DE4423908A1

DE4423908A1 - Capacitive sensor for measurement of pressure and force and proximity switches and containers liquid level measurement

Info

Publication number: DE4423908A1
Application number: DE19944423908
Authority: DE
Inventors: Robert Buck
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 1996-02-01

Abstract

The control circuit (3) controls the measuring and the reference capacitors (1,2). An evaluation circuit (4) evaluates the capacitances of the two capacitors (1,2) and delivers an esp. pressure dependent sensor signal. The control circuit (3) has a constant current source (5) for the simultaneous charging of the two capacitors (1,2). The control circuit (3) has a regulator (6) regulating the voltage difference between the measuring capacitor (1) and the reference capacitor (2) to a desired value 0 volt as a regulating variable. The current is adjusted either in the measuring capacitor (1) or in the reference capacitor (2) as an adjustment variable.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen Drucksensor, mit einem eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden Meßkon densator, mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität auf weisenden - Referenzkondensator, mit einer den Meßkondensator und den Refe renzkondensator ansteuernden Ansteuerschaltung und mit einer die Kapazitäten des Meßkondensators und des Referenzkondensators auswertenden und ein insbeson dere druckabhängiges Sensorsignal ausgebenden Auswerteschaltung.The invention relates to a capacitive sensor, in particular a pressure sensor a measuring con with a variable, in particular pressure-dependent capacity capacitor, with a - possibly a variable, in particular pressure-dependent capacitance pointing - reference capacitor, with one the measuring capacitor and the ref control capacitor and with a the capacitances of the Measuring capacitor and the reference capacitor evaluating and in particular whose evaluation-dependent sensor signal emitting circuit.

Es sind verschiedene Typen von kapazitiven Sensoren bekannt. Bei einem ersten Typ kapazitiver Sensoren. Wird die gesuchte Kapazität über eine Brückenschaltung mit Hilfe einer sinusförmigen Spannung oder einer Gleichspannung bestimmt. Im zweiten Typ kapazitiver Sensoren wird die gesuchte Kapazität als frequenzbestim mendes Element in einer Oszillatorschaltung eingesetzt. Weiter sind kapazitive Sen soren eines dritten Typs bekannt, wobei die gesuchte Kapazität bei diesen Sensoren über eine Scheinwiderstandsmessung bestimmt wird. Ein vierter, moderner Typ ka pazitiver Sensoren nutzt ein digital erzeugtes Testsignal, um über eine anschließende Kreuzkorrelation die gesuchte Kapazität zu bestimmen. Der erfindungsgemäße kapa zitive Sensor gehört zu denen eines fünften Typs, wobei bei diesen der Ladungs transport beim Laden oder Entladen der Kapazität beobachtet wird. Die bekannten Typen kapazitiver Sensoren weisen typspezifisch unterschiedliche Vorteile und Nachteile auf.Various types of capacitive sensors are known. At a first Type of capacitive sensors. Will the searched capacity over a bridge circuit determined with the help of a sinusoidal voltage or a DC voltage. in the The second type of capacitive sensors is the desired capacity as frequency-determining used element in an oscillator circuit. There are also capacitive sensors sensors of a third type are known, the desired capacity in these sensors is determined via an impedance measurement. A fourth, modern type ka capacitive sensors uses a digitally generated test signal to pass over a subsequent Cross-correlation to determine the searched capacity. The kapa according to the invention citive sensor belongs to those of a fifth type, in which the charge transport is observed when loading or unloading the capacity. The well-known Types of capacitive sensors have different advantages and depending on the type Disadvantages.

