verfahrens dieser Erfindung notwendig ist, die mit einem allgemein bekannten Feuchtigkeits- oder anderen Kapazitätsfühler und einem Computer vom Typ eines Mikrocontrollers verbunden ist;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit einer periodischen Wellenform, die an dem Ausgangskanal des Computers beim Betreiben einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung erzeugt wird;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit einer Wellenform, die am Eingangskanal des Computers beim Betreiben der ersten Ausführungsform dieser Erfindung erscheint;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit der Zeit einer Wellenform, die am Ausgangskanal des Computers beim Durchführen einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung erscheint;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit der Zeit einer typischen Wellenform, die am Eingangskanal des Computers beim Betreiben der anderen Ausführungsform dieser Erfindung erscheint.

Die darin gezeigten Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Wiedergabe der Erfindung darstellen oder die Anwendung auf die genaue dargelegte Form beschränken. Vielmehr sind sie ausgewählt und beschrieben worden, so daß andere Fachleute die Lehre dieser Erfindung nutzen können.

In bezug auf Fig. 1 wird nun ein üblicher Mikrocontroller oder Computer 4 lediglich in Blockdiagrammform gezeigt, der einen Ausgangskanal 5 und einen Eingangskanal 14 enthält. Wie normalerweise üblich, wird der Ausgangskanal 5 durch eine Ausgangsstufe mit komplementärer Symmetrie getrieben, die aus einem N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) 2 und einem P-Kanal-MOSFET 1 besteht. Diese Anordnung ist bei integrierten Schaltkreisen mit CMOS-Technologie sehr gebräuchlich. In dieser Anordnung bedeutet eine logische Null am Computerausgangskanal 5, daß der MOSFET 2 Strom in einen gesättigten Zustand leitet, und der MOSFET 1 Strom sperrt oder anders abgeschaltet ist. Eine logische Eins am Ausgangskanal 5 des Computers 4 bedeutet, daß der MOSFET 2 abgeschaltet ist, und MOSFET 1 in einem gesättigten Zustand Strom leitet. Typischerweise ist die dynamische Impedanz des Ausgangskanals 5 klein und vernachlässigbar im Vergleich zu den äußeren Impedanzen der Last. Die Spannungsversorgung für alle in der Zeichnung dargestellten elektrischen Schaltkreise ist typischerweise 3 bis 6 Volt.

Der Eingangskanal 14 des Computers 4 umfaßt typischerweise eigen N-Kanal MOSFET 3, dessen Gate-Zuführung mit dem Eingangskanal 14 verbunden ist. Typischerweise zeigt MOSFET 3 eine Schwellenspannung im Bereich zwischen einem Volt und der Hälfte der Versorgungsspannung V +. Bei Eingangsspannungen oberhalb des Schwellwerts wird MOSFET 3 leitend, was eine logische Eins an den Eingangskanal 14 legt. Bei Eingangsspannungen unterhalb des MOSFET-Schwellwerts ist der MOSFET in einem nichtleitenden Zustand, was eine logische Null an den Eingangskanal 14 des Computers legt.

Ein Kondensator 6 ist zwischen dem Computerausgangskanal 5 und der Eingangszuführung 7 des Fühlers 10 eingefügt. Zuführung 11 des Fühlers 10 ist mit dem Eingangskanal 14 des Computers 4 verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind eine Diode 12 und ein Widerstand 13 zwischen der Fühlerzuführung 11 und einem Massepotential in einer parallelen Anordnung vorhanden. In schematischer Form dargestellt schließt der äquivalente Schaltkreis für den Fühler 10 eine Kombination aus parallel anliegender kapazitiver Komponente 9 und Widerstandkomponente 8 ein. Für den Zweck dieses Vortrags wird angenommen, daß die kapazitive Impedanz gegenüber der Widerstandskomponente 8 überwiegt.

