DE60111840T2

DE60111840T2 - Kapazitive pegelmessungsschaltung und -sonde

Info

Publication number: DE60111840T2
Application number: DE60111840T
Authority: DE
Inventors: E. Barry MARTIN; Stephen Tymoszuk; N. Benjamin LEASE
Original assignee: Robertshaw Controls Co
Current assignee: Robertshaw Controls Co
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-04-14
Also published as: ATE299267T1; US6529017B2; EP1274972B1; US20020008526A1; AU5906901A; EP1274972A2; WO2001079789A2; DE60111840D1; ES2245362T3; WO2001079789A3; AU2001259069B2

Description

STAND DER TECHNIK
Diese Erfindung bezieht sich auf kapazitive Messsonden und insbesondere auf eine kapazitive Sonde und auf eine Operationsschaltungsanordnung dafür.
Kapazitive Sonden werden häufig verwendet, um den Pegel eines Materials in einem Tank oder in einem anderen Fach zu messen. Während das Material in dem Fach steigt, ersetzt es die Luft zwischen zwei Elektroden oder Leitern. Falls das Material eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft hat, wird die Gesamtkapazität des Systems erhöht, während das Fach gefüllt wird. Diese Erhöhung der Kapazität liefert eine Angabe der Materialmenge in dem Fach.
Damit kapazitive Sonden in dieser Umgebung arbeiten, muss ein Leiterpaar so beabstandet sein, dass das zu messende Material den Raum dazwischen füllen kann. Falls die Sonde in leitende Materialien eingeführt werden soll, muss sie außerdem ein Verfahren enthalten, um die Leiter elektrisch voneinander zu isolieren.
Eine im US-Patent Nr. 3.774.238 an Hardway gezeigte kapazitive Vorrichtung verwendet zwei lange Rohre oder Stäbe 26, 27, die in einer räumlich beabstandeten Beziehung durch Kunststoffisolatoren 28 voneinander isoliert sind.
Ein weiterer Typ einer kapazitiven Sonde, der im US-Patent Nr. 5.397.995 an Anderson gezeigt ist, enthält einen äußeren Leiter und einen beabstandeten inneren Leiter. Der Raum zwischen den Leitern isoliert die Leiter voreinander und ermöglicht, dass das zu messende Material den Raum füllt.
US-A-6 016 697 offenbart einen Kupplungsmechanismus, bei dem ein federndes Kupplungseingriffsmittel zwei Tellerfederringe, die zwischen der Rückenoberfläche der Druckplatte und einem durch das Entkupplungselement getragenen Manövrieranschlag in Reihe montiert sind, d. h., einen ersten Tellerfederring, der an die Druckplatte angrenzt, und einen zweiten Tellerfederring, der an das Entkupplungselement angrenzt, umfasst, wobei das Entkupplungselement an seinem Außenumfang an einem Primäranschlag schwenkbar angebracht ist, der von der Basis der Abdeckplatte radial nach außen hin von dem Manövrieranschlag getragen wird, der sich selbst radial außerhalb eines Sekundäranschlags befindet, der für den Kontakt mit dem Entkupplungselement und zum Definieren einer Referenzposition für das Letztere von der Basis der Abdeckplatte getragen wird.
DE-A-4329571 offenbart einen kapazitiven Wechselstrom-Neigungssensor zum Bestimmen des Pegels dielektrischer Schmierflüssigkeit eines Fahrzeuggetriebes, die den Kondensator in zwei Elektrodenpaare teilt, die durch Lücken beabstandet sind, in denen sich die Flüssigkeit befindet, wobei die Lücken durch das Prinzip der kommunizierenden Röhren in Verbindung stehen.
US-A-4 383 444 offenbart ein auf einer Kapazitäts-Strom-Umsetzung beruhendes Pegelmesssystem, das mit einer Anlage zur Kompensation von Änderungen der Dielektrizitätskonstante in einer gemessenen Flüssigkeit versehen ist. Eine Referenzsonde befindet sich vollständig in der zu messenden Flüssigkeit. Die Messsonde reagiert sowohl auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante als auch auf Änderungen des Flüssigkeitspegels. Ein Differenzausgang von der Referenzsonde und von der Messsonde bewirkt die Kompensation von Änderungen der Dielektrizitätskonstante in dem gemessenen Material. Eine Steuereinheit am Ausgang liefert Mittel zur automatischen Kalibrierung durch einen Mikroprozessor.
Ein Nachteil bekannter kapazitiver Sonden ist ihre Anfälligkeit für Ungenauigkeiten wegen Kapazitäten, die üblicherweise als 'parasitäre Kapazitäten' bekannt sind und die zwischen verschiedenen Komponenten der kapazitiven Messungsschaltung einschließlich der Sonde selbst vorhanden sind. Darüber hinaus sind diese parasitären Kapazitäten häufig veränderlich, wobei sie durch die Umgebungstemperatur und/oder -feuchtigkeit beeinflusst werden. Somit besteht ein Bedarf an einer verbesserten kapazitiven Messsonde und an einer Schaltungsanordnung dafür.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung umfasst eine kapazitive Pegelmessungsschaltung eine Ansteuerschaltung, die einen Leistungsanschluss, der mit einer Konstantstromquelle gekoppelt werden kann, einen Detektoranschluss, der mit einem Schwellenwertdetektor gekoppelt werden kann, einen Sondenanschluss, der mit einem Sondenkondensator gekoppelt werden kann, einen Referenzanschluss, der mit einem Referenzkondensator gekoppelt werden kann, mehrere Schalter, die so betätigt werden können, dass der genannte Leistungs anschluss abwechselnd mit dem genannten Sondenanschluss und mit dem genannten Referenzanschluss gekoppelt ist, enthält; wobei die genannte Ansteuerschaltung in der Weise konfiguriert ist, dass sie abwechselnd ein Signal mit linear ansteigender Signalform erzeugt, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators und des Referenzkondensators ist, die mit dem genannten Sondenanschluss und mit dem genannten Referenzanschluss gekoppelt sind; wobei die parasitäre Kapazität zwischen dem Referenzkondensator und dem Sondenkondensator dadurch, dass die Spannung über den genannten Referenzkondensator während der Messung des Kapazitätspegels auf dem gleichen Pegel wie die über den genannten Sondenkondensator aufrechterhalten wird, im Wesentlichen beseitigt ist.
In einer Änderung kann die vorliegende Erfindung eine kapazitive Sonde enthalten, die diese kapazitive Pegelmessungsschaltung enthält.
In einem weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Pegelmessungs-Kapazitätssonde. Das Verfahren enthält das Bereitstellen einer Auswahl-/Abschirmungs-Ansteuerschaltung, das Koppeln einer Konstantstromquelle mit der Auswahl-/Abschirmungs-Ansteuerschaltung, das Koppeln eines Sondenkondensators mit der Auswahl-/Ansteuerschaltung, das Koppeln eines Referenzkondensators mit der Auswahl-/Ansteuerschaltung und das Versehen der Auswahl-/Ansteuerschaltung mit mehreren Schaltern, die so betätigt werden können, dass die Konstantstromquelle abwechselnd mit dem Sondenkondensator und mit dem Referenzkondensator gekoppelt wird. Außerdem enthält das Verfahren das Konfigurieren der Auswahl-/Abschirmungs-Ansteuerschaltung in der Weise, dass sie abwechselnd ein Signal mit einer linear ansteigenden Signalform erzeugt, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators und eines Referenzkondensators ist, die mit dem genannten Sondenanschluss und mit dem genannten Referenzanschluss gekoppelt sind, und das Betätigen der Schalter, um die Konstantstromquelle abwechselnd mit dem Sondenkondensator und mit dem Referenzkondensator zu koppeln. Die Auswahl-/Abschirmungs-Ansteuerschaltung wird verwendet, um abwechselnd ein Signal mit linear ansteigender Signalform zu erzeugen, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators und des Referenzkondensators ist. Zwischen dem Referenzkondensator und dem Sondenkondensator wird während der genannten Verwendung der Auswahl-/Abschirmungs-Ansteuerschaltung eine Spannungsdifferenz von im Wesentlichen null Volt aufrechterhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die obigen und weiteren Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden leichter sichtbar beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
1 eine schematische Darstellung einer kapazitiven Sonde der vorliegenden Erfindung ist;
2A eine schematische Darstellung der Messungsschaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist, die beim Betrieb der kapazitiven Sonde aus 1 brauchbar ist;
2B eine schematische Darstellung der elektrischen Verdrahtung der kapazitiven Sonde aus 1 ist;
3 eine schematische Darstellung eines zum Betrieb der Schaltungsanordnung aus 2A verwendeten Prozessors ist; und
4 eine schematische Darstellung zusätzlicher und/oder optionaler Baugruppen ist, die mit der Schaltungsanordnung der 2A und 3 gekoppelt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Figuren werden im Folgenden die veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Zur Klarheit der Erläuterung sind gleiche Merkmale, die in der beigefügten Zeichnung gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, während ähnliche Merkmale, wie sie in der Zeichnung in alternativen Ausführungsformen gezeigt sind, mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Wie in den 1 und 2A gezeigt ist, enthält die betreffende Erfindung eine Messungsschaltung 22, die in Verbindung mit einer kapazitiven Sonde 10 verwendet werden kann, um den Pegel eines Materials 12 in einem Fach 14 zu messen. Die Sonde 10 enthält allgemein einen Sondenkondensator 21 (zum Messen des Materialpegels) und einen Referenzkondensator (eine Zelle) 44, der dazu verwendet wird, den Sondenkondensator 21 für ein besonderes Material 12, das gemessen wird, zu kalibrieren. Die Messungsschaltung 22 kompensiert aktiv parasitäre Kapazitäten, die zwischen dem Sondenkondensator 21 und der Referenzzelle 44 typisch vorhanden sind. Die Schaltung 22 erreicht diese Funktionalität, indem sie dem Sondenkondensator 21 zu Beginn der Messung einen konstanten Strom zuführt. Dieser konstante Strom erzeugt eine Spannung über den Kondensator 21, d. h. eine linear ansteigende Signalform mit einem Anstieg, der proportional zur Größe der Kapazität ist. Ein Zeitgeber misst die Zeit, die zwischen dem Beginn der Messung und dem Zeitpunkt, zu dem die Spannungssignalform einem vorgegebenen Pegel (z. B. 2 Volt) erreicht, vergangen ist ("t"). Dieser Zeitwert "t" ist proportional zu dem Wert der Kapazität des Sondenkondensators 21. Diese parasitäre Kapazität (d. h. zwischen dem Kondensator 21 und der Zelle 44) wird dadurch aktiv beseitigt, dass die Spannung über die Referenzzelle 44 während des Messzyklus auf dem gleichen Pegel wie die über den Kondensator 21 gehalten wird. Das Aufrechterhalten dieser nominell gleichen Spannungen beseitigt im Wesentlichen irgendeine Spannungsdifferenz zwischen dem Kondensator 21 und der Zelle 44, um diese parasitäre Kapazität nominell zu beseitigen. Eine ähnliche Folge von Ereignissen wird für die Messung der Referenzzelle 44 bewirkt. Auf diese Weise ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relativ genaue Messungen der Kapazität des Sondenkondensators 21 und der Referenzzelle 44.