Bei dem kapazitiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, (vgl. die DE - B - 21 48 775), ist jeweils eine Elektrode des Meßkondensators und des Referenzkon densators mit Masse verbunden, während die andere Elektrode jeweils mit einem Schmitt-Trigger verbunden ist, der bei Erreichen eines seinem Schwellwert entspre chenden Wertes der Meßkondensatorspannung bzw. der Referenzkondensatorspan nung sein Ausgangspotential sprungartig verändert. Diese Potentialänderung an den Ausgängen der Schmitt-Trigger steuert über elektronische Schalter die Entladung des Meßkondensators bzw. des Referenzkondensators. Hierdurch entstehen, für den Fall unterschiedlicher Kapazitäten des Meßkondensators bzw. des Referenzkondensa tors, Impulsfolgen unterschiedlicher Frequenz an den Ausgängen der Schmitt-Trigger. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger sind mit einer Subtrahierschaltung verbunden, de ren Ausgangsimpulsfolge das Sensorsignal darstellt. Bei dem bekannten kapazitiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, wird also die Zeitdauer bestimmt, die not wendig ist, um den jeweiligen Kondensator mit einem konstanten Strom auf eine bestimmte Spannung aufzuladen. Insbesondere wird bei dem bekannten kapazitiven Sensor das sogenannte Differenzprinzip angewendet, um Fehler zu eliminieren, die durch äußere Einflüsse, beispielsweise Temperaturschwankungen, entstehen können. Insbesondere bei Drucksensoren arbeitet man mit sogenannten Differentialkondensa toren mit zwei festen Außenelektroden und einer durch den Druck auslenkbaren Mit telelektrode. Bei einem solchen Differentialkondensator verändern sich die Kapazitä ten des Meßkondensators und des Referenzkondensators gegenläufig. Gleichfalls sind jedoch Anordnungen denkbar, bei denen die Referenzkapazität nicht variabel, also konstant, ist.In the capacitive sensor from which the invention is based (cf. DE - B - 21 48 775), is an electrode of the measuring capacitor and the reference con connected to ground, while the other electrode is connected to one Schmitt trigger is connected, which corresponds to its threshold value when one is reached corresponding value of the measuring capacitor voltage or the reference capacitor chip voltage suddenly changed its output potential. This change in potential at the The Schmitt trigger outputs control the discharge of the via electronic switches Measuring capacitor or the reference capacitor. This creates, just in case different capacitances of the measuring capacitor or the reference capacitor tors, pulse trains of different frequencies at the outputs of the Schmitt trigger. The outputs of the Schmitt triggers are connected to a subtracting circuit, de Ren output pulse train represents the sensor signal. In the known capacitive Sensor from which the invention is based, the time duration is determined, the not is agile to the respective capacitor with a constant current on a to charge certain tension. In particular, the known capacitive Sensor uses the so-called difference principle to eliminate errors that due to external influences, for example temperature fluctuations. So-called differential condensers are used in particular for pressure sensors gates with two fixed outer electrodes and a pressure deflectable Mit telelectrode. With such a differential capacitor, the capacitance changes th of the measuring capacitor and the reference capacitor in opposite directions. Likewise However, arrangements are conceivable in which the reference capacitance is not variable, so is constant.

Bekannte Anwendungsbereiche kapazitiver Sensoren sind, wie einerseits bereits er wähnt, die Druckmessung, andererseits die Kraftmessung, die Wegmessung, insbe sondere durch einen kapazitiven Näherungsschalter, und die Füllstandsmessung in einem Behälter.Well-known areas of application of capacitive sensors are, on the one hand, he is thinks the pressure measurement, on the other hand the force measurement, the displacement measurement, esp special by a capacitive proximity switch, and the level measurement in a container.

Die Schaltung des kapazitiven Sensors, von dem die Erfindung ausgeht, ist in ver schiedenen Punkten problematisch. Bei dem bekannten kapazitiven Sensor werden der Meßkondensator und der Referenzkondensator jeweils von einer Meßkondensa tor-Konstantstromquelle bzw. einer Referenzkondensator-Konstantstromquelle gela den. Dies ist aus mehreren Gründen problematisch. Zum einen ist es praktisch un möglich, zwei Konstantstromquellen zur Verfügung zu stellen, die einen identischen Konstantstrom liefern, zum anderen weisen die bislang bekannten Konstantstrom quellen verschiedene Abhängigkeiten von Störgrößen, insbesondere von der Tempe ratur auf, so daß die konstanten Ströme tatsächlich temperaturabhängig variieren. Die zum einen unterschiedlichen als auch unterschiedlich variierenden von der Meßkon densator-Konstantstromquelle und der Referenzkondensator-Konstantstromquelle gelieferten Ströme führen bei allen bislang bekannten kapazitiven Sensoren zu uner wünschten Meßfehlern.The circuit of the capacitive sensor from which the invention is based is in ver problematic at various points. In the known capacitive sensor the measuring capacitor and the reference capacitor each from a measuring capacitor gate constant current source or a reference capacitor constant current source gela the. This is problematic for several reasons. For one thing, it's practically un possible to provide two constant current sources that have an identical one Deliver constant current, on the other hand, the previously known constant current swell various dependencies on disturbance variables, in particular on the temperature temperature so that the constant currents actually vary depending on the temperature. The on the one hand different and differently varying from the measuring con capacitor constant current source and the reference capacitor constant current source Delivered currents lead to all capacitive sensors known so far wanted measurement errors.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zur Verfü gung zu stellen, bei dem die Meßgenauigkeit durch entsprechende Ausgestaltung der Konstantstromquellen deutlich verbessert ist. The invention is therefore based on the object of providing a capacitive sensor supply in which the accuracy of measurement by appropriate design of Constant current sources is significantly improved.

Die zuvor erläuterte und dargelegte Aufgabe ist gemäß einer ersten Lehre der Erfin dung dadurch gelöst, daß die Ansteuerschaltung eine gleichzeitig den Meßkondensa tor und den Referenzkondensator aufladende Konstantstromquelle aufweist und daß die Ansteuerschaltung einen als Regelgröße die Spannungsdifferenz zwischen dem Meßkondensator und dem Referenzkondensator auf einen Sollwert von 0 V regeln den, als Stellgröße den Strom entweder in den Meßkondensator oder in den Refe renzkondensator stellenden Regler aufweist. Durch diese erfindungsgemäße Maß nahme gemäß der ersten Lehre der Erfindung ist gewährleistet, daß im Gegensatz zur getrennten Aufladung des Meßkondensators bzw. des Referenzkondensators über zwei Konstantstromquellen durch die Verwendung einer einzigen Konstantstrom quelle gewährleistet ist, daß die Konstantströme nicht mehr unkontrolliert unterein ander variieren und sich somit nicht mehr auf die Meßgenauigkeit des kapazitiven Sensors auswirken.The task explained and explained above is according to a first teaching of the Erfin dung solved in that the drive circuit at the same time the measuring capacitor Tor and the reference capacitor charging constant current source and that the control circuit as a control variable the voltage difference between the Regulate the measuring capacitor and the reference capacitor to a setpoint of 0 V. the, as a manipulated variable, the current either in the measuring capacitor or in the Refe renzkondensator adjusting controller. By this measure according to the invention Assumption according to the first teaching of the invention ensures that, in contrast to separate charging of the measuring capacitor or the reference capacitor via two constant current sources through the use of a single constant current source is guaranteed that the constant currents are no longer uncontrolled vary and therefore no longer affect the measuring accuracy of the capacitive Sensor.

Die zweite Lehre der Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle zur Einstellung ei nes konstanten Stromes, mit einem von dem Strom durchflossenen Festwiderstand und mit einem als Regelgröße den Spannungsabfall über dem Festwiderstand regeln den Regler, wobei der Regler als Differenzverstärker ausgebildet ist.The second teaching of the invention relates to a constant current source for setting egg nes constant current, with a fixed resistance through which the current flows and regulate the voltage drop across the fixed resistor with a control variable the controller, the controller being designed as a differential amplifier.

Eine solche bekannte Konstantstromquelle (vgl. U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter- Schaltungstechnik, 10. Auflage, 1993, S. 372, Abb. 13.11(a)) ist in verschiedener Hinsicht problematisch. Ein wesentliches Problem besteht darin, daß die Summe aus Laststrom und Basisstrom eines in der bekannten Konstantstromquelle vorgesehenen Transistors die über dem Festwiderstand abfallende Spannung bestimmen. Dies führt dazu, daß eine temperaturbedingte Variation des Verstärkungsfaktors des Transistors zu einer Variation des Basisstroms und damit zu einer unerwünschten Variation des Laststromes führt.Such a known constant current source (cf. U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, 10th edition, 1993, p. 372, Fig. 13.11 (a)) is problematic in various respects. A major problem is that the sum of the load current and base current of a transistor provided in the known constant current source determine the voltage drop across the fixed resistor. This means that a temperature-related variation in the gain factor of the transistor leads to a variation in the base current and thus to an undesirable variation in the load current.

Die bereits erläuterte und dargelegte Ausgabe ist gemäß einer zweiten Lehre der Er findung dadurch gelöst, daß der Differenzverstärker an seinem Ausgang als Stellgröße die Gesamtspannung über dem Festwiderstand und über einer von dem konstanten Strom durchflossenen Last einstellt und daß ein mit der der Last zugewandten Seite des Festwiderstandes verbundener Spannungsfolger in Verbindung mit der bekann ten Ausgangsspannung des Differenzverstärkers dem Differenzverstärker den Istwert des Spannungsabfalls über den Festwiderstand liefert. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme gemäß der zweiten Lehre der Erfindung ist gewährleistet, daß die über dem Festwiderstand abfallende Spannung ausschließlich von dem die Last durchflie ßenden Strom bestimmt ist.According to a second teaching, the edition already explained and presented is the Er solved in that the differential amplifier at its output as a manipulated variable the total voltage over the fixed resistor and over one of the constant Current flows through load and that one with the side facing the load the fixed resistor connected voltage follower in connection with the known th output voltage of the differential amplifier to the differential amplifier the actual value of the voltage drop across the fixed resistor. By the invention Measure according to the second teaching of the invention ensures that the over the voltage falling across the fixed resistor exclusively from which the load flows eating current is determined.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor bzw. die erfindungsgemäße Konstantstromquelle auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und die dem Patentanspruch 7 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungs beispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:In particular, there are a multitude of possibilities for the invention capacitive sensor or the constant current source according to the invention and educate. For this purpose, reference is made on the one hand to claim 1 subordinate claims and the subordinate to claim 7 Claims, on the other hand to the description of preferred embodiment examples in connection with the drawing. The drawing shows:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors gemäß der ersten Lehre der Erfindung und Fig. 1 shows an embodiment of a capacitive sensor according to the first teaching of the invention and

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Konstantstromgenerators gemäß der zwei ten Lehre der Erfindung. Fig. 2 shows an embodiment of a constant current generator according to the two th teaching of the invention.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor dargestellt, mit einem eine va riable Kapazität aufweisenden Meßkondensator 1, mit einem Referenzkondensator 2, mit einer den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 ansteuernden An steuerschaltung 3 und mit einer die Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Re ferenzkondensators 2 auswertenden und ein Sensorsignal ausgebenden Auswerte schaltung 4. Bei dem in Fig. 1 dargestellten kapazitiven Sensor handelt es sich um einen Drucksensor, d. h. die Kapazität des Meßkondensators ist druckabhängig und die Auswerteschaltung 4 gibt ein druckabhängiges Sensorsignal aus.In Fig. 1, a capacitive sensor according to the invention is shown, with a measuring capacitor 1 having a variable capacity, with a reference capacitor 2 , with a control circuit 3 which drives the measuring capacitor 1 and the reference capacitor 2 and with a capacitance of the measuring capacitor 1 and Re reference capacitor 2 evaluating and outputting a sensor signal evaluation circuit 4th The capacitive sensor shown in FIG. 1 is a pressure sensor, ie the capacitance of the measuring capacitor is pressure-dependent and the evaluation circuit 4 outputs a pressure-dependent sensor signal.

Erfindungsgemäß ist der kapazitive Sensor dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteu erschaltung 3 eine gleichzeitig den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 aufladende Konstantstromquelle 5 aufweist und daß die Ansteuerschaltung 3 einen als Regelgröße die Spannungsdifferenz zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Referenzkondensator 2 auf einen Sollwert von 0 V regelnden, als Stellgröße den Strom hier in den Meßkondensator 1 stellenden Regler 6 aufweist. Alternativ und hier nicht dargestellt kann der Regler 6 auch den Strom in den Referenzkondensator 2 einstellen. According to the invention, the capacitive sensor is characterized in that the Ansteu erschaltung 3 is a the same time the measuring capacitor 1 and the reference capacitor comprises two charging constant current source 5 and that the drive circuit 3 a as the control variable, the voltage difference between the measurement capacitor 1 and the reference capacitor 2 to a target value of 0 V regulating, as a manipulated variable has the current here in the measuring capacitor 1 controller 6 . As an alternative and not shown here, the controller 6 can also set the current in the reference capacitor 2 .

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist gewährleistet, daß auch bei einem kapa zitiven Sensor mit einem Meßkondensator 1 und einem Referenzkondensator 2 eine Stromquelle zum Aufladen beider Kondensatoren 1, 2 ausreicht. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit im Vergleich zu den bekannten kapazitiven Sensoren deutlich er höht, da keine Fehler durch voneinander abweichende Ströme zweier Konstant stromquellen auftreten können.The inventive measure is ensured that even with a kapa zitiven sensor with a measurement capacitor 1 and a reference capacitor 2, a current source for charging both capacitors 1, 2 is sufficient. As a result, the measuring accuracy is significantly increased compared to the known capacitive sensors, since no errors can occur due to different currents from two constant current sources.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors ist besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß die Konstantstromquelle 5 über jeweils einen Ladewiderstand 7, 8 mit dem Meßkondensator 1 und mit dem Referenzkondensator 2 verbunden ist. Durch diese Ladewiderstände 7, 8 ist gewährleistet, daß auch bei rela tiv stark voneinander abweichenden Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2, der Kondensator, dessen Ladestrom nicht geregelt ist, hin reichend geladen wird.The embodiment of a capacitive sensor shown in FIG. 1 is particularly advantageously developed in that the constant current source 5 is connected to the measuring capacitor 1 and to the reference capacitor 2 via a charging resistor 7 , 8 in each case. These charging resistors 7 , 8 ensure that the capacitance of the measuring capacitor 1 and the reference capacitor 2 , the capacitor, the charging current of which is not regulated, is sufficiently charged even when the capacitances of the measuring capacitor 1 and the reference capacitor 2 differ greatly.

Eine besonders einfache Verwirklichung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors ist dadurch gewährleistet, daß der Regler 6 als Differenzverstärker, insbesondere als Operationsverstärker ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft, da Differenzverstärker bzw. Operationsverstärker billige und zuverlässige elektronische Bauteile darstellen.A particularly simple implementation of the capacitive sensor according to the invention is ensured in that the controller 6 is designed as a differential amplifier, in particular as an operational amplifier. This is advantageous since differential amplifiers or operational amplifiers represent cheap and reliable electronic components.

Dadurch, daß der ausschließlich mit dem Strom aus der Konstantstromquelle 5 auf geladene Referenzkondensator 2 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Diffe renzverstärkers verbunden ist und daß der vom eingestellten Strom aufgeladene Meßkondensator 1 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers verbun den ist, liegt an dem Differenzverstärker der Istwert der Regelgröße, d. h. die Span nungsdifferenz zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Referenzkondensator 2, an.The fact that the only with the current from the constant current source 5 to the charged reference capacitor 2 is connected to the non-inverting input of the differential amplifier and that the measuring capacitor 1 charged by the set current is connected to the inverting input of the differential amplifier, the actual value is due to the differential amplifier the controlled variable, ie the voltage difference between the measuring capacitor 1 and the reference capacitor 2 .

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß der vom eingestellten Strom aufgeladene Meßkonden sator 1 über einen Regelwiderstand 9 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers ver bunden ist. Über die am Ausgang des Differenzverstärkers anliegende, vom Istwert der Regelgröße abhängige Spannung und den Regelwiderstand 9 wird so dem Meß kondensator 1, je nach Druck ein positiver oder negativer Strom zugeführt, so daß sich die Spannungsdifferenz zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Referenz kondensator 2 verringert.The embodiment shown in Fig. 1 of a capacitive sensor is further characterized in that the charged by the set current measuring capacitor 1 is connected via a variable resistor 9 to the output of the differential amplifier. About the applied at the output of the differential amplifier, depending on the actual value of the controlled variable voltage and the control resistor 9 , the measuring capacitor 1 , depending on the pressure, a positive or negative current is supplied, so that the voltage difference between the measuring capacitor 1 and the reference capacitor 2 is reduced .

Schließlich wird das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgema ßen kapazitiven Sensors dadurch besonders vorteilhaft ausgestaltet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers und der ausschließlich mit Strom aus der Konstantstrom quelle 9 aufgeladene Referenzkondensator 2 mit dem von einem Ausgangsdifferenz verstärker 10 gebildeten Eingang der Auswerteschaltung 4 verbunden sind. Dies ist deshalb vorteilhaft, da die Differenz der Spannung an dem ausschließlich mit Strom aus der Konstantstromquelle 9 aufgeladenen Referenzkondensator 2 und der Span nung am Ausgang des Differenzverstarkers direkt proportional zur Kapazitätsdifferenz zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Referenzkondensator 2 ist. Das Aus gangssignal des Ausgangsdifferenzverstärkers 10 ist also beim dargestellten kapaziti ven Drucksensor direkt dem Druck proportional.Finally, the embodiment of a capacitive sensor according to the invention shown in FIG. 1 is particularly advantageously designed in that the output of the differential amplifier and the reference capacitor 2 charged exclusively with current from the constant current source 9 are connected to the input of the evaluation circuit 4 formed by an output difference amplifier 10 are. This is therefore advantageous because the difference voltage of the voltage at the output of the differential amplifier is directly proportional to the capacitance difference between the measurement capacitor 1 on the charged solely with power from the constant current source 9 reference capacitor 2 and the chip and to the reference capacitor. 2 From the output signal of the output differential amplifier 10 is thus directly proportional to the pressure in the capacitive pressure sensor shown.

Wenn bislang stets die Rede davon war, daß der Meßkondensator 1 oder der Refe renzkondensator 2 mit verschiedenen anderen elektronischen Bauteilen verbunden ist, so bedeutet dies selbstverständlich, daß jeweils die nicht mit dem Bezugspotential verbundene Elektrode der Kondensatoren 1, 2 mit dem jeweiligen elektronischen Bauteil verbunden ist.If so far there has always been talk of the measuring capacitor 1 or the reference capacitor 2 being connected to various other electronic components, this obviously means that the electrode of the capacitors 1 , 2 not connected to the reference potential is connected to the respective electronic component is.

