Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Messwerterfassung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Norrichtung und Nerfahren zur kapazitiven Messwerterfassung.
Typische Anwendungen für kapazitive Messwerterfassung sind Dickenmessungen, Brandsensoren, Νäherungsdetektoren, Aktivierungen passiver Zugangssysteme oder ähnliche Anwendungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Vorrichtungen zur kapazitiven Messwerterfassung, welche einfache in verschiedenartige Auswerteschaltungen integriert werden können.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung Nerfahren zur kapazitiven Messwerterfassung zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache Weise die Änderung einer Kapazität mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkennen können.
Die Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung kann dabei Teil einer komplexeren Auswerteschaltung sein. Die Komplexität kann von einfachen An / Aus- Schaltern bis hin zu hochentwickelten Systemen zur Bestimmung von kapazitiven Änderungen reichen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen beispielhaften Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung
Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine beispielhafter Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung ersichtlich.
Die Schaltung weist ein Mittel O auf, das der Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms von E nach A dient.
In der vorliegenden Figur ist das Mittel Qj beispielhaft als bipolarer pnp- Transistor aufgeführt. Das Mittel kann jedoch auch jedes andere Mittel sein, das der Beeinflussung eines Ladungsstromes von E nach A dient, z.B. ein npn- Transistor oder ein entsprechender Feldeffekttransistor.
Das Mittel Qι weist im wesentlichen 3 Anschlüsse auf. Anschluss E dient als Eingang, Anschluss B als Steuerung und Anschluss A als Ausgang.
Das Mittel Q kann an seinem Anschluss E ein widerstandsbehaftetes Mittel RE aufweisen. Dieses Mittel kann z.B. einer geeigneten Dimensionierung des Stroms über das Mittel O dienen. Das widerstandsbehaftete Mittel RE wird durch ein mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein widerstandsbehaftetes Mittel RB auf, das den Steuerungsanschluss B mit dem Anschluss A entweder direkt oder über ein widerstandsbehaftetes Mittel RE in Verbindung bringt. Das widerstandsbehaftete Mittel RB wird durch ein mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
Der Steuerungsanschluss B ist weiterhin mit einem kapazitätsbehafteten Mittel Cs verbunden. Das Mittel Cs dient in der Schaltung als variables Mittel , d.h. die Kapazität ändert sich durch eine geeignete Beeinflussung.
Die mit CL bezeichnete Quelle ist eine alternierende Spannung und kann beispielsweise ein digitales Takt- Signal sein.
Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein kapazitätsbehaftetes Mittel auf, das mit dem Anschluss A verbunden ist. Dieses kapazitätsbehaftetes Mittel dient der Integration z.B. in einer sample-and-hold Schaltung.
Weiterhin kann die Schaltung ein widerstandsbehaftetes Mittel RL aufweisen, das den Anschluss A und das kapazitätsbehaftetes Mittel mit dem Anschluss einer geeigneten digitalen Auswerteschaltung gekennzeichnet durch I/O in Verbindung bringt.
Die Auswerteschaltung kann dabei abhängig vom eingesetzten Messverfahren die Verbindung I/O entweder als Eingang oder als Ausgang bezüglich der in Fig. 1 skizzierten Schaltung betreiben.
Die Dimensionierung von RL ergibt sich dem Fachmann aus der nachfolgenden Auswerteschaltung I/O.
Die kapazitiven Mittel Cs und werden üblicherweise auf ein gemeinsames Potential bezogen.
Die einzelnen Mittel der zuvor skizzierten Schaltung können sowohl diskret als auch integriert ausgeführt sein. Beispielsweise können die Elemente der Vorrichtung Teil eines integrierten Schaltkreises sein, während die Auswerteschaltung aus einzelnen diskret aufgebauten Bauteilen ausgeführt sein kann. Es ist jedoch auch möglich die Auswerteschaltung mit der Vorrichtung voll-integriert auszuführen.
In der nachfolgenden weitergehenden Beschreibung wird von einer Beschaltung gemäß Figur 1 ausgegangen, d.h. ein Takt- Signal wird (über einen Widerstand RE) auf den
Anschluss A bzw. über einen Widerstand RB auf den Anschluss B des pnp- Transistors Qi gegeben. Die kapazitiven Mittel Cs und Q sind auf Erdpotential bezogen.