Im Betrieb bewirkt der Computer 4, daß die in Fig. 3 dargestellte periodische Wellenform am Ausgangskanal 5 in einer üblichen Weise auftritt. Die Wellenform am Ausgangskanal 5 ist bevorzugt über 100 Hz und stellt indirekt einen Wechselstrom für den Fühler zum Nachweis der Impedanz des Fühlers 10 bereit. Der genaue Leistungszyklus (duty cycle) dieser Wellenform hängt im wesentlichen von der gewünschten Auflösung der Kapazitätsmessung, der Computergeschwindigkeit und den Werten der verschiedenen elektronischen Komponenten innerhalb des Fühlerschaltkreises ab. Der zwischen dem Computer und dem Fühler eingebaute Kondensator 6 ist vorgesehen, um das Fließen von Gleichstrom durch den Fühler zu verhindern, der in Verbindung mit der Frequenz der Wellenform Probleme der Polarisation und des Abscheidens ausschließt, was die Fühlereichung, Genauigkeit und Verläßlichkeit vermindern könnte. Die periodische Wellenform der Abbildung 3 am Ausgangskanal 5 wird an den Eingang 7 des Fühlers 10 angelegt, der, wie vorher erklärt, in der dargestellten Ausführungsform eine aus einer Widerstandskomponente 8 und einer kapazitiven Komponente 9 bestehende Impedanz hat. Die Impedanzwerte der Widerstands- und der kapazitiven Komponente weichen voneinander ab, wie es typisch bei dem Nachweis von Wasser, Feuchtigkeit, Lage oder Druck usw. ist. Es sollte klar werden, daß der Bezug auf 0% oder 100% der Amplitudenachse Prozentzahlen der Spannungsversorgung V + zeigen. Die Bezeichnung von 0%-100% auf der Zeitachse der Graphen von Fig. 3 bis Fig. 6 zeigen die Zeit als eine Funktion der Prozentzahl der vollen Periode der Ausgangswellenform.

Fig. 4 zeigt eine Wellenform, wie sie vom Computer am Eingangskanal 14 vom Sensor 10 in Antwort auf eine Ausgangswellenform von Fig. 3 empfangen wird. Es soll bemerkt werden, daß am Beginn der Ausgangswellenformperiode, das ist 0% auf der Zeitachse, die Spannung an dem Ausgangskanal 5 einen Spannungsübergang von einem logischen Niedrig zu einem logischen Hoch durchführt. Wenn der Ausgang diesen Spannungsübergang von niedrig zu hoch durchführt, beginnt Kondensator 6 und die kapazitive Komponente 9 sich durch den Widerstand 13 zu entladen. Es wird angenommen, daß der Wert des Kondensators 6 größer als die Komponente 9 ist, und daher die Wirkung der kapazitiven Komponente 9 überwiegen wird. Die Entladungswellenform des Fühlers 10 ist in Fig. 4 dargestellt. Wenn die Spannung an dem Eingangskanal 14, wie durch die Wellenform der Fig. 4 dargestellt, unter den Schwellwert des MOSFETs 3 am Eingangskanal 14 abfällt, schaltet der MOSFET ab. Wie vorher gezeigt, wird mit abgeschaltetem MOSFET 3 eine logische Null an dem Ausgangskanal zum Abtasten durch den Computer angelegt. Der Computer tastet den Eingangskanal ab, während der Ausgangskanal sich bei einem logischen hohen Spannungswert befindet. Während des Abtastens besitzt der Eingangskanal anfangs eine logische Eins, was zeigt, daß die Spannung an dem Eingangskanal über der Schwelle ist und MOSFET 3 leitet. Nachdem MOSFET 3 abgeschaltet hat, enthält der Eingangskanal eine logische Null. Das Abtasten dauert über 75% der Periode an, wenn, wie gezeigt, der Ausgang von hoch zu niedrig umschaltet, wo dann das Abtasten aufhört. Das Zeitintervall von dem Beginnen der Wellenformperiode bis daß der Eingangskanal eine logische Null enthält, wird von dem Computer gespeichert und zeigt in relativen Größen den Wert der kapazitiven Komponente an, wenn sie mit den anderen abgetasteten Zeiten verglichen wird. Während wiederholten Abtastens für dauernd auftretende Ausgangswellenformen, wie in Fig. 3 gezeigt, stellt die Zeitinformation einen Bezug zum Zustand der kapazitiven Komponente 9 dar, wo eine Änderung im Zeitintervall eine gute Abschätzung einer resultierenden Änderung in der kapazitiven Komponente 9 darstellt. Insbesondere bewirkt eine kleinere kapazitive Impedanz ein kürzeres Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt 0% der Wellenform und dem Abschneiden am Schwellenwert.

Fig. 2 zeigt eine andere oder zweite Ausführungsform dieser Erfindung zur Verwendung mit einem Computer, die einen internen Hochzieh-Widerstand 16 (pull up; symbolisch als ein einziger Widerstand gezeigt) an dem Eingangskanal 14 verwendet. Wie vorher wird Kondensator 16 zwischen dem Ausgangskanal 5 und der Eingangszuführung 7 des Fühlers 10 eingefügt. Wieder ist die Fühlerzuführung 11 mit dem Eingangskanal 14 des Computers 4 verbunden. Jedoch ist in der anderen Ausführungsform eine Diode 15 zwischen der Spannungsquelle V + und der Zuführung 11 des Sensors eingefügt.

Eine Darstellung der Ausgangswellenform, die in der weiteren Ausführungsform verwendet wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 6 zeigt die resultierende, am Computereingangskanal 14 als Folge auf die Ausgangswellenform von Fig. 5 anliegende Wellenform, wenn die Schaltung der Fig. 2 verwendet wird. Wie bei der ersten Ausführungsform führt beim Beginn einer Periode der Ausgangskanal 5 einen Übergang von einer niedrigen zu einer hohen Spannung durch. Dieser Übergang von niedrig zu hoch entlädt Kondensator 6 und die kapazitive Komponente 9 über die Diode 15. Bei 25% der Periode führt der Ausgangskanal 5 einen Übergang von seinem hohen Spannungspegel zu einem niedrigen Spannungspegel durch und bleibt niedrig für ungefähr 75% seiner Wellenform. Der in Fig. 6 angezeigte niedrige Spannungspegel bewirkt, daß ein Strom von der Spannungsquelle durch den Hochzieh-Widerstand 16 fließt, und daß MOSFET 3 leitend wird, was eine logische Eins am Eingangskanal 14 zum Abtasten durch den Computer anlegt. Mit einer niedrigen Eingangsspannung beginnen Kondensator 6 und die kapazitive Komponente 9 sich über den Hochzieh-Widerstand 16 am Eingangskanal 14 auf die Versorgungsspannung V + aufzuladen. Wenn die Spannung am Eingangskanal 14 den Schwellwert erreicht, schaltet Transistor 3 ab und zeigt einen logischen Nullwert im Computer an. Bei 100% einer Periode macht der Ausgangskanal 5 einen Übergang von einem logischen Niedrigspannungspegel zu einem logischen hohen Spannungspegel und beginnt damit die nächste Wellenform. Wie vorher tastet Computer 4 fortwährend den logischen Pegel des Eingangskanals 14 ab und überwacht ein Zeitintervall zwischen dem Ändern der logischen Zustände und gibt damit eine Änderung der kapazitiven Impedanzen an den Computer weiter.

Es soll zum Ausdruck gebracht werden, daß, während die Erfindung für den Gebrauch beim Nachweisen einer kapazitiven Änderung in einem Fühler für die gezeigten Zwecke dargestellt wird, dies nicht als eine Begrenzung der Erfindung betrachtet werden sollte. Es soll weiterhin zum Ausdruck gebracht werden, daß diese Erfindung auf die genaue dargelegte Form begrenzt ist, sondern Abwandlungen im Rahmen der Ansprüche möglich sind.

Claims (6)

1. Verfahren zum Nachweisen einer kapazitiven Änderung in einer Last mit einer kapazitiven Komponente, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• a) Anliegen einer periodischen Wellenform an den Eingang der Last;
• b) Überwachen einer Ausgangsspannung dieser Last, die von dieser periodischen Wellenform bewirkt wird;
• c) Anzeigen, wenn die Ausgangsspannung von der Last bei einer vorbestimmten Spannung ist;
• d) Bestimmen der Zeit von dem Beginn der periodischen Wellenform bis zu der Anzeige, daß die Ausgangsspannung bei der vorbestimmten Spannung ist und Speichern eines solchen Zeitwertes;
• e) Wiederholen der Schritte a-d;
• f) Vergleichen der gespeicherten Zeitwerte von Schritt d, wobei eine Änderung der Zeit eine Änderung der kapazitiven Komponente der Last darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last eine Widerstandskomponente enthält, die Wellenform des Schrittes a einen Anteil eines logisch hohen Spannungszustands und einen Anteil eines logisch niedrigen Spannungszustands enthält und die kapazitive Komponente sich während des Anteils des logisch hohen Spannungszustands mit einer durch die Widerstands- und kapazitive Komponente bestimmten Rate in der Spannung entlädt und sich während des Anteils des logisch niedrigen Spannungszustands auflädt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Last eine Widerstandskomponente enthält, die Wellenform des Schrittes a einen Anteil eines logisch hohen Spannungszustands und einen Anteil eines logisch niedrigen Spannungszustands enthält, und die kapazitive Komponente sich während des Anteils des logisch niedrigen Spannungszustands mit einer durch die Widerstands- und kapazitive Komponente der Last bestimmten Rate auflädt und während des Anteils des logisch hohen Spannungszustands sich entlädt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last ein Fühler ist, und wobei der Wert der kapazitiven Komponente sich zum Nachweis einer vorbestimmten Substanz verändert.

5. Ein Gerät zum Anzeigen einer Änderung des kapazitiven Werts einer Last, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausgeben einer periodischen Wellenform mit einem Anteil an hoher Spannung und einem Anteil an niedriger Spannung an diese Last, eine Kapazität zwischen dieser Ausgabevorrichtung und der Last, wobei die Last zwischen der Ausgabevorrichtung und einer Vorrichtung zum Überwachen der Spannung mit diesen verbunden eingefügt ist, eine Diode und einen Widerstand, die zwischen der Überwachungsvorrichtung und dem Massepotential mit diesem verbunden eingefügt sind, wobei die Last eine kapazitive Komponente und eine Widerstandskomponente enthält, und diese kapazitive Komponente sich über diesen Widerstand während des Anteils der hohen Spannung der Wellenform auflädt, wobei die Überwachungsvorrichtung zeigt, wann die sich aufladende kapazitive Komponente bei einer vorbestimmten Spannung ist, und die kapazitive Komponente sich während des Anteils niedriger Spannung der Wellenform entlädt, das Überwachungsmittel weiter Mittel zum Bestimmen der Zeit zum Aufladen der Kapazität auf die vorbestimmte Spannung besitzt, wobei eine Änderung in der Aufladezeit eine Änderung in dem Kapazitätswert anzeigt.

6. Ein Gerät zum Anzeigen einer Änderung in einem kapazitiven Wert einer Last, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausgeben einer periodischen Wellenform mit einem Anteil hoher Spannung und einem Anteil niedriger Spannung an eine Last, eine Kapazität zwischen der Ausgabevorrichtung und der Last, und die Last sich zwischen der Ausgabevorrichtung und einer Vorrichtung zur Überwachung der Spannung der Last und mit diesen verbunden befindet, das einen Widerstand zwischen einer positiven Spannungsquelle und der Überwachungsvorrichtung, eine Diode zwischen der Überwachungsvorrichtung und der positiven Spannungsquelle, wobei die Last eine kapazitive Komponente und eine Widerstandskomponente einschließt, und sich die kapazitive Komponente durch den Widerstand während des Anteils niedriger Spannung der Wellenform entlädt, wobei die Überwachungsvorrichtung anzeigt, wann die sich entladende kapazitive Komponente bei einer vorbestimmten Spannung ist, und die kapazitive Komponente sich während des Anteils hoher Spannung der Wellenform auflädt, und die Überwachungsvorrichtung weiter eine Vorrichtung zum Feststellen der Zeit zum Entladen der kapazitiven Komponente auf die vorbestimmte Spannung besitzt, wobei eine Änderung in der Entladezeit eine Änderung in der kapazitiven Komponente anzeigt.