In Fig. 2 ist eine Konstantstromquelle zur Einstellung eines konstanten Stromes dar gestellt, wie sie beispielsweise in einem kapazitiven Sensor gemäß der ersten Lehre der Erfindung einsetzbar ist. Die Konstantstromquelle weist auf einen von dem Strom durchflossenen Festwiderstand 11 und einen als Regelgröße den Spannungsabfall über dem Festwiderstand 11 regelnden Regler, wobei der Regler als Differenzverstar ker 12 ausgebildet ist.In Fig. 2, a constant current source for setting a constant current is provided, as can be used for example in a capacitive sensor according to the first teaching of the invention. The constant current source has a current-carrying of the fixed resistor 11 and a control variable as the voltage drop across the fixed resistor 11 regulating controller, wherein the controller ker than Differenzverstar 12 is formed.

Gemäß der zweiten Lehre der Erfindung ist die in Fig. 2 dargestellte, die genannten elektronischen Bauteile aufweisende Konstantstromquelle dadurch ausgestaltet, daß der Differenzverstärker 12 an seinem Ausgang als Stellgröße die Gesamtspannung über dem Festwiderstand 11 und über einer von dem konstanten Strom durchflosse nen Last 13, im vorliegenden Fall einem Kondensator, einstellt und daß ein mit der der Last 13 zugewandten Seite des Festwiderstandes 11 verbundener Spannungsfolger 14 in Verbindung mit der bekannten Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 12 dem Differenzverstarker 12 den Istwert des Spannungsabfalls über dem Festwider stand 11 liefert. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist gewährleistet, daß der durch den Festwiderstand 1 l fließende konstante Strom exakt dem durch die Last 13 fließenden konstanten Strom entspricht, da der in den Spannungsfolger 14 fließende Strom vernachlässigbar ist.According to the second teaching of the invention, the constant current source shown in FIG. 2, which has the aforementioned electronic components, is designed in that the differential amplifier 12 has at its output, as a manipulated variable, the total voltage across the fixed resistor 11 and across a load 13 through which the constant current flows. in the present case, a capacitor, and that a connected to the load 13 facing side of the fixed resistor 11 voltage follower 14 in conjunction with the known output voltage of the differential amplifier 12, the differential amplifier 12 was the actual value of the voltage drop across the fixed resistor was 11 . The measure according to the invention ensures that the constant current flowing through the fixed resistor 1 l corresponds exactly to the constant current flowing through the load 13 , since the current flowing into the voltage follower 14 is negligible.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstant stromquelle ist dadurch weiter ausgestaltet, daß der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers 12 über einen Koppelwiderstand 15 mit dem Ausgang des Span nungsfolgers 14 verbunden ist, daß der nicht invertierende Eingang des Differenzver starkers 12 über einen Referenzwiderstand 16 mit einer Referenzspannungsquelle 17 verbunden ist, daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 12 über einen Gegenkopplungswiderstand 18 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 12 ver bunden ist und daß der invertierende Eingang des Differenzverstarkers 12 über einen Bezugswiderstand 19 mit einem Bezugspotential 20 der Referenzspannungsquelle 17, i. allg. Masse, verbunden ist. Der Sollwert des Spannungsabfalls über dem Festwi derstand 11 ist somit allein durch die Verhältnisse der Widerstände des Koppelwider standes 15, des Referenzwiderstandes 16, des Gegenkopplungswiderstandes 18 und des Bezugswiderstandes 19 vorgegeben.The embodiment shown in Fig. 2 of a constant current source according to the invention is further developed in that the non-inverting input of the differential amplifier 12 is connected via a coupling resistor 15 to the output of the voltage follower 14 that the non-inverting input of the differential amplifier 12 via a reference resistor 16 is connected to a reference voltage source 17 that the inverting input of the differential amplifier 12 is connected via a negative feedback resistor 18 to the output of the differential amplifier 12 and that the inverting input of the differential amplifier 12 is connected via a reference resistor 19 to a reference potential 20 of the reference voltage source 17 , i. general mass, is connected. The setpoint of the voltage drop across the Festwi resistance 11 is thus given solely by the ratios of the resistances of the coupling resistance 15 , the reference resistor 16 , the negative feedback resistor 18 and the reference resistor 19 .

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstant stromquelle ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Widerstände des Koppelwiderstandes 15 und des Referenzwiderstandes 16 dem Verhältnis der Wi derstände des Gegenkopplungswiderstandes 18 und des Bezugswiderstandes 19 entspricht.The embodiment shown in Fig. 2 of a constant current source according to the invention is further characterized in that the ratio of the resistances of the coupling resistor 15 and the reference resistor 16 corresponds to the ratio of the Wi resistances of the negative feedback resistor 18 and the reference resistor 19 .

Weiter wird die in Fig. 2 dargestellte Konstantstromquelle dadurch ausgestaltet, daß der Differenzverstärker 12 als Operationsverstärker ausgebildet ist. Wie bereits er wähnt, sind Operationsverstärker standardisierte elektronische Bauteile′ die preisgün stig sind und zuverlässig arbeiten.Furthermore, the constant current source shown in FIG. 2 is configured in that the differential amplifier 12 is designed as an operational amplifier. As he already mentioned, operational amplifiers are standardized electronic components that are inexpensive and work reliably.