Das Takt- Signal, das aus einer geeigneten Quelle stammt treibt sowohl den Emitter E als auch die Basis B des Transistors Qi.
Da das widerstandsbehaftete Mittel RB mit dem kapazitätsbehafteten Mittel Cs in Verbindung steht, muss zuerst das kapazitätsbehaftete Mittel Cs aufgeladen werden. Da die Spannung am Anschluss B langsam ansteigt kommt es zu einer Verzögerung gegenüber der Spannung am Anschluss E.
Die Verzögerung ist abhängig von der RC- Zeit, die durch RB und Cs gegeben sind. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandes und der Kapazität kann erreicht werden, dass am Ausgang A nur kurze Pulse im Verhältnis zur Taktzeit zur Verfügung stehen.
Diese kurzen Pulse werden dann von dem kapazitiven Mittel für ein sample-and-hold Schaltung integriert.
Ändert sich nun durch eine Änderung der Eigenschaften des kapazitätsbehafteten Mittels Cs dessen Kapazität, so ändert sich auch die Impulsdauer in Folge einer geänderten Zeitkonstante. Dadurch kann z.B. die Annäherung eines dielektrischen Körpers präzise gemessen werden.
Im folgenden werden die Eigenschaften von Auswerteschaltungen bezüglich der Messvorrichtung näher erläutert.
Die Auswerteschaltung kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel auf, die das Erreichen einer bestimmten Schwell- Ladung oder Schwell-Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel Q erkennt.
Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die Anzahl der seit der letzten Entladung verstrichenen Taktzeiten bestimmt und mit einer vorbestimmten Anzahl vergleicht. Weicht die bestimmte Anzahl von der vorbestimmten Anzahl ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt werden.
Weiterhin kann die Auswerteschaltung beispielsweise auch so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel Q am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel auf, die nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen die Spannung an oder die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel Q erkennt.
Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die erkannte Spannung oder Ladung mit einer vorbestimmten Spannung oder Ladung vergleicht. Weicht die erkannte Spannung an oder die Ladung von der vorbestimmten Spannung oder Ladung ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt werden.
Darüber hinaus kann die Auswerteschaltung auch so ausgeführt sein, dass sie Mittel aufweist, mit denen die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel Q konstant gehalten wird, während Ladung durch die Schaltung über Qi, gesteuert durch RB und Cs, zugeführt wird. Weiterhin weist die Auswerteschaltung Mittel zum Erkennen der abgeführten Ladung auf.
Weiterhin kann die Auswerteschaltung Mittel aufweisen, welche die erkannte abgeführte Ladung mit einer vorbestimmten Ladung vergleicht. Weicht die erkannte abgeführte Ladung von der vorbestimmten Ladung ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt werden.
Zur Messung stehen entsprechend den zuvor aufgeführtem Auswerteschaltungen verschieden erfindungsgemäße Messverfahren bereit, die im folgenden beispielhaft skizziert werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der notwendigen Ladezyklen zu bestimmen bis eine bestimmte Schwell-Ladung oder Schwell-Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel Ci erreicht ist.
Hierzu wird das kapazitätsbehaftete Mittel am Beginn einer Messung entladen. Wird nun durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben, so steigt die Spannung am kapazitätsbehaftete Mittel und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehaftete Mittel an. Die Ladung wird mit jedem Zyklus höher und somit steigt auch die Spannung über an.
Nachdem eine bestimmte Schwell- Spannung erreicht ist kommt es durch die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O zu einem Durchschalten und an Hand der seit der letzen Entladung verstrichenen Takt-Zyklen kann nun ermittelt werden ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorgegebenen Zahl von Takt- Zyklen ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
Weiterhin kann die Spannung über Q nach einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen bestimmt werden.
Hierzu wird wiederum das kapazitätsbehaftete Mittel Q am Beginn einer Messung entladen. Wird nun durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben, so steigt die Spannung am kapazitätsbehaftete Mittel Ci und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehaftete Mittel Q an. Die Ladung wird mit jedem Zyklus höher und somit steigt auch die Spannung über d an.
Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, kann nun die Spannung durch die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O ermittelt werden. Anhand der Abweichung zu einer vorbestimmten Spannung kann nun ermittelt werden, ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Spannung ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
Weiterhin kann die Ladung, die zur Änderung einer konstant gehaltenen Ladung auf Ci benötigt wird, bestimmt werden.
