DE4340481C1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen Druck­ sensor, mit einem eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität auf­ weisenden Meßkondensator, mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druck­ abhängige Kapazität aufweisenden - Referenzkondensator, mit einer den Meß­ kondensator und den Referenzkondensator ansteuernden Ansteuerschaltung und mit einer die am Meßkondensator und am Referenzkondensator anliegenden Span­ nungen auswertenden und ein insbesondere druckabhängiges Sensorsignal aus­ gebenden Auswerteschaltung, wobei die Ansteuerschaltung aufweist eine den Meßkondensator aufladende erste Konstantstromquelle, eine den Referenzkon­ densator aufladende zweite Konstantstromquelle, eine dem Meßkondensator pa­ rallelgeschaltete, den Meßkondensator entladende schaltbare erste Entlade­ strecke und eine dem Referenzkondensator parallelgeschaltete, den Referenz­ kondensator entladende schaltbare zweite Entladestrecke.

Es sind verschiedene Typen von kapazitiven Sensoren bekannt. Bei einem ersten Typ kapazitiver Sensoren wird die gesuchte Kapazität über eine Brückenschal­ tung mit Hilfe einer sinusförmigen Spannung oder einer Gleichspannung be­ stimmt. Im zweiten Typ kapazitiver Sensoren wird die gesuchte Kapazität als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung eingesetzt. Wei­ ter sind kapazitive Sensoren eines dritten Typs bekannt, wobei die gesuchte Kapazität bei diesen Sensoren über eine Scheinwiderstandsmessung bestimmt wird. Ein vierter, moderner Typ kapazitiver Sensoren nutzt ein digital er­ zeugtes Testsignal, um über eine anschließende Kreuzkorrelation die gesuch­ te Kapazität zu bestimmen. Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor gehört zu denen eines fünften Typs, wobei bei diesen der Ladungstransport beim Laden oder Entladen der Kapazität beobachtet wird. Die bekannten Typen kapazitiver Sensoren weisen typspezifisch unterschiedliche Vorteile und Nachteile auf.

Bei dem kapazitiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, (vgl. die DE-B- 21 48 775), ist jeweils eine Elektrode des Meßkondensators und des Referenz­ kondensators mit Masse verbunden, während die andere Elektrode jeweils mit einem Schmitt-Trigger verbunden ist, der bei Erreichen eines seinem Schwellen­ wert entsprechenden Wertes der Meßkondensatorspannung bzw. der Referenzkonden­ satorspannung sein Ausgangspotential sprungartig verändert. Diese Potential­ änderung an den Ausgängen der Schmitt-Trigger steuert über elektronische Schal­ ter die Entladung des Meßkondensators bzw. des Referenzkondensators. Hier­ durch entstehen, für den Fall unterschiedlicher Kapazitäten des Meßkondensa­ tors bzw. des Referenzkondensators, Impulsfolgen unterschiedlicher Frequenz an den Ausgängen der Schmitt-Trigger. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger sind mit einer Subtrahierschaltung verbunden, deren Ausgangsimpulsfolge das Sen­ sorsignal darstellt. Bei dem bekannten kapazitiven Sensor, von dem die Er­ findung ausgeht, wird also die Zeitdauer bestimmt, die notwendig ist, um den jeweiligen Kondensator mit einem konstanten Strom auf eine bestimmte Spannung aufzuladen. Insbesondere wird bei dem bekannten kapazitiven Sen­ sor das sogenannte Differenzprinzip angewendet, um Fehler zu eliminieren, die durch äußere Einflüsse, beispielsweise Temperaturschwankungen, ent­ stehen können. Insbesondere bei Drucksensoren arbeitet man mit sogenannten Differentialkondensatoren mit zwei festen Außenelektroden und einer durch den Druck auslenkbaren Mittelelektrode. Bei einem solchen Differentialkon­ densator verändern sich die Kapazitäten des Meßkondensators und des Referenz­ kondensators gegenläufig. Gleichfalls sind jedoch Anordnungen denkbar, bei denen die Referenzkapazität nicht variabel, also konstant, ist.