Der als Operationsverstärker ausgebildete Differenzverstärker ist weiter dadurch aus gebildet, daß er eine eigene Spannungsversorgung besitzt, also nicht von der Refe renzspannungsquelle 17 versorgt wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß sowohl für die Konstantstromquelle als auch für einen, das Sensorsignal eines diese Konstant stromquelle aufweisenden kapazitiven Sensors wandelnden, nicht dargestellten Analog/Digital-Wandler dieselbe Referenzspannungsquelle 17 verwendbar ist, da der notwendige Signalhub der Spannung an der Last 13, hier einem Kondensator, über die getrennte Spannungsversorgung des als Operationsverstärker ausgebildeten Differenzverstärkers 12 gewährleistet ist. Dadurch, daß sowohl die Konstant stromquelle als auch der nicht dargestellte Analog/Digital-Wandler von der selben Referenzspannungsquelle 17 versorgt werden, ist gewährleistet, daß sich Schwan kungen in dieser Referenzspannungsquelle nunmehr nur noch gering auf die Meß genauigkeit des kapazitiven Sensors auswirken. Diese Kompensation ist dadurch gewährleistet, daß, wenn beispielsweise die Spannung der Referenzspannungsquelle 17 sinkt, dann auch der Sollwert des Spannungsabfalls über dem Festwiderstand 11 sinkt und somit die Meßspannung an der bei einem kapazitiven Sensor als Kondensa tor ausgebildeten Last 13 sinkt, daß aber gleichzeitig die Spanne des nicht dargestell ten Analog/Digital-Wandlers ebenfalls sinkt und somit die geringere Meßspannung an der als Kondensator ausgebildeten Last kompensiert wird.The differential amplifier designed as an operational amplifier is further formed from the fact that it has its own voltage supply, that is to say it is not supplied by the reference voltage source 17 . This ensures that the same reference voltage source 17 can be used both for the constant current source and for an analog / digital converter, not shown, which converts the sensor signal of a capacitive sensor having this constant current source, since the necessary signal swing of the voltage at the load 13 , here a capacitor, via which the separate voltage supply to the differential amplifier 12 , which is designed as an operational amplifier, is ensured. The fact that both the constant current source and the analog / digital converter, not shown, are supplied by the same reference voltage source 17 , ensures that fluctuations in this reference voltage source now only have a small effect on the measuring accuracy of the capacitive sensor. This compensation is ensured by the fact that when, for example, the voltage of the reference voltage source 17 drops, the setpoint value of the voltage drop across the fixed resistor 11 also drops, and thus the measuring voltage at the load 13 designed as a capacitive sensor decreases, but at the same time the The span of the analog / digital converter (not shown) also decreases and the lower measuring voltage at the load designed as a capacitor is compensated for.

Die erfindungsgemäße Konstantstromquelle ist besonders vorteilhaft dadurch ge kennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle 17 umpolbar ist. Durch die Maß nahme ist gewährleistet, daß die bei einem kapazitiven Sensor als Kondensator aus gebildete Last 13 über die Konstantstromquelle entladbar ist. Hierdurch wird eine parallele Entladestrecke und die damit verbundenen bekannten Probleme vermieden.The constant current source according to the invention is particularly advantageously characterized in that the reference voltage source 17 can be reversed. The measure ensures that the load formed with a capacitive sensor as a capacitor 13 can be discharged via the constant current source. This avoids a parallel unloading section and the associated known problems.

Besonders vorteilhaft wird schließlich die erfindungsgemäße Konstantstromquelle dadurch ausgestaltet, daß der Spannungsfolger 14 als gegengekoppelter Operations verstärker ausgebildet ist, da ein Operationsverstärker im allgemeinen einen sehr ho hen Eingangswiderstand aufweist. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Strom durch den Festwiderstand 11 nahezu vollständig dem Strom durch die Last 13 entspricht.Finally, the constant current source according to the invention is particularly advantageously designed in that the voltage follower 14 is designed as a negative feedback operational amplifier, since an operational amplifier generally has a very high input resistance. This ensures that the current through the fixed resistor 11 corresponds almost completely to the current through the load 13 .

Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Konstantstromquelle besonders vor teilhaft in einem kapazitiven Sensor gemäß der ersten Lehre der Erfindung einsetzbar. Die erfindungsgemäße Konstantstromquelle ist jedoch zur Erhöhung der Meßgenau igkeit beispielsweise ebenfalls in dem bekannten kapazitiven Sensor, von dem der kapazitive Sensor gemäß der ersten Lehre der Erfindung ausgeht, einsetzbar.As already mentioned, the constant current source according to the invention is particularly preferred partially used in a capacitive sensor according to the first teaching of the invention. However, the constant current source according to the invention is accurate for increasing the measurement for example also in the known capacitive sensor, of which the capacitive sensor based on the first teaching of the invention, can be used.

Claims

1. capacitive sensor, in particular pressure sensor, with a variable, in particular pressure-dependent capacitance measuring capacitor ( 1 ), with a - possibly a variable, in particular pressure-dependent capacitance - reference capacitor ( 2 ), with a measuring capacitor ( 1 ) and the reference capacitor ( 2 ) on the control control circuit ( 3 ) and with an evaluation circuit ( 4 ) which evaluates the capacitances of the measuring capacitor ( 1 ) and the reference capacitor ( 2 ) and outputs an in particular pressure-dependent sensor signal, characterized in that the control circuit ( 3 ) at the same time the measuring capacitor ( 1 ) and the reference capacitor ( 2 ) charging constant current source ( 5 ) and that the control circuit ( 3 ) as a control variable, the voltage difference between the measuring capacitor ( 1 ) and the reference capacitor ( 2 ) to a setpoint regulating from 0 V, as a manipulated variable the current either in the measuring condensate gate ( 1 ) or in the reference capacitor ( 2 ) controller ( 6 ).

2. Capacitive sensor according to claim 1, characterized in that the constant current source ( 5 ) via a charging resistor ( 7 , 8 ) with the measuring capacitor ( 1 ) and with the reference capacitor ( 2 ) is connected.

3. Capacitive sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the controller ( 6 ) is designed as a differential amplifier, in particular as an operational amplifier.

4. Capacitive sensor according to claim 3, characterized in that the exclusive Lich with current from the constant current source ( 5 ) charged capacitor ( 2 , 1 ) is connected to the non-inverting input of the differential amplifier and that the capacitor charged by the set current ( 1 , 2nd ) is connected to the inverting input of the differential amplifier.

5. Capacitive sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the capacitor charged by the set current ( 1 , 2 ) via a control resistor ( 9 ) is connected to the output of the differential amplifier.

6. Capacitive sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that the output of the differential amplifier and the only with current from the constant current source ( 5 ) charged capacitor ( 2 , 1 ) with the input from the output differential amplifier ( 10 ) formed Evaluation circuit ( 4 ) are connected.

7. constant current source for setting a constant current, with a fixed resistor ( 11 ) through which the constant current flows and with a regulator which regulates the voltage drop across the fixed resistor ( 11 ) as a controlled variable, the regulator being designed as a differential amplifier ( 12 ), in particular for use denotes in a capacitive sensor according to one of claims 1 to 6 characterized ge that the differential amplifier (12) adjusts at its output as a manipulated variable, the total voltage across the fixed resistor (11) and a carrying of the constant current load (13) and that a with the load (13) facing side of the fixed resistor (11) connected to the voltage follower (14) in connection with the known output voltage of the differential amplifier (12) to the differential amplifier (12) delivers the actual value of the voltage drop across the fixed resistor (11).

8. constant current source according to claim 7, characterized in that the non-vertizing input of the differential amplifier ( 12 ) via a coupling resistor ( 15 ) to the output of the voltage follower ( 14 ) is connected that the non-inverting input of the differential amplifier ( 12 ) via a Reference resistor ( 16 ) is connected to a reference voltage source ( 17 ), that the inverting input of the differential amplifier ( 12 ) was connected via a negative feedback resistor ( 18 ) to the output of the differential amplifier ( 12 ) and that the inverting input of the differential amplifier ( 12 ) via a reference resistor ( 19 ) with a reference potential ( 20 ) of the reference voltage source ( 17 ) is connected.

9. constant current source according to claim 8, characterized in that the ratio of the resistances of the coupling resistor ( 15 ) and the reference resistor ( 16 ) corresponds to the ratio of the resistances of the negative feedback resistor ( 18 ) and the reference resistor ( 19 ).

10. Constant current source according to one of claims 7 to 9, characterized in that the differential amplifier ( 12 ) is designed as an operational amplifier.

11. Constant current source according to claim 10, characterized in that the differential amplifier ( 12 ) designed as an operational amplifier has its own voltage supply.

12. Constant current source according to one of claims 7 to 11, characterized in that the voltage follower ( 14 ) is formed as a negative feedback operational amplifier.

13. Constant current source according to one of claims 8 to 12, characterized in that the reference voltage source ( 17 ) can be reversed.