Hierzu wird die Ladung auf durch die Vorrichtung konstant gehalten, während Ladung durch die Schaltung über Qi gesteuert durch RB und Cs zugeführt wird. Abhängig von einer Änderung der Kapazität Cs ändert sich die Ladung, die von der Auswerteschaltung von wieder entfernt werden muss, um die Ladung auf konstant zu halten. Anhand der Abweichung von einer vorbestimmten Ladungsmenge kann nun ermittelt werden, ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin kann aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Ladung ermittelt werden, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kapazitiven Messwerterfassung ein Mittel Qi auf, das der Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms von E nach A dient.
Das Mittel Qi ist als Transistor aufgeführt und weist im wesentlichen 3 Anschlüsse auf. Anschluss E dient als Eingang, Anschluss B als Steuerung und Anschluss A als Ausgang.
Das Mittel Qi weist an seinem Anschluss E ein widerstandsbehaftetes Mittel RE auf. Dieses Mittel dient einer geeigneten Dimensionierung des Stroms über das Mittel Qi. Das widerstandsbehaftete Mittel RE wird durch eine mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein widerstandsbehaftetes Mittel RB auf, das den Steuerungsanschluss B mit dem Anschluss A über ein widerstandsbehaftetes Mittel RE in Verbindung bringt. Das widerstandsbehaftete Mittel RB wird durch eine mit CL bezeichnete Quelle getrieben.
Der Steuerungsanschluss B ist weiterhin mit einem kapazitätsbehafteten Mittel Cs verbunden. Das Mittel Cs dient in der Schaltung als variables Mittel, d.h. die Kapazität ändert sich durch eine geeignete Beeinflussung.
Die mit CL bezeichnete Quelle ist ein digitales Takt- Signal.
Weiterhin weist die Schaltung zumindest ein kapazitätsbehaftetes Mittel auf, das mit dem Anschluss A verbunden ist. Dieses kapazitätsbehaftete Mittel dient der Integration in einer sample-and-hold Schaltung.
Weiterhin weist die Schaltung ein widerstandsbehaftetes Mittel RL auf, das den Anschluss A und das kapazitätsbehaftete Mittel mit dem Anschluss einer geeigneten digitalen Auswerteschaltung, die durch I/O gekennzeichnet ist, in Verbindung bringt.
Die Dimensionierung von RL ergibt sich dem Fachmann aus der nachfolgenden Auswerteschaltung I/O.
Die kapazitiven Mittel Cs und sind auf ein gemeinsames Potential bezogen.
Die einzelnen Mittel der zuvor skizzierten Schaltung sind integriert ausgeführt.
Das Takt- Signal wird über einen Widerstand RE auf den Anschluss A bzw. über einen Widerstand RB auf den Anschluss B des Transistors Qi gegeben. Das Takt- Signal treibt sowohl den Emitter E als auch die Basis B des Transistors Qi.
Da das widerstandsbehaftete Mittel RB mit dem kapazitätsbehafteten Mittel Cs in Verbindung steht, muss zuerst das kapazitätsbehaftete Mittel Cs aufgeladen werden. Da die Spannung am Anschluss B langsam ansteigt kommt es zu einer Verzögerung gegenüber der Spannung am Anschluss E.
Die Verzögerung ist abhängig von der RC- Zeit, die durch RB und Cs gegeben sind. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandes und der Kapazität wird erreicht, dass am Ausgang A nur kurze Pulse im Verhältnis zur Taktzeit zur Verfügung stehen.
Diese kurzen Pulse werden dann von dem kapazitiven Mittel für eine sample-and-hold Schaltung integriert.
Ändert sich nun durch eine Änderung der Eigenschaften des kapazitätsbehafteten Mittels Cs dessen Kapazität, so ändert sich auch die Impulsdauer in Folge einer geänderten Zeitkonstante.
Die bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung ist so ausgeführt, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel Q am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel auf, die das Erreichen einer bestimmten Schwell-Ladung oder Schwell-Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel erkennt.
Weiterhin weist die bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel auf, welche die Anzahl der seit der letzten Entladung verstrichenen Taktzeiten bestimmt und mit einer vorbestimmten Anzahl vergleicht. Weicht die bestimmte Anzahl von der vorbestimmten Anzahl ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform des Messverfahrens sieht vor die Anzahl der notwendigen Ladezyklen zu bestimmen bis eine bestimmte Schwell-Ladung oder Schwell- Spannung an dem kapazitätsbehafteten Mittel Q erreicht ist.