Nunmehr anhand der 1–4 werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, enthält die betreffende Erfindung eine kapazitive Sonde 10 zur Verwendung bei der Messung des Pegels eines Materials 12 (d. h. der Tiefe der Einführung der Sonde in ein Material 12) in einem Fach 14. Die Sonde 10 kann von dem Typ sein, der in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. 09/696.329 mit dem Titel Low Cost Capacitance Probe, eingereicht am 24. Oktober 2000, dargelegt ist. In einer besonderen Umgebung ist festgestellt worden, dass die Sonde 10 vorteilhaft bei der Messung von Pegeln von Kraftstoffen in Kraftstofftanks ist.
Wie gezeigt ist, bildet die Sonde 10 einen Sondenkondensator 21, der eine in 1 als C_probe bezeichnete Kapazität zeigt. Während das Material 12 in einem Fach (z. B. Tank) 14 steigt, geht es in einen Raum 16 zwischen zwei Elektroden oder Leitern 18, 20, die mit einem im Folgenden detaillierter beschriebenen elektronischen Modul (d. h. einer Schaltungsanordnung) 22 gekoppelt sind. Während das Material 12 in den Raum 16 steigt, entweicht durch die Öffnungen 25 im äußeren Leiter 20 Luft oder ein anderes Gas aus dem Raum 16. Wenn das Material 12 eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft hat, wird die Kapazität C_probe des Sondenkondensators 21 (d. h. die Kapazität zwischen den Leitern 18, 20) erhöht, während das Fach 16 gefüllt wird. Diese Erhöhung der Kapazität liefert eine Angabe der Menge (d. h. des Pegels) des Materials 12 im Fach 14.
Wie ebenfalls gezeigt ist, kann die kapazitive Sonde 10 eine Referenzzelle (d. h. einen Kondensator) 44 enthalten, die sich am distalen Ende 46 des inneren Leiters 18 befindet und konzentrisch zu ihm ist. Die Referenzzelle 44 funktioniert als ein verhältnismäßig kleiner Kondensator bekannter Größe, der die automatische Kalibrierung für das Dielektrikum des besonderen Materials 12 im Fach 14 ermöglicht. Somit beseitigt die Zelle 44 nominell die Notwendigkeit, eine Messung vor Ort zu kalibrieren, und ermöglicht, dass das System, d. h. die Sonde 10 und die Schaltungsanordnung 22, Materialien 12 mit verschiedenen Dielektrika zweckmäßig kompensiert.
Die Referenzzelle 44 enthält einen ersten Referenzleiter 48, der unter Verwendung eines nicht leitenden Abstands 50 zum distalen Ende 46 des inneren Leiters 18 befestigt ist. Sowohl der Leiter 48 der Referenzzelle 44 als auch der Leiter 18 des Kondensators 21 sind durch einen elektrischen Leiter (z. B. Draht) 56, der nominell durch die Mitte des inneren Leiters 18 verläuft, elektrisch mit der Schaltungsanordnung 22 verbunden.
Im Betrieb wird die kapazitive Sonde 10 wenigstens teilweise in ein Fach 14 mit einem Material 12 darin eingeführt. Während das Material 12 aus dem Fach 14 in den Raum 16 zwischen dem inneren Leiter 18 und dem äußeren Leiter 20 eintritt, dient die Anwesenheit des Materials 12 dazu, das elektrische Feld zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter 18, 20 zu ändern. Die Schaltungsanordnung 22 misst die Kapazität zwischen den Leitern 18, 20 und leitet aus den Kapazitätsmessungen ein Signal ab, das proportional zu dem Pegel des Materials 12 in der Öffnung 16 ist. Im Folgenden werden die Baugruppen und der Betrieb der Schaltungsanordnung 22 detaillierter diskutiert. Da die Referenzzelle 44 vollständig in dem Material 12 untergetaucht ist, liefert ihre Kapazität C_ref einen Wert für einen bekannten Pegel (für eine bekannte Höhe) des Materials 12. Somit können die zwei Kondensatoren 21 und 44 der Sonde 10 als veränderliche Kondensatoren zur Messung des Materialpegels im Tank 14 verwendet werden.