Bekannte Anwendungsbereiche kapazitiver Sensoren sind, wie bereits erwähnt, die Druckmessung, weiter eine Kraftmessung, die Wegmessung, insbesondere durch einen kapazitiven Näherungsschalter, und die Füllstandsmessung in einem Behälter.

Die Schaltung des kapazitiven Sensors, von dem die Erfindung ausgeht, ist in verschiedenen Punkten problematisch. Zunächst sind den Kapazitäten des Meßkondensators und des Referenzkondensators die parasitären Kapazitäten der die Entladestrecken bildenden, elektronischen Schalter unmittelbar parallel­ geschaltet. Dies ergibt zum einen eine zusätzliche Temperaturabhängigkeit, zum anderen einen unerwünschten Offset. Weiter sind ebenfalls die Schwellen­ werte der Schmitt-Trigger temperaturabhängig; sie weisen außerdem hohe Fer­ tigungstoleranzen auf. Hieraus ergeben sich unmittelbar temperaturabhängige Variationen der Frequenzen der Impulsfolgen. Schließlich beeinflussen unter­ schiedliche, insbesondere temperaturabhängige Signallaufzeiten die Meßgenauig­ keit des kapazitiven Sensors.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der unabhängig von äußeren Einflüssen, insbesondere unabhängig von Temperaturschwankungen, eine gleichbleibend hohe Meßgenauigkeit gewährleistet.

Die zuvor erläuterte und dargelegte Aufgabe ist gemäß einer ersten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, daß die Ansteuerschaltung von der Steuerschaltung gesteuert den Meßkondensator und den Referenzkondensator zumindest teilweise gleichzeitig auflädt und daß die Auswerteschaltung von der Steuerschaltung gesteuert die Steigung der Differenz der am Meßkondensator und am Referenzkondensator anliegenden Spannungen in einem Zeitraum während der gleichzeitigen Aufladung bestimmt. Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor lediglich die Differenz der am Meßkondensator und am Referenzkondensator anliegenden Spannungen ausgewertet wird, werden einerseits temperaturabhängige und hohen Fertigungstoleranzen un­ terliegende Schmitt-Trigger überflüssig, spielen andererseits unterschiedliche Signallaufzeiten keine Rolle mehr, da sie die Steigung, also die Ableitung, der Differenz der am Meßkondensator und am Referenzkondensator anliegenden Spannungen nicht beeinflussen. Analoges gilt für Variationen des Zeitraums während dessen, bei gleichzeitiger Aufladung des Meßkondensators und des Re­ ferenzkondensators, die Steigung der Differenz bestimmt wird; auch solche Va­ riationen gehen nicht in das Meßergebnis ein.

Die zuvor dargelegte und erläuterte Aufgabe ist gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ansteuerschaltung einen dem Meßkon­ densator zugeordneten ersten Spannungsfolger und einen dem Referenzkondensa­ tor zugeordneten zweiten Spannungsfolger aufweist und daß ein wesentlicher Anteil der von der jeweiligen Konstantstromquelle gelieferten Konstantströme am Meßkondensator und am Referenzkondensator über den jeweiligen Spannungs­ folger vorbeifließt. Als Folge dieser Maßnahme kann man die Größe der Kon­ stantströme bei gleichbleibender Kapazität des Meßkondensators und des Re­ ferenzkondensators wesentlich erhöhen, was dazu führt, daß der die parasi­ tären Kapazitäten der elektronischen Schalter der Entladestrecken spei­ sende Strom anteilsmäßig sehr gering ist und somit nur geringe Auswirkungen auf den Ladestrom des Meßkondensators und des Referenzkondensators hat. Im Ergebnis wird also der Einfluß der parasitären Kapazitäten wesentlich redu­ ziert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung nochmals erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,

Fig. 2 Diagramme der Absolutwerte bzw. der Steigungen der Spannungen am Meßkondensator bzw. am Referenzkondensator und der Differenz der Spannungen zwischen dem Meßkondensator und dem Referenzkondensator für den Fall unbeeinflußter Kapazitäten,