Hierzu wird das kapazitätsbehaftete Mittel Q am Beginn einer Messung entladen. Nun wird durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben und die Spannung am kapazitätsbehafteten Mittel Q und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel steigt an. Die Ladung erhöht sich mit jedem Zyklus und somit steigt auch die Spannung über Ci an.
Bei Erreichen einer bestimmten Schwell- Spannung schaltet die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O durch und an Hand der seit der letzen Entladung verstrichenen Takt-Zyklen wird nun ermittelt, ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin wird aus einer Abweichung von der vorgegebenen Zahl von Takt- Zyklen ermittelt, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
Die alternative bevorzugte Ausfuhrungsform der Auswerteschaltung ist so ausgeführt, dass sie Mittel aufweist, mit denen das kapazitätsbehaftete Mittel am Beginn einer Messung entladen wird. Weiterhin weist die alternative bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel auf, die nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen die Spannung an oder die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel erkennt.
Weiterhin weist die alternative bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel auf, welche die erkannte Spannung oder Ladung mit einer vorbestimmten Spannung oder Ladung vergleicht. Weicht die erkannte Spannung an oder die Ladung von der vorbestimmten Spannung oder Ladung ab, so kann hieraus die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt werden.
Die alternative bevorzugte Ausführungsform des Messverfahrens sieht vor die Spannung über Ci nach einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen zu bestimmen.
Hierzu wird das kapazitätsbehaftete Mittel Q am Beginn einer Messung entladen. Nun wird durch die Quelle CL ein Takt- Signal in die Schaltung gegeben und die Spannung am kapazitätsbehafteten Mittel und damit die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel steigt an. Die Ladung erhöht sich mit jedem Zyklus und somit steigt auch die Spannung über Ci an.
Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, wird nun die Spannung durch die nachgeordnete Auswerteschaltung I/O ermittelt. Anhand der Abweichung zu einer vorbestimmten Spannung wird nun ermittelt, ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin wird aus einer Abweichung von der vorbestimmten Spannung ermittelt, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
Die weitere alternative bevorzugte Ausfuhrungsform der Auswerteschaltung ist so ausgeführt, dass sie Mittel aufweist, welche die Ladung auf dem kapazitätsbehafteten Mittel Ci konstant halten, während Ladung durch die Schaltung über Qi, gesteuert durch RB und Cs, zugeführt wird. Weiterhin weist die weitere alternative bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel zum Erkennen der abgeführten Ladung auf.
Weiterhin weist die weitere alternative bevorzugte Ausführungsform der Auswerteschaltung Mittel auf, welche die erkannte abgeführte Ladung mit einer vorbestimmten Ladung vergleicht. Aus der Abweichung der erkannten abgeführten Ladung von der vorbestimmten Ladung wird die Abweichung der Kapazität Cs ermittelt.
Die weitere alternative bevorzugte Ausführungsform des Messverfahrens sieht vor die Spannung über Q nach einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen zu bestimmen.
Hierzu wird die Ladung auf durch die Vorrichtung konstant gehalten, während Ladung durch die Schaltung über Qi gesteuert durch RB und Cs zugeführt wird. Ändert sich die Kapazität Cs so ändert sich die Ladung, die von der Auswerteschaltung von Q wieder entfernt werden muss, um die Ladung auf konstant zu halten. Aus dem Vergleich der entfernten Ladung mit einer vorbestimmten Ladungsmenge wird ermittelt, ob eine Änderung der Kapazität an Cs aufgetreten ist oder nicht. Weiterhin wird aus einer Abweichung von einer vorbestimmten Ladung ermittelt, wie groß die Abweichung ist. Hieraus lassen sich Rückschlüsse über die Natur der Änderung erzielen.
Bezugszeichenliste
CL alternierende Spannungsquelle
Qϊ Mittel zur Beeinflussung eines Ladungsträgerstroms
A Ausgangsanschluss von Qt
B Steuerungsanschluss von QΪ
E Eingangsanschluss von Qi
RB;E widerstandsbehaftetes Mittel
Cs;ι kapazitätsbehaftetes Mittel
I/O Auswerteschaltung