Zum Beispiel kann die Referenzzelle 44 eine vorgegebene (axiale) Länge 45 wie etwa 1 bis 2 Zoll (etwa 2,5 bis 5 cm) haben. Der Sondenkondensator 21 kann irgendeine gewünschte Länge 23 haben, die den Bereich von Pegeln repräsentiert, die gemessen werden können. Für viele Kraftstofftankanwendungen liegt die (axiale) Länge 23 typisch im Bereich von etwa 36 bis 93 Zoll (etwa 91,4 bis 236,2 cm). Die Schaltungsanordnung 22 misst C_probe und C_ref in Luft und speichert diese Werte im Speicher 100 (z. B. im nicht flüchtigen Speicher einer wie in 4 gezeigten EEPROM-Vorrichtung). Wenn die Sonde 10 in ein Fluid 12 mit einem anderen Dielektrikum als Luft versenkt ist, ändert sich die Kapazität C_ref der Referenzzelle 44 ebenso wie die Kapazität C_probe des Sondenkondensators 21. Diese Änderung der Kapazität pro Längeneinheit wird durch die Schaltungsanordnung 22 gemessen, wobei der Pegel unter Verwendung der folgenden Gleichung (1): Pegel = Const·((Cprobe – Cprobeair)/(Crefcell – Crefcellair)) Gl. 1durch einen Mikroprozessor 200 (3) berechnet werden kann. Da die Referenzzelle 22 die gleichen radialen Abmessungen wie der Sondenkondensator 21 hat, die Referenzzelle 22 und der Kondensator 21 beide in den gleichen Fluidtyp 12 versenkt sind und ihre Kapazitätsänderung pro Längeneinheit nominell gleich ist, erzeugt Gleichung 1 theoretisch das gewünschte Ergebnis. Die Konstante Const in der obigen Gleichung 1 entspricht der Länge 45 (die in diesem Beispiel 2 Zoll beträgt). Da sich das Dielektrikum des Fluids 12 aus der Pegelgleichung Gl. 1 heraushebt (d. h., da die Gl. 1 ratiometrisch ist) ist die Sonde 10 selbstkalibrierend. Somit ist die Pegelmessung unabhängig von dem Dielektrikum des Fluids, so dass sie ohne weitere Kalibrierung in Fluiden vieler Typen verwendet werden kann.
Eine Schwierigkeit, die dieser Konfiguration zugeordnet ist, ist, dass der Draht 56, der von der Referenzzelle 44 zu der Elektronik 22 verläuft, eine veränderliche temperaturabhängige parasitäre Kapazität hinzufügt, die in den 1 und 2 als C_parasitic gezeigt ist. Diese parasitäre Kapazität ändert sich ebenfalls, während sich der Pegel des Fluids 12 ändert. Da die Pegelgleichung Gl. 1 diesen parasitären Term nicht berücksichtigt, kann diese Kapazität somit einen verhältnismäßig großen Fehler erzeugen. Vorteilhaft dient die Schaltungsanordnung 22 der vorliegenden Erfindung dazu, diesen potenziellen Fehler zu beseitigen.
Anhand der 2A–2B wird nun die Schaltungsanordnung 22 detaillierter beschrieben. Die Schaltungsanordnung 22 enthält eine Stromquelle 110, einen Auswahl-/Abschirm-Ansteuerabschnitt 120 und einen Schwellenwertdetektor 130. Wie in 2B gezeigt ist, sind die Leiter 18 und 56 der Sondenbaueinheit 10 (1) mit den Anschlüssen 132 bzw. 134 des Ansteuerabschnitts 120 verbunden. Die Abschirmung 20 der Sonde 10 ist mit dem Anschluss 136 des Ansteuerabschnitts 120 verbunden.
Anhand von 2A werden nunmehr insbesondere spezifische Baugruppen der Schaltungsanordnung 22 zusammen mit ihrer folgenden Funktionsbeschreibung beschrieben. Der Fachmann erkennt, dass verschiedene hier beschriebene Baugruppen wie etwa Operationsverstärker und Spannungsreferenzen typisch Leistungsversorgungen erfordern, die gemäß der üblichen Praxis in den Figuren nicht explizit gezeigt sein können. In der besonderen gezeigten und beschriebenen Ausführungsform erkennt der Fachmann, dass diese Baugruppen durch irgendeine geeignete Leistungsversorgung wie etwa z. B. durch eine analoge 5,0-Volt-Leistungsversorgung, die in den Figuren als 'VANALOG' bezeichnet ist, mit Leistung versorgt werden können.
Wie gezeigt ist, kann die Stromquelle 110 eine Stromquelle mit hoher Ausgangsimpedanz sein, die an den Ansteuerabschnitt 120 über den Ausgangsanschlussstift 136 einen konstanten Strom von 60 Nanoampere (nA) liefern kann. In der besonderen gezeigten Ausführungsform enthält die Stromquelle 110 einen Operationsverstärker (Op-Amp) 138 und eine Spannungsreferenz 140, die am Anschlussstift 142 relativ zum Anschlussstift 144 2,0 Volt erzeugt. Außerdem enthält die Stromquelle 110 Kondensatoren C52, C47, Widerstände R16, R24 und einen Kondensator C37. Die Widerstände R24 und R16 dienen zur Teilung der Referenzspannung (2,0 Volt) auf etwa 0,6 Volt, die über den Widerstand R22 erscheinen. In der besonderen gezeigten Ausführungsform hat der Widerstand R22 einen Widerstandswert von nominell 10 Megaohm (M). Die 0,6 Volt über den 10-M-Widerstand erzeugen am Ausgang 136 einen Strom von nominell 60 nA.
Wie im Folgenden diskutiert wird, kann die Stromquelle 110 unter Verwendung analoger Schalter 111–116 der Ansteuereinrichtung 120 wahlweise entweder an den Sondenkondensator 21 oder an die Referenzzelle 44 angelegt werden. Durch Ablaufsteuerung dieser Schalter kann der konstante 60-nA-Strom an den Verbin deranschlussstift 132, an den Verbinderanschlussstift 134 oder an die Masse angelegt werden.
Die Folge des Schließens der Schalter 111–116 wird durch den Mikrocontroller 200 (3) gesteuert, der über seinen Ausgangsanschluss 151 mit Steuereingängen an jedem analogen Schalter 111–116 gekoppelt ist. Diese Steuereingänge sind mit PROBE SW, REFCELL SW, REFCAP SW, DISCH SW, DSR SW und DSP SW bezeichnet und jeweils mit einem Schalterstellglied 148 gekoppelt. Die Schalterstellglieder 148 arbeiten auf herkömmliche Weise so, dass sie den besonderen damit verbundenen Schalter 111–116 in Reaktion auf Signale von dem Mikrocontroller 200 abwechselnd öffnen und schließen.
Zu Beginn der Messfolge (auch als 'Rücksetz'-Zustand bezeichnet) sind die Schalter 111, 112, 113 und 114 geschlossen, während die Schalter 115 und 116 offen sind. Dies liefert für die 60-nA-Stromquelle 110 über den Widerstand R18 einen Weg zur Masse und dient außerdem dazu, die Anschlussstifte 134 und 132 zu erden, um den Sondenkondensator 21 und die Referenzzelle 44 (1) zu entladen. In diesen Zustand ist die Spannung am Anschlussstift 154 des Op-Amp 138 nominell (innerhalb der Normgerechtigkeit des Op-Amp 138) auf null Volt. Da der Op-Amp 138 in der besonderen gezeigten Ausführungsform eine einzige Versorgungsvorrichtung ist, liegt die Spannung innerhalb von etwa 20 mV von der Masse. Dies ordnet der Anschlussstift 144 der Spannungsreferenz 140 nominell auf der Masse an. (Wie im Folgenden detaillierter diskutiert wird, kann sich die Spannung am Anschlussstift 144 während der Messung des Sondenkondensators 21 ebenfalls erhöhen, da der Anschlussstift 154 der Spannung am Ausgang 136 folgt. Ähnlich erhöht die Referenz 140 die Spannung an ihrem Anschlussstift 142, um die 2,0-Volt-Differenz zwischen den Anschlussstiften 142 und 144 aufrechtzuerhalten.)
In diesem 'Rücksetz'-Zustand fließt der durch die Quelle 110 zugeführte Strom über R18 zur Masse, da die Schalter 111 bis 114 geschlossen sind. Nun kann die Sondenmessfolge beginnen, wobei der Mikrocontroller 200 die Schalter 111, 113 und 116 schließt und die Schalter 112, 114 und 115 öffnet. Ein Op-Amp 152, der an seinem Anschlussstift 156 mit dem Schalter 115 gekoppelt ist, ist als ein Spannungsfolger konfiguriert, so dass die Spannung an dem Anschlussstift 156 innerhalb der Offset-Spannung des Op-Amp 152 nominell die gleiche wie die Spannung am Anschlussstift 154 des Op-Amp 138 ist. Da der Op-Amp 138 ebenfalls als ein Spannungsfolger konfiguriert ist, ist die Spannung am Anschlussstift 154 des Op-Amp 138 nominell die gleiche wie die Spannung am Ausgang 136. Diese Schleife zwingt die Spannung am Anschlussstift 154 des Op-Amp 152, der Spannung am Ausgang 136 zu folgen. Somit fließt jetzt in diesem 'Sondenmess'-Zustand (d. h. mit geschlossenen Schaltern 111, 113 und 116 und mit offenen Schaltern 112, 114 und 115) der 60-nA-Strom vom Ausgang 136 über den Widerstand R21 in den mit dem Anschlussstift 134 verbundenen Sondenkondensator 21.
Dieser Stromfluss zwingt die Spannung über den Sondenkondensator 21 (z. B. zwischen dem Anschlussstift 134 und dem Anschlussstift 136), linear zu steigen. Das Schließen des Schalters 116 dient dazu, die Spannung über die (mit dem Anschlussstift 132 verbundene) Referenzzelle 44 auf dem gleichen Pegel wie die Spannung über den Sondenkondensator 21 aufrechtzuerhalten (da die Spannung dieses Sondenkondensators steigt). Außerdem wird dieser Spannungspegel in der Zelle 44 aufrechterhalten, während der zum Laden der Referenzzelle 44 erforderliche Strom eher durch den Op-Amp 152 (d. h. an seinem Anschlussstift 156) als durch die 60-nA-Stromquelle 110 zugeführt wird. Vorteilhaft erhält diese Funktionalität effektiv die Spannung über C_parasitic (d. h. über die Leiter 56 und 18 in 1) auf null Volt aufrecht, selbst wenn die Spannung über den Sondenkondensator 21 (d. h. während der 'Periode des linearen Anstiegs') linear ansteigt. Dieser aktive Nullabgleich der Spannung über C_parasitic verhindert effektiv, das irgendein Strom über C_parasitic fließt (d. h. erzeugt einen Strom von null nA), so dass nominell der gesamte 60-nA-Strom in den Sondenkondensator 21 fließt. Das Schließen des Schalters 113 legt außerdem die Spannung am Anschlussstift 156 des Op-Amp 152 an die geerdete Seite des Rücksetzschalters 114 an, um ähnlich irgendeine parasitäre Kapazität, die durch den Schalter 114 erzeugt wird, während der Schalter 114 offen ist, auf null abzugleichen.
Da der Anschlussstift 136 geerdet ist, erzeugt die Zunahme der Spannung über den Sondenkondensator 21 eine Zunahme der Spannung am Anschlussstift 160 des Op-Amp 152 (und des Anschlussstifts 144 der damit verbundenen Referenz 140). Da die Referenz 140 wie oben erwähnt zwischen den Anschlussstiften 142 und 144 eine konstante 2,0-Volt-Differenz erzeugt, führt irgendeine Zunahme der Spannung am Anschlussstift 144 zu einem ähnlichen Spannungsanstieg am Anschlussstift 142. Diese zunehmende Ausgangsspannung dient dazu, den Stromfluss am Anschlussstift 136 während dieser 'Periode des linearen Anstiegs' oder Sondenmessperiode auf den oben erwähnten 60 nA aufrechtzuerhalten.
Die Spannung über den Sondenkondensator 21 (z. B., wie sie am Anschlussstift 160 genommen wird) wird dem Eingangsanschlussstift 162 des Schwellenwertdetektors 130 zugeführt. Diese Spannung wird dem Eingangsanschlussstift 168 eines Komparators 170 zugeführt. In der besonderen gezeigten Ausführungsform enthält der Komparator 170 einen den Op-Amps 138 und 152 ähnlichen Op-Amp, der in einer Nicht-Rückkopplungs-Betriebsart betrieben wird. Der Komparator 170 vergleicht die Sondenspannung am Anschlussstift 168 mit der (z. B. 2,0-Volt-)Ausgangsspannung am Anschlussstift 172 einer Referenzquelle 140' (wobei die Referenzquelle 140 im Wesentlichen ähnlich der Referenzquelle 140 ist, die oben in Bezug auf die Stromquelle 110 beschrieben wurde), Die Widerstände R28 und R29 können verwendet werden, um eine kleine Menge Mitkopplung um den Schwellenwertdetektor zu liefern, um eine falsche Auslösung wegen Rauschens zu verhindern. Wenn die Sondenspannung am Anschlussstift 168 2,0 Volt erreicht (d. h., wenn die Spannung am Anschlussstift 168 gleich der Spannung bei 172 wird), erzeugt der Komparator am Ausgang 174 des Komparators ein Signal (wobei der Ausgang 174 z. B. auf 'hoch' schaltet). Dieses hier gelegentlich als 'MEAS PULSE' bezeichnete Signal wird in einen Zeitgeber (z. B. in einen 16-Bit-Zeitgeber) 178 des Mikrocontrollers 200 (3) eingegeben. Der Zeitgeber 178 misst die Zeitdifferenz "t" zwischen dem Schließen des Schalters 111 und dem Empfang des Signals MEAS PULSE. Der Mikrocontroller 200 kann unter Verwendung dieser Zeitgebungsinformationen aus der folgenden Gleichung (2a) die Kapazität der Sonde berechnen:
wobei in der besonderen gezeigten Ausführungsform 1 der durch die Stromquelle 110 erzeugte Strom (z. B. 60 nA), t die wie oben erwähnte Zeitdifferenz und v die durch die Referenz 140' zugeführte Schwellenspannung (z. B. 2,0 Volt) ist.
Das Schließen des Schalters 113 während des Sondenmessprozesses gleicht die parasitäre Kapazität des Rücksetzschalters 114, der wie oben diskutiert während des 'Rücksetz'-Zustands zum Erden des 60-nA-Stroms verwendet wird, auf null ab. Da der Strom in dem Sondenkondensator 21 wie diskutiert konstant ist und die Zeit gemessen wird, in der dieser Strom in den Kondensator 21 fließt, ist die Auflösung der Messung unabhängig von der Größe des Sondenkondensators 21 konstant.
Die Kapazität C_ref der Referenzzelle 44 wird in einer Weise gemessen, die abgesehen davon, dass die Schalter 112, 113 und 115 geschlossen sind und die Schalter 111, 114 und 116 offen sind, im Wesentlichen ähnlich der wie oben diskutierten Messung von C_probe ist. Auf diese Weise wird der durch die Stromquelle 110 erzeugte 60-nA-Strom eher dem Anschlussstift 132 für die Referenzzelle 44 als dem Anschlussstift 134 für den Sondenkondensator 21 zugeführt.
Temperaturkorrektur
Wegen des empfindlichen Wesens der Messungsschaltungsanordnung 22 können verhältnismäßig große Änderungen der Umgebungstemperatur (und -feuchtigkeit) Messfehler erzeugen. Diese Fehler ergeben sich allgemein aus temperaturinduzierten Offset-Spannungsdriften in den Op-Amps 138, 152, 170, aus Kapazitäten zwischen verschiedenen auf der Leiterplatte angebrachten Komponenten und aus Änderungen der Feuchtigkeit, die die Oberflächenleitfähigkeit der Leiterplatte beeinflussen. Diese durch Temperatur und/oder Feuchtigkeit beeinflussten parasitären Kapazitäten (d. h. anderen parasitären Größen als den oben beschriebenen C_parasitic) werden hier gemeinsam als 'parasitäre Platinenkapazitäten' bezeichnet. Um diese Änderungen in Abhängigkeit von der Temperatur und Feuchtigkeit zu kompensieren, kann der Mikrocontroller 200 mit einem computerlesbaren Programmcode (Software) versehen sein, der die parasitären Platinenkapazitäten bei der Kalibrierung misst und diese Werte (z. B. im EEPROM 100 aus 4) speichert.
Diese Messungen der parasitären Platine werden mit der folgenden Ausnahme im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Sondenmessung oder wie die Referenzzellenmessung ausgeführt. Während einer Messung der parasitären Platinenkapazität werden die Schalter 111–116 abgesehen davon, dass der Schalter 111 offen ist, wie oben in Bezug auf die Messung von C_probe angegeben konfiguriert. Dies zwingt den 60-nA-Strom, in die Sondenmessungsschaltungsanordnung zu fließen (ohne in den Sondenkondensator 21 zu fließen), um zu ermöglichen, dass die der Sondenmessungsschaltungsanordnung zugeordnete parasitäre Platinenkapazität in Abhängigkeit von der Zeit und Temperatur gemessen wird. Ähnlich wird die der Referenzzellenschaltungsanordnung zugeordnete parasitäre Kapazität abgesehen davon, dass der Schalter 112 offen ist, wie oben in Bezug auf die Messung von C_ref angegeben gemessen. Diese Laufzeitwerte (Cprobecal und Crefcal in Gleichung 3) werden durch die Temperatur und durch die Feuchtigkeit beeinflusst und können gemessen werden, während das Instrument arbeitet, um Änderungen darin zu kompensieren. Während des Messzyklus können diese Kalibrierungswerte, z. B. 'Cprobecal' und 'Crefcal', (z. B. aus dem EEPROM 100) ausgelesen werden und dazu verwendet werden, die oben erwähnte Pegelgleichung (Gl. 1) abzuändern, um die folgende verbesserte Pegelgleichung (Gl. 3) zu erzeugen: Pegel = Const·(((Cprobe – Cprobeair) – Cprobecal)/((Crefcell – Crefcellair) – Crefcal)) Gl. 3.
Diese geänderte Pegelberechnung kann zur verbesserten Messgenauigkeit vorteilhaft nominell jedes Mal, wenn eine Pegelberechnung ausgeführt wird, die gespeicherten Kalibrierungswerte der parasitären Platinenkapazität nutzen. Falls sich diese parasitären Größen in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder Feuchtigkeit ändern, liefert diese geänderte Pegelgleichung (Gl. 3) in Echtzeit einen Temperaturkorrekturterm. Beispielhafte Software, die zur Implementierung dieser Funktion verwendet wird, ist in dem beigefügten Anhang enthalten.
In der besonderen in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform kann der Mikroprozessor 200 als ein 'Slave'-Prozessor arbeiten, der durch den Schnittstellenanschluss 180 (3) mit dem Anschluss 182 eines 'Master'-Mikroprozessors 210 (4) gekoppelt ist. Wie ebenfalls gezeigt ist, ist der EEPROM 100 direkt mit dem Mikroprozessor 210 gekoppelt. In dieser Konfiguration kann der Master-Mikroprozessor 210 den Slave-Prozessor 200 mit Leistung, einem Taktimpuls und Zugriff auf den EEPROM 100 versorgen. Außerdem kann der Master-Mikroprozessor 210 ein drahtloses Modul (z. B. eine ASIC) 220 steuern, das so konfiguriert ist, dass es ermöglicht, dass die Sonde 10 drahtlos über HF oder über andere drahtlose Mittel arbeitet. Der Fachmann erkennt, dass die vorliegende Erfindung in alternativen Ausführungsformen ohne zwei Master/Slave-Prozessoren und/ohne drahtlose Fähigkeit konfiguriert sein kann. Zum Beispiel kann ein einziger Prozessor 200 verwendet werden, mit dem der EEPROM 100 oder eine andere Speicherablagevorrichtung direkt mit oder ohne drahtloses Modul 220 gekoppelt ist.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Erfindung mit Bezug auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben worden. Offensichtlich können daran verschiedene Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem wie in den folgenden Ansprüchen dargelegten Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die Beschreibung und die Zeichnung eher in veranschaulichendem als in einschränkendem Sinn zu verstehen.
Anhang – Software-Code-Listing

Claims

Kapazitive Pegelmessungsschaltung (22), die umfasst: – eine Ansteuerschaltung, die enthält: – einen Leistungsanschluss (136), der mit einer Konstantstromquelle (110) gekoppelt werden kann; – einen Detektoranschluss (162), der mit einem Schwellenwertdetektor (130) gekoppelt werden kann; – einen Sondenanschluss (134), der mit einem Sondenkondensator (21) gekoppelt werden kann; – einen Referenzanschluss (132), der mit einem Referenzkondensator (44) gekoppelt werden kann; – mehrere Schalter (111, 112, 113, 114), die so betätigt werden können, dass der genannte Leistungsanschluss (136) abwechselnd mit dem genannten Sondenanschluss (134) und mit dem genannten Referenzanschluss (132) gekoppelt ist; wobei die genannte Ansteuerschaltung in der Weise konfiguriert ist, dass sie abwechselnd ein Signal mit linear ansteigender Signalform erzeugt, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators (21) und des Referenzkondensators (44) ist, die mit dem genannten Sondenanschluss (134) und mit dem genannten Referenzanschluss (132) gekoppelten sind; wobei die parasitäre Kapazität zwischen dem Referenzkondensator (44) und dem Sondenkondensator (21) dadurch, dass die Spannung über den genannten Referenzkondensator (44) während Pegelmessungen auf dem gleichen Pegel wie die über den genannten Sondenkondensator (21) aufrechterhalten wird, im Wesentlichen beseitigt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die eine Konstantstromquelle (110) umfasst, die mit dem genannten Leistungsanschluss (136) gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die umfasst: einen Sondenkondensator (21), der mit dem genannten Sondenanschluss (134) gekoppelt ist; und einen Referenzkondensator (44), der mit dem genannten Referenzanschluss (132) gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die so konfiguriert ist, dass sie zwischen dem Referenzkondensator und dem Sondenkondensator eine Spannungsdifferenz von im Wesentlichen null Volt aufrechterhält.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Schwellenwertdetektor umfasst, der mit dem genannten Detektoranschluss gekoppelt ist, wobei der genannte Schwellenwertdetektor so konfiguriert ist, dass er angibt, wenn die linear ansteigende Signalform einen Schwellenwert erreicht.
Schaltung gemäß Anspruch 5, bei der das Signal eine linear ansteigende Spannungssignalform umfasst, in der sich die Spannung ihr entlang linear ändert, wobei der genannte Schwellenwertdetektor so konfiguriert ist, dass er angibt, wenn das Signal eine Schwellenspannung erreicht.
Schaltung gemäß Anspruch 6, die ferner einen Zeitgeber umfasst, um die Zeitdauer zu messen, die zwischen dem Koppeln der genannten Konstantstromquelle mit dem Sondenkondensator oder mit dem Referenzkondensator und dem Erreichen des Schwellenwerts durch das Signal vergangen ist.
Schaltung gemäß Anspruch 7, die einen Mikroprozessor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er die genannten Schalter betätigt und die genannte vergangene Zeitdauer misst.
Schaltung gemäß Anspruch 8, bei der der genannte Mikroprozessor so konfiguriert ist, dass er einen Pegel des Materials berechnet, in das der Sondenkondensator versenkt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 9, bei der der genannte Mikroprozessor die Größe der Kapazität des Sondenkondensators und des Referenzkondensators verwendet, um den Pegel des Materials zu berechnen.
Schaltung gemäß Anspruch 10, bei der der genannte Mikroprozessor die folgende Gleichung realisiert: Pegel = Const·((Cprobe – Cprobeair)/(Crefcell – Crefcellair)),wobei Cprobe die Kapazität des in das genannte Material versenkten Sondenkondensators, Cprobeair die Kapazität des Sondenkondensators in Luft, Crefcell die Kapazität des in das genannte Material versenkten Referenzkondensators, Crefcellair die Kapazität des Referenzkondensators in Luft und Const die axiale Länge des Referenzkondensators sind.
Schaltung gemäß Anspruch 10, die computerlesbaren Programmcode umfasst, der so konfiguriert ist, dass er parasitäre Platinenkapazitäten kompensiert.
Schaltung gemäß Anspruch 12, bei der der genannte computerlesbare Programmcode umfasst: – computerlesbaren Programmcode zum Bestimmen eines Wertes der parasitären Platinenkapazitäten; – computerlesbaren Programmcode zum Speichern des genannten Wertes; – computerlesbaren Programmcode zum Auslesen des genannten Wertes während eines Messzyklus; und – computerlesbaren Programmcode zum Integrieren des genannten Wertes zum Berechnen des Pegels des Materials.
Schaltung gemäß Anspruch 12, bei der der genannte computerlesbare Programmcode die folgende Gleichung realisiert: Pegel = Const·(((Cprobe – Cprobeair) – Cprobecal)/((Crefcell – Crefcellair) – Crefcal)),wobei Cprobe die Kapazität des in das genannte Material versenkten Sondenkondensators, Cprobeair die Kapazität des Sondenkondensators in Luft, Crefcell die Kapazität des in das genannte Material versenkten Referenzkondensators, Crefcellair die Kapazität des Referenzkondensators in Luft, Cprobecal ein Kalibrierungswert des Sondenkondensators, Crefcal ein Kalibrierungswert des Referenzkondensators und Const die axiale Länge des Referenzkondensators sind.
Kapazitätssonde, die die kapazitive Pegelmessungsschaltung aus Anspruch 1 umfasst.
Sonde gemäß Anspruch 15, die umfasst: – eine Konstantstromquelle, die mit dem genannten Leistungsanschluss gekoppelt ist; – einen Sondenkondensator, der mit dem genannten Sondenanschluss gekoppelt ist; – einen Referenzkondensator, der mit dem genannten Referenzanschluss gekoppelt ist; – einen Schwellenwertdetektor, der mit dem genannten Detektoranschluss gekoppelt ist, wobei der genannte Schwellenwertdetektor so konfiguriert ist, dass er angibt, wenn die linear ansteigende Signalform einen Schwellenwert erreicht; wobei die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie zwischen dem Referenzkondensator und dem Sondenkondensator eine Spannungsdifferenz von im Wesentlichen null Volt aufrechterhält, um eine parasitäre Kapazität dazwischen im Wesentlichen zu beseitigen.
Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Pegelmessungs-Kapazitätssonde, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen einer Ansteuerschaltung; – Koppeln einer Konstantstromquelle mit der Ansteuerschaltung; – Koppeln eines Sondenkondensators mit der Auswahl-/Ansteuerschaltung; – Koppeln eines Referenzkondensators mit der Auswahl-/Ansteuerschaltung; – Versehen der Auswahl-/Ansteuerschaltung mit mehreren Schaltern, die so betätigt werden können, dass die Konstantstromquelle abwechselnd mit dem Sondenkondensator und mit dem Referenzkondensator gekoppelt wird; – Konfigurieren der Ansteuerschaltung in der Weise, dass sie abwechselnd ein Signal mit einer linear ansteigenden Signalform erzeugt, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators und eines Referenzkondensators ist, die mit dem genannten Sondenanschluss und mit dem genannten Referenzanschluss gekoppelt sind; – Betätigen der Schalter, um die Konstantstromquelle abwechselnd mit dem Sondenkondensator und mit dem Referenzkondensator zu koppeln; und – Verwenden der Ansteuerschaltung, um abwechselnd ein Signal mit linear ansteigender Signalform zu erzeugen, deren Anstieg proportional zur Größe der Kapazität eines Sondenkondensators und des Referenzkondensators ist; und – Aufrechterhalten einer Spannungsdifferenz von im Wesentlichen null Volt zwischen dem Referenzkondensator und dem Sondenkondensator während der genannten Verwendung der Ansteuerschaltung.