Fig. 3 Diagramme der Absolutwerte bzw. der Steigungen der Spannungen am Meßkondensator bzw. am Referenzkondensator und der Differenz der Spannungen zwischen dem Meßkondensator und dem Referenzkonden­ sator für den Fall abweichender Kapazitäten,

Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors und

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, hier eines kapazitiven Drucksensors, dargestellt. Die­ ser kapazitive Drucksensor weist auf einen eine variable, nämlich druckab­ hängige Kapazität aufweisenden Meßkondensator 1, einen eine konstante, ins­ besondere druckunabhängige Kapazität aufweisenden Referenzkondensator 2, eine den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 ansteuernde Ansteuerschal­ tung 3 und eine die am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 anliegen­ den Spannungen auswertende und ein druckabhängiges Sensorsignal ausgebende Auswerteschaltung 4. Weiter weist die Ansteuerschaltung 4 auf eine den Meß­ kondensator 1 aufladende erste Konstantstromquelle 5, eine den Referenzkonden­ sator 2 aufladende zweite Konstantstromquelle 6, eine dem Meßkondensator 1 parallelgeschaltete, den Meßkondensator 1 entladende Schaltbare erste Entlade­ strecke 7 und eine dem Referenzkondensator 2 parallelgeschaltete, den Referenz­ kondensator 2 entladende schaltbare zweite Entladestrecke 8.

Erfindungsgemäß ist der kapazitive Drucksensor dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung 9 vorgesehen ist, daß die Ansteuerschaltung 3 von der Steuerschaltung 9 gesteuert den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 zumindest teilweise gleichzeitig auflädt und daß die Auswerteschaltung 4 von der Steuerschaltung 9 gesteuert die Steigung der Differenz der am Meß­ kondensator 1 und am Referenzkondensator 2 anliegenden Spannungen in einem Zeitraum während der gleichzeitigen Aufladung des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 bestimmt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils drei Diagramme, wobei diese Diagramme die Absolutwerte bzw. die Steigungen der Spannungen am Meßkondensator 1 bzw. am Referenzkondensator 2 und der Differenz der Spannungen zwischen dem Meßkonden­ sator 1 und dem Referenzkondensator 2 darstellen. Die mit a) bezeichneten Dia­ gramme zeigen jeweils die Verhältnisse am Meßkondensator 1, die mit b) bezeich­ neten Diagramme zeigen die Verhältnisse am Referenzkondensator 2 und die mit c) bezeichneten Diagramme zeigen die Verhältnisse nach der Differenzbildung der Spannungen am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2.

In Fig. 2 erkennt man in den Diagrammen a) und b) den gleichmäßigen Anstieg der Spannungen am unbeeinflußten Meßkondensator 1 bzw. am Referenzkonden­ sator 2 durch die Aufladung mit Hilfe der ersten Konstantstromquelle 5 und der zweiten Konstantstromquelle 6. Aus dem konstanten Anstieg der Spannungen resultiert eine konstante Steigung gleicher Höhe, die ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Somit ergibt sich, wie im Diagramm c) in Fig. 2 dargestellt, weder eine Differenz zwischen den Absolutwerten der Spannungen noch eine Stei­ gung dieser Differenz. Die Steigung der Differenz indiziert also, daß die Kapa­ zitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 identisch sind.

In Fig. 3 ist nun der Fall dargestellt, daß der Meßkondensator 1 durch einen äußeren Druck derart beeinflußt ist, daß seine Kapazität zugenommen hat, vgl. das Diagramm a). Der Referenzkondensator 2 hingegen weist weiter seine kon­ stante Kapazität auf, vgl. das Diagramm b). Hieraus ergibt sich, daß der Absolutwert der Differenz der Spannungen zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Referenzkondensator 2 abfällt, somit ergibt sich eine negative Steigung der Differenz dieser Spannungen. Diese Steigung ist also ein unmittelbares Maß für die druckbeeinflußte Kapazität des Meßkondensators 1. Dies gilt ana­ log, wenn die Kapazität des Referenzkondensators 2 ebenfalls variabel ist, je­ doch in umgekehrter Richtung, wie z. B. bei einem Differentialkondensator. Wei­ chen die Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 im unbeeinflußten Zustand voneinander ab, so kann das ausgegebene Sensorsignal durch eine überlagerte, konstante Spannung korrigiert werden. Es ist also nicht zwingend notwendig, den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 identisch auszuführen.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen kapazitiven Sensors. Die bereits eingeführten Bestandteile des ka­ pazitiven Sensors sind in Fig. 4 mit identischen Bezugszeichen versehen. An den Eingangsanschlüssen 10, 11 anliegende hochfrequente Stören werden über zwei Drosseln 12, 13 und einen mit dem Gehäuse des kapazitiven Sensors verbundenen Kondensator 14 eliminiert. Weiter wird die restliche elektronische Schaltung über zwei Zener-Dioden 15, 15′ vor Spannungsspitzen geschützt. Der Eingangsanschluß 10 ist über die Drossel 12 und die Zener-Diode 15 mit dem Eingang einer an sich bekannten spannungsstabilisierten Spannungsquelle 16 verbunden; in Bezug auf Einzelheiten wird hier auf die Zeichnung verwiesen. Die Ausgangsspannung der spannungsstabilisierten Spannungsquelle 16 dient nun zur Versorgung der ersten Konstantstromquelle 5 und der zweiten Konstant­ stromquelle 6. Die erste und die zweite Konstantstromquelle 5, 6 sind als Transistor-Präzisionsstromquellen ausgeführt; hierzu wird insbesondere auf U. Tietze, Ch. Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", 6. Auflage, Seite 356 ff. verwiesen.

Die in Fig. 4 dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen ka­ pazitiven Sensors ist gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dadurch ausge­ staltet, daß die Ansteuerschaltung 3 einen dem Meßkondensator 1 zugeordne­ ten ersten Spannungsfolger 17 und einen dem Referenzkondensator 2 zugeord­ neten zweiten Spannungsfolger 18 aufweist und daß ein wesentlicher Anteil der von der jeweiligen Konstantstromquelle 5, 6 gelieferten Konstantströme am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 über den jeweiligen Spannungs­ folger 17, 18 vorbeifließt. Dies ist dadurch gewährleistet, daß der Eingang des ersten Spannungsfolgers 17 mit einer Elektrode des Meßkondensators 1 ver­ bunden ist und daß der Eingang des zweiten Spannungsfolgers 18 mit einer Elek­ trode des Referenzkondensators 2 verbunden ist. Weiter ist der Eingang des ersten Spannungsfolgers 17 über einen ersten Ladewiderstand 19 mit der ersten Konstantstromquelle 5 verbunden, ebenso wie der Eingang des zweiten Spannungs­ folgers 18 über einen zweiten Ladewiderstand 20 mit der zweiten Konstantstrom­ quelle 6 verbunden ist. Gleichzeitig ist der Ausgang des ersten Spannungsfol­ gers 17 über einen ersten Hauptstromwiderstand 21 mit der ersten Konstantstrom­ quelle 5 verbunden und der Ausgang des zweiten Spannungsfolgers 18 über einen zweiten Hauptstromwiderstand 22 mit der zweiten Konstantstromquelle 6 verbun­ den. Dadurch, daß der Ladewiderstand 19, 20 jeweils wesentlich hochohmiger ist als der Hauptstromwiderstand 21, 22 ist gewährleistet, daß erfindungsgemäß ein wesentlicher Anteil der von der jeweiligen Konstantstromquelle 5, 6 ge­ lieferten Konstantströme am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 über den jeweiligen Spannungsfolger 17, 18 vorbeifließt. Dies hat erfindungsgemäß zur Folge, daß vorteilhafterweise der Anteil der Konstantströme, der in die para­ sitären Kapazitäten der Entladestrecken 7, 8 fließt, sich wesentlich weniger auf den Ladestrom des Meßkondensators 1 bzw. des Referenzkondensators 2 aus­ wirkt. Ein weiterer, wenn auch nicht so gravierender Vorteil besteht darin, daß die Entladestrecken 7, 8 bereits zu Beginn des Ladevorgangs für den Meß­ kondensator 1 bzw. den Referenzkondensator 2 auf einem erhöhten Potential liegen und somit die spannungsabhängigen Sperrschichtkapazitäten der Entlade­ transistoren 23, 24 reduziert sind.

Alternativ zu den Hauptstromwiderständen 21, 22 kann der Ausgang des ersten Spannungsfolgers 17 über eine erste in Sperrichtung gepolte, nicht darge­ stellte Hauptstrom-Zener-Diode mit der ersten Konstantstromquelle 5 verbun­ den sein und der Ausgang des zweiten Spannungsfolgers 18 über eine zweite in Sperrichtung gepolte, nicht dargestellte Hauptstrom-Zener-Diode mit der zweiten Konstantstromquelle 6 verbunden sein. In diesem Fall wird die Zener- Spannung der nicht dargestellten Hauptstrom-Zener-Dioden jeweils wesentlich geringer gewählt als das Produkt aus dem Konstantstrom mit dem Widerstand des Ladewiderstands 19, 20. So ist wiederum gewährleistet, daß ein wesentlicher Anteil der von der jeweiligen Konstantstromquelle 5, 6 gelieferten Konstant­ ströme am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 über den jeweiligen Spannungsfolger 17, 18 vorbeifließt.

Um erfindungsgemäß zu gewährleisten, daß die in die parasitären Kapazitäten der Entladetransistoren 23, 24 abfließenden parasitären Ströme die Ladeströme des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 nicht oder kaum beein­ flussen, ist die Entladestrecke 7, 8 jeweils in Stromflußrichtung vor dem jeweiligen Ladewiderstand 19, 20 und dem jeweiligen Hauptstromwiderstand 21, 22 oder der jeweiligen, nicht dargestellten Hauptstrom-Zener-Diode angeordnet.

Bei der in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsform eines kapazitiven Sensors weist die Auswerteschaltung 4 einen Differenzverstärker 25 auf.

Zur konkreten Ausgestaltung des an sich bekannten Differenzverstärkers 25 wird auf die Zeichnung verwiesen.

Die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über dem Meßkondensator 1 am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 25 anliegt und daß die Spannung über dem Referenzkondensator 2 am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 25 anliegt. Hierbei ist es selbstverständlich, daß eine Vertauschung der Kontakte lediglich zu einem Vorzeichenwechsel führen würde. Weiter kann die über dem Meßkondensator 1 bzw. dem Referenzkondensator 2 an­ liegende Spannung sowohl über die dargestellten Spannungsfolger 17, 18 an den Eingängen des Differenzverstärkers 25 anliegen als auch unmittelbar ohne zwi­ schengeschalteten Spannungsfolger, wobei in diesem Fall selbstverständlich nicht die zweite Lehre der Erfindung verwirklicht ist.

In der in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsform sind der Ausgang des ersten Spannungsfolgers 17 mit dem nichtinvertierenden Eingang und der Aus­ gang des zweiten Spannungsfolgers 18 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 25 verbunden. Weiter ist der nichtinvertierende Ein­ gang des Differenzverstärkers 25 positiv vorgespannt, so daß eine einseitige, positive Aussteuerung des Differenzverstärkers 25 gewährleistet ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Auswerteschaltung 4 weist einen Differentiator 26 und ein Abtast-Halte-Glied 27 auf. Der Ausgang des Differenzverstärkers 25 ist hier mit dem Eingang des Differentiators 26 verbunden. Für die konkrete elektronische Realisierung eines an sich bekannten Differentiators 26 wird einerseits auf die Zeichnung, andererseits auf U. Tietze, Ch. Schenk, aa0., Seiten 311 ff. verwiesen.

Die Auswerteschaltung 4 ist weiter dadurch ausgestaltet, daß der Ausgang des Differentiators 26 mit dem Eingang des Abtast-Halte-Gliedes 27 verbunden ist. Insbesondere ist der Ausgang des Differentiators 26 mit dem von der Steuer­ schaltung 9 gesteuerten, vorzugsweise als Feldeffekttransistor ausgebildeten elektronischen Schalter 28 des Abtast-Halte-Gliedes 27 verbunden. Für die weitere Ausgestaltung eines an sich bekannten Abtast-Halte-Gliedes 27 wird einerseits auf die Zeichnung, andererseits auf U.Tietze, Ch. Schenk, aa0., Seiten 733 ff. verwiesen.

Alternativ zum Differentiator 26 und zum Abtast-Halte-Glied 27 kann die Auswerteschaltung 4 einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikroprozessor aufweisen. Eine solche Ausführungsform ist in den Zeichnungen nicht darge­ stellt. Die Auswerteschaltung 4 wird in dem genannten Fall dadurch ausgestal­ tet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers 25 mit dem Eingang des Analog/ Digital-Wandlers verbunden ist und daß der Analog/Digital-Wandler mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Eine solche Ausgestaltung der Auswerteschal­ tung 4 weist den Vorteil auf, daß der Mikroprozessor zur digitalen Kommu­ nikation mit einer zentralen Leiteinheit eingesetzt werden kann.

An welchem Punkt der Auswerteschaltung 4 der Übergang von der analogen Signal­ behandlung zur digitalen Signalbehandlung vollzogen wird, ist variabel und von den Anforderungen an den kapazitiven Sensor abhängig.

Erfindungsgemäß ist eine Steuerschaltung 9 so vorgesehen, daß die Ansteuer­ schaltung 3 von der Steuerschaltung 9 gesteuert den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 zumindest teilweise gleichzeitig auflädt und daß die Auswerteschaltung 4 von der Steuerschaltung 9 gesteuert die Steigung der Differenz der am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 anliegenden Spannungen in einem Zeitraum während der gleichzeitigen Aufladung bestimmt. Die Steuerschaltung 9 ist nun dadurch ausgestaltet, daß sie einen Oszillator 29 oder einen Komparator 30, eine erste Schaltschwelle 31, 32 und eine zweite Schaltschwelle 33, 34 aufweist. Die in Fig. 4 dargestellte erste Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors weist einen Oszillator 29 auf, während die in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen kapazitiven Sensors einen Komparator 30 aufweist. In bezug auf die weiteren Merkmale stimmt die in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsform mit der in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein.

Der in Fig. 4 als Bestandteil der ersten Ausführungsform dargestellte Oszilla­ tor 29 weist unterschiedliche Periodendauern für die positiven und negativen Halbwellen seiner Schwingungen auf. Dies ist notwendig, da der Entladezeit­ raum für den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 durch den je­ weiligen hochohmigen Ladekondensator 19, 20 verzögert ist. Für die weitere elektronische Ausgestaltung des Oszillators 29 wird auf die Zeichnung ver­ wiesen.

Der in Fig. 5 als Bestandteil der Steuerschaltung 9 der zweiten Ausführungs­ form dargestellte Komparator 30 vergleicht die Ausgangsspannung des ersten Spannungsfolgers 17 mit einer Referenzspannung. Hierdurch wird gewährleistet, daß ein neuer Ladezyklus erst nach einer angemessenen Entladung des Meßkon­ densators 1 beginnt. Der Komparator 30 ist als Schmitt-Trigger ausgebildet, so daß gewährleistet ist, daß der Meßkondensator 1 und der Referenzkondensa­ tor 2 über einen jeweils endlichen Zeitraum zwischen zwei Spannungen geladen bzw. entladen wird.

Um den erfindungsgemäßen Erfolg zu erzielen, schaltet der Oszillator 29 oder der Komparator 30 über die erste Schaltschwelle 31, 32 die erste und die zweite Entladestrecke 7, 8. Weiter schaltet der Oszillator 29 oder der Kom­ parator 30 über die zweite Schaltschwelle 33, 34 das Abtast-Halte-Glied 27. Im Falle des Einsatzes eines Mikroprozessors können die genannten Funktionen der Steuerschaltung 9 auch vom Mikroprozessor selbst verwirklicht werden.

Durch die Steuerschaltung 9 wird also gewährleistet, daß das Abtast-Halte- Glied 27 jeweils während eines Ladevorganges des Meßkondensators 1 bzw. des Referenzkondensators 2 die Steigung der Differenz zwischen den Span­ nungen am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 aufnimmt. Während des Entladevorgangs des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 hält anschließend des Abtast-Halte-Glied 27 die zuletzt anliegende Spannung. Zu welchen Zeiten das Abtast-Halte-Glied 27 die Steigung der Differenz zwi­ schen den Spannungen am Meßkondensator 1 und am Referenzkondensator 2 auf­ nimmt, ist in weiteren Bereichen unkritisch. Die Auslegung des Oszillators 29 oder des Komparators 30 sind somit unkritisch.

Claims (26)

1. Kapazitiver Sensor, insbesondere Drucksensor, mit einem eine variable, ins­ besondere druckabhängige Kapazität aufweisenden Meßkondensator (1), mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden - Referenzkondensator (2), mit einer den Meßkondensator (1) und den Referenzkon­ densator (2) ansteuernden Ansteuerschaltung (3) und mit einer die am Meß­ kondensator (1) und am Referenzkondensator (2) anliegenden Spannungen aus­ wertenden und ein insbesondere druckabhängiges Sensorsignal ausgebenden Aus­ werteschaltung (4), wobei die Ansteuerschaltung (3) aufweist eine den Meßkon­ densator (1) aufladende erste Konstantstromquelle (5), eine den Referenzkon­ densator (2) aufladende zweite Konstantstromquelle (6), eine dem Meßkonden­ sator (1) parallelgeschaltete, den Meßkondensator (1) entladende schaltbare erste Entladestrecke (7) und eine dem Referenzkondensator (2) parallelge­ schaltete, den Referenzkondensator (2) entladende schaltbare zweite Entlade­ strecke (8), dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (9) vorgesehen ist, daß die Ansteuerschaltung (3) von der Steuerschaltung (9) gesteuert den Meßkondensator (1) und den Referenzkondensator (2) zumindest teilweise gleich­ zeitig auflädt und daß die Auswerteschaltung (4) von der Steuerschaltung (9) gesteuert die Steigung der Differenz der am Meßkondensator (1) und am Refe­ renzkondensator (2) anliegenden Spannungen in einem Zeitraum während der gleichzeitigen Aufladung bestimmt.

2. Kapazitiver Sensor, insbesondere Drucksensor, mit einem eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden Meßkondensator (1), mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängigen Kapazität aufweisen­ den - Referenzkondensator (2), mit einer den Meßkondensator (1) und den Referenzkondensator (2) ansteuernden Ansteuerschaltung (3) und mit einer die am Meßkondensator (1) und am Referenzkondensator (2) anliegenden Spannungen auswertenden und ein insbesondere druckabhängiges Sensorsignal ausgebenden Auswerteschaltung (4), wobei die Ansteuerschaltung (3) aufweist eine den Meß­ kondensator (1) aufladende erste Konstantstromquelle (5), eine den Referenz­ kondensator (2) aufladende zweite Konstantstromquelle (6), eine dem Meßkon­ densator (1) parallelgeschaltete, den Meßkondensator (1) entladende schaltbare erste Entladestrecke (7) und eine dem Referenzkondensator (2) parallelge­ schaltete, den Referenzkondensator (2) entladende schaltbare zweite Ent­ ladestrecke (8), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (3) einen dem Meßkondensator (1) zugeordneten ersten Spannungsfolger (17) und einen dem Referenzkondensator (2) zugeordneten zweiten Spannungsfolger (18) aufweist und daß ein wesentlicher Anteil der von der jeweiligen Konstantstromquelle (5, 6) gelieferten Konstantströme am Meßkondensator (1) und am Referenzkondensator (2) über den jeweiligen Span­ nungsfolger (17, 18) vorbeifließt.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ gang des ersten Spannungsfolgers (17) mit einer Elektrode des Meßkondensators (1) und der Eingang des zweiten Spannungsfolgers (18) mit einer Elektrode des Referenzkondensators (2) verbunden ist.

4. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ gang des ersten Spannungsfolgers (17) über einen ersten Ladewiderstand (19) mit der ersten Konstantstromquelle (5) und der Eingang des zweiten Spannungs­ folgers (18) über einen zweiten Ladewiderstand (20) mit der zweiten Konstant­ stromquelle (6) verbunden sind.

5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gang des ersten Spannungsfolgers (17) über einen ersten Hauptstromwiderstand (21) mit der ersten Konstantstromquelle (5) und der Ausgang des zweiten Span­ nungsfolgers (18) über einen zweiten Hauptstromwiderstand (22) mit der zwei­ ten Konstantstromquelle (6) verbunden sind.

6. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lade­ widerstand (19, 20) jeweils wesentlich hochohmiger ist als der Hauptstrom­ widerstand (21, 22).

7. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gang des ersten Spannungsfolgers über eine erste, in Sperrichtung gepolte Hauptstrom-Zener-Diode mit der ersten Konstantstromquelle und der Ausgang des zweiten Spannungsfolgers über eine zweite, in Sperrichtung gepolte Haupt­ strom-Zener-Diode mit der zweiten Konstantstromquelle verbunden sind.

8. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener- Spannung der Hauptstrom-Zener-Diode jeweils wesentlich geringer ist als das Produkt aus dem Konstantstrom mit dem Widerstand des Ladewiderstands.

9. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Entladestrecke (7, 8) jeweils in Stromflußrichtung vor dem je­ weiligen Ladewiderstand (19, 20) und dem jeweiligen Hauptstromwiderstand (21, 22) oder der jeweiligen Hauptstrom-Zener-Diode angeordnet ist.

10. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) einen Differenzverstärker (25) auf­ weist.

11. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über dem Meßkondensator (1) am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers (25) und die Spannung über dem Referenzkondensator (2) am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (25) anliegt.

12. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gang des ersten Spannungsfolgers (17) mit dem nicht invertierenden Eingang und der Ausgang des zweiten Spannungsfolgers (18) mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (25) verbunden sind.

13. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers (25) positiv vor­ gespannt ist.

14. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) einen Differentiator (26) und ein Abtast-Halte-Glied (27) aufweist.

15. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (25) mit dem Eingang des Differentiators (26) verbunden ist.

16. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gang des Differentiators (26) mit dem Eingang des Abtast-Halte-Gliedes (27) verbunden ist.

17. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Analog/Digital-Wandler und einen Microprozessor aufweist.

18. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers verbunden ist.

19. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler mit dem Microprozessor verbunden ist.

20. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung (9) einen Oszillator (29) oder einen Kom­ parator (30), eine erste Schaltschwelle (31, 32) und eine zweite Schaltschwelle (33, 34) aufweist.

21. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (29) unterschiedliche Periodendauern für die positiven und nega­ tiven Halbwellen seiner Schwingungen aufweist.

22. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (30) die Ausgangsspannung des ersten Spannungsfolgers (17) mit einer Referenzspannung vergleicht.

23. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (30) als Schmitt-Trigger ausgebildet ist.

24. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oszillator (29) oder der Komparator (30) über die erste Schaltschwelle (31, 32) die erste und die zweite Entladestrecke (7, 8) schaltet.

25. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oszillator (29) oder der Komparator (30) über die zweite Schaltschwelle (33, 34) das Abtast-Halte-Glied (27) schaltet.

26. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Microprozessor die Funktionen der Steuerschaltung verwirklicht.