WO2006131276A1 - Capacitive sensor for measuring a measurable variable - Google Patents

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WO2006131276A1
WO2006131276A1 PCT/EP2006/005293 EP2006005293W WO2006131276A1 WO 2006131276 A1 WO2006131276 A1 WO 2006131276A1 EP 2006005293 W EP2006005293 W EP 2006005293W WO 2006131276 A1 WO2006131276 A1 WO 2006131276A1
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electrode
sensor
electrodes
capacitance
pair
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PCT/EP2006/005293
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Heinz KÜCK
Daniel Warkentin
Daniel Benz
Tim Botzelmann
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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Publication date
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    • G01C2009/062Electric or photoelectric indication or reading means capacitive

Definitions

  • Capacitive sensor for measuring a measured variable
  • the present invention relates to a capacitive sensor for measuring a measurand.
  • capacitive sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications.
  • Examples include inclination sensors, which can be used as rollover sensors in motor vehicles, as monitoring sensors of alarm systems in vehicles and buildings and as position sensors for automated machines, irons, washing machines, etc.
  • a number of conventional sensors are used to measure a measured variable capacitance difference of a capacitor arrangement, a measured variable, such. As the inclination with respect to the horizontal surface or the horizontal to determine.
  • inclination sensors are used, which determine the slope via a measurement of a differential capacitance in case of change due to inclination of the covered area of a differential capacitor arrangement formed with an electrically conductive pendulum.
  • Further capacitive sensors perform a differential capacitance measurement, whereby a change in the inclination of an arrangement of an electrically conductive liquid with respect to the capacitor electrodes partially covered by it is determined.
  • conventional capacitance sensors are used to detect the rotation angle of a shaft by means of a measurement of an angle-dependent differential capacitance of a differential capacitor arrangement.
  • the differential capacitor arrangement can be realized via an electrically conductive disk connected to the shaft.
  • DE4141324A1 shows a capacitive tilt sensor which has a hollow body or a cylindrical container. On one or both end surfaces of the container insulating plates are arranged, on which preferably two separate semicircular metal coatings are arranged. The cavity of the container is preferably filled halfway with a liquid having a relatively high dielectric constant. Two opposing metal pads each form together with the liquid a capacitor, wherein the individual capacitors are designed as differential capacitor arrangements. If the container is tilted, the liquid will remain on a horizontal liquid level due to the gravitational force. This results in a slope-dependent change in the area covered by the liquid surface of the metal coverings.
  • DE10007246A1 discloses an electrostatic capacitive tilt sensor in which a pair of semicircular differential electrodes are arranged side by side in the vertical direction. As a result of this arrangement of the electrodes, the capacitance difference of the differential capacitor arrangement becomes maximum in the horizontal position of the sensor. In a downstream electronics, which processes a signal coming from the sensor, therefore, a zero point adjustment and temperature compensation is no longer necessary.
  • DE3512983A1 teaches a capacitive tilt and flatness meter which has a hermetically sealed housing which is preferably filled up to one-half with a dielectric nonconductive fluid.
  • a hermetically sealed housing which is preferably filled up to one-half with a dielectric nonconductive fluid.
  • Four circular-segment-shaped electrodes which form a capacitor arrangement are immersed in the liquid. If the is tilted from its reference position, the immersion depth of the electrodes in the dielectric liquid changes, whereby the capacitances of the capacitor arrangement change depending on the inclination of the measuring device.
  • a capacitive tilt sensor in which a pair of semicircular electrodes are arranged in the horizontal direction next to one another and face a common electrode. Between the opposing electrodes is a semi-circular pendulum of electrically conductive material, which has a very small distance from the housing electrodes, so that there is a differential capacitor arrangement.
  • the overlap between the pendulum and the first part electrode increases, while at the same time the overlap between the pendulum and the second part electrode decreases, which is why the capacitances of the two capacitors change in opposite directions and a slope-dependent measurable capacitance difference arises.
  • Fig. 7 shows a conventional capacitance sensor 10 for measuring a slope in a plan view.
  • the conventional capacitance sensor 10 has a housing which consists of a first housing wall 11 and a second housing wall 13.
  • a cavity or cavity In the second housing wall 13 is a cavity or cavity, which is cylindrical here, introduced.
  • first capacitor electrode 17a On a surface 15 of the cavity are a first capacitor electrode 17a and a second capacitor electrode 17b. On a surface 18 of the first housing wall 11, a common capacitor electrode 19 is applied. In the cavity, a liquid 21, often a dielectric liquid 21, is interposed between the first capacitor electrode 17a, the second capacitor electrode 17b and the common capacitor electrode 19.
  • the conventional capacitance sensor 10 rotates about a rotation axis 23.
  • An electrical circuit 25 is applied to a surface of the first housing wall 13 facing away from the common capacitor electrode 19.
  • the first capacitor electrode 17a forms a first capacitor with the common capacitor electrode 19
  • the second capacitor electrode 17b forms a second capacitor with the common capacitor electrode 19.
  • the electric circuit 25 detects the difference between the capacitance of the first capacitor and the second capacitor.
  • the closed or sealed Kavitat is preferably filled up to half with the dielectric liquid 21, such as.
  • the dielectric liquid 21 such as.
  • a silicone oil wherein the dielectric fluid due to the gravitational field aligns so that their liquid level is always horizontal.
  • the dielectric liquid 21 remains at a horizontal liquid level.
  • the area ratios of the first capacitor electrode 17a covered by the dielectric liquid 17a and the second capacitor electrode 17b change, which also change the capacitances of the first capacitor and the second capacitor.
  • An arrow 26 shows a direction of rotation of the sensor to the right or clockwise.
  • the conventional capacitance sensor 10 thus determines the inclination or rotation of the housing relative to a gravitational field around the rotation axis 23 by means of a capacitance change of the first and second capacitors caused by a change in the arrangement of the charged liquid 21 becomes.
  • the tilting of the dielectric liquid 21 the overlap of the liquid-covered surfaces of the electrodes 17a, 17b and 19 which face one another is changed, and this change is read capacitively.
  • the formation of the first capacitor 27a, which is provided with the reference numeral 27a in Fig. 8, and the second capacitor 27b, which is provided with the reference numeral 27b in Fig. 8, is schematically explained.
  • the first capacitor 27a forms between the first capacitor electrode 17a and the common capacitor electrode 19
  • the second capacitor 27b is formed between the second capacitor electrode 17b and the common capacitor electrode 19.
  • the first capacitor 27a and the second capacitor 27b are connected together in a differential capacitor arrangement.
  • the capacitances of the first capacitor 27a and the second change Capacitor 27b opposite to each other. From the capacitor basic equation, the following equation for determining the basic capacitance Co can thus be determined for the conventional capacitance sensor 10 shown in FIGS. 7 and 8 with semicircular capacitor electrodes 17a, 17b arranged horizontally next to each other.
  • ⁇ A ( ⁇ ) is the inclination angle ⁇ -dependent change in the area of the differential capacitor array covered with the dielectric liquid 21, which includes the first capacitor 27a and the second capacitor 27b.
  • the resolution of the conventional sensor 10 is dependent on the smallest measurable capacity of the electronics used, in this case the electric circuit 25, and results from the equation below: _ min_ min _ raax max ⁇
  • ⁇ min is hereby the smallest angle to be resolved, ⁇ C ma ⁇ ⁇ the difference capacitance at the completely exhausted measuring range Oj 13x of the conventional sensor 10 and C m i n the minimum detectable capacitance change of the electronics.
  • FIG. 9 shows a conventional evaluation circuit 51 which serves to generate an output signal of the conventional capacitance sensor 10.
  • a signal generator 53 for generating a carrier signal is connected via the first capacitor 27a to a first charge amplifier 55a and via the second capacitor 27b to a second charge amplifier 55b.
  • the first charge amplifier 55a is implemented as a known operational amplifier circuit comprising a first operational amplifier 55al, a capacitor 55a2 and an ohmic resistor 55a3, which are connected together as shown in FIG.
  • the second charge amplifier 55b like the first charge amplifier, is implemented as a known operational amplifier circuit, and has a second operational amplifier 55bl, a second capacitor 55b2, and a second ohmic resistor 55b3, which are connected together as shown in FIG.
  • the demodulator has a first demodulator diode 57al, a first demodulator resistor 57a2, a first demodulator capacitor 57a3, a second demodulator diode 57bl, a second demodulator resistor 57b2, and a second demodulator capacitor 57b3.
  • the elements of the demodulator 57 are interconnected as shown in FIG.
  • the demodulator 57 generates in dependence on the signal supplied by the first charge amplifier 55a has a first output signal and a second output signal in response to a signal supplied by the second charge amplifier 55b, the first and second output signals being fed to a known differential amplifier 59 or instrumentation amplifier OP become.
  • the differential amplifier 59 has a differential amplifier operational amplifier 59a and a differential amplifier resistor 59b, which are interconnected as shown in FIG.
  • a terminal of the signal generator 53, a terminal of the first operational amplifier 55al and the second operational amplifier 55bl, and a terminal of the demodulator 57 are connected to a ground terminal.
  • the differential amplifier 59 generates a sensor output signal applied to an output terminal 61.
  • the magnitude of the measurement signal or sensor output signal present at the output terminal 61 and its sign are dependent on a difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b.
  • a disadvantage of the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7, which is read out with the conventional evaluation circuit 51 shown in FIG. 9, is that with a very large difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the capacitance of the second capacitor 27b, coupled interference easily superimposed on the measurement signal of the evaluation circuit, which is applied to the output terminal 61.
  • This very large difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b occurs, for example, with a very large coverage of the first capacitor electrode 17a with the dielectric liquid 21 and a very low coverage of the second capacitor electrode 17b.
  • Another disadvantage is that in the conventional capacitance sensor 10, a non-optimal filling volume of the liquid 21 has a very strong effect on the sensor characteristic.
  • the change of the capacitances of the first capacitor electrode 17a to the capacitance of the second capacitor electrode is particularly in the edge regions of the characteristic of the sensor in which the first capacitor electrode 17a or the second capacitor electrode 17b is often covered to a high percentage by the liquid 21 17b is very low, which is why the sensitivity of the sensor is greatly reduced in these areas.
  • a further disadvantage of the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7 is that due to the arrangement of the capacitor electrodes 17a, 17b, 19, only angles in a range of -90 ° to 90 ° can be clearly detected. If, in the above embodiment, the angle of rotation z. B. has a value of -90 ° or 90 °, the difference of the capacitances of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b is maximum.
  • z For example, if the rotation angle by which the conventional sensor 10 shown in FIG. 7 is inclined exceeds 90 ° and falls below -90 °, a change in the difference in capacitance between the first capacitor 27a and the first capacitor 27a is second capacitor 27b independent of the direction of rotation of the conventional capacitance sensor 10.
  • FIG. 10 explains a structure of another conventional capacitance sensor 80.
  • the same or the same elements are given the same reference numerals.
  • elements that are the same or equivalent to those of FIG. 7 are given the same reference numerals, and the following description is limited to the illustration of the differences from the structure of FIG. 7.
  • the other conventional capacitance sensor 80 includes a third capacitor electrode 81 a, a fourth capacitor electrode 81 b, and another common capacitor electrode 83.
  • the third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b form a pair of annular electrodes and surround the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b.
  • the third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b are arranged at an angle of 90 ° to the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b.
  • the third 81a and the fourth 81b electrodes could be arranged rotated by any angle in a range of 0 to 180 ° with respect to the first capacitor electrode 27a and the second capacitor electrode 27b.
  • the third capacitor electrode 81a and the other common electrode 83 constitute a third capacitor
  • the fourth capacitor electrode 81b and the other common electrode 83 form a fourth capacitor.
  • the other conventional capacitance sensor 80 has four capacitors whose capacitance depends on a slope of the other conventional capacitance sensor 80.
  • FIG. 11 explains an equivalent circuit diagram of the other conventional capacitance sensor 80 shown in FIG
  • the first differential capacitance 87 results from the different capacitances of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b.
  • a second differential capacity 89 results from a difference in the capacitances of the third capacitor and the fourth capacitor.
  • the other conventional capacitance sensor 80 makes it possible to measure rotation angles in a range of -180 ° to 180 °.
  • a disadvantage of the further conventional capacitance sensor 80 shown in FIG. 10 is that the arrangement of the third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b on a circular ring around the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b increases the space required for the further conventional one Capacitance sensor 80 results.
  • a disadvantage of the further conventional capacitance sensor shown in FIG. 10 is also the different shape of the capacitor electrodes 17a, 17b, the capacitor electrodes 81a, 81b, the common capacitor electrode 19 and the further common capacitor electrode 83.
  • the De 3711062 C2 shows a block diagram of a measuring device with a capacitive sensor.
  • a reference voltage source which provides two reference voltage potentials, is connected to reference plate pairs on stator plates using a reference potential switch such that two horizontally adjacent or two vertically adjacent sectors alternately appear to be connected together and form a 180 ° sector.
  • a position of sensor electrodes relative to the reference potential electrodes or an overlap of the sensor electrodes with the reference potential electrodes is dependent on a position or a rotational angle ⁇ of a rotor on which the sensor is mounted with the sensor electrodes.
  • the circular sensor is arranged, on which two sensor electrodes are respectively arranged on one of the first stator plate and one of the second stator plate facing surface. Via a coupling electrode region of the sensor electrodes, the sensor voltage is coupled out from the sensor electrodes to the coupling electrode surfaces arranged on the stator plates. The high-impedance voltage generated on the coupling electrodes is then decoupled via a fast charge amplifier in an evaluation circuit.
  • DE 1996089 A1 shows a capacitive tilt sensor which has a hollow body with surface electrodes arranged on outer surfaces.
  • the interior of the hollow body is partly filled with an electrically 'conductive liquid.
  • the surface electrodes form with the electrically conductive liquid in the interior of the hollow body plate capacitors, which are connected in a capacitive star connection, wherein the capacitances of Plattenkondensato ⁇ ren adjusted according to the liquid level at the respective surface electrode of the hollow body.
  • An evaluation circuit that records the capacities of the plate capacitors. In the evaluation circuit, a square-wave AC voltage is applied via the switches optionally to a series connection of the first and the second capacitors or
  • the voltage at the node is coupled out via the remaining capacitance, that is to say the capacitance which is not connected in each case in the series connection of the capacitors, and fed to a subsequent preamplifier.
  • EP 1396703 A2 teaches a capacitive angular position sensor.
  • the capacitance sensor has a rotor disposed between electrodes on plates, wherein the capacitance between the electrodes varies depending on a position of the rotor.
  • two transmitter electrodes are arranged on a transmitter plate, while four receiver electrodes are arranged on a receiver plate.
  • Two receiver electrodes are electrically conductively connected via a conductor, while two further receiver electrodes are electrically conductively connected to one another via a further conductor.
  • a microcontroller drives an analog switch to alternately evaluate a signal supplied from the receiver electrode pair having two interconnected receiver electrodes and a signal supplied from the further receiver electrode pair having two further receiver electrodes, and an absolute value of the angular position by means of a look-up table in FIG Microcontroller is determined.
  • U.S. Patent 5,172,481 shows a sensor for determining a slope having a housing. On the case are disposed on a surface of electrodes A, B, and on a surface of the housing opposite to the electrodes A, B, electrodes C, D, so that the electrodes A, B overlap with the two electrodes C, D, respectively, and the electrodes C, D overlap with the electrodes A, B, respectively.
  • the electrodes A, B and C, D are each separated by a recess 8, so that they are not in direct electrical contact with each other.
  • a conductive liquid is arranged, which partially fills a cavity arranged in the housing.
  • either the electrodes A, B are connected together so that they form a common electrode, while the electrodes C, D act as sensor electrodes, or the electrodes C, D are connected together, so that they have a common Form electrode, while the electrodes A, B act as sensor electrodes.
  • a resistance between the electrodes C, D and the electrode A and a resistance between the electrodes C, D and the electrode B are determined, the resistance being of a degree in which the electrodes A or B are immersed in the liquid depends.
  • a resistance Zl of a path between the electrodes C, D and the electrode A and a resistance Z2 of a path between the electrodes C, D and the electrode B is detected. From a ratio R of the resistors Zl, Z2 to each other, an inclination angle is determined.
  • the object of the present invention is to provide a sensor for measuring a measured variable, which is improved in its space requirement and is cheaper to manufacture. This problem is solved by the newly presented claim 1.
  • the present invention provides a sensor for measuring a measured variable with a first electrode pair having a first electrode and a second electrode, a second electrode pair having a third electrode and a fourth electrode, wherein between the first electrode pair and the second electrode pair, a gap is formed, and wherein the electrodes of the first and the second pair of electrodes are arranged such that one electrode of an electrode pair overlaps with the two electrodes of the other pair of electrodes, a movable element whose position relative to the first and the second pair of electrodes depends on the measured variable, and between the first electrode pair and the second electrode pair is arranged, a capacitance measuring device for measuring a first differential capacitance between a first sub-capacitor, which by the first electrode pair, in which the first and the second electrode are conductively connected to each other u and the third electrode is formed, and a second sub-capacitor formed by the first electrode pair and the fourth electrode, and for measuring a second differential capacitance between a third sub-capacitor passing through the second electrode pair
  • the present invention is based on the finding that, in the case of a sensor for measuring a measured variable which has two electrode pairs, the first and the second electrode of the first electrode pair can alternately be conductively connected to one another, and the third and Fourth electrode of the second pair of electrodes can be conductively connected together.
  • a movable element is arranged between the two electrode pairs whose position changes in dependence on a measured variable, so that in each case the capacitance between the electrodes and the opposite electrode pair changes depending on the position of the movable element.
  • a capacitance measuring device can then have a first differential capacitance between a first partial capacitor, which is formed by the first electrode pair, in which the first and the second electrode are conductively connected to each other and the third electrode, and a second Operakon- capacitor, by the first pair of electrodes and the fourth electrode is formed, and a second differential capacitance between a third sub-capacitor formed by the second electrode pair, in which the third and fourth electrodes are conductively connected to each other and the first electrode is formed, and a fourth sub-capacitor formed by the second electrode pair and the second electrode is formed determine.
  • a measured value can then be determined using the first differential capacitance and the second differential capacitance.
  • a sensor according to an embodiment of the present invention for measuring a measured quantity only two pairs of electrodes are to be arranged opposite one another.
  • the area of an additional pair of electrodes can be saved as a common electrode by the respective combined use of two electrodes or partial electrodes of a pair of electrodes, so that the size of the sensor is thereby reduced.
  • the sensor for measuring a variable is easier and more flexible integrated in a small space in an electrical device.
  • the reduced space requirement leads to a lower material consumption for the components of the sensor, such. B. the housing.
  • the sensor can be manufactured more cheaply.
  • all the electrodes in one embodiment of the present invention may have the same shape, resulting in a reduction in component variety. This reduction in the variety of components leads to a simpler storage of the components and thus to lower manufacturing costs.
  • a further advantage results in one embodiment of the present invention in that deviations from an optimum fill level in a sensor in which the movable element is a liquid have a smaller influence on the measurement signal, since in each case one of the two differential capacitance Arrangements not an electrode is completely covered, and thus the influence of the level height is lower.
  • FIG. 1 is a schematic view of a capacitance sensor for measuring a measured variable according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an electrode arrangement in a sensor for measuring a measured variable according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3a shows an equivalent circuit diagram for the electrode group circuit in the sensor shown in FIG. 1 when measuring a first differential capacitance
  • FIG. 3b shows an equivalent circuit diagram for the electrode interconnection in the sensor shown in FIG. 1 according to an exemplary embodiment of the present invention when measuring a second differential capacitance
  • FIG. 5 shows curves for the dependence of the first differential capacitance and the second differential capacitance on a rotational angle of the sensor
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a processing device in a sensor for measuring a measured variable according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 7 is a conventional capacitance sensor for determining an inclination
  • FIG. 8 shows an equivalent circuit diagram for self-forming capacitors in the conventional one shown in FIG.
  • FIG. 9 shows an electronic evaluation circuit in order to generate an output signal on the conventional sensor shown in FIG. 8;
  • FIG. 11 is an equivalent circuit diagram explaining how two differential capacitances are formed in the sensor shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a capacitance sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the capacitance sensor 100 has a first electrode pair 103, a second electrode pair 105 and a liquid 106, which is arranged between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105.
  • a first electrode 103a and a second electrode 103b of the first electrode pair 103 can be conductively connected to one another.
  • a second switch 109 Via a second switch 109, a third electrode 105a and a fourth electrode 105b of the second electrode pair 105 can be conductively connected to one another.
  • a first differential capacitance meter 111 is connected to the first electrode 103a, the third electrode 105a, and the fourth electrode 105b.
  • a second differential capacitance meter 113 is connected to the first electrode 103a, the second electrode 103b, and the fourth electrode 105b.
  • a driver 115 opens and closes the first switch 107 and the second switch 109 and triggers a measurement in the first differential capacitance meter 111 and in the second differential capacitance meter 113.
  • a processor 117 receives an output signal from the first differential capacitance meter 111 and an output signal from the second differential capacitance meter 113, and provides a signal depending on the two received output signals.
  • the driving device 115 closes the first switch 107, opens the second one Switch 109 and triggers a measurement in the first differential capacity meter 111.
  • the first electrode 103a and the second electrode 103b of the first pair of electrodes 103 are electrically connected.
  • the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are electrically disconnected, so that a first sub-capacitor is formed between the third electrode 105a and the first electrode pair 103 and a second sub-capacitor is formed between the fourth electrode 105b and the first electrode pair 103 ,
  • a corresponding equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes will be explained in Fig. 3a.
  • the capacitance of the first sub-capacitor and of the second sub-capacitor depend on an alignment or arrangement of the dielectric liquid 106 between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105.
  • the arrangement of the liquid 106 in turn depends on an orientation of the capacitance sensor with respect to a horizontal or a horizontal surface and thus with respect to the gravitational field.
  • the capacitance sensor 100 is rotated right about a rotation axis 119, the proportion of the area of the third electrode 105a covered by the liquid 106 increases.
  • a clockwise rotation of the sensor 100 is represented by an arrow 121 in FIG.
  • the area of the fourth electrode 105b covered by the liquid 106 decreases in a right turn of the sensor 100.
  • the capacitance of the first partial capacitor and the second partial capacitor depends on an arrangement of the dielectric liquid 106 with respect to the third electrode 105a and with respect to the fourth electrode 105b.
  • the first differential capacitance meter 111 determines the capacitance of the first sub-capacitor and the capacitance of the second sub-capacitor. Subsequently, the first differential capacitance meter 111 subtracts the capacitance of the second partial capacitor from the capacitance of the first partial capacitor and determines therefrom a first differential capacitance. The first differential capacitance meter 111 then generates an output signal at its output, which is dependent on the first differential capacitance and is received by the processing device 117.
  • the capacitance of the first partial capacitor is minimal and the second partial capacitor is maximum, the value of the first differential capacitance in the reference position is minimal.
  • the drive device 115 opens the first switch 107 at a second measurement time, closes the second switch 109, and triggers a measurement in the second differential capacitance meter 113.
  • the first electrode 103a and the second electrode 103b of the first pair of electrodes 103 are electrically separated from each other.
  • the third electrode 105a and the fourth electrode 105b of the second electrode pair 105 are electrically connected to each other.
  • a third partial capacitor forms between the first electrode 103a and the second electrode pair 105 and a fourth partial capacitor between the second electrode 103b and the second electrode pair 105.
  • the capacitance of the third sub-capacitor and the fourth sub-capacitor also depend on the position of the dielectric liquid 106.
  • the second electrode pair 105 is here rotated by 90 ° relative to the first electrode pair 103, so that the third subconcept capacitor and the fourth sub-capacitor have the same capacity, in the reference position shown in Fig. 1.
  • the second differential capacitance meter 113 subtracts a value of the capacitance of the fourth partial capacitor from a value of the capacitance of the third partial capacitor and determines therefrom a second differential capacitance.
  • the second differential capacitance meter 113 then generates an output signal at its output, which is dependent on the second differential capacitance and is received by the processing device 117.
  • the processing device 117 uses the signal received from the first differential capacitance meter 111 and the signal received from the second differential capacitance meter 113 to determine a rotation of the sensor 100 about the rotation axis 119 in a range of -180 ° to + 180 ° or in a range of 0 ° to 360 ° and thus an inclination of the sensor 100 relative to the horizontal.
  • the method steps which take place in the processing device 117 for this purpose are explained in more detail below.
  • FIG. 2 illustrates in an exploded view a structure of a sensor 122 according to an embodiment of the present invention in a housing.
  • the housing consists of a first housing element 123 with a cavity in the first housing element 123 and a second housing element 127 with a surface 129 of the second housing element 127.
  • the first electrode pair 103 is arranged on a surface 125 of a cavity in the first housing element 123, while the second electric
  • the pair 105 is disposed on the surface 129 of the second housing member 127.
  • the first electrode 103 a, the second electrode 103 b, the third electrode 105 a and the fourth electrode 105 b are here z. B. circular segment-shaped, while the cavity in the first housing member 123, for example, is cylindrical.
  • the electrodes of the second pair of electrodes 105 are here z. B. circular segment and rotated by 90 ° to the electrodes 103 a, 103 b of the first pair of electrodes 103.
  • FIG. 3a illustrates an equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes 103a-b, 105a-b in the measurement of the first differential capacitance.
  • the first electrode 103a and the second electrode 103b are electrically conductively connected to one another, while the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are separated from one another.
  • the first differential capacitance meter 111 is connected to a first terminal 131a with the third electrode 105a, connected to the fourth electrode 105b via a second terminal 131b and to the first electrode pair 103 via a third terminal 131c.
  • the first differential capacitance meter determines the capacitance of the first partial capacitor and, via the connections 131b, 131c, the capacitance of the second partial capacitor. Subsequently, as already explained above, it forms the first differential capacitance.
  • FIG. 3b illustrates an equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes in the measurement of the second differential capacitance.
  • the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are electrically conductively connected while the first electrode 103a and the second electrode 103b are electrically separated from one another.
  • the second Differential capacitance meter 113 is connected to the second electrode pair 105 at a fourth terminal 131d and connected to the first electrode 103a via a fifth terminal 131e and to the second electrode 103b via a sixth terminal 131f.
  • the second capacitance meter 113 determines the capacitance of the third partial capacitor and via the fourth connection 131d and the sixth connection 131f the capacitance of the fourth partial capacitor. It then forms the second differential capacitance from the capacitance of the third partial capacitor and the fourth partial capacitor.
  • Fig. 4 illustrates a modified embodiment of the embodiment of the present invention shown in Fig. 1.
  • the modified embodiment shown in FIG. 4 has a microcontroller 133 with a first microcontroller connection or first connection of the microcontroller 135a, a second microcontroller connection or second connection of the microcontroller 135b and a third microcontroller terminal and third terminal of the microcontroller 135c and a first to fourth switch 137a-d on.
  • the capacitance sensor 100 with the modified embodiment shown in FIG. 4 is used to measure a tilt angle.
  • the measurement of the current position of the sensor or capacitance sensor 100 takes place such that the electronics or the microcontroller 133 are the switches 137a-d for the realization of the electrode interconnections shown in Fig. 3a and Fig. 3b, respectively assigns a switch position of the switch.
  • the first to fourth switches 137a-d are actuated by the microcontroller 133 at the first measuring time such that they each have the switch position represented by the solid line in FIG.
  • the first electrode 103a and the second electrode 103b are connected to each other via the first changeover switch 137a and the second changeover switch 137b, and connected to the second microcontroller port 135b.
  • the third electrode 105a is connected to the first microcontroller port 135a via the third switch 137c.
  • the fourth electrode 105b is electrically conductively connected to the third microcontroller terminal 135c via the fourth switch 137d.
  • the microcontroller 133 determines the capacitance of the first partial capacitor via the first microcontroller connection 135a and the second microcontroller connection 135b, and the capacitance of the second partial capacitor via the third microcontroller connection 135c and the second microcontroller connection 135b. In the microcontroller 133, the first differential capacitance is then determined, for example, by means of the evaluation circuit 51 shown in FIG.
  • the switches 137a-d are placed in the dashed state shown in FIG. 4 at the second measuring time.
  • the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are short-circuited via the third switch 137c and the fourth switch 137d and connected to the second microcontroller terminal 135b.
  • the first electrode 103a is connected to the first microcontroller port 135a via the first switch 137a.
  • the second electrode 103b is coupled to the third microcontroller port 135c via the second switch 137b.
  • the first Microcontroller port 135a and the second microcontroller port 135b determines the microcontroller 133, the capacity of the third sub-capacitor and the third microcontroller port 135c and the second microcontroller port 135b, the capacitance of the fourth sub-capacitor.
  • the second differential capacitance is then again determined, for example, with the evaluation circuit shown in FIG. 9.
  • the sequences or the clock for the switching of the first 137a to fourth 137d switch or the definition of the distances between the first and the second measurement time, is z. B. in a control software that is processed by the microcontroller 133, deposited.
  • the z. B. is also implemented in software on the microcontroller 133, the microcontroller 133 determines an inclination of the sensor.
  • the comparison table for each value of the first differential capacitance, there are two corresponding values of the inclination angle in a range from 0 ° to 360 °. Also, for the value of the second differential capacitance, there are two corresponding values of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 ° in the comparison table.
  • the microcontroller 133 now compares the two corresponding values of the angle of inclination for the first differential capacity with the two corresponding values of the angle of inclination for the second differential capacity and determines the value of the angle of inclination in the two pairs of values, ie in the corresponding value pair for the first differential capacity and the corresponding value pair for the second differential capacity.
  • This value corresponds to the actual tilt angle by which the capacitance sensor is deflected.
  • a determination of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 ° is possible.
  • the dependence of the tilt angle of the first differential capacitance which is provided in Fig.
  • a ratio of the measured differential capacitance to a difference between a maximum value and a minimum value of the differential capacitance is plotted on the y axis.
  • a dashed line explains a course of the normalized values of the first differential capacitance ⁇ C1 as a function of the angle of inclination.
  • a solid line explains a course of the normalized values of the second differential capacitance ⁇ C2 as a function of the angle of inclination.
  • the microcontroller 133 sets the switches 137a-d to the switch position indicated by the solid line to determine the first differential capacitance. As is apparent from Fig. 5, results in a tilt angle of 120 ° of the sensor, a normalized value for the first differential capacitance .DELTA.C1 of 0.625.
  • the microcontroller 133 thereby determines a first inclination angle value 139a of 120 °, which corresponds to the normalized first differential capacitance ⁇ C1 of 0.625, and a second inclination angle value 139b of 240 °, which also corresponds to the normalized first differential capacitance ⁇ C1 of 0.625.
  • the microcontroller 133 stores the first inclination angle value or intermediate measurement value 139 a and the second inclination angle value 139 b in a register, not shown, in the microcontroller 133.
  • the microcontroller 133 changes the position of the first to fourth switch 137a-d, so that they occupy the dashed line in Fig. 4 drawn position.
  • the microcontroller determines the second differential capacitance ⁇ C2 by means of the signals applied to the first to third microcontroller ports 135a-c.
  • the second differential capacitance ⁇ C2 assumes a normalized value of 0.875.
  • This normalized value of 0.875 corresponds to two inclination angle values in the comparison table in the microcontroller, a third inclination angle value 141a of 60 ° and a fourth inclination angle value 141b of 120 °.
  • the microcontroller 133 also stores the two tilt angle values 141 a, 141 b in the register (not shown) in the microcontroller 133.
  • the microcontroller reads out the four inclination angle values 139a, 139b, 141a, 141b from the register and compares them with each other.
  • the first inclination angle value 139a and the fourth inclination angle value 141b thereby appear twice among the read-out inclination angle values.
  • the microcontroller 133 detects this and notes that the value of the inclination angle or the measured variable is 120 °. This value of 120 ° he outputs by means of an output signal not shown here.
  • the offset of the two measured curves to one another corresponds to the rotation of the electrode pairs 103 and 105 relative to one another.
  • the z here. B. is implemented in a microcontroller, determine.
  • a contacting of the electrodes 103a, 103b, 105a, 105b by means of the microcontroller 133 or an electrical circuit is possible such that two different ones depending on the contacting of the electrodes Differential capacitor arrangements can be contacted and read out, due to which the position of the dielectric liquid 106 and a fluid can be determined.
  • an electrically conductive body whose position changes in accordance with the inclination of the sensor 100 could be arranged in the gap between the electrode pairs 103, 105.
  • Fig. 6 it is shown how the processing means 117 in the sensor 100 shown in Fig. 1 according to an embodiment of the present invention can determine the value of the inclination angle as an alternative to the method explained above.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the processing device 117 shown in FIG. 1.
  • the first differential capacitance meter 111 is coupled to a first analog-digital converter 143
  • the second differential capacitance meter 113 is coupled to a second analog-to-digital converter 145
  • An output of the first analog-to-digital converter 143 is connected to a first value register 147
  • an output of the second analog-to-digital converter 145 is connected to a second value register 149.
  • the first value register 147 is connected to a first assignment device 151, while the second value register 149 is coupled to a second assignment device 153.
  • the first allocator 151 is connected to a first intermediate measurement value register 155a, and a second intermediate measurement value register 155b is connected.
  • the second allocation means 153 is connected to a third measurement intermediate value register 157a and a fourth measurement intermediate value register 157b.
  • the first measurement intermediate value register 155a is coupled to a first comparison circuit 159a and a second comparison circuit 159b.
  • the second measurement intermediate value register 155b is coupled to a third comparison circuit 159c and a fourth comparison circuit 159d.
  • the third measurement intermediate value register 157a is coupled to the first comparison circuit 159a and the fourth comparison circuit 159d.
  • the fourth measurement intermediate value register 157b is coupled to the second comparison circuit 159b and the third comparison circuit 159c.
  • a read-out means 161 is electrically connected to each of the first to fourth comparison circuits 159a-d and connected to the first measurement intermediate value register 155a and the second measurement intermediate value register 155b. An output of the readout device 161 is connected to an input of the measured value register 163, and an output of the measured value register 163 is connected to an output connection 165 of the processing device 117.
  • the first analog-to-digital converter 143 converts a signal from the first differential capacitance meter 111 whose height depends on the first differential capacitance ⁇ C1 into a first value, preferably a first binary value, and stores this first value in the first value register 147.
  • the second analog-to-digital converter 145 converts a signal from the second differential capacitance meter 113, the magnitude of which depends on the second differential capacitance ⁇ C2, into a second value, preferably a second binary value, at and stores this second value in the second value register 149.
  • the first allocation device 151 reads out the first value from the first value register 147 and determines a first measurement intermediate value and a second measurement intermediate value by means of a comparison table and stores the first measurement intermediate value in the first measurement intermediate value register 155a and the second measurement intermediate value in the second measurement intermediate value register 155b.
  • the first intermediate measurement value and the second intermediate measurement value correspond with the two possible inclination angle values by which the sensor 100 could be inclined at the measured value of the first differential capacitance ⁇ C1.
  • the second assignment means 153 reads out the second value from the second value register 149 and determines a third measurement intermediate value and a fourth measurement intermediate value by means of a comparison table and stores the third measurement intermediate value in the third measurement intermediate value register 157a and the fourth measurement intermediate value in the fourth measurement intermediate value register 157b.
  • the third measurement intermediate value and the fourth measurement intermediate value correspond to the possible inclination angle values by which the sensor 100 could be inclined at the measured value of the second differential capacitance ⁇ C2.
  • the course of the inclination angle as a function of the first differential capacity ⁇ C1 and the second differential capacity ⁇ C2 still applies to the course shown in FIG.
  • the first comparison circuit 159a compares the first measurement intermediate value with the third measurement intermediate value.
  • the second comparison circuit 159b compares the first measurement intermediate value with the fourth measurement intermediate value.
  • the third comparison circuit 159c performs a comparison of the second measurement intermediate value with the fourth measurement intermediate value.
  • the fourth comparison circuit 159d performs a comparison of the second measurement intermediate value with the third measurement intermediate value.
  • the comparison of the measured intermediate values is carried out by means of an XOR function that returns a binary value of 0 if the two compared values are identical.
  • the read-out means 161 reads out the values of the first to fourth comparison circuits 159a-d and determines the values
  • Comparison circuit of the four comparison circuits which supplies the binary value 0.
  • the first or the second comparison circuit 159a-b supplies the binary value 0, it reads the measurement intermediate value from the first measurement intermediate value register 155a, or if the third or fourth comparison circuit 159c-d supplies the binary value 0, the measurement intermediate value from the second one Measurement intermediate value register 155b. The reading intermediate reading is then written by the read-out 161 in the measured value register 163.
  • the four comparison circuits 159a-d thus determine a measured intermediate value from the first and second measured intermediate value, which is equal to a measured intermediate value from the third and fourth measured intermediate value.
  • the intermediate measurement value occurring in both pairs of measurement intermediate values indicates the actual height of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 °, by which the sensor 100 is inclined.
  • a dielectric liquid is disposed between the first and second electrode pairs, but alternatively, any movable element may be disposed between the two electrode pairs affecting the first and second differential capacitance.
  • a possible alternative would be an embodiment of the movable element as a rotatable electrode made of an electrically conductive material, which is preferably rotatably mounted with a small distance between, for example, frontally opposite electrodes.
  • the dielectric liquid which is arranged between the first and the second electrode pair, a different dielectric constant than the surrounding medium, wherein any ratios of the dielectric constant of the liquid to the liquid surrounding medium are possible.
  • the dielectric liquid it would also be possible to arrange an electrically conductive liquid between the electrode pairs whose arrangement between the electrodes is likewise z. B. is dependent on the inclination of the sensor.
  • the medium surrounding the liquid can be any substance which preferably changes its arrangement between the electrode pairs as a function of the measured variable.
  • the liquid between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105 is arranged so that it preferably completely overlaps with a reference position of the sensor with one of the electrodes of the first or the second pair of electrodes, but are any liquid levels alternatives.
  • the driver 115 is designed to alternately measure the first differential capacitance and the second differential capacitance, however, any of the operations of measuring the first differential capacitance and the second differential capacitance therefor are alternatives thereto.
  • the driving device is designed so that the first differential capacity and the second differential capacity are preferably measured within a period of less than ten seconds, but any time periods therefor are alternatives.
  • the drive device could also be designed so that, depending on a value of the inclination angle optionally a value of the inclination angle in Dependent on the first differential capacity or the second differential capacity is determined.
  • the drive device could be designed so that in a range of the inclination angle of -60 ° to 60 °, in which the first differential capacitance has a suitable sensitivity or linearity, the inclination angle is determined in dependence on a value of the first differential capacity, and a range of the inclination angle of 60 ° to 120 ° or of -120 ° to -60 °, in which the second differential capacitance has a suitable sensitivity or non-linearity, the inclination angle is determined as a function of the value of the second differential capacitance , In this case, any selection of the range end points at which the drive device switches from a measurement of the value of the first differential capacitance to a measurement of the value of the second differential capacitance or from a determination of the inclination angle as a function of
  • the first and second electrode pairs are circular. However, any shapes of the first and second pairs of electrodes are alternatives thereto. In the above embodiment of the present invention, the first electrode and the second electrode and the third electrode and the fourth electrode are circular sector-shaped, but any shapes of the first to fourth electrodes are alternatives thereto.
  • a rotation axis about which the sensor rotates preferably passes through the center of the first pair of electrodes and the center of the second pair of electrodes.
  • any gradients of the axis of rotation about which the sensor rotates are alternatives to the first pair of electrodes and the second pair of electrodes.
  • the axis of rotation is preferably perpendicular to the first pair of electrodes and perpendicular to the second pair of electrodes, however, any angles for arranging the axis of rotation to the first pair of electrodes and to the second pair of electrodes are alternatives.
  • the first electrode pair is arranged parallel to the second electrode pair, however, any arrangement of the electrode pairs with each other is possible.
  • the first to fourth electrodes each have a semicircular shape, but any circle segment angles or other shapes of the electrodes are alternatives thereto.
  • the first pair of electrodes and the second pair of electrodes completely overlap in area, however, any overlaps of the pairs of electrodes are alternatives, as long as both electrodes of one pair of electrodes overlap with the other pair of electrodes.
  • the two pairs of electrodes are circular and form mutually rotated pairs of surfaces, wherein a rotation angle by which the two pairs of surfaces are rotated to each other here z. B. is 90 °.
  • a rotation angle by which the two pairs of surfaces are rotated to each other here z. B. is 90 °.
  • any values of the angle by which the pairs of electrodes rotate with each other are alternatives.
  • the readout means 161 determines, by means of the first to fourth comparison circuits, the measurement intermediate value corresponding to the measurement value.
  • the comparison circuits four measured intermediate values were compared with each other via an XOR function.
  • the comparison circuits for this purpose combine a first and a second function input value or intermediate measurement value with a third and a fourth function input value. Then they determine the function output value from the four function output values at which one of the four comparison circuits supplies the binary value 0 as a function output value.
  • any circuit implementations for this are alternatives which compare the first and second measurement intermediate values respectively with the third and fourth measurement intermediate values and also apply functions other than an XOR function.
  • a first switch 107 and a second switch 109 are used to electrically connect or electrically separate the first and second electrodes and the third and fourth electrodes from each other.
  • any means for connecting or disconnecting the electrodes of the electrode pairs or implementations of the switches such.
  • Fig. 4 an embodiment of the processing device which is a microcontroller.
  • any computing devices that come from the are arbitrary computing devices that determine the measured value from the value of the first differential capacity and the value of the second differential capacity by means of a software in which a lookup table is implemented, alternatives.
  • the performed by the microcontroller 133 control of the position of the switch can be performed by any controller, which is not on the microcontroller 133 but z. B. can be implemented in an external logic circuit.
  • the senor is embodied, for example, as a differential capacitor arrangement in a housing, the housing having a cavity, at the first end side of which at least two electrodes are arranged and at the second end side of which at least two further electrodes are arranged.
  • the electrodes are arranged on the first end side opposite to the electrodes on the second end side rotated by a rotation angle in a range of 0 ° to 180 °.
  • the cavity is in this case formed in at least one housing element which has the housing.
  • a dielectric liquid is arranged in the cavity, which partially fills the cavity.
  • sensors of arbitrary design in which the electrodes of a first pair of electrodes and of a second pair of electrodes are arranged, for example with an arbitrary holder, that a space is formed between them, in which a movable element is arranged, wherein the electrodes of a pair of electrodes each overlap with the two electrodes of the other pair of electrodes.
  • the dielectric liquid z. B. forms the movable element are arranged in a separate container.

Abstract

Disclosed is a sensor for measuring a measurable variable. Said sensor comprises a first couple of electrodes (103) and a second couple of electrodes (105). The electrodes (103a, 103b, 105a, 105b) of the first couple of electrodes (103) and the second couple of electrodes (105) are alternately electrically disconnected from each other and interconnected in a conductive manner. A capacity measuring device (111, 113) can then determine a first and a second measured differential capacity value such that a processing device (117) can determine a measured value with the aid of the first measured differential capacity value and the second measured differential capacity value.

Description

Kapazitiver Sensor zum Messen einer Messgröße Capacitive sensor for measuring a measured variable
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor zum Messen einer Messgröße.The present invention relates to a capacitive sensor for measuring a measurand.
Generell können kapazitive Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und Forschung eingesetzt werden. Beispiele dafür sind Neigungssensoren, welche als Überschlagssensoren in Kraftfahrzeugen, als Überwachungssensoren von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden und als Positionssensoren für automati- sierte Maschinen, Bügeleisen, Waschmaschinen etc. eingesetzt werden können.In general, capacitive sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples include inclination sensors, which can be used as rollover sensors in motor vehicles, as monitoring sensors of alarm systems in vehicles and buildings and as position sensors for automated machines, irons, washing machines, etc.
Eine Reihe von herkömmlichen Sensoren werden eingesetzt, um durch die Messung einer messgrößenabhängigen Kapazitätsdif- ferenz einer Kondensatoranordnung eine Messgröße, wie z. B. die Neigung bezüglich der horizontalen Fläche bzw. der Horizontalen, zu ermitteln.A number of conventional sensors are used to measure a measured variable capacitance difference of a capacitor arrangement, a measured variable, such. As the inclination with respect to the horizontal surface or the horizontal to determine.
Hierfür werden beispielsweise Neigungssensoren eingesetzt, die über eine Messung einer Differenzkapazität bei neigungsbedingter Änderung der überdeckten Fläche einer mit einem elektrisch leitfähigen Pendel gebildeten Differential-Kondensator-Anordnung die Neigung bestimmen. Weitere kapazitive Sensoren führen eine Differenzkapazitätsmessung durch, wobei eine neigungsbedingte Änderung einer Anordnung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit gegenüber den von ihr zum Teil überdeckten Kondensatorelektroden ermittelt wird.For this purpose, for example, inclination sensors are used, which determine the slope via a measurement of a differential capacitance in case of change due to inclination of the covered area of a differential capacitor arrangement formed with an electrically conductive pendulum. Further capacitive sensors perform a differential capacitance measurement, whereby a change in the inclination of an arrangement of an electrically conductive liquid with respect to the capacitor electrodes partially covered by it is determined.
Darüber hinaus werden herkömmliche Kapazitätssensoren eingesetzt, um den Drehwinkel einer Welle mittels einer Messung einer winkelabhängigen Differenzkapazität einer Differential-Kondensator-Anordnung zu detektieren. Dabei lässt sich die Differential-Kondensator-Anordnung über eine mit der Welle verbundene elektrisch leitfähige Scheibe realisieren.In addition, conventional capacitance sensors are used to detect the rotation angle of a shaft by means of a measurement of an angle-dependent differential capacitance of a differential capacitor arrangement. there The differential capacitor arrangement can be realized via an electrically conductive disk connected to the shaft.
Die DE4141324A1 zeigt einen kapazitiven Neigungssensor, der einen Hohlkörper bzw. einen zylinderförmigen Behälter aufweist. An einer oder an beiden Stirnflächen des Behälters sind Isolierplatten angeordnet, an denen vorzugsweise zwei voneinander getrennte halbkreisförmig ausgebildete Metallbeläge angeordnet sind. Der Hohlraum des Behälters ist dabei vorzugsweise bis zur Hälfte mit einer Flüssigkeit gefüllt, die eine relativ hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Zwei gegenüberliegende Metallbeläge bilden jeweils zusammen mit der Flüssigkeit einen Kondensator, wobei die einzelnen Kondensatoren als Differential-Kondensator- Anordnungen ausgeführt sind. Wenn der Behälter geneigt wird, so bleibt die Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft auf einem horizontalen Flüssigkeitsspiegel stehen. Somit ergibt sich eine neigungsabhängige Änderung der von der Flüssigkeit überdeckten Fläche der Metallbeläge.DE4141324A1 shows a capacitive tilt sensor which has a hollow body or a cylindrical container. On one or both end surfaces of the container insulating plates are arranged, on which preferably two separate semicircular metal coatings are arranged. The cavity of the container is preferably filled halfway with a liquid having a relatively high dielectric constant. Two opposing metal pads each form together with the liquid a capacitor, wherein the individual capacitors are designed as differential capacitor arrangements. If the container is tilted, the liquid will remain on a horizontal liquid level due to the gravitational force. This results in a slope-dependent change in the area covered by the liquid surface of the metal coverings.
Die DE10007246A1 legt einen elektrostatischen kapazitiven Neigungssensor dar, bei dem ein Paar halbkreisförmiger Differenzial-Elektroden in vertikaler Richtung nebeneinan- der angeordnet ist. Durch diese Anordnung der Elektroden wird die Kapazitätsdifferenz der Differential-Kondensator- Anordnung bei horizontaler Lage des Sensors maximal. In einer nachgelagerten Elektronik, die ein von dem Sensor stammendes Signal verarbeitet, ist daher eine Nullpunkt- Einstellung und Temperaturkompensation nicht mehr erforderlich.DE10007246A1 discloses an electrostatic capacitive tilt sensor in which a pair of semicircular differential electrodes are arranged side by side in the vertical direction. As a result of this arrangement of the electrodes, the capacitance difference of the differential capacitor arrangement becomes maximum in the horizontal position of the sensor. In a downstream electronics, which processes a signal coming from the sensor, therefore, a zero point adjustment and temperature compensation is no longer necessary.
Die DE3512983A1 lehrt ein kapazitives Neigungs- und Ebenheitsmessgerät, das ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse aufweist, das vorzugsweise bis zu der Hälfte mit einer dielektrischen nichtleitenden Flüssigkeit gefüllt ist. In die Flüssigkeit tauchen vier kreissegmentförmige Elektroden ein, die eine Kondensatoranordnung bilden. Wenn das Nei- gungs- und Ebeneneinheitsmessgerät aus seiner Referenzstellung heraus geneigt wird, so ändert sich die Eintauchtiefe der Elektroden in die dielektrische Flüssigkeit, wodurch sich auch die Kapazitäten der Kondensatoranordnung in Abhängigkeit von der Neigung des Messgeräts ändern.DE3512983A1 teaches a capacitive tilt and flatness meter which has a hermetically sealed housing which is preferably filled up to one-half with a dielectric nonconductive fluid. Four circular-segment-shaped electrodes which form a capacitor arrangement are immersed in the liquid. If the is tilted from its reference position, the immersion depth of the electrodes in the dielectric liquid changes, whereby the capacitances of the capacitor arrangement change depending on the inclination of the measuring device.
In der DE10217859C1 wird ein kapazitiver Neigungssensor dargestellt, bei dem ein Paar halbkreisförmiger Elektroden in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet sind und einer gemeinsamen Elektrode gegenüberliegen. Zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden befindet sich ein halbkreisförmiges Pendel aus elektrisch leitfähigem Material, welches einen sehr geringen Abstand zu den Gehäuseelektroden aufweist, so dass sich eine Differential-Kondensator- Anordnung ergibt. Bei einer Drehung des Gehäuses gegenüber der Horizontalen nimmt die Überdeckung zwischen dem Pendel und der ersten Teilelektrode zu, während zugleich die Überdeckung zwischen dem Pendel und der zweiten Teilelektrode abnimmt, weshalb sich die Kapazitäten der beiden Kondensatoren gegensinnig ändern und eine neigungsabhängige messbare Kapazitätsdifferenz entsteht.In DE10217859C1 a capacitive tilt sensor is shown, in which a pair of semicircular electrodes are arranged in the horizontal direction next to one another and face a common electrode. Between the opposing electrodes is a semi-circular pendulum of electrically conductive material, which has a very small distance from the housing electrodes, so that there is a differential capacitor arrangement. Upon rotation of the housing relative to the horizontal, the overlap between the pendulum and the first part electrode increases, while at the same time the overlap between the pendulum and the second part electrode decreases, which is why the capacitances of the two capacitors change in opposite directions and a slope-dependent measurable capacitance difference arises.
Fig. 7 zeigt einen herkömmlichen Kapazitätssensor 10 zum Messen einer Neigung in einer Draufsicht. Der herkömmliche Kapazitätssensor 10 weist dabei ein Gehäuse auf, das aus einer ersten Gehäusewand 11 und einer zweiten Gehäusewand 13 besteht. In der zweiten Gehäusewand 13 ist eine Kavität bzw. Aushöhlung, die hier zylinderförmig ist, eingebracht.Fig. 7 shows a conventional capacitance sensor 10 for measuring a slope in a plan view. The conventional capacitance sensor 10 has a housing which consists of a first housing wall 11 and a second housing wall 13. In the second housing wall 13 is a cavity or cavity, which is cylindrical here, introduced.
Auf einer Oberfläche 15 der Kavität befinden sich eine erste Kondensatorelektrode 17a und eine zweite Kondensatorelektrode 17b. Auf einer Oberfläche 18 der ersten Gehäusewand 11 ist eine gemeinsame Kondensatorelektrode 19 aufgebracht. In der Kavität ist eine Flüssigkeit 21, häufig eine dielektrische Flüssigkeit 21, zwischen der ersten Kondensatorelektrode 17a, der zweiten Kondensatorelektrode 17b und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 angeordnet. Der herkömmliche Kapazitatssensor 10 dreht sich um eine Drehachse 23. Auf einer der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 abgewandten Oberflache der ersten Gehausewand 13 ist eine elektrische Schaltung 25 aufgebracht.On a surface 15 of the cavity are a first capacitor electrode 17a and a second capacitor electrode 17b. On a surface 18 of the first housing wall 11, a common capacitor electrode 19 is applied. In the cavity, a liquid 21, often a dielectric liquid 21, is interposed between the first capacitor electrode 17a, the second capacitor electrode 17b and the common capacitor electrode 19. The conventional capacitance sensor 10 rotates about a rotation axis 23. An electrical circuit 25 is applied to a surface of the first housing wall 13 facing away from the common capacitor electrode 19.
Die erste Kondensatorelektrode 17a bildet mit der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 einen ersten Kondensator und die zweite Kondensatorelektrode 17b bildet mit der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 einen zweiten Kondensator. Die elektrische Schaltung 25 ermittelt die Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators .The first capacitor electrode 17a forms a first capacitor with the common capacitor electrode 19, and the second capacitor electrode 17b forms a second capacitor with the common capacitor electrode 19. The electric circuit 25 detects the difference between the capacitance of the first capacitor and the second capacitor.
Die abgeschlossene bzw. dicht verschlossene Kavitat ist vorzugsweise bis zur Hälfte mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 gefüllt, wie z. B. einem Silikonöl, wobei sich die dielektrische Flüssigkeit aufgrund des Gravitationsfelds so ausrichtet, dass ihr Flussigkeitsspiegel stets horizontal ist.The closed or sealed Kavitat is preferably filled up to half with the dielectric liquid 21, such as. As a silicone oil, wherein the dielectric fluid due to the gravitational field aligns so that their liquid level is always horizontal.
Wenn sich das Gehäuse des herkömmlichen Kapazitatssensors 10 um die Drehachse 23 neigt bzw. dreht, bleibt die dielektrische Flüssigkeit 21 auf einem horizontalen Flüssigkeitspegel stehen. Somit andern sich die Flächenanteile der durch die dielektrische Flüssigkeit überdeckten ersten Kondensatorelektrode 17a und der zweiten Kondensatorelektrode 17b, wodurch sich ebenfalls die Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators andern.When the housing of the conventional capacitance sensor 10 tilts around the rotation axis 23, the dielectric liquid 21 remains at a horizontal liquid level. Thus, the area ratios of the first capacitor electrode 17a covered by the dielectric liquid 17a and the second capacitor electrode 17b change, which also change the capacitances of the first capacitor and the second capacitor.
Ein Pfeil 26 zeigt eine Drehrichtung des Sensors nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn. Wenn der herkömmliche Kapazitatssensor 10 nach rechts gedreht wird, so nimmt eine Flache der ersten Kondensatorelektrode 17a, die von der dielektrischen Flüssigkeit 21 überdeckt wird, ab, wahrend eine Flache der zweiten Kondensatorelektrode 17b, die von der dielektrischen Flüssigkeit 21 bedeckt wird, zunimmt. Somit nimmt die Kapazität des ersten Kondensators ab, wahrend die Kapazität des zweiten Kondensators zunimmt. Wenn das Gehäuse des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 nach links gedreht wird, so nimmt die Kapazität des ersten Kondensators zu, während die des zweiten Kondensators abnimmt. Somit kann durch die Bestimmung der Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators die Drehrichtung erfasst werden.An arrow 26 shows a direction of rotation of the sensor to the right or clockwise. When the conventional capacitance sensor 10 is rotated to the right, a area of the first capacitor electrode 17a covered by the dielectric liquid 21 decreases, while a area of the second capacitor electrode 17b covered by the dielectric liquid 21 increases. Thus, the capacitance of the first capacitor decreases, while the capacitance of the second capacitor increases. When the housing of the conventional capacitance sensor 10 is rotated leftward, the capacitance of the first capacitor increases while that of the second capacitor decreases. Thus, by determining the capacitance of the first capacitor and the second capacitor, the direction of rotation can be detected.
Der herkömmlichen Kapazitätssensor 10 bestimmt somit die Neigung bzw. Ausrichtung oder Drehung des Gehäuses gegen- über einem Gravitationsfeld bzw. einer horizontalen Fläche um die Drehachse 23 mittels einer Kapazitätsänderung des ersten und des zweiten Kondensators, die durch eine Änderung der Anordnung der eingefüllten Flüssigkeit 21 hervorgerufen wird. Dabei wird durch die Verkippung der die- lektrischen Flüssigkeit 21 die Überdeckung der flüssigkeitsbedeckten Flächen der sich stirnseitig gegenüberstehenden Elektroden 17a, 17b und 19 verändert, und diese Änderung kapazitiv ausgelesen.The conventional capacitance sensor 10 thus determines the inclination or rotation of the housing relative to a gravitational field around the rotation axis 23 by means of a capacitance change of the first and second capacitors caused by a change in the arrangement of the charged liquid 21 becomes. As a result of the tilting of the dielectric liquid 21, the overlap of the liquid-covered surfaces of the electrodes 17a, 17b and 19 which face one another is changed, and this change is read capacitively.
In Fig. 8 wird schematisch die Bildung des ersten Kondensators 27a, der in Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 27a versehen ist, und des zweiten Kondensators 27b, der in Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 27b versehen ist, erläutert. Der erste Kondensator 27a bildet sich wie oben erläutert dabei zwi- sehen der ersten Kondensatorelektrode 17a und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 aus, während sich der zweite Kondensator 27b zwischen der zweiten Kondensatorelektrode 17b und der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 ausbildet.In Fig. 8, the formation of the first capacitor 27a, which is provided with the reference numeral 27a in Fig. 8, and the second capacitor 27b, which is provided with the reference numeral 27b in Fig. 8, is schematically explained. As explained above, the first capacitor 27a forms between the first capacitor electrode 17a and the common capacitor electrode 19, while the second capacitor 27b is formed between the second capacitor electrode 17b and the common capacitor electrode 19.
Um ein kontinuierliches analoges Ausgangssignal zu gewinnen, das von einer absoluten Neigung des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 gegenüber der Horizontalen abhängt, sind der erste Kondensator 27a und der zweite Kondensator 27b in einer Differential-Kondensator-Anordnung zusammenge- schaltet. Bei einer Neigung des Gehäuses des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 gegenüber der dielektrischen Flüssigkeit 21, die ja in der Horizontalen verharrt, ändern sich die Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b entgegengesetzt zueinander. Aus der Kondensator-Grundgleichung lässt sich damit für den in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 mit halbkreisförmigen horizontal nebeneinander angeordneten Kondensatorelektroden 17a, 17b folgende Gleichung zur Bestimmung der Grundkapazität Co ermitteln.In order to obtain a continuous analog output signal which depends on an absolute slope of the conventional capacitance sensor 10 with respect to the horizontal, the first capacitor 27a and the second capacitor 27b are connected together in a differential capacitor arrangement. With an inclination of the housing of the conventional capacitance sensor 10 with respect to the dielectric liquid 21, which remains in the horizontal, the capacitances of the first capacitor 27a and the second change Capacitor 27b opposite to each other. From the capacitor basic equation, the following equation for determining the basic capacitance Co can thus be determined for the conventional capacitance sensor 10 shown in FIGS. 7 and 8 with semicircular capacitor electrodes 17a, 17b arranged horizontally next to each other.
Figure imgf000008_0001
pc0(vpc-rLuft 4-
Figure imgf000008_0002
—,
Figure imgf000008_0001
p c 0 ( v p c -r air 4
Figure imgf000008_0002
-
In der obigen Formel für die Grundkapazität Co ist ε0 die elektrische Feldkonstante, εrLuft die Dielektrizitätszahl von Luft und εrdieiektr.Fi. die Dielektrizitätszahl der dielektrischen Flüssigkeit, A die von der Luft bzw. vom SiIi- konöl überdeckte Fläche einer Teilelektrode und d der Abstand der Teilelektroden von der gemeinsamen Elektrode. Zur Steigerung der Messempfindlichkeit des herkömmlichen Sensors 10 wird in der Schaltung 25 die Differenz der ersten Kapazität 27a und der zweiten Kapazität 27b ermittelt und in eine Spannung umgewandelt. Der Zusammenhang für die Differenzkapazität für den in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 zum Messen einer Neigung ergibt sich nach folgender Formel:In the above formula for the basic capacitance Co is the electric field constant, ε is rair ε 0 is the dielectric constant of air and ε rd i e t iek r.Fi. the dielectric constant of the dielectric liquid, A the area of a partial electrode covered by the air or silicon, and d the distance of the partial electrodes from the common electrode. To increase the measuring sensitivity of the conventional sensor 10, the difference of the first capacitance 27a and the second capacitance 27b is determined in the circuit 25 and converted into a voltage. The relationship for the differential capacitance for the conventional capacitance sensor 10 for measuring an inclination shown in FIG. 7 is given by the following formula:
_ 2_ ΔA(α) , ) _ 2 _ΔA (α), )
In obiger Formel ist ΔA(α) die vom Neigungswinkel α abhängige Änderung der mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 überdeckten Fläche der Differential-Kondensator-Anordnung, die den ersten Kondensator 27a und den zweiten Kondensator 27b umfasst. Die Auflösung des herkömmlichen Sensors 10 ist dabei von der kleinsten messbaren Kapazität der verwendeten Elektronik, also hier der elektrischen Schaltung 25, abhängig und ergibt sich aus der unten stehenden Gleichung: _ min_ min _ raax max αIn the above formula, ΔA (α) is the inclination angle α-dependent change in the area of the differential capacitor array covered with the dielectric liquid 21, which includes the first capacitor 27a and the second capacitor 27b. The resolution of the conventional sensor 10 is dependent on the smallest measurable capacity of the electronics used, in this case the electric circuit 25, and results from the equation below: _ min_ min _ raax max α
αmin ist hierbei der kleinste aufzulösende Winkel, ΔCmaχα die Differenzkapazität bei dem vollständig ausgeschöpften Messbereich Oj13x des herkömmlichen Sensors 10 und Cmin die minimale erfassbare Kapazitätsänderung der Elektronik.α min is hereby the smallest angle to be resolved, ΔC ma χ α the difference capacitance at the completely exhausted measuring range Oj 13x of the conventional sensor 10 and C m i n the minimum detectable capacitance change of the electronics.
Fig. 9 zeigt eine herkömmliche Auswerteschaltung 51, die dazu dient, ein Ausgangssignal des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 zu erzeugen. In der herkömmlichen Auswerteschaltung 51 ist ein Signalgenerator 53 zur Erzeugung eines Trägersignals über den ersten Kondensator 27a mit einem ersten Ladungsverstärker 55a und über den zweiten Kondensa- tor 27b mit einem zweiten Ladungsverstärker 55b verbunden. Der erste Ladungsverstärker 55a ist als bekannte Operationsverstärkerschaltung ausgeführt, die einen ersten Operationsverstärker 55al, einen Kondensator 55a2 und einen Ohmschen Widerstand 55a3 umfasst, die wie in Fig. 9 gezeigt zusammengeschaltet sind. Der zweite Ladungsverstärker 55b ist wie der erste Ladungsverstärker als eine bekannte Operationsverstärkerschaltung ausgeführt, und weist einen zweiten Operationsverstärker 55bl, einen zweiten Kondensator 55b2 und einen zweiten Ohmschen Widerstand 55b3 auf, die wie in Fig. 9 gezeigt zusammengeschaltet sind.FIG. 9 shows a conventional evaluation circuit 51 which serves to generate an output signal of the conventional capacitance sensor 10. In the conventional evaluation circuit 51, a signal generator 53 for generating a carrier signal is connected via the first capacitor 27a to a first charge amplifier 55a and via the second capacitor 27b to a second charge amplifier 55b. The first charge amplifier 55a is implemented as a known operational amplifier circuit comprising a first operational amplifier 55al, a capacitor 55a2 and an ohmic resistor 55a3, which are connected together as shown in FIG. The second charge amplifier 55b, like the first charge amplifier, is implemented as a known operational amplifier circuit, and has a second operational amplifier 55bl, a second capacitor 55b2, and a second ohmic resistor 55b3, which are connected together as shown in FIG.
Ein Ausgangssignal des ersten Ladungsverstärkers 55a und des zweiten Ladungsverstärkers 55b werden jeweils einer bekannten Demodulator-Schaltung 57 zugeführt. Der Demodula- tor weist eine erste Demodulator-Diode 57al, einen ersten Demodulator-Widerstand 57a2, einen ersten Demodulator- Kondensator 57a3, eine zweite Demodulator-Diode 57bl, einen zweiten Demodulator-Widerstand 57b2 und einen zweiten Demodulator-Kondensator 57b3 auf. Die Elemente des Demodu- lators 57 sind wie in Fig. 9 dargestellt miteinander verschaltet. Der Demodulator 57 erzeugt in Abhängigkeit von dem von dem ersten Ladungsverstärker 55a gelieferten Signal ein erstes Ausgangssignal und in Abhängigkeit von einem Signal, das von dem zweiten Ladungsverstärker 55b geliefert wird, ein zweites Ausgangssignal, wobei das erste und das zweite Ausgangssignal einem bekannten Differenzverstärker 59 bzw. Instrumenten-Verstärker-OP zugeführt werden. Der Differenzverstärker 59 weist einen Differenzverstärker- Operationsverstärker 59a und einen Differenzverstärker- Widerstand 59b auf, die wie in Fig. 9 dargestellt miteinan- der verschaltet sind.An output signal of the first charge amplifier 55a and the second charge amplifier 55b are respectively supplied to a known demodulator circuit 57. The demodulator has a first demodulator diode 57al, a first demodulator resistor 57a2, a first demodulator capacitor 57a3, a second demodulator diode 57bl, a second demodulator resistor 57b2, and a second demodulator capacitor 57b3. The elements of the demodulator 57 are interconnected as shown in FIG. The demodulator 57 generates in dependence on the signal supplied by the first charge amplifier 55a has a first output signal and a second output signal in response to a signal supplied by the second charge amplifier 55b, the first and second output signals being fed to a known differential amplifier 59 or instrumentation amplifier OP become. The differential amplifier 59 has a differential amplifier operational amplifier 59a and a differential amplifier resistor 59b, which are interconnected as shown in FIG.
Ein Anschluss des Signalgenerators 53, ein Anschluss des ersten Operationsverstärkers 55al und des zweiten Operationsverstärkers 55bl sowie ein Anschluss des Demodulators 57 sind mit einem Masseanschluss verbunden.A terminal of the signal generator 53, a terminal of the first operational amplifier 55al and the second operational amplifier 55bl, and a terminal of the demodulator 57 are connected to a ground terminal.
Der Differenzverstärker 59 erzeugt ein Sensorausgangssignal, das an einem Ausgangsanschluss 61 anliegt. Die Höhe des an dem Ausgangsanschluss 61 anliegenden Messsignals bzw. Sensorausgangssignals und dessen Vorzeichen sind von einer Differenz der Kapazität des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b abhängig.The differential amplifier 59 generates a sensor output signal applied to an output terminal 61. The magnitude of the measurement signal or sensor output signal present at the output terminal 61 and its sign are dependent on a difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b.
Ein Nachteil des in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazi- tätssensors 10, der mit der in Fig. 9 gezeigten herkömmlichen Auswerteschaltung 51 ausgelesen wird, ist, dass sich bei einer sehr großen Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators 27a und der Kapazität des zweiten Kondensators 27b, eingekoppelte Störungen sehr leicht auf das Messsignal der Auswerteschaltung, das an dem Ausgangsanschluss 61 anliegt, überlagern. Diese sehr große Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b tritt beispielsweise bei einer sehr großen Bedeckung der ersten Kondensatorelektrode 17a mit der dielektrischen Flüssigkeit 21 und einer sehr geringen Bedeckung der zweiten Kondensatorelektrode 17b auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei dem herkömmlichen Kapazitätssensor 10 sich ein nicht optimales Füllvolumen der Flüssigkeit 21 sehr stark auf die Sensorkennlinie auswirkt. Hierbei wird besonders in den Randbereichen der Kennlinie des Sensors, in denen die erste Kondensatorelektrode 17a oder die zweite Kondensatorelektrode 17b häufig zu einem hohen Prozentsatz von der Flüssigkeit 21 überdeckt wird, die Änderung der Kapazitäten der ersten Kondensatorelektrode 17a zu der Kapazität der zweiten Kondensator- elektrode 17b sehr gering, weshalb auch die Empfindlichkeit des Sensors in diesen Bereichen stark reduziert ist.A disadvantage of the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7, which is read out with the conventional evaluation circuit 51 shown in FIG. 9, is that with a very large difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the capacitance of the second capacitor 27b, coupled interference easily superimposed on the measurement signal of the evaluation circuit, which is applied to the output terminal 61. This very large difference between the capacitance of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b occurs, for example, with a very large coverage of the first capacitor electrode 17a with the dielectric liquid 21 and a very low coverage of the second capacitor electrode 17b. Another disadvantage is that in the conventional capacitance sensor 10, a non-optimal filling volume of the liquid 21 has a very strong effect on the sensor characteristic. In this case, the change of the capacitances of the first capacitor electrode 17a to the capacitance of the second capacitor electrode is particularly in the edge regions of the characteristic of the sensor in which the first capacitor electrode 17a or the second capacitor electrode 17b is often covered to a high percentage by the liquid 21 17b is very low, which is why the sensitivity of the sensor is greatly reduced in these areas.
Ein weiterer Nachteil des in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensors 10 ist, dass aufgrund der Anordnung der Kondensatorelektroden 17a, 17b, 19 nur Winkel in einem Bereich von -90° bis 90° eindeutig detektiert werden können. Wenn in obigem Ausführungsbeispiel der Drehwinkel z. B. einen Wert von -90° oder 90° aufweist, so wird die Differenz der Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b maximal.A further disadvantage of the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7 is that due to the arrangement of the capacitor electrodes 17a, 17b, 19, only angles in a range of -90 ° to 90 ° can be clearly detected. If, in the above embodiment, the angle of rotation z. B. has a value of -90 ° or 90 °, the difference of the capacitances of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b is maximum.
Wenn z. B. der Drehwinkel, um den der in Fig. 7 dargestellte herkömmliche Sensor 10 geneigt wird, einen Wert von 90° überschreitet bzw. einen Wert von -90° unterschreitet, so ist eine Änderung der Differenz der Kapazität zwischen dem ersten Kondensator 27a und dem zweiten Kondensator 27b von der Drehrichtung des herkömmlichen Kapazitätssensors 10 unabhängig. Anders ausgedrückt ist z. B. der Wert der Differenz der Kapazität zwischen dem ersten Kondensator 27a und dem zweiten Kondensator 27b bei einem Neigungswinkel von 80° (80°=90°-10° ) genau so hoch wie bei einem Neigungswinkel von 100° (100°=90°+10°) .If z. For example, if the rotation angle by which the conventional sensor 10 shown in FIG. 7 is inclined exceeds 90 ° and falls below -90 °, a change in the difference in capacitance between the first capacitor 27a and the first capacitor 27a is second capacitor 27b independent of the direction of rotation of the conventional capacitance sensor 10. In other words, z. For example, the value of the difference in capacitance between the first capacitor 27a and the second capacitor 27b at an inclination angle of 80 ° (80 ° = 90 ° -10 °) is exactly as high as an inclination angle of 100 ° (100 ° = 90 ° + 10 °).
Somit ist mit dem in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazi- tätssensor eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels nur in einem Bereich von -90° bis 90° möglich. Fig. 10 erläutert einen Aufbau eines weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80. In der nachfolgenden Beschreibung des in Fig. 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80 werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere werden Elemente, die zu denjenigen aus Fig. 7 gleich oder gleichwirkend sind, mit dem jeweils gleichen Bezugszeichen versehen, und die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf die Darstellung der Unterschiede zu dem Aufbau nach Fig. 7.Thus, with the conventional capacitance sensor shown in FIG. 7, an unambiguous determination of the angle of rotation is possible only in a range of -90 ° to 90 °. Fig. 10 explains a structure of another conventional capacitance sensor 80. In the following description of the other conventional capacitance sensor 80 shown in Fig. 10, the same or the same elements are given the same reference numerals. In particular, elements that are the same or equivalent to those of FIG. 7 are given the same reference numerals, and the following description is limited to the illustration of the differences from the structure of FIG. 7.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 weist der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 eine dritte Kondensatorelektrode 81a, eine vierte Kondensatorelektrode 81b und eine weitere gemeinsame Kondensatorelektrode 83 auf. Die dritte Kondensatorelektrode 81a und die vierte Kondensatorelektrode 81b bilden sin kreisringförmiges Elektrodenpaar und umgeben die erste Kondensatorelektrode 17a und die zweite Kondensatorelektrode 17b. Die dritte Kondensatorelektrode 81a und die vierte Kondensatorelektrode 81b sind dabei um einen Winkel von 90° verdreht zu der ersten Kondensatorelektrode 17a und der zweiten Kondensatorelektrode 17b angeordnet. Jedoch könnten die dritte 81a und die vierte 81b Elektrode um einen beliebigen Winkel in einem Bereich von 0 bis 180° gegenüber der ersten Kondensatorelektrode 27a und der zweiten Kondensatorelektrode 27b verdreht angeordnet werden.In contrast to the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7, the other conventional capacitance sensor 80 includes a third capacitor electrode 81 a, a fourth capacitor electrode 81 b, and another common capacitor electrode 83. The third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b form a pair of annular electrodes and surround the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b. The third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b are arranged at an angle of 90 ° to the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b. However, the third 81a and the fourth 81b electrodes could be arranged rotated by any angle in a range of 0 to 180 ° with respect to the first capacitor electrode 27a and the second capacitor electrode 27b.
Zusätzlich zu dem in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Kapazitätssensor 10 bilden die dritte Kondensatorelektrode 81a und die weitere gemeinsame Elektrode 83 einen dritten Kondensator und die vierte Kondensatorelektrode 81b und die weitere gemeinsame Elektrode 83 einen vierten Kondensator. Somit weist der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 vier Kondensatoren auf, deren Kapazität von einer Neigung des weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80 abhängt.In addition to the conventional capacitance sensor 10 shown in FIG. 7, the third capacitor electrode 81a and the other common electrode 83 constitute a third capacitor, and the fourth capacitor electrode 81b and the other common electrode 83 form a fourth capacitor. Thus, the other conventional capacitance sensor 80 has four capacitors whose capacitance depends on a slope of the other conventional capacitance sensor 80.
Fig. 11 erläutert ein Ersatzschaltbild des in Fig. 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors 80. Eine erste Differenzkapazität 87 resultiert aus den unterschiedlichen Kapazitäten des ersten Kondensators 27a und des zweiten Kondensators 27b. Zugleich resultiert eine zweite Differenzkapazität 89 aus einem Unterschied der Kapazitäten des dritten Kondensators und des vierten Kondensators.FIG. 11 explains an equivalent circuit diagram of the other conventional capacitance sensor 80 shown in FIG The first differential capacitance 87 results from the different capacitances of the first capacitor 27a and the second capacitor 27b. At the same time, a second differential capacity 89 results from a difference in the capacitances of the third capacitor and the fourth capacitor.
Der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 ermöglicht, Drehwinkel in einem Bereich von -180° bis 180° zu messen.The other conventional capacitance sensor 80 makes it possible to measure rotation angles in a range of -180 ° to 180 °.
Nachteilig ist an dem in Fig. 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80, dass sich durch die Anordnung der dritten Kondensatorelektrode 81a und der vierten Kondensatorelektrode 81b auf einem Kreisring um die erste Kondensatorelektrode 17a und die zweite Kondensatorelektro- de 17b ein erhöhter Platzbedarf für den weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 ergibt.A disadvantage of the further conventional capacitance sensor 80 shown in FIG. 10 is that the arrangement of the third capacitor electrode 81a and the fourth capacitor electrode 81b on a circular ring around the first capacitor electrode 17a and the second capacitor electrode 17b increases the space required for the further conventional one Capacitance sensor 80 results.
Dieser erhöhte Platzbedarf führt dazu, dass der weitere herkömmliche Kapazitätssensor 80 schwieriger in technischen Geräten integrierbar ist. Außerdem ist ein größeres Gehäuse erforderlich, um den weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 unterzubringen, so dass der Materialverbrauch steigt. Dies erhöht die Fertigungskosten des weiteren herkömmlichen Kapazitätssensors.This increased space requirement makes the further conventional capacitance sensor 80 more difficult to integrate in technical devices. In addition, a larger housing is required to accommodate the other conventional capacitance sensor 80, so that the material consumption increases. This increases the manufacturing cost of the other conventional capacitance sensor.
Nachteilig an dem in Fig. 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor ist außerdem die unterschiedliche Form der Kondensatorelektroden 17a, 17b, der Kondensatorelektroden 81a, 81b, der gemeinsamen Kondensatorelektrode 19 und der weiteren gemeinsamen Kondensatorelektrode 83. Somit müssen für den in Fig. 10 gezeigten weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor 80 eine Reihe unterschiedlich geformter Kondensatorelektroden für dessen Fertigung bereitgestellt werden. Dies erschwert die Bevorratung der Komponenten und führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Fertigungskosten. Die De 3711062 C2 zeigt ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung mit einem kapazitiven Messaufnehmer. Eine Referenzspannungsquelle, die zwei Referenzspannungspotentiale zur Verfügung stellt, wird unter Verwendung eines Referenz- potentialschalters so mit Referenzpotentialelektrodenpaaren auf Statorplatten verbunden, dass abwechselnd zwei horizontal nebeneinander liegende oder zwei vertikal nebeneinander liegende Sektoren als miteinander verbunden erscheinen und einen 180°-Sektor bilden. Eine Stellung von Sensorelektro- den gegenüber den Referenzpotentialelektroden bzw. eine Überlappung der Sensorelektroden mit den Referenzpotentialelektroden ist von einer Stellung bzw. einem Drehwinkel α eines Rotors an dem der Sensor mit den Sensorelektroden angebracht ist, abhängig.A disadvantage of the further conventional capacitance sensor shown in FIG. 10 is also the different shape of the capacitor electrodes 17a, 17b, the capacitor electrodes 81a, 81b, the common capacitor electrode 19 and the further common capacitor electrode 83. Thus, for the further conventional capacitor shown in FIG Capacitance sensor 80 a number of different shaped capacitor electrodes are provided for its production. This makes it difficult to store the components and at the same time leads to an increase in production costs. The De 3711062 C2 shows a block diagram of a measuring device with a capacitive sensor. A reference voltage source, which provides two reference voltage potentials, is connected to reference plate pairs on stator plates using a reference potential switch such that two horizontally adjacent or two vertically adjacent sectors alternately appear to be connected together and form a 180 ° sector. A position of sensor electrodes relative to the reference potential electrodes or an overlap of the sensor electrodes with the reference potential electrodes is dependent on a position or a rotational angle α of a rotor on which the sensor is mounted with the sensor electrodes.
Zwischen den beiden Statorplatten mit den Referenzpotentialelektroden ist der kreisförmige Sensor angeordnet, auf dem zwei Sensorelektroden jeweils auf einer der ersten Statorplatte und einer der zweiten Statorplatte zugewandten Oberfläche angeordnet sind. Über einen Koppelelektrodenbereich der Sensorelektroden wird die Sensorspannung von den Sensorelektroden an die auf den Statorplatten angeordneten Koppelelektrodenflächen ausgekoppelt. Die auf den Koppelelektroden erzeugte hochohmige Spannung wird anschließend über einen schnellen Ladungsverstärker in einer Auswerteschaltung entkoppelt.Between the two stator plates with the reference potential electrodes, the circular sensor is arranged, on which two sensor electrodes are respectively arranged on one of the first stator plate and one of the second stator plate facing surface. Via a coupling electrode region of the sensor electrodes, the sensor voltage is coupled out from the sensor electrodes to the coupling electrode surfaces arranged on the stator plates. The high-impedance voltage generated on the coupling electrodes is then decoupled via a fast charge amplifier in an evaluation circuit.
Die DE 1996089 Al zeigt einen kapazitiven Neigungssensor, der einen Hohlkörper mit an Außenflächen angeordneten Flächenelektroden aufweist. Das Innere des Hohlkörpers ist teilweise mit einer elektrisch ' leitfähigen Flüssigkeit befüllt. Die Flächenelektroden bilden mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit im Innern des Hohlkörpers Plattenkondensatoren, die in einer kapazitiven Sternschaltung ver- schaltet sind, wobei die Kapazitäten der Plattenkondensato¬ ren sich entsprechend dem Flüssigkeitsstand an der jeweiligen Flächenelektrode des Hohlkörpers einstellen. Eine Auswerteschaltung, erfasst die Kapazitäten der Plattenkon- densatoren. In der Auswerteschaltung wird eine Rechteckwechselspannung über die Schalter wahlweise an eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensatoren oderDE 1996089 A1 shows a capacitive tilt sensor which has a hollow body with surface electrodes arranged on outer surfaces. The interior of the hollow body is partly filled with an electrically 'conductive liquid. The surface electrodes form with the electrically conductive liquid in the interior of the hollow body plate capacitors, which are connected in a capacitive star connection, wherein the capacitances of Plattenkondensato ¬ ren adjusted according to the liquid level at the respective surface electrode of the hollow body. An evaluation circuit that records the capacities of the plate capacitors. In the evaluation circuit, a square-wave AC voltage is applied via the switches optionally to a series connection of the first and the second capacitors or
eine Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem dritten Kondensator angelegt.a series connection of the first capacitor and the third capacitor is applied.
Zugleich wird über die verbleibende Kapazität, die Kapazität also, die jeweils nicht in der Reihenschaltung aus den Kondensatoren verschaltet ist, die Spannung an dem Knotenpunkt ausgekoppelt und einem nachfolgenden Vorverstärker zugeführt. Somit wird eine Differenz der Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators und eine Differenz der Kapazitäten des ersten und des dritten Kondensators ermit- telt.At the same time, the voltage at the node is coupled out via the remaining capacitance, that is to say the capacitance which is not connected in each case in the series connection of the capacitors, and fed to a subsequent preamplifier. Thus, a difference in the capacitances of the first and second capacitors and a difference in the capacitances of the first and third capacitors is determined.
Die EP 1396703 A2 lehrt einen kapazitiven Winkel- Positionssensor. Der Kapazitätssensor weist einen Rotor auf, der zwischen Elektroden auf Platten angeordnet ist, wobei sich die Kapazität zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von einer Stellung des Rotors verändert. Auf einer Übertragerplatte sind dabei zwei Übertragerelektroden angeordnet, während auf einer Empfängerplatte vier Empfängerelektroden angeordnet sind. Zwei Empfängerelektroden sind über einen Leiter elektrisch leitend verbunden, während zwei weitere Empfängerelektroden über einen weiteren Leiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein Mikrokontroller steuert einen analogen Schalter so an, dass abwechselnd ein von dem Empfängerelektrodenpaar, das zwei zusammengeschaltete Empfängerelektroden aufweist, und ein von dem weiteren Empfängerelektrodenpaar, das zwei weitere Empfängerelektroden aufweist, geliefertes Signal ausgewertet wird, und ein Absolutwert der Winkelposition mittels einer Nachschlagtabelle in dem Mikrokontroller ermittelt wird.EP 1396703 A2 teaches a capacitive angular position sensor. The capacitance sensor has a rotor disposed between electrodes on plates, wherein the capacitance between the electrodes varies depending on a position of the rotor. In this case, two transmitter electrodes are arranged on a transmitter plate, while four receiver electrodes are arranged on a receiver plate. Two receiver electrodes are electrically conductively connected via a conductor, while two further receiver electrodes are electrically conductively connected to one another via a further conductor. A microcontroller drives an analog switch to alternately evaluate a signal supplied from the receiver electrode pair having two interconnected receiver electrodes and a signal supplied from the further receiver electrode pair having two further receiver electrodes, and an absolute value of the angular position by means of a look-up table in FIG Microcontroller is determined.
Das US-Patent 5,172,481 zeigt einen Sensor zum Bestimmen einer Neigung, der ein Gehäuse aufweist. An dem Gehäuse sind auf eine Oberfläche Elektroden A, B und auf einer den Elektroden A, B gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuses, Elektroden C, D angeordnet, so dass sich die Elektroden A, B jeweils mit den beiden Elektroden C, D überlappen und die Elektroden C, D sich jeweils mit den Elektroden A, B, überlappen. Die Elektroden A, B und C, D sind jeweils durch eine Ausnehmung 8 voneinander getrennt, so dass sie nicht in direktem elektrischem Kontakt zueinander stehen. In dem Gehäuse ist eine leitende Flüssigkeit angeordnet, welche einen in dem Gehäuse angeordneten Hohlraum teilweise ausfüllt. In Abhängigkeit von einer Neigung des Sensors werden entweder die Elektroden A, B zusammengeschaltet, so dass sie eine gemeinsame Elektrode bilden, während die Elektroden C, D als Sensorelektroden fungieren, oder die Elektro- den C, D werden zusammengeschaltet, so dass sie eine gemeinsame Elektrode bilden, während die Elektroden A, B als Sensorelektroden fungieren. Wenn die Elektroden C, D zusammengeschaltet sind, wird ein Widerstand zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode A und ein Widerstand zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode B bestimmt, wobei der Widerstand von einem Maß, in dem die Elektroden A oder B in die Flüssigkeit eingetaucht werden, abhängig ist. Somit wird ein Widerstand Zl eines Pfads zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode A und einem Widerstand Z2 eines Pfads zwischen den Elektroden C, D und der Elektrode B ermittelt. Aus einem Verhältnis R der Widerstände Zl, Z2 zueinander wird ein Neigungswinkel ermittelt.U.S. Patent 5,172,481 shows a sensor for determining a slope having a housing. On the case are disposed on a surface of electrodes A, B, and on a surface of the housing opposite to the electrodes A, B, electrodes C, D, so that the electrodes A, B overlap with the two electrodes C, D, respectively, and the electrodes C, D overlap with the electrodes A, B, respectively. The electrodes A, B and C, D are each separated by a recess 8, so that they are not in direct electrical contact with each other. In the housing, a conductive liquid is arranged, which partially fills a cavity arranged in the housing. Depending on an inclination of the sensor, either the electrodes A, B are connected together so that they form a common electrode, while the electrodes C, D act as sensor electrodes, or the electrodes C, D are connected together, so that they have a common Form electrode, while the electrodes A, B act as sensor electrodes. When the electrodes C, D are connected together, a resistance between the electrodes C, D and the electrode A and a resistance between the electrodes C, D and the electrode B are determined, the resistance being of a degree in which the electrodes A or B are immersed in the liquid depends. Thus, a resistance Zl of a path between the electrodes C, D and the electrode A and a resistance Z2 of a path between the electrodes C, D and the electrode B is detected. From a ratio R of the resistors Zl, Z2 to each other, an inclination angle is determined.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor zum Messen einer Messgröße zu schaffen, der in seinem Platzbedarf verbessert ist und kostengünstiger herzustellen ist. Diese Aufgabe wird durch den neu überreichten Anspruch 1 gelöst.The object of the present invention is to provide a sensor for measuring a measured variable, which is improved in its space requirement and is cheaper to manufacture. This problem is solved by the newly presented claim 1.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Sensor zum Messen einer Messgröße mit einem ersten Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einem zweiten Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer vierten Elektrode, wobei zwischen dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar ein Zwischenraum gebildet ist, und wobei die Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodenpaars so angeordnet sind, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars mit den beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappt, einem beweglichen Element, dessen Position bezüglich des ersten und des zweiten Elekt- rodenpaars von der Messgröße abhängt, und das zwischen dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist, einer Kapazitätsmesseinrichtung zum Messen einer ersten Differenzkapazität zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar, bei dem die erste und die zweite Elektrode leitend miteinander verbunden sind, und die dritte Elektrode gebildet ist, und einem zweiten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar und die vierte Elektrode gebildet ist, und zum Messen einer zweiten Differenzkapazität zwischen einem dritten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar, bei dem die dritte und die vierte Elektrode leitend miteinander verbunden sind, und die erste Elektrode gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar und die zweite Elektrode gebildet ist, und einer Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen eines Messwerts für die Messgröße unter Verwendung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität.The present invention provides a sensor for measuring a measured variable with a first electrode pair having a first electrode and a second electrode, a second electrode pair having a third electrode and a fourth electrode, wherein between the first electrode pair and the second electrode pair, a gap is formed, and wherein the electrodes of the first and the second pair of electrodes are arranged such that one electrode of an electrode pair overlaps with the two electrodes of the other pair of electrodes, a movable element whose position relative to the first and the second pair of electrodes depends on the measured variable, and between the first electrode pair and the second electrode pair is arranged, a capacitance measuring device for measuring a first differential capacitance between a first sub-capacitor, which by the first electrode pair, in which the first and the second electrode are conductively connected to each other u and the third electrode is formed, and a second sub-capacitor formed by the first electrode pair and the fourth electrode, and for measuring a second differential capacitance between a third sub-capacitor passing through the second electrode pair, wherein the third and fourth electrodes are conductive and a first sub-capacitor formed by the second electrode pair and the second electrode and processing means for generating a measured value for the measured quantity using the first differential capacitance and the second differential capacitance.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Sensor zum Messen einer Messgröße, der zwei Elektrodenpaare aufweist, abwechselnd die erste und die zweite Elektrode des ersten Elektrodenpaars leitend miteinander verbunden werden können, und die dritte und die vierte Elektrode des zweiten Elektrodenpaars leitend miteinander verbunden werden können. Dabei wird zwischen den beiden Elektrodenpaaren ein bewegliches Element angeordnet, dessen Position sich in Abhängigkeit von einer Messgröße ändert, so dass sich jeweils die Kapazität zwischen den Elektroden und dem gegenüberliegenden Elektrodenpaar in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Elements ändert .The present invention is based on the finding that, in the case of a sensor for measuring a measured variable which has two electrode pairs, the first and the second electrode of the first electrode pair can alternately be conductively connected to one another, and the third and Fourth electrode of the second pair of electrodes can be conductively connected together. In this case, a movable element is arranged between the two electrode pairs whose position changes in dependence on a measured variable, so that in each case the capacitance between the electrodes and the opposite electrode pair changes depending on the position of the movable element.
Eine Kapazitätsmesseinrichtung kann dann eine erste Differenzkapazität zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar, bei dem die erste und die zweite Elektrode leitend miteinander verbunden sind und die dritte Elektrode gebildet ist, und einem zweiten Teilkon- densator, der durch das erste Elektrodenpaar und die vierte Elektrode gebildet ist, bestimmen, und eine zweite Differenzkapazität zwischen einem dritten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar, bei dem die dritte und die vierte Elektrode leitend miteinander verbunden sind und die erste Elektrode gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar und die zweite Elektrode gebildet ist, bestimmen. In einer nachgelagerten Verarbeitungseinrichtung lässt sich anschließend ein Mess- wert unter Verwendung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität bestimmen.A capacitance measuring device can then have a first differential capacitance between a first partial capacitor, which is formed by the first electrode pair, in which the first and the second electrode are conductively connected to each other and the third electrode, and a second Teilkon- capacitor, by the first pair of electrodes and the fourth electrode is formed, and a second differential capacitance between a third sub-capacitor formed by the second electrode pair, in which the third and fourth electrodes are conductively connected to each other and the first electrode is formed, and a fourth sub-capacitor formed by the second electrode pair and the second electrode is formed determine. In a downstream processing device, a measured value can then be determined using the first differential capacitance and the second differential capacitance.
Somit sind in einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Messgröße nur zwei Elektrodenpaare gegenüberliegend anzuordnen. Dabei lässt sich durch die jeweilige kombinierte Nutzung zweier Elektroden bzw. Teilelektroden eines Elektrodenpaars als gemeinsame Elektrode die Fläche eines zusätzlichen Elektrodenpaars einsparen, so dass damit die Baugröße des Sensors reduziert wird. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Platz- bedarf als bei dem weiteren herkömmlichen Kapazitätssensor. Somit ist der Sensor zum Messen einer Messgröße einfacher und flexibler auf engem Raum in einem elektrischen Gerät integrierbar. Darüber hinaus führt der reduzierte Platzbedarf zu einem geringeren Materialverbrauch für die Komponenten des Sensors, wie z. B. das Gehäuse. Somit lässt sich der Sensor kostengünstiger fertigen.Thus, in a sensor according to an embodiment of the present invention for measuring a measured quantity, only two pairs of electrodes are to be arranged opposite one another. In this case, the area of an additional pair of electrodes can be saved as a common electrode by the respective combined use of two electrodes or partial electrodes of a pair of electrodes, so that the size of the sensor is thereby reduced. This results in a smaller space requirement than in the other conventional capacitance sensor. Thus, the sensor for measuring a variable is easier and more flexible integrated in a small space in an electrical device. In addition, the reduced space requirement leads to a lower material consumption for the components of the sensor, such. B. the housing. Thus, the sensor can be manufactured more cheaply.
Außerdem können bei dem Sensor zum Messen einer Messgröße alle Elektroden in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dieselbe Form aufweisen, so dass sich eine Reduktion der Komponentenvielfalt ergibt. Diese Reduktion der Komponentenvielfalt führt zu einer einfacheren Bevorratung der Komponenten und damit zu geringeren Fertigungskosten.In addition, in the sensor for measuring a measured quantity, all the electrodes in one embodiment of the present invention may have the same shape, resulting in a reduction in component variety. This reduction in the variety of components leads to a simpler storage of the components and thus to lower manufacturing costs.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darin, dass Abweichungen von einem optimalen Füllstand bei einem Sensor, bei dem das bewegliche Element eine Flüssigkeit ist, einen geringeren Einfluss auf das Messsignal haben, da jeweils bei einer der beiden Differential-Kapazitäts-Anordnungen nicht eine Elektrode vollständig bedeckt ist, und somit der Einfluss der Füllstandshöhe geringer wird.A further advantage results in one embodiment of the present invention in that deviations from an optimum fill level in a sensor in which the movable element is a liquid have a smaller influence on the measurement signal, since in each case one of the two differential capacitance Arrangements not an electrode is completely covered, and thus the influence of the level height is lower.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kapazitätssensors zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 is a schematic view of a capacitance sensor for measuring a measured variable according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine Elektrodenanordnung in einem Sensor zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 2 shows an electrode arrangement in a sensor for measuring a measured variable according to an exemplary embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 3a ein Ersatzschaltbild für die Elektrodenzsammen- schaltung in dem in Fig. 1 gezeigten Sensor beim Messen einer ersten Differenzkapazität; Fig. 3b ein Ersatzschaltbild für die Elektrodenzusammen- schaltung in dem in Fig. 1 gezeigten Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng beim Messen einer zweiten Differenzkapazität;3a shows an equivalent circuit diagram for the electrode group circuit in the sensor shown in FIG. 1 when measuring a first differential capacitance; FIG. 3b shows an equivalent circuit diagram for the electrode interconnection in the sensor shown in FIG. 1 according to an exemplary embodiment of the present invention when measuring a second differential capacitance;
Fig. 4 eine Schaltung, mit der die Elektrodenpaare angesteuert werden können, um die erste und die zweite Differenzkapazität zu ermitteln;4 shows a circuit with which the electrode pairs can be controlled in order to determine the first and the second differential capacitance;
Fig. 5 Kurvenverläufe für die Abhängigkeit der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität von einem Drehwinkel des Sensors;FIG. 5 shows curves for the dependence of the first differential capacitance and the second differential capacitance on a rotational angle of the sensor; FIG.
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für eine Verarbeitungseinrichtung in einem Sensor zum Messen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;6 shows an exemplary embodiment of a processing device in a sensor for measuring a measured variable according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 7 ein herkömmlicher Kapazitätssensor zum Bestimmen einer Neigung;Fig. 7 is a conventional capacitance sensor for determining an inclination;
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild für sich ausbildende Konden- satoren in dem in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen8 shows an equivalent circuit diagram for self-forming capacitors in the conventional one shown in FIG
Sensor;Sensor;
Fig. 9 eine elektronische Auswerteschaltung, um an dem in Fig. 8 gezeigten herkömmlichen Sensor ein Aus- gangssignal zu erzeugen;9 shows an electronic evaluation circuit in order to generate an output signal on the conventional sensor shown in FIG. 8;
Fig. 10 eine Elektrodenanordnung in einem weiteren herkömmlichen Sensor; und10 shows an electrode arrangement in a further conventional sensor; and
Fig. 11 ein Ersatzschaltbild, das erläutert, wie sich in dem in Fig. 10 gezeigten Sensor zwei Differenzkapazitäten ausbilden. Fig. 1 zeigt einen Kapazitätssensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kapazitätssensor 100 weist ein erstes Elektrodenpaar 103, ein zweites Elektrodenpaar 105 und eine Flüssigkeit 106 auf, die zwi- sehen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 angeordnet ist.11 is an equivalent circuit diagram explaining how two differential capacitances are formed in the sensor shown in FIG. FIG. 1 shows a capacitance sensor 100 according to an embodiment of the present invention. The capacitance sensor 100 has a first electrode pair 103, a second electrode pair 105 and a liquid 106, which is arranged between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105.
Über einen ersten Schalter 107 können eine erste Elektrode 103a und eine zweite Elektrode 103b des ersten Elektroden- paars 103 leitend miteinander verbunden werden. Über einen zweiten Schalter 109 können eine dritte Elektrode 105a und eine vierte Elektrode 105b des zweiten Elektrodenpaars 105 leitend miteinander verbunden werden.Via a first switch 107, a first electrode 103a and a second electrode 103b of the first electrode pair 103 can be conductively connected to one another. Via a second switch 109, a third electrode 105a and a fourth electrode 105b of the second electrode pair 105 can be conductively connected to one another.
Ein erster Differenzkapazitätsmesser 111 ist an die erste Elektrode 103a, an die dritte Elektrode 105a und an die vierte Elektrode 105b angeschlossen. Ein zweiter Differenzkapazitätsmesser 113 ist an die erste Elektrode 103a, an die zweite Elektrode 103b und an die vierte Elektrode 105b angeschlossen.A first differential capacitance meter 111 is connected to the first electrode 103a, the third electrode 105a, and the fourth electrode 105b. A second differential capacitance meter 113 is connected to the first electrode 103a, the second electrode 103b, and the fourth electrode 105b.
Eine Ansteuerungseinrichtung 115 öffnet und schließt den ersten Schalter 107 und den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 und in dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 aus. Eine Verarbeitungseinrichtung 117 empfängt ein Ausgangssignal von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 und ein Ausgangssignal von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 und liefert ein Signal, das von den beiden empfangenen Ausgangssignalen abhängt.A driver 115 opens and closes the first switch 107 and the second switch 109 and triggers a measurement in the first differential capacitance meter 111 and in the second differential capacitance meter 113. A processor 117 receives an output signal from the first differential capacitance meter 111 and an output signal from the second differential capacitance meter 113, and provides a signal depending on the two received output signals.
A. Messen einer ersten DifferenzkapazitätA. Measuring a first differential capacity
Zu einem ersten Messzeitpunkt schließt die Ansteuerungseinrichtung 115 den ersten Schalter 107, öffnet den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 aus. Durch das Schließen des Schalters 107 sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b des ersten Elektrodenpaars 103 elektrisch leitend verbunden. Durch das Öffnen des Schalters 109 sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b elektrisch getrennt, so dass sich ein erster Teilkondensator zwischen der dritten Elektrode 105a und dem ersten Elektrodenpaar 103 und ein zweiter Teilkondensator zwischen der vierten Elektrode 105b und dem ersten Elektrodenpaar 103 ausbildet. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode wird noch in Fig. 3a erläutert.At a first measuring time, the driving device 115 closes the first switch 107, opens the second one Switch 109 and triggers a measurement in the first differential capacity meter 111. By closing the switch 107, the first electrode 103a and the second electrode 103b of the first pair of electrodes 103 are electrically connected. By opening the switch 109, the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are electrically disconnected, so that a first sub-capacitor is formed between the third electrode 105a and the first electrode pair 103 and a second sub-capacitor is formed between the fourth electrode 105b and the first electrode pair 103 , A corresponding equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes will be explained in Fig. 3a.
Die Kapazität des ersten Teilkondensators und des zweiten Teilkondensators hängen dabei von einer Ausrichtung bzw. einer Anordnung der dielektrischen Flüssigkeit 106 zwischen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 ab. Die Anordnung der Flüssigkeit 106 hängt wie- derum von einer Ausrichtung des Kapazitätssensors gegenüber einer Horizontalen bzw. einer horizontalen Fläche und damit gegenüber dem Gravitationsfeld ab. Wenn der Kapazitätssensor 100 um eine Rotationsachse 119 nach rechts gedreht wird, so nimmt der Anteil der Fläche der dritten Elektrode 105a, der von der Flüssigkeit 106 bedeckt wird, zu. Eine Rechtsdrehung des Sensors 100 ist durch einen Pfeil 121 in Fig. 1 dargestellt. Zugleich nimmt die Fläche der vierten Elektrode 105b, die von der Flüssigkeit 106 bedeckt wird, bei einer Rechtsdrehung des Sensors 100 ab.The capacitance of the first sub-capacitor and of the second sub-capacitor depend on an alignment or arrangement of the dielectric liquid 106 between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105. The arrangement of the liquid 106 in turn depends on an orientation of the capacitance sensor with respect to a horizontal or a horizontal surface and thus with respect to the gravitational field. When the capacitance sensor 100 is rotated right about a rotation axis 119, the proportion of the area of the third electrode 105a covered by the liquid 106 increases. A clockwise rotation of the sensor 100 is represented by an arrow 121 in FIG. At the same time, the area of the fourth electrode 105b covered by the liquid 106 decreases in a right turn of the sensor 100.
Da die Flüssigkeit eine andere bzw. hier höhere Dielektrizitätskonstante als Luft aufweist, ist die Kapazität des ersten Teilkondensators und des zweiten Teilkondensators von einer Anordnung der dielektrischen Flüssigkeit 106 gegenüber der dritten Elektrode 105a und gegenüber der vierten Elektrode 105b abhängig. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 bestimmt die Kapazität des ersten Teilkondensators und die Kapazität des zweiten Teilkondensators. Anschließend subtrahiert der erste Differenzkapazitätsmesser 111 die Kapazität des zweiten Teilkondensators von der Kapazität des ersten Teilkondensators und ermittelt daraus eine erste Differenzkapazität. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 erzeugt anschließend ein Ausgangssignal an seinem Ausgang, das von der ersten Differenzkapazität abhängig ist und von der Verarbeitungseinrichtung 117 empfangen wird.Since the liquid has a different or higher dielectric constant than air, the capacitance of the first partial capacitor and the second partial capacitor depends on an arrangement of the dielectric liquid 106 with respect to the third electrode 105a and with respect to the fourth electrode 105b. The first differential capacitance meter 111 determines the capacitance of the first sub-capacitor and the capacitance of the second sub-capacitor. Subsequently, the first differential capacitance meter 111 subtracts the capacitance of the second partial capacitor from the capacitance of the first partial capacitor and determines therefrom a first differential capacitance. The first differential capacitance meter 111 then generates an output signal at its output, which is dependent on the first differential capacitance and is received by the processing device 117.
Da in einer in Fig. 1 gezeigten Referenzstellung die Kapazität des ersten Teilkondensators minimal und des zweiten Teilkondensators maximal ist, ist der Wert der ersten Differenzkapazität in der Referenzstellung minimal.Since, in a reference position shown in FIG. 1, the capacitance of the first partial capacitor is minimal and the second partial capacitor is maximum, the value of the first differential capacitance in the reference position is minimal.
B. Bestimmen einer zweiten DifferenzkapazitätB. determining a second differential capacity
Die Ansteuerungseinrichtung 115 öffnet zu einem zweiten Messzeitpunkt hierzu den ersten Schalter 107, schließt den zweiten Schalter 109 und löst eine Messung in dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 aus. Durch das Öffnen des ersten Schalters 107 sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b des ersten Elektrodenpaars 103 elektrisch voneinander getrennt. Zugleich sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b des zweiten Elektrodenpaars 105 elektrisch miteinander verbunden. Somit bildet sich ein dritter Teilkondensator zwischen der ersten Elektrode 103a und dem zweiten Elektrodenpaar 105 und ein vierter Teilkondensator zwischen der zweiten Elektrode 103b und dem zweiten Elektrodenpaar 105 aus.For this purpose, the drive device 115 opens the first switch 107 at a second measurement time, closes the second switch 109, and triggers a measurement in the second differential capacitance meter 113. By opening the first switch 107, the first electrode 103a and the second electrode 103b of the first pair of electrodes 103 are electrically separated from each other. At the same time, the third electrode 105a and the fourth electrode 105b of the second electrode pair 105 are electrically connected to each other. Thus, a third partial capacitor forms between the first electrode 103a and the second electrode pair 105 and a fourth partial capacitor between the second electrode 103b and the second electrode pair 105.
Die Kapazität des dritten Teilkondensators und des vierten Teilkondensators hängen ebenfalls von der Position der dielektrischen Flüssigkeit 106 ab. Jedoch ist das zweite Elektrodenpaar 105 hier um 90° rotiert gegenüber dem ersten Elektrodenpaar 103 angeordnet, so dass der dritte Teilkon- densator und der vierte Teilkondensator dieselbe Kapazität aufweisen, in der in Fig. 1 gezeigten Referenzstellung.The capacitance of the third sub-capacitor and the fourth sub-capacitor also depend on the position of the dielectric liquid 106. However, the second electrode pair 105 is here rotated by 90 ° relative to the first electrode pair 103, so that the third subconcept capacitor and the fourth sub-capacitor have the same capacity, in the reference position shown in Fig. 1.
Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 subtrahiert einen Wert der Kapazität des vierten Teilkondensators von einem Wert der Kapazität des dritten Teilkondensators und ermittelt daraus eine zweite Differenzkapazität. Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 erzeugt anschließend ein Ausgangssignal an seinem Ausgang, das von der zweiten Differenzkapazität abhängig ist und von der Verarbeitungseinrichtung 117 empfangen wird.The second differential capacitance meter 113 subtracts a value of the capacitance of the fourth partial capacitor from a value of the capacitance of the third partial capacitor and determines therefrom a second differential capacitance. The second differential capacitance meter 113 then generates an output signal at its output, which is dependent on the second differential capacitance and is received by the processing device 117.
Die Verarbeitungseinrichtung 117 bestimmt anhand des von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111 empfangenen Sig- nals und des von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113 empfangenen Signals eine Rotation des Sensors 100 um die Rotationsachse 119 in einem Bereich von -180° bis +180° oder in einem Bereich von 0° bis 360° und damit eine Neigung des Sensors 100 gegenüber der Horizontalen. Die Ver- fahrensschritte, die hierzu in der Verarbeitungseinrichtung 117 ablaufen, werden im Folgenden noch näher erläutert.The processing device 117 uses the signal received from the first differential capacitance meter 111 and the signal received from the second differential capacitance meter 113 to determine a rotation of the sensor 100 about the rotation axis 119 in a range of -180 ° to + 180 ° or in a range of 0 ° to 360 ° and thus an inclination of the sensor 100 relative to the horizontal. The method steps which take place in the processing device 117 for this purpose are explained in more detail below.
Vorteilhaft ist an dem in Fig. 1 gezeigten Kapazitätssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass in platzsparender Weise zwei Elektrodenpaare 103, 105 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Anbringung weiterer Elektroden um die halbkreisförmigen Elektroden entfällt damit .It is advantageous on the capacitance sensor shown in Fig. 1 according to an embodiment of the present invention that in a space-saving manner, two pairs of electrodes 103, 105 are arranged opposite one another. The attachment of further electrodes around the semicircular electrodes is thus eliminated.
Fig. 2 erläutert in einer Explosionszeichnung einen Aufbau eines Sensors 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse. Das Gehäuse besteht aus einem ersten Gehäuseelement 123 mit einer Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 und einem zweiten Gehäuseelement 127 mit einer Oberfläche 129 des zweiten Gehäuseelements 127. Das erste Elektrodenpaar 103 ist dabei auf einer Oberfläche 125 einer Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 angeordnet, während das zweite Elektro- denpaar 105 auf der Oberfläche 129 des zweiten Gehäuseelements 127 angeordnet ist.FIG. 2 illustrates in an exploded view a structure of a sensor 122 according to an embodiment of the present invention in a housing. The housing consists of a first housing element 123 with a cavity in the first housing element 123 and a second housing element 127 with a surface 129 of the second housing element 127. The first electrode pair 103 is arranged on a surface 125 of a cavity in the first housing element 123, while the second electric The pair 105 is disposed on the surface 129 of the second housing member 127.
Die erste Elektrode 103a, die zweite Elektrode 103b, die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b sind hier z. B. kreissegmentförmig, während die Aushöhlung in dem ersten Gehäuseelement 123 beispielsweise zylinderförmig ist. Die Elektroden des zweiten Elektrodenpaars 105 sind hier z. B. kreissegmentförmig und um 90° rotiert zu den Elektroden 103a, 103b des ersten Elektrodenpaars 103 angeordnet .The first electrode 103 a, the second electrode 103 b, the third electrode 105 a and the fourth electrode 105 b are here z. B. circular segment-shaped, while the cavity in the first housing member 123, for example, is cylindrical. The electrodes of the second pair of electrodes 105 are here z. B. circular segment and rotated by 90 ° to the electrodes 103 a, 103 b of the first pair of electrodes 103.
Fig. 3a erläutert ein Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode 103a-b, 105a-b bei der Messung der ersten Differenzkapazität. Wie bereits oben erläutert, sind zur Messung der ersten Differenzkapazität die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b elektrisch leitend miteinander verbunden, während die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b vonein- ander getrennt sind. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 ist dabei an einen ersten Anschluss 131a mit der dritten Elektrode 105a verbunden, über einen zweiten Anschluss 131b mit der vierten Elektrode 105b und über einen dritten Anschluß 131c an das erste Elektrodenpaar 103 angeschlos- sen. Über die Anschlüsse 131a, 131c bestimmt der erste Differenzkapazitätsmesser die Kapazität des ersten Teilkondensators und über die Anschlüsse 131b, 131c die Kapazität des zweiten Teilkondensators. Anschließend bildet er, wie oben bereits erläutert, daraus die erste Differenzkapazi- tat.FIG. 3a illustrates an equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes 103a-b, 105a-b in the measurement of the first differential capacitance. As already explained above, in order to measure the first differential capacitance, the first electrode 103a and the second electrode 103b are electrically conductively connected to one another, while the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are separated from one another. The first differential capacitance meter 111 is connected to a first terminal 131a with the third electrode 105a, connected to the fourth electrode 105b via a second terminal 131b and to the first electrode pair 103 via a third terminal 131c. Via the connections 131a, 131c, the first differential capacitance meter determines the capacitance of the first partial capacitor and, via the connections 131b, 131c, the capacitance of the second partial capacitor. Subsequently, as already explained above, it forms the first differential capacitance.
Fig. 3b erläutert ein Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung der ersten bis vierten Elektrode bei der Messung der zweiten Differenzkapazität. Die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b sind dabei wie im vorhergehenden bereits erläutert elektrisch leitend verbunden, während die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b elektrisch voneinander getrennt sind. Der zweite Differenzkapazitätsmesser 113 ist dabei an einem vierten Anschluss 131d mit dem zweiten Elektrodenpaar 105 verbunden und über einen fünften Anschluss 131e mit der ersten Elektrode 103a und über einen sechsten Anschluss 131f mit der zweiten Elektrode 103b verbunden. Über den vierten Anschluss 131d und den fünften Anschluss 131e ermittelt der zweite Kapazitätsmesser 113 die Kapazität des dritten Teilkondensators und über den vierten Anschluss 131d und den sechsten Anschluss 131f die Kapazität des vierten Teilkondensators. Anschließend bildet er aus der Kapazität des dritten Teilkondensators und des vierten Teilkondensators die zweite Differenzkapazität.FIG. 3b illustrates an equivalent circuit diagram for the interconnection of the first to fourth electrodes in the measurement of the second differential capacitance. As already explained above, the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are electrically conductively connected while the first electrode 103a and the second electrode 103b are electrically separated from one another. The second Differential capacitance meter 113 is connected to the second electrode pair 105 at a fourth terminal 131d and connected to the first electrode 103a via a fifth terminal 131e and to the second electrode 103b via a sixth terminal 131f. Via the fourth connection 131d and the fifth connection 131e, the second capacitance meter 113 determines the capacitance of the third partial capacitor and via the fourth connection 131d and the sixth connection 131f the capacitance of the fourth partial capacitor. It then forms the second differential capacitance from the capacitance of the third partial capacitor and the fourth partial capacitor.
Fig. 4 erläutert eine modifizierte Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die in Fig. 4 dargestellte modifizierte Ausführungsform einen Mikrocont- roller 133 mit einem ersten Mikrocontroller-Anschluß bzw. ersten Anschluss des Mikrocontrollers 135a, einem zweiten Mikrocontroller-Anschluß bzw. zweiten Anschluss des MikroControllers 135b und einem dritten Mikrocontroller-Anschluß bzw. dritten Anschluss des Mikrocontrollers 135c sowie einen ersten bis vierten Umschalter 137a-d auf. Der Kapazi- tätssensor 100 mit der in Fig. 4 gezeigten modifizierten Ausführungsform wird zum Messen eines Neigungswinkels eingesetzt .Fig. 4 illustrates a modified embodiment of the embodiment of the present invention shown in Fig. 1. Compared with the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the modified embodiment shown in FIG. 4 has a microcontroller 133 with a first microcontroller connection or first connection of the microcontroller 135a, a second microcontroller connection or second connection of the microcontroller 135b and a third microcontroller terminal and third terminal of the microcontroller 135c and a first to fourth switch 137a-d on. The capacitance sensor 100 with the modified embodiment shown in FIG. 4 is used to measure a tilt angle.
Dabei erfolgt die Messung der aktuellen Position des Sen- sors bzw. Kapazitätssensors 100 derart, dass die Elektronik bzw. der MikroController 133 den Umschaltern 137a-d zur Realisierung der Elektroden-Zusammenschaltungen, die in Fig. 3a und Fig. 3b gezeigt sind, jeweils eine Schalterstellung der Umschalter zuweist.In this case, the measurement of the current position of the sensor or capacitance sensor 100 takes place such that the electronics or the microcontroller 133 are the switches 137a-d for the realization of the electrode interconnections shown in Fig. 3a and Fig. 3b, respectively assigns a switch position of the switch.
A. Messung der ersten Differenzkapazität Der erste bis vierte Umschalter 137a-d werden hierzu zu dem ersten Messzeitpunkt von dem Mikrocontroller 133 so angesteuert, dass sie jeweils die durch die durchgezogene Linie in Fig. 4 dargestellte Schalterstellung aufweisen. Somit sind die erste Elektrode 103a und die zweite Elektrode 103b über den ersten Umschalter 137a und den zweiten Umschalter 137b miteinander verbunden und an den zweiten Mikrocontrol- ler-Anschluss 135b angeschlossen. Die dritte Elektrode 105a ist über den dritten Umschalter 137c mit dem ersten Mikro- controller-Anschluss 135a verbunden. Die vierte Elektrode 105b ist über den vierten Umschalter 137d mit dem dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c elektrisch leitend verbunden.A. Measurement of the first differential capacity For this purpose, the first to fourth switches 137a-d are actuated by the microcontroller 133 at the first measuring time such that they each have the switch position represented by the solid line in FIG. Thus, the first electrode 103a and the second electrode 103b are connected to each other via the first changeover switch 137a and the second changeover switch 137b, and connected to the second microcontroller port 135b. The third electrode 105a is connected to the first microcontroller port 135a via the third switch 137c. The fourth electrode 105b is electrically conductively connected to the third microcontroller terminal 135c via the fourth switch 137d.
Über den ersten Mikrocontroller-Anschluß 135a und den zweiten Mikrocontroller-Anschluß 135b bestimmt der MikroController 133 die Kapazität des ersten Teilkondensators und über den dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c und den zweiten Mikrocontroller-Anschluss 135b die Kapazität des zweiten Teilkondensators. In dem Mikrocontroller 133 wird dann die erste Differenzkapazität beispielsweise mittels der in Fig. 9 gezeigten Auswerteschaltung 51 ermittelt.The microcontroller 133 determines the capacitance of the first partial capacitor via the first microcontroller connection 135a and the second microcontroller connection 135b, and the capacitance of the second partial capacitor via the third microcontroller connection 135c and the second microcontroller connection 135b. In the microcontroller 133, the first differential capacitance is then determined, for example, by means of the evaluation circuit 51 shown in FIG.
B. Messung der zweiten Differenzkapazität:B. Measurement of the second difference capacity:
Nach dem Bestimmen der ersten Differenzkapazität werden zu dem zweiten Messzeitpunkt die Umschalter 137a-d in den in Fig. 4 gezeigten gestrichelten Zustand versetzt. Somit sind die dritte Elektrode 105a und die vierte Elektrode 105b über den dritten Umschalter 137c und den vierten Umschalter 137d kurzgeschlossen und mit dem zweiten Mikrocontroller- Anschluss 135b verbunden. Zugleich ist die erste Elektrode 103a über den ersten Umschalter 137a mit dem ersten Mikrocontroller-Anschluss 135a verbunden. Die zweite Elektrode 103b ist über den zweiten Umschalter 137b mit dem dritten Mikrocontroller- Anschluss 135c gekoppelt. Über den ersten Mikrocontroller-Anschluss 135a und den zweiten Mikrocont- roller-Anschluss 135b bestimmt der MikroController 133 die Kapazität des dritten Teilkondensators und über den dritten Mikrocontroller-Anschluss 135c und den zweiten Mikrocont- roller-Anschluß 135b die Kapazität des vierten Teilkondensators. In dem Mikrocontroller 133 wird dann beispielsweise wieder mit der in Fig. 9 gezeigten Auswerteschaltung die zweite Differenzkapazität bestimmt.After determining the first differential capacitance, the switches 137a-d are placed in the dashed state shown in FIG. 4 at the second measuring time. Thus, the third electrode 105a and the fourth electrode 105b are short-circuited via the third switch 137c and the fourth switch 137d and connected to the second microcontroller terminal 135b. At the same time, the first electrode 103a is connected to the first microcontroller port 135a via the first switch 137a. The second electrode 103b is coupled to the third microcontroller port 135c via the second switch 137b. About the first Microcontroller port 135a and the second microcontroller port 135b determines the microcontroller 133, the capacity of the third sub-capacitor and the third microcontroller port 135c and the second microcontroller port 135b, the capacitance of the fourth sub-capacitor. In the microcontroller 133, the second differential capacitance is then again determined, for example, with the evaluation circuit shown in FIG. 9.
Die Sequenzen bzw. der Takt für das Umschalten des ersten 137a bis vierten 137d Umschalters bzw. die Festlegung der Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten Messzeitpunkt, ist z. B. in einer Steuerungs-Software, die von dem MikroController 133 bearbeitet wird, hinterlegt.The sequences or the clock for the switching of the first 137a to fourth 137d switch or the definition of the distances between the first and the second measurement time, is z. B. in a control software that is processed by the microcontroller 133, deposited.
Mittels einer Vergleichstabelle, die z. B. ebenfalls in einer Software auf dem Mikrocontroller 133 implementiert ist, bestimmt der Mikrocontroller 133 eine Neigung des Sensors. In der Vergleichstabelle gibt es dabei für jeden Wert der ersten Differenzkapazität zwei korrespondierende Werte des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360°. Ebenso gibt es für den Wert der zweiten Differenzkapazität zwei korrespondierende Werte des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° in der Vergleichstabelle. Der Mikrocontroller 133 vergleicht nun die beiden korrespondierenden Werte des Neigungswinkels für die erste Differenzkapazität mit den beiden korrespondierenden Werten des Neigungswinkels für die zweite Differenzkapazität und ermittelt den Wert des Neigungswinkels, der in den beiden Werte- paaren, also in dem korrespondierenden Wertepaar für die erste Differenzkapazität und dem korrespondierenden Wertepaar für die zweite Differenzkapazität vorhanden ist. Dieser Wert entspricht dem tatsächlichen Neigungswinkel, um den der Kapazitätssensor ausgelenkt wird. Somit ist eine Ermittlung des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° möglich. In Fig. 5 wird die Abhängigkeit des Neigungswinkels von der ersten Differenzkapazität, die in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen ΔC1 versehen ist, und von der zweiten Differenzkapazität, die in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen ΔC2 versehen ist, erläutert. Auf der x-Achse des in Fig. 5 gezeigten Graphen sind die Werte des Neigungswinkels bei einer Rechtsdrehung des Sensors 100 in Fig. 1 um die Rotationsache 119 in einem Bereich von 0° bis 360° angetragen. In der in Fig. 1 gezeigten Referenzstellung des Sensors 100 ist der Neigungs- winkel 0°. Auf der y-Achse ist ein auf den Messbereich der Differenzkapazität normierter Wert der ersten ΔC1 und der zweiten ΔC2 Differenzkapazität, zu dem ein Faktor von 0,5 hinzuaddiert worden ist, angetragen. Anders ausgedrückt ist auf der y-Achse ein Verhältnis der gemessenen Differenzka- pazität zu einer Differenz zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert der Differenzkapazität angetragen. Eine gestrichelte Linie erläutert einen Verlauf der normierten Werte der ersten Differenzkapazität ΔC1 in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel. Eine durchgezogene Linie erläutert einen Verlauf der normierten Werte der zweiten Differenzkapazität ΔC2 in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel.By means of a comparison table, the z. B. is also implemented in software on the microcontroller 133, the microcontroller 133 determines an inclination of the sensor. In the comparison table, for each value of the first differential capacitance, there are two corresponding values of the inclination angle in a range from 0 ° to 360 °. Also, for the value of the second differential capacitance, there are two corresponding values of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 ° in the comparison table. The microcontroller 133 now compares the two corresponding values of the angle of inclination for the first differential capacity with the two corresponding values of the angle of inclination for the second differential capacity and determines the value of the angle of inclination in the two pairs of values, ie in the corresponding value pair for the first differential capacity and the corresponding value pair for the second differential capacity. This value corresponds to the actual tilt angle by which the capacitance sensor is deflected. Thus, a determination of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 ° is possible. In Fig. 5, the dependence of the tilt angle of the first differential capacitance, which is provided in Fig. 5 by the reference numeral .DELTA.C1, and the second differential capacitance, which is provided in Fig. 5 by the reference numeral .DELTA.C2 is explained. On the x-axis of the graph shown in Fig. 5, the values of the inclination angle in a clockwise rotation of the sensor 100 in Fig. 1 are plotted around the rotation thing 119 in a range of 0 ° to 360 °. In the reference position of the sensor 100 shown in FIG. 1, the inclination angle is 0 °. On the y-axis, a normalized to the range of the differential capacitance value of the first ΔC1 and the second ΔC2 differential capacity, to which a factor of 0.5 has been added, plotted. In other words, a ratio of the measured differential capacitance to a difference between a maximum value and a minimum value of the differential capacitance is plotted on the y axis. A dashed line explains a course of the normalized values of the first differential capacitance ΔC1 as a function of the angle of inclination. A solid line explains a course of the normalized values of the second differential capacitance ΔC2 as a function of the angle of inclination.
Im Folgenden wird erläutert, wie ein Neigungswinkel von 120° mit der in Fig. 4 gezeigten Anordnung gemäß einer modifizierten Ausführungsform eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ermittelt werden kann. Dabei wird angenommen, dass sich der Neigungswinkel während derIn the following it will be explained how an inclination angle of 120 ° can be determined with the arrangement shown in FIG. 4 according to a modified embodiment of an embodiment of the present invention. It is assumed that the angle of inclination during the
Messung der ersten Differenzkapazität ΔC1 und der zweiten ΔC2 Differenzkapazität nicht ändert.Measurement of the first differential capacity ΔC1 and the second ΔC2 differential capacity does not change.
Zuerst setzt der Mikrocontroller 133 die Umschalter 137a-d in die durch die durchgezogene Linie dargelegte Schalterstellung, um die erste Differenzkapazität zu ermitteln. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ergibt sich bei einem Neigungswinkel von 120° des Sensors ein normierter Wert für die erste Differenzkapazität ΔC1 von 0,625. Der Mikrocontroller 133 bestimmt dabei einen ersten Neigungswinkelwert 139a von 120°, der zu der normierten ersten Differenzkapazität ΔC1 von 0,625 korrespondiert, und einen zweiten Neigungswinkelwert 139b von 240°, der ebenfalls zu der normierten ersten Differenzkapazität ΔC1 von 0,625 korrespondiert. Der Mikro- Controller 133 legt den ersten Neigungswinkelwert bzw. Messzwischenwert 139a und den zweiten Neigungswinkelwert 139b in einem nicht gezeigten Register in dem Mikrocontrol- ler 133 ab.First, the microcontroller 133 sets the switches 137a-d to the switch position indicated by the solid line to determine the first differential capacitance. As is apparent from Fig. 5, results in a tilt angle of 120 ° of the sensor, a normalized value for the first differential capacitance .DELTA.C1 of 0.625. The microcontroller 133 thereby determines a first inclination angle value 139a of 120 °, which corresponds to the normalized first differential capacitance ΔC1 of 0.625, and a second inclination angle value 139b of 240 °, which also corresponds to the normalized first differential capacitance ΔC1 of 0.625. The microcontroller 133 stores the first inclination angle value or intermediate measurement value 139 a and the second inclination angle value 139 b in a register, not shown, in the microcontroller 133.
Anschließend verändert der Mikrocontroller 133 die Stellung des ersten bis vierten Umschalters 137a-d, so dass diese die in Fig. 4 gestrichelt gezeichnete Stellung einnehmen. Dies führt dazu, dass der Mikrocontroller mittels der an dem ersten bis dritten Mikrocontroller-Anschluss 135a-c anliegenden Signale die zweite Differenzkapazität ΔC2 ermittelt. Bei einem Winkel von 120° nimmt die zweite Differenzkapazität ΔC2 einen normierten Wert von 0,875 ein. Diesem normierten Wert von 0,875 entsprechen in der Vergleichstabelle in dem Mikrocontroller zwei Neigungswinkel- werte, ein dritter Neigungswinkelwert 141a von 60° und ein vierter Neigungswinkelwert 141b von 120°. Der Mikrocontroller 133 legt die beiden Neigungswinkelwerte 141a, 141b ebenfalls in dem nicht gezeigten Register in dem Mikrocontroller 133 ab.Subsequently, the microcontroller 133 changes the position of the first to fourth switch 137a-d, so that they occupy the dashed line in Fig. 4 drawn position. As a result, the microcontroller determines the second differential capacitance ΔC2 by means of the signals applied to the first to third microcontroller ports 135a-c. At an angle of 120 °, the second differential capacitance ΔC2 assumes a normalized value of 0.875. This normalized value of 0.875 corresponds to two inclination angle values in the comparison table in the microcontroller, a third inclination angle value 141a of 60 ° and a fourth inclination angle value 141b of 120 °. The microcontroller 133 also stores the two tilt angle values 141 a, 141 b in the register (not shown) in the microcontroller 133.
Anschließend liest der Mikrocontroller die vier Neigungswinkelwerte 139a, 139b, 141a, 141b aus dem Register aus und vergleicht diese miteinander. Der erste Neigungswinkelwert 139a und der vierte Neigungswinkelwert 141b treten dabei unter den ausgelesenen Neigungswinkelwerten zweimal auf. Der Mikrocontroller 133 erkennt dies und stellt daran fest, dass der Wert des Neigungswinkels bzw. der Messgröße 120° beträgt. Diesen Wert von 120° gibt er mittels eines hier nicht gezeigten Ausgangssignals aus.Subsequently, the microcontroller reads out the four inclination angle values 139a, 139b, 141a, 141b from the register and compares them with each other. The first inclination angle value 139a and the fourth inclination angle value 141b thereby appear twice among the read-out inclination angle values. The microcontroller 133 detects this and notes that the value of the inclination angle or the measured variable is 120 °. This value of 120 ° he outputs by means of an output signal not shown here.
Der Versatz beider Messkurven zueinander entspricht der Rotation der Elektrodenpaare 103 und 105 zueinander. Auf der Basis der Signale für jede der beiden Anordnungen lässt sich somit die Position der gekreuzten Differential- Kondensator-Anordnung bzw. des Kapazitätssensors 100 durch eine weitere logische Rechenstufe, die hier z. B. in einem Mikrocontroller implementiert ist, ermitteln.The offset of the two measured curves to one another corresponds to the rotation of the electrode pairs 103 and 105 relative to one another. On the basis of the signals for each of the two arrangements leaves Thus, the position of the crossed differential capacitor arrangement or the capacitance sensor 100 by a further logical computing stage, the z here. B. is implemented in a microcontroller, determine.
Somit ist in der modifizierten Ausführungsform des Sensors 100 bzw. der Differential-Kondensator-Anordnung eine Kon- taktierung der Elektroden 103a, 103b, 105a, 105b mittels des Mikrocontrollers 133 bzw. einer elektrischen Schaltung derart möglich, dass je nach Kontaktierung der Elektroden zwei verschiedene Differential-Kondensator-Anordnungen kontaktiert und ausgelesen werden können, aufgrund welcher die Lage der dielektrischen Flüssigkeit 106 bzw. eines Fluids ermittelt werden kann. Jedoch könnte man statt der dielektrischen Flüssigkeit 106 auch einen elektrisch leitfähigen Körper, dessen Position sich in Abhängigkeit von der Neigung des Sensors 100 ändert, in dem Zwischenraum zwischen den Elektrodenpaaren 103, 105 anordnen.Thus, in the modified embodiment of the sensor 100 or the differential capacitor arrangement, a contacting of the electrodes 103a, 103b, 105a, 105b by means of the microcontroller 133 or an electrical circuit is possible such that two different ones depending on the contacting of the electrodes Differential capacitor arrangements can be contacted and read out, due to which the position of the dielectric liquid 106 and a fluid can be determined. However, instead of the dielectric liquid 106, an electrically conductive body whose position changes in accordance with the inclination of the sensor 100 could be arranged in the gap between the electrode pairs 103, 105.
In Fig. 6 wird gezeigt, wie die Verarbeitungseinrichtung 117 in dem in Fig. 1 gezeigten Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alternativ zu dem oben erläuterten Verfahren den Wert des Neigungswinkels bestimmen kann.In Fig. 6 it is shown how the processing means 117 in the sensor 100 shown in Fig. 1 according to an embodiment of the present invention can determine the value of the inclination angle as an alternative to the method explained above.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Verarbeitungseinrichtung 117. Der erste Differenzkapazitätsmesser 111 ist dabei mit einem ersten Analog-Digital- Wandler 143 gekoppelt, während der zweite Differenzkapazi- tätsmesser 113 mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler 145 gekoppelt ist. Ein Ausgang des ersten Analog-Digital- Wandlers 143 ist an ein erstes Wertregister 147 angeschlossen, während ein Ausgang des zweiten Analog-Digital- Wandlers 145 an ein zweites Wertregister 149 angeschlossen ist.FIG. 6 shows an embodiment of the processing device 117 shown in FIG. 1. The first differential capacitance meter 111 is coupled to a first analog-digital converter 143, while the second differential capacitance meter 113 is coupled to a second analog-to-digital converter 145 , An output of the first analog-to-digital converter 143 is connected to a first value register 147, while an output of the second analog-to-digital converter 145 is connected to a second value register 149.
Das erste Wertregister 147 ist mit einer ersten Zuweisungseinrichtung 151 verbunden, während das zweite Werteregister 149 mit einer zweiten Zuweisungseinrichtung 153 gekoppelt ist. Die erste Zuweisungseinrichtung 151 ist an ein erstes Messzwischenwertregister 155a angeschlossen, und ein zweites Messzwischenwertregister 155b angeschlossen. Die zweite Zuweisungseinrichtung 153 ist an ein drittes Messzwischenwertregister 157a und ein viertes Messzwischenwertregister 157b angeschlossen.The first value register 147 is connected to a first assignment device 151, while the second value register 149 is coupled to a second assignment device 153. The first allocator 151 is connected to a first intermediate measurement value register 155a, and a second intermediate measurement value register 155b is connected. The second allocation means 153 is connected to a third measurement intermediate value register 157a and a fourth measurement intermediate value register 157b.
Das erste Messzwischenwertregister 155a ist mit einer ersten Vergleichsschaltung 159a und einer zweiten Vergleichsschaltung 159b gekoppelt. Das zweite Messzwischenwertregister 155b ist mit einer dritten Vergleichsschaltung 159c und einer vierten Vergleichsschaltung 159d gekoppelt.The first measurement intermediate value register 155a is coupled to a first comparison circuit 159a and a second comparison circuit 159b. The second measurement intermediate value register 155b is coupled to a third comparison circuit 159c and a fourth comparison circuit 159d.
Das dritte Messzwischenwertregister 157a ist mit der ersten Vergleichsschaltung 159a und der vierten Vergleichsschaltung 159d gekoppelt. Das vierte Messzwischenwertregister 157b ist mit der zweiten Vergleichsschaltung 159b und der dritten Vergleichsschaltung 159c gekoppelt.The third measurement intermediate value register 157a is coupled to the first comparison circuit 159a and the fourth comparison circuit 159d. The fourth measurement intermediate value register 157b is coupled to the second comparison circuit 159b and the third comparison circuit 159c.
Eine Ausleseeinrichtung 161 ist mit der ersten bis vierten Vergleichsschaltung 159a-d jeweils elektrisch verbunden und an das erste Messzwischenwertregister 155a und das zweite Messzwischenwertregister 155b angeschlossen. Ein Ausgang der Ausleseeinrichtung 161 ist mit einem Eingang des Messwerteregisters 163 verbunden, und ein Ausgang des Messwerteregisters 163 ist an einen Ausgangsanschluss 165 der Verarbeitungseinrichtung 117 angeschlossen.A read-out means 161 is electrically connected to each of the first to fourth comparison circuits 159a-d and connected to the first measurement intermediate value register 155a and the second measurement intermediate value register 155b. An output of the readout device 161 is connected to an input of the measured value register 163, and an output of the measured value register 163 is connected to an output connection 165 of the processing device 117.
Der erste Analog-Digital-Wandler 143 wandelt ein Signal von dem ersten Differenzkapazitätsmesser 111, dessen Höhe von der ersten Differenzkapazität ΔC1 abhängt, in einen ersten Wert, vorzugsweise einen ersten binären Wert, um und legt diesen ersten Wert in dem ersten Wertregister 147 ab. Der zweite Analog-Digital-Wandler 145 wandelt ein Signal von dem zweiten Differenzkapazitätsmesser 113, dessen Höhe von der zweiten Differenzkapazität ΔC2 abhängt, in einen zweiten Wert, vorzugsweise einen zweiten binären Wert, um und legt diesen zweiten Wert in dem zweiten Wertregister 149 ab. Die erste Zuweisungseinrichtung 151 liest den ersten Wert aus dem ersten Werteregister 147 aus und bestimmt mittels einer Vergleichstabelle einen ersten Messzwischen- wert und einen zweiten Messzwischenwert und legt den ersten Messzwischenwert in dem ersten Messzwischenwertregister 155a und den zweiten Messzwischenwert in dem zweiten Messzwischenwertregister 155b ab. Der erste Messzwischenwert und der zweite Messzwischenwert korrespondieren dabei mit den beiden möglichen Neigungswinkelwerten, um die der Sensor 100 bei dem gemessenen Wert der ersten Differenzkapazität ΔC1 geneigt sein könnte. Die zweite Zuweisungseinrichtung 153 liest den zweiten Wert aus dem zweiten Werteregister 149 aus und bestimmt mittels einer Vergleichsta- belle einen dritten Messzwischenwert und einen vierten Messzwischenwert und legt den dritten Messzwischenwert in dem dritten Messzwischenwertregister 157a und den vierten Messzwischenwert in dem vierten Messzwischenwertregister 157b ab. Der dritte Messzwischenwert und der vierte Mess- zwischenwert korrespondieren mit den möglichen Neigungswinkelwerten, um die der Sensor 100 bei dem gemessenen Wert der zweiten Differenzkapazität ΔC2 geneigt sein könnte. Hierbei gilt für die Verläufe des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität ΔC1 und der zweiten Differenzkapazität ΔC2 nach wie vor der in Fig. 5 gezeigte Verlauf.The first analog-to-digital converter 143 converts a signal from the first differential capacitance meter 111 whose height depends on the first differential capacitance ΔC1 into a first value, preferably a first binary value, and stores this first value in the first value register 147. The second analog-to-digital converter 145 converts a signal from the second differential capacitance meter 113, the magnitude of which depends on the second differential capacitance ΔC2, into a second value, preferably a second binary value, at and stores this second value in the second value register 149. The first allocation device 151 reads out the first value from the first value register 147 and determines a first measurement intermediate value and a second measurement intermediate value by means of a comparison table and stores the first measurement intermediate value in the first measurement intermediate value register 155a and the second measurement intermediate value in the second measurement intermediate value register 155b. The first intermediate measurement value and the second intermediate measurement value correspond with the two possible inclination angle values by which the sensor 100 could be inclined at the measured value of the first differential capacitance ΔC1. The second assignment means 153 reads out the second value from the second value register 149 and determines a third measurement intermediate value and a fourth measurement intermediate value by means of a comparison table and stores the third measurement intermediate value in the third measurement intermediate value register 157a and the fourth measurement intermediate value in the fourth measurement intermediate value register 157b. The third measurement intermediate value and the fourth measurement intermediate value correspond to the possible inclination angle values by which the sensor 100 could be inclined at the measured value of the second differential capacitance ΔC2. In this case, the course of the inclination angle as a function of the first differential capacity ΔC1 and the second differential capacity ΔC2 still applies to the course shown in FIG.
Die erste Vergleichsschaltung 159a vergleicht den ersten Messzwischenwert mit dem dritten Messzwischenwert. Die zweite Vergleichsschaltung 159b vergleicht den ersten Messzwischenwert mit dem vierten Messzwischenwert. Die dritte Vergleichsschaltung 159c führt einen Abgleich des zweiten Messzwischenwerts mit dem vierten Messzwischenwert durch. Die vierte Vergleichsschaltung 159d führt einen Vergleich des zweiten Messzwischenwerts mit dem dritten Messzwischenwert durch. In sämtlichen Vergleichsschaltungen 159a-d erfolgt der Vergleich der Messzwischenwerte mittels einer XOR-Funktion, die einen binären Wert 0 liefert, wenn die beiden verglichenen Werte identisch sind.The first comparison circuit 159a compares the first measurement intermediate value with the third measurement intermediate value. The second comparison circuit 159b compares the first measurement intermediate value with the fourth measurement intermediate value. The third comparison circuit 159c performs a comparison of the second measurement intermediate value with the fourth measurement intermediate value. The fourth comparison circuit 159d performs a comparison of the second measurement intermediate value with the third measurement intermediate value. In all comparison circuits 159a-d, the comparison of the measured intermediate values is carried out by means of an XOR function that returns a binary value of 0 if the two compared values are identical.
Die Ausleseeinrichtung 161 liest die Werte der ersten bis vierten Vergleichsschaltungen 159a-d aus und ermittelt dieThe read-out means 161 reads out the values of the first to fourth comparison circuits 159a-d and determines the values
Vergleichsschaltung aus den vier Vergleichsschaltungen, die den binären Wert 0 liefert.Comparison circuit of the four comparison circuits, which supplies the binary value 0.
Anschließend liest sie, wenn die erste oder die zweite Vergleichsschaltung 159a-b den binären Wert 0 liefert, den Messzwischenwert aus dem ersten Messzwischenwertregister 155a aus, oder wenn die dritte oder vierte Vergleichsschaltung 159c-d den binären Wert 0 liefern, den Messzwischenwert aus dem zweiten Messzwischenwertregister 155b aus. Der ausgelesene Messzwischenwert wird anschließend von der Ausleseeinrichtung 161 in das Messwertregister 163 geschrieben.Then, when the first or the second comparison circuit 159a-b supplies the binary value 0, it reads the measurement intermediate value from the first measurement intermediate value register 155a, or if the third or fourth comparison circuit 159c-d supplies the binary value 0, the measurement intermediate value from the second one Measurement intermediate value register 155b. The reading intermediate reading is then written by the read-out 161 in the measured value register 163.
Die vier Vergleichsschaltungen 159a-d ermitteln somit einen Messzwischenwert aus dem ersten und zweiten Messzwischenwert, der gleich ist zu einem Messzwischenwert aus dem dritten und vierten Messzwischenwert. Der in beiden Paaren der Messzwischenwerte auftretende Messzwischenwert gibt die tatsächliche Höhe des Neigungswinkels in einem Bereich von 0° bis 360° an, um den der Sensor 100 geneigt ist.The four comparison circuits 159a-d thus determine a measured intermediate value from the first and second measured intermediate value, which is equal to a measured intermediate value from the third and fourth measured intermediate value. The intermediate measurement value occurring in both pairs of measurement intermediate values indicates the actual height of the inclination angle in a range of 0 ° to 360 °, by which the sensor 100 is inclined.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Flüssigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch könnte alternativ ein beliebiges bewegliches Element zwischen den beiden Elektrodenpaaren angeordnet sein, das die erste und die zweite Differenzkapazität beeinflusst. Eine mögliche Alternative wäre eine Ausführung des beweglichen Elements als eine drehbare Elektrode aus einem elektrisch leitfähi- gen Material, welche vorzugsweise mit kleinem Abstand zwischen den sich beispielsweise stirnseitig gegenüberliegenden Elektroden drehbar angebracht ist. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die dielektrische Flüssigkeit, die zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist, eine andere Die- lektrizitätszahl als das sie umgebende Medium auf, wobei beliebige Verhältnisse der Dielektrizitätszahl der Flüssig- keit zu dem die Flüssigkeit umgebenden Medium möglich sind.In the above embodiment of the present invention, a dielectric liquid is disposed between the first and second electrode pairs, but alternatively, any movable element may be disposed between the two electrode pairs affecting the first and second differential capacitance. A possible alternative would be an embodiment of the movable element as a rotatable electrode made of an electrically conductive material, which is preferably rotatably mounted with a small distance between, for example, frontally opposite electrodes. In the above embodiment of the present invention, the dielectric liquid, which is arranged between the first and the second electrode pair, a different dielectric constant than the surrounding medium, wherein any ratios of the dielectric constant of the liquid to the liquid surrounding medium are possible.
Alternativ zu der dielektrischen Flüssigkeit könnte auch eine elektrisch leitende Flüssigkeit zwischen den Elektrodenpaaren angeordnet werden, deren Anordnung zwischen den Elektroden ebenfalls z. B. von der Neigung des Sensors abhängig ist. Auch kann das die Flüssigkeit umgebende Medium ein beliebiger Stoff sein, der vorzugsweise in Abhängigkeit von der Messgröße seine Anordnung zwischen den Elektrodenpaaren ändert. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeit zwischen dem ersten Elektrodenpaar 103 und dem zweiten Elektrodenpaar 105 so angeordnet, dass sie bei einer Referenzstellung des Sensors mit einer der Elektroden des ersten oder des zweiten Elektrodenpaars vorzugsweise vollständig überlappt, jedoch sind beliebige Füllstände der Flüssigkeit hierzu Alternativen.As an alternative to the dielectric liquid, it would also be possible to arrange an electrically conductive liquid between the electrode pairs whose arrangement between the electrodes is likewise z. B. is dependent on the inclination of the sensor. Also, the medium surrounding the liquid can be any substance which preferably changes its arrangement between the electrode pairs as a function of the measured variable. In the above embodiment of the present invention, the liquid between the first electrode pair 103 and the second electrode pair 105 is arranged so that it preferably completely overlaps with a reference position of the sensor with one of the electrodes of the first or the second pair of electrodes, but are any liquid levels alternatives.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerungsein- richtung 115 so ausgelegt, dass abwechselnd die erste Differenzkapazität und die zweite Differenzkapazität gemessen werden, jedoch sind beliebige Abläufe der Messung der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Ansteuerungs- einrichtung so ausgelegt, dass vorzugsweise innerhalb eines Zeitraums von weniger als zehn Sekunden die erste Differenzkapazität und die zweite Differenzkapazität gemessen werden, jedoch sind beliebige Zeiträume hierzu Alternativen.In the above embodiment, the driver 115 is designed to alternately measure the first differential capacitance and the second differential capacitance, however, any of the operations of measuring the first differential capacitance and the second differential capacitance therefor are alternatives thereto. In addition, in the above embodiment of the present invention, the driving device is designed so that the first differential capacity and the second differential capacity are preferably measured within a period of less than ten seconds, but any time periods therefor are alternatives.
Alternativ hierzu könnte die Ansteuereinrichtung auch so ausgelegt werden, dass abhängig von einem Wert des Neigungswinkels wahlweise ein Wert des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität oder der zweiten Differenzkapazität bestimmt wird. Beispielsweise könnte die Ansteuereinrichtung so ausgelegt werden, dass in einem Bereich des Neigungswinkels von -60° bis 60°, in dem die erste Differenzkapazität eine geeignete Empfindlichkeit bzw. Linearität aufweist, der Neigungswinkel in Abhängigkeit von einem Wert der ersten Differenzkapazität ermittelt wird, und in einem Bereich des Neigungswinkels von 60° bis 120° bzw. von -120° bis -60°, in dem die zweite Differenz- kapazität eine geeignete Empfindlichkeit bzw. Nichtlineari- tät aufweist, der Neigungswinkel in Abhängigkeit von dem Wert der zweiten Differenzkapazität bestimmt wird. Dabei ist eine beliebige Wahl der Bereichsendpunkte, an denen die Ansteuereinrichtung von einer Messung des Werts der ersten Differenzkapazität auf eine Messung des Werts der zweiten Differenzkapazität bzw. von einer Bestimmung des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der ersten Differenzkapazität auf eine Bestimmung des Neigungswinkels in Abhängigkeit von der zweiten Differenzkapazität bzw. auch umgekehrt umschal- tet, möglich.Alternatively, the drive device could also be designed so that, depending on a value of the inclination angle optionally a value of the inclination angle in Dependent on the first differential capacity or the second differential capacity is determined. For example, the drive device could be designed so that in a range of the inclination angle of -60 ° to 60 °, in which the first differential capacitance has a suitable sensitivity or linearity, the inclination angle is determined in dependence on a value of the first differential capacity, and a range of the inclination angle of 60 ° to 120 ° or of -120 ° to -60 °, in which the second differential capacitance has a suitable sensitivity or non-linearity, the inclination angle is determined as a function of the value of the second differential capacitance , In this case, any selection of the range end points at which the drive device switches from a measurement of the value of the first differential capacitance to a measurement of the value of the second differential capacitance or from a determination of the inclination angle as a function of the first differential capacitance to a determination of the inclination angle as a function of second differential capacity or vice versa switched, possible.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind das erste und das zweite Elektrodenpaar kreisförmig. Jedoch sind beliebige Formen des ersten und des zwei- ten Elektrodenpaars hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode und die dritte Elektrode und die vierte Elektrode kreissektorförmig, jedoch sind beliebige Formen der ersten bis vierten Elekt- rode hierzu Alternativen.In the above embodiment of the present invention, the first and second electrode pairs are circular. However, any shapes of the first and second pairs of electrodes are alternatives thereto. In the above embodiment of the present invention, the first electrode and the second electrode and the third electrode and the fourth electrode are circular sector-shaped, but any shapes of the first to fourth electrodes are alternatives thereto.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft eine Rotationsachse, um die sich der Sensor dreht, bevorzugt durch den Mittelpunkt des ersten Elektrodenpaars und den Mittelpunkt des zweiten Elektrodenpaars. Jedoch sind beliebige Verläufe der Rotationsachse, um die sich der Sensor dreht, gegenüber dem ersten Elektrodenpaar und dem zweiten Elektrodenpaar Alternativen hierzu.' In dem obigen Ausführungsbeispiel der obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Rotationsachse vorzugsweise senkrecht zu dem ersten Elektrodenpaar und senkrecht zu dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch sind beliebige Winkel für die Anordnung der Rotationsachse zu dem ersten Elektrodenpaar und zu dem zweiten Elektrodenpaar Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das erste Elektrodenpaar parallel zu dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet, jedoch sind beliebige Anordnungen der Elektro- denpaare untereinander möglich.In the above embodiment of the present invention, a rotation axis about which the sensor rotates preferably passes through the center of the first pair of electrodes and the center of the second pair of electrodes. However, any gradients of the axis of rotation about which the sensor rotates are alternatives to the first pair of electrodes and the second pair of electrodes. In the above embodiment of the In the above embodiment of the present invention, the axis of rotation is preferably perpendicular to the first pair of electrodes and perpendicular to the second pair of electrodes, however, any angles for arranging the axis of rotation to the first pair of electrodes and to the second pair of electrodes are alternatives. In the above embodiment of the present invention, the first electrode pair is arranged parallel to the second electrode pair, however, any arrangement of the electrode pairs with each other is possible.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die erste bis vierte Elektrode jeweils eine Halbkreisform auf, jedoch sind beliebige Kreissegmentwinkel oder auch andere Formen der Elektroden hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung überlappen sich bei einer Draufsicht auf die Elektrodenpaare aus einem senkrechten Betrachterwinkel das erste Elektrodenpaar und das zweite Elektrodenpaar flächenmäßig vollständig, jedoch sind beliebige Überlappungen der Elektrodenpaare Alternativen, solange jeweils beide Elektroden eines Elektrodenpaars mit dem jeweils anderen Elektrodenpaar überlappen.In the above embodiment of the present invention, the first to fourth electrodes each have a semicircular shape, but any circle segment angles or other shapes of the electrodes are alternatives thereto. In the above embodiment of the present invention, in a plan view of the pairs of electrodes from a perpendicular viewing angle, the first pair of electrodes and the second pair of electrodes completely overlap in area, however, any overlaps of the pairs of electrodes are alternatives, as long as both electrodes of one pair of electrodes overlap with the other pair of electrodes.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die beiden Elektrodenpaare kreisförmig und bilden zueinander rotierte Flächenpaare, wobei ein Rotationswinkel, um den die beiden Flächenpaare zueinander rotiert sind, hier z. B. 90° beträgt. Jedoch sind beliebige Werte des Winkels, um den die Elektrodenpaare zueinander rotiert sind, Alternativen.In the above embodiment of the present invention, the two pairs of electrodes are circular and form mutually rotated pairs of surfaces, wherein a rotation angle by which the two pairs of surfaces are rotated to each other here z. B. is 90 °. However, any values of the angle by which the pairs of electrodes rotate with each other are alternatives.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 5 die Kurvenverläufe einer Funktion, die eine Abhängigkeit der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität von dem Neigungswinkel des Sensors angibt, bzw. eines ersten Differenzkapazitätsmess- grössenzusammenhangs und eines zweiten Differenzkapazitäts- messgrössenzusammenhangs dargestellt, wobei die Kurvenverläufe identisch sind, jedoch um einen Flächenpaarrotations- winkel zueinander phasenverschoben sind. Jedoch sind beliebige Verläufe der Funktion der ersten Differenzkapazität und der zweiten Differenzkapazität in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel, die auch nicht identisch sein können, hierzu Alternativen.In the above embodiment of the present invention, in FIG. 5, the waveforms of a function indicating a dependency of the first differential capacitance and the second differential capacitance on the inclination angle of the sensor and a first differential capacitance measurement magnification and a second differential capacitance Meßgrössenzusammenhangs shown, wherein the curves are identical, but are phase-shifted by a Flächenpaarrotations- angle to each other. However, any curves of the function of the first differential capacity and the second differential capacity as a function of the angle of inclination, which may not be identical, are alternatives thereto.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng bestimmt die Ausleseeinrichtung 161 mittels der ersten bis vierten Vergleichsschaltung den Messzwischenwert, der dem Messwert entspricht. In den Vergleichsschaltungen wurden hierzu vier Messzwischenwerte über eine XOR-Funktion miteinander verglichen. Die Vergleichsschaltungen verknüp- fen hierzu einen ersten und zweiten Funktionseingangswert bzw. Messzwischenwert mit einem dritten und einem vierten Funktionseingangswert. Dann ermitteln sie den Funktionsausgangswert aus den vier Funktionsausgangswerten, bei dem eine der vier Vergleichsschaltung den binären Wert 0 als Funktionsausgangswert liefert. Jedoch sind beliebige Schaltungsimplementierungen hierzu Alternativen, die den ersten und den zweiten Messzwischenwert jeweils mit dem dritten und vierten Messzwischenwert vergleichen und auch andere Funktionen als eine XOR-Funktion anwenden.In the above embodiment of the present invention, the readout means 161 determines, by means of the first to fourth comparison circuits, the measurement intermediate value corresponding to the measurement value. In the comparison circuits, four measured intermediate values were compared with each other via an XOR function. The comparison circuits for this purpose combine a first and a second function input value or intermediate measurement value with a third and a fourth function input value. Then they determine the function output value from the four function output values at which one of the four comparison circuits supplies the binary value 0 as a function output value. However, any circuit implementations for this are alternatives which compare the first and second measurement intermediate values respectively with the third and fourth measurement intermediate values and also apply functions other than an XOR function.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden in Fig. 1 ein erster Schalter 107 und ein zweiter Schalter 109 eingesetzt, um die erste und die zweite Elektrode bzw. die dritte und die vierte Elektrode miteinander elektrisch zu verbinden oder voneinander elektrisch zu trennen. Hierbei sind beliebige Einrichtungen zum Verbinden oder Trennen der Elektroden der Elektrodenpaare bzw. Implementierungen der Schalter, wie z. B. als Feldeffekttransistorschalter oder Relais, möglich.In the above embodiment of the present invention, in Fig. 1, a first switch 107 and a second switch 109 are used to electrically connect or electrically separate the first and second electrodes and the third and fourth electrodes from each other. Here are any means for connecting or disconnecting the electrodes of the electrode pairs or implementations of the switches, such. As a field effect transistor switch or relay possible.
In dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 eine Ausführungsform der Verarbeitungseinrichtung gezeigt, die ein MikroController ist. Jedoch sind beliebige Recheneinrichtungen, die aus dem sind beliebige Recheneinrichtungen, die aus dem Wert der ersten Differenzkapazität und dem Wert der zweiten Differenzkapazität mittels einer Software, in der eine Nachschlagtabelle implementiert ist, den Messwert bestimmen, Alternativen. Auch die von dem Mikrocontroller 133 durchgeführte Steuerung der Stellung der Umschalter kann von einer beliebigen Steuerungseinrichtung ausgeführt werden, die auch nicht auf dem Mikrocontroller 133 sondern z. B. in einer externen Logikschaltung implementiert sein kann.In the above embodiment of the present invention, there is shown in Fig. 4 an embodiment of the processing device which is a microcontroller. However, any computing devices that come from the are arbitrary computing devices that determine the measured value from the value of the first differential capacity and the value of the second differential capacity by means of a software in which a lookup table is implemented, alternatives. The performed by the microcontroller 133 control of the position of the switch can be performed by any controller, which is not on the microcontroller 133 but z. B. can be implemented in an external logic circuit.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Sensor beispielsweise als eine Differential-Kondensator-Anordnung in einem Gehäuse ausgeführt, wobei das Gehäuse eine Kavität aufweist, an deren erster Stirnseite mindestens zwei Elektro- den angeordnet sind und an deren zweiter Stirnseite mindestens zwei weitere Elektroden angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden an der ersten Stirnseite gegenüber den Elektroden an der zweiten Stirnseite um einen Rotationswinkel in einem Bereich von 0° bis 180° verdreht angeordnet. Die Kavität ist hierbei in mindestens einem Gehäuseelement gebildet, das das Gehäuse aufweist. Zugleich ist in der Kavität eine dielektrische Flüssigkeit angeordnet, die die Kavität teilweise ausfüllt. Alternativen hierzu sind jedoch beliebig ausgebildete Sensoren, in denen die Elektroden eines ersten Elektrodenpaars und eines zweiten Elektrodenpaars so angeordnet sind, beispielsweise mit einer beliebigen Halterung, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum gebildet ist, in dem ein bewegliches Element angeordnet ist, wobei die Elektroden eines Elektrodenpaars sich jeweils mit den beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappen. Auch könnte dann die dielektrische Flüssigkeit, die z. B. das bewegliche Element bildet, in einem separaten Behälter angeordnet werden. In the above exemplary embodiment, the sensor is embodied, for example, as a differential capacitor arrangement in a housing, the housing having a cavity, at the first end side of which at least two electrodes are arranged and at the second end side of which at least two further electrodes are arranged. In this case, the electrodes are arranged on the first end side opposite to the electrodes on the second end side rotated by a rotation angle in a range of 0 ° to 180 °. The cavity is in this case formed in at least one housing element which has the housing. At the same time a dielectric liquid is arranged in the cavity, which partially fills the cavity. However, alternatives to this are sensors of arbitrary design, in which the electrodes of a first pair of electrodes and of a second pair of electrodes are arranged, for example with an arbitrary holder, that a space is formed between them, in which a movable element is arranged, wherein the electrodes of a pair of electrodes each overlap with the two electrodes of the other pair of electrodes. Also, then the dielectric liquid z. B. forms the movable element, are arranged in a separate container.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor (100) zum Messen einer Messgröße, mit folgenden1. Sensor (100) for measuring a measured variable, with the following
Merkmalen:features:
einem ersten Elektrodenpaar (103) mit einer ersten E- lektrode (103a) und einer zweiten Elektrode (103b);a first electrode pair (103) having a first electrode (103a) and a second electrode (103b);
einem zweiten Elektrodenpaar (105) mit einer dritten Elektrode (105a) und einer vierten Elektrode (105b);a second electrode pair (105) having a third electrode (105a) and a fourth electrode (105b);
wobei zwischen dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) ein Zwischenraum gebildet ist, und wobei die Elektroden des ersten und des zwei- ten Elektrodenpaars (103, 105) so angeordnet sind, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars mit beiden Elektroden des anderen Elektrodenpaars überlappt;wherein a gap is formed between the first electrode pair (103) and the second electrode pair (105), and wherein the electrodes of the first and second electrode pairs (103, 105) are arranged so that one electrode of a pair of electrodes is connected to both of the electrodes overlaps other pairs of electrodes;
einem beweglichen Element (106), dessen Position be- züglich des ersten und des zweiten Elektrodenpaars (103, 105) von der Messgröße abhängt, und das zwischen dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) angeordnet ist;a movable member (106) whose position with respect to the first and second pairs of electrodes (103, 105) depends on the measured quantity and which is arranged between the first pair of electrodes (103) and the second pair of electrodes (105);
einer Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) zum Messen einer ersten Differenzkapazität (ΔC1) zwischen einem ersten Teilkondensator, der durch das erste Elektrodenpaar (103), bei dem die erste (103a) und die zweite Elektrode (103b) leitend miteinander verbunden sind, und die dritte Elektrode (105a) gebildet ist, und einem zweiten Teilkondensator, der durch das erste E- lektrodenpaar (103) und die vierte Kondensatorelektrode (105b) gebildet ist, und zum Messen einer zweiten Differenzkapazität (ΔC2) zwischen einem dritten Teil- kondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar (105), bei dem die dritte (105a) und die vierte Elektrode (105b) leitend miteinander verbunden sind, und die erste Elektrode (103a) gebildet ist, und einem vierten Teilkondensator, der durch das zweite Elektrodenpaar (105) und die zweite Elektrode (103b) gebildet ist; unda capacitance measuring device (111, 113) for measuring a first differential capacitance (ΔC1) between a first sub-capacitor, which is conductively connected to one another by the first electrode pair (103), in which the first (103a) and the second electrode (103b) are connected to one another third electrode (105a) and a second sub-capacitor formed by the first electrode pair (103) and the fourth capacitor electrode (105b) and measuring a second differential capacitance (ΔC2) between a third sub-capacitor by the second electrode pair (105) in which the third (105a) and the fourth electrode (105b) are conductively connected to each other, and the first electrode (103a) is formed, and a fourth sub-capacitor formed by the second electrode pair (105) and the second electrode (103b); and
einer Verarbeitungseinrichtung (117) zum Erzeugen eines Messwerts für die Messgröße unter Verwendung der ersten Differenzkapazität (ΔC1) und der zweiten Differenzkapazität (ΔC2).a processing device (117) for generating a measured value for the measured variable using the first differential capacitance (ΔC1) and the second differential capacitance (ΔC2).
2. Sensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das bewegliche Element (106) ein Dielektrikum, das so angeordnet ist, dass es abhängig von der Messgröße die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) beeinflusst, aufweist.The sensor (100) according to claim 1, wherein the movable element (106) has a dielectric arranged to influence the first differential capacitance (ΔC1) and the second differential capacitance (ΔC2) depending on the measurand.
3. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, der ein Neigungssensor ist und ausgelegt ist, eine Neigung des Sensors (100) bezüglich einer Referenzrichtung zu bestimmen, bei dem das bewegliche Element (106) eine Flüssigkeit aufweist, deren Anordnung zu dem ersten Elektrodenpaar (103) und dem zweiten Elektrodenpaar (105) von der Neigung des Sensors (100) abhängt, und die eine andere Dielektrizitätszahl hat, als ein die Flüssigkeit in dem Zwischenraum umgebendes Mediums.A sensor (100) according to any one of claims 1 or 2, which is an inclination sensor and is adapted to determine an inclination of the sensor (100) with respect to a reference direction, wherein the movable member (106) comprises a liquid, the arrangement thereof the first electrode pair (103) and the second electrode pair (105) depends on the inclination of the sensor (100) and has a different dielectric constant than a medium surrounding the liquid in the gap.
4. Sensor (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die Flüssigkeit einen solchen Füllstand aufweist, dass sie bei einer Referenzstellung des Sensors (100) mit einer der E- lektroden des ersten oder des zweiten Elektrodenpaars (103, 105) vollständig überlappt.4. Sensor (100) according to claim 3, wherein the liquid has a level such that it at a reference position of the sensor (100) with one of the E- electrodes of the first or the second pair of electrodes (103, 105) completely overlaps.
5. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, um abwechselnd die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu messen.A sensor (100) according to any one of claims 1 to 4, wherein said capacitance measuring means (111, 113) is adapted to alternately measure said first differential capacitance (ΔC1) and said second differential capacitance (ΔC2).
6. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, innerhalb eines Zeitraums von weniger als zehn Sekunden die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu messen.6. Sensor (100) according to one of claims 1 to 5, wherein the capacitance measuring device (111, 113) designed is to measure the first differential capacitance (ΔC1) and the second differential capacitance (ΔC2) within a period of less than ten seconds.
7. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein Neigungssensor ist, und bei dem die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) ausgelegt ist, um in Abhängigkeit von einem Neigungswinkel, um den der Neigungssensor geneigt ist, in einem ersten Bereich des Nei- gungswinkels die erste Differenzkapazität (ΔC1) zu bestimmen und in einem zweiten Bereich des Neigungswinkels die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu bestimmen.A sensor (100) according to any one of claims 1 to 6, which is a tilt sensor, and wherein the capacitance measuring means (111, 113) is adapted to operate in a first range depending on an inclination angle about which the inclination sensor is inclined of the inclination angle to determine the first differential capacity (.DELTA.C1) and to determine the second differential capacity (.DELTA.C2) in a second range of the inclination angle.
8. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erste Elektrodenpaar (103) kreisförmig ist, und die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) kreissektorförmig sind, und der Sensor (100) ein Neigungssensor ist, der ausgelegt ist, sich um ei- ne Rotationsachse (119) zu drehen und einen von einer Neigung des Sensors (100) abhängigen Rotationswinkel zu bestimmen, wobei die Rotationsachse (119) durch den Mittelpunkt des ersten Elektrodenpaars (103) verläuft, und das erste Elektrodenpaar in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (119) angeordnet ist, und das zweite Elektrodenpaar in einer parallelen Ebene zu der Ebene des ersten Elektrodenpaars so angeordnet ist, dass es das erste Elektrodenpaar bei jedem Neigungswinkel flächenmäßig vollständig überdeckt, so dass die zweite Differenzkapazität (ΔC2) linear von dem Rotationswinkel abhängt.The sensor (100) according to any one of claims 1 to 7, wherein the first electrode pair (103) is circular, and the first electrode (103a) and the second electrode (103b) are circular sector shaped, and the sensor (100) is a tilt sensor which is adapted to rotate about an axis of rotation (119) and to determine a rotation angle dependent on an inclination of the sensor (100), the axis of rotation (119) passing through the center of the first pair of electrodes (103), and the first pair of electrodes is arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation (119), and the second pair of electrodes is arranged in a plane parallel to the plane of the first pair of electrodes such that it completely covers the first pair of electrodes at each angle of inclination, so that the second Difference capacity (ΔC2) depends linearly on the rotation angle.
9. Sensor (100) gemäß Anspruch 8, bei dem die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) eine Halbkreisform aufweisen, so dass ein Bereich des Rotationswinkels, innerhalb dem sich die zweite Differenzkapazität (ΔC2) bei einer Änderung des Rotationswinkels ändert, maximal wird. The sensor (100) according to claim 8, wherein the first electrode (103a) and the second electrode (103b) have a semicircular shape such that a range of the rotation angle within which the second differential capacitance (ΔC2) changes with a rotation angle changes, becomes maximum.
10. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das zweite Elektrodenpaar (105) kreisförmig ist, und die dritte (105a) und die vierte (105b) Elektrode kreissektorförmig sind, und der Sensor ein Neigungssensor ist, der ausgelegt ist, um sich um eine Rotationsachse (119) zu drehen und einen von einer Neigung des Sensors (100) abhängigen Rotationswinkel zu bestimmen, wobei die Rotationsachse (119) durch den Mittelpunkt des zweiten Elektrodenpaars (105) verläuft und das zweite Elektrodenpaar in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (119) angeordnet ist, und das erste Elektrodenpaar (103) in einer parallelen Ebene zu der Ebene des zweiten Elektrodenpaars (105) so an- geordnet ist, dass es das zweite Elektrodenpaar (105) bei jedem Neigungswinkel flächenmäßig vollständig ϋ- berdeckt, so dass die erste Differenzkapazität (ΔC1) linear von dem Rotationswinkel abhängt.The sensor (100) according to any one of claims 1 to 9, wherein the second electrode pair (105) is circular, and the third (105a) and fourth (105b) electrodes are circular sector shaped, and the sensor is a tilt sensor designed is to rotate about an axis of rotation (119) and to determine a rotation angle dependent on an inclination of the sensor (100), wherein the axis of rotation (119) passes through the center of the second pair of electrodes (105) and the second pair of electrodes in one plane is arranged perpendicular to the axis of rotation (119), and the first pair of electrodes (103) is arranged in a plane parallel to the plane of the second pair of electrodes (105) so that the second pair of electrodes (105) have a complete area bei at each angle of inclination - Covered so that the first differential capacitance (ΔC1) depends linearly on the rotation angle.
11. Sensor (100) gemäß Anspruch 10, bei dem die dritte Elektrode (105a) und die vierte Elektrode (105b) eine Halbkreisform aufweisen, so dass ein Bereich des Rotationswinkels innerhalb dem sich bei einer Änderung des Rotationswinkels die erste Differenzkapazität (ΔC1) ändert, maximal wird.The sensor (100) according to claim 10, wherein the third electrode (105a) and the fourth electrode (105b) have a semicircular shape such that a range of the rotation angle within which the first differential capacitance (ΔC1) changes as the angle of rotation changes , maximum becomes.
12. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem sich das erste Elektrodenpaar (103) und das zweite Elektrodenpaar (105) die selbe Form aufweisen und sich jeweils vollständig überlappen.12. Sensor (100) according to one of claims 1 to 11, wherein the first pair of electrodes (103) and the second pair of electrodes (105) have the same shape and each completely overlap.
13. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das erste (103) und das zweite Elektrodenpaar (105) und die erste (103a), die zweite (103b), die dritte (105a) und die vierte (105b) Elektrode halbkreisförmig sind und zueinander rotierte Flächenpaare bilden. 13. A sensor (100) according to one of claims 1 to 12, wherein the first (103) and the second electrode pair (105) and the first (103a), the second (103b), the third (105a) and the fourth (103 105b) are semicircular electrodes and form mutually rotated pairs of surfaces.
14. Sensor (100) gemäß Anspruch 13, der ein Neigungssensor ist und ausgelegt ist, einen Neigungswinkel bezüglich einer Referenzrichtung zu bestimmen, bei dem die erste Differenzkapazität (ΔC1) und die zweite Differenzkapa- zität (ΔC2) identische Kurvenverläufe einer Funktion, die eine Abhängigkeit der ersten (ΔC1) und der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) von dem Neigungswinkel angibt, aufweisen, wobei die Kurvenverläufe um einen Flächenpaarrotationswinkel zueinander phasenverschoben sind.14. A sensor (100) according to claim 13, which is an inclination sensor and is adapted to determine an inclination angle with respect to a reference direction, wherein the first differential capacitance (ΔC1) and the second differential capacitance (ΔC2) have identical waveforms of a function having a Dependency of the first (.DELTA.C1) and the second differential capacitance (.DELTA.C2) indicating the inclination angle, wherein the waveforms are phase-shifted by a surface pair rotation angle to each other.
15. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die beiden Flächenpaare (103, 105) um einen Rotationswinkel zueinander rotiert sind, und bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, um den Messwert für die Messgröße unter Berücksichtigung eines ersten Differenzkapazitätsmessgrößenzusammenhangs für die erste Differenzkapazität (ΔC1) und unter Berücksichtigung eines zweiten Differenzkapazitätsmess- größenzusammenhangs für die zweite Differenzkapazität (ΔC2) zu ermitteln, wobei der erste Differenzkapazi- tätsmessgrößenzusammenhang und der zweite Differenzka- pazitätsmessgrößenzusammenhang identisch, aber zueinander phasenverschoben sind, und wobei eine Phasenver- Schiebung von dem Rotationswinkel abhängt.15. Sensor (100) according to claim 13, wherein the two pairs of surfaces (103, 105) are rotated relative to one another by a rotation angle, and wherein the processing device (117) is designed to take into account the measured value for the measured variable determining a first differential capacitance measurement quantity relationship for the first difference capacitance (ΔC1) and taking into account a second differential capacitance measurement magnitude relationship for the second differential capacitance (ΔC2), the first differential capacitance measurement context and the second differential capacitance measurement relationship being identical but out of phase with each other, and wherein Phase shift depends on the rotation angle.
16. Sensor (100) gemäß Anspruch 15, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, einen Wert der ersten (ΔC1) und einen Wert der zweiten Differenzkapa- zität (C2) mit einer Nachschlagtabelle zu vergleichen und daraus den Messwert zu bestimmen.16. The sensor (100) according to claim 15, wherein the processing device (117) is configured to compare a value of the first (ΔC1) and a value of the second differential capacitance (C2) with a look-up table and to determine therefrom the measured value.
17. Sensor (100) gemäß Anspruch 16, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, den Wert der ersten Differenzkapazität (ΔC1) und den Wert der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) an eine Recheneinrichtung (133) zu übertragen, die ausgelegt ist, mittels einer Software, in der die Nachschlagtabelle implementiert ist, den Messwert zu bestimmen.17. A sensor according to claim 16, wherein the processing device is configured to transmit the value of the first differential capacitance and the value of the second differential capacitance to a computing device that is designed to by means of a Software in which the lookup table is implemented to determine the metric.
18. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, aus einem Wert der ersten Differenzkapazität (ΔC1) einen erste Messzwischenwert und einen zweiten Messzwischenwert zu ermitteln, und aus einem Wert der zweiten Differenzkapazität (ΔC2) einen dritten und einen vier- ten Messzwischenwert zu ermitteln, wobei ein Messzwischenwert aus dem ersten und dem zweiten Messzwischenwert gleich ist zu einem Messzwischenwert aus dem dritten und aus dem vierten Messzwischenwert, den ersten und den zweiten Messzwischenwert jeweils mit dem dritten und dem vierten Messzwischenwert zu vergleichen, um die beiden Messzwischenwerte zu identifizieren, die gleich sind, und in Abhängigkeit von den beiden gleichen Messzwischenwerten den Messwert zu ermitteln.18. The sensor according to claim 1, wherein the processing device is configured to determine a first measured intermediate value and a second measured intermediate value from a value of the first differential capacitance, and a value of the second differential capacitance (ΔC2) to determine a third and a fourth measured intermediate value, wherein a measured intermediate value of the first and the second measured intermediate value is equal to a measured intermediate value from the third and from the fourth measured intermediate value, the first and the second measured intermediate value respectively with the third and the Compare the fourth measurement intermediate value to identify the two measurement intermediate values that are the same, and to determine the measured value as a function of the two same measurement intermediate values.
19. Sensor (100) gemäß Anspruch 18, bei dem die Verarbeitungseinrichtung (117) ausgelegt ist, den ersten bis vierten Messzwischenwert in einen ersten bis vierten binären Funktionseingangswert umzuwandeln, und den ersten und den zweiten binären Funktionseingangswert jeweils mittels einer XOR-Funktion mit dem dritten und dem vierten binären Funktionseingangswert zu verknüpfen, um ein Paar aus den vier Paaren von verknüpften Funktionseingangswerten zu bestimmen, das einen binä- ren Funktionsausgangswert null liefert, und in Abhängigkeit von einem der beiden verknüpften Funktionseingangswerte in dem bestimmten Paar den Messwert zu bestimmen.The sensor (100) of claim 18, wherein the processing means (117) is adapted to convert the first to fourth measurement intermediate values into first to fourth binary input values, and the first and second binary input values to each of them by an XOR function third and fourth binary function input values to determine a pair of the four pairs of associated function input values that provides a binary function output value of zero, and to determine the measurement value in response to one of the two associated function input values in the particular pair.
20. Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 mit einer Ansteuerungseinrichtung (115), die ausgelegt ist, ein Schaltungselement so anzusteuern, dass, während die Kapazitätsmesseinrichtung die erste Diffe- renzkapazität (ΔC1) ermittelt, das Schaltungselement die erste Elektrode (103a) und die zweite Elektrode (103b) leitend miteinander verbindet, und während die Kapazitätsmesseinrichtung die zweite Differenzkapazi- tat (ΔC2) ermittelt, das Schaltungselement die dritte Elektrode (105a) und die vierte Elektrode (105b) leitend miteinander verbindet.20. A sensor according to claim 1, further comprising a drive device configured to drive a circuit element such that while the capacitance measurement device receives the first differential rence capacitance (ΔC1), the circuit element conductively connects the first electrode (103a) and the second electrode (103b), and while the capacitance measuring device detects the second differential capacitance (ΔC2), the circuit element detects the third electrode (105a) and the fourth one Conductively connects electrode (105b).
21. Sensor (100) gemäß Anspruch 20, bei dem das Schal- tungselement einen ersten Schalter (107) aufweist, der zwischen der ersten (103a) und der zweiten Elektrode (103b) angeordnet ist, und einen zweiten Schalter (109) aufweist, der zwischen der dritten (105a) und der vierten Elektrode (105b) angeordnet ist, wobei die Ansteuerungseinrichtung (115) ausgelegt ist, den ersten Schalter zu schließen und den zweiten Schalter zu öffnen, während die Kapazitätsmesseinrichtung die erste Differenzkapazität (ΔC1) ermittelt, und den ersten Schalter (107) zu öffnen und den zweiten Schalter (109) zu schließen, während die Kapazitätsmesseinrichtung die zweite Differenzkapazität (ΔC2) ermittelt.21. Sensor (100) according to claim 20, wherein the circuit element has a first switch (107) which is arranged between the first (103a) and the second electrode (103b) and has a second switch (109), which is arranged between the third (105a) and the fourth electrode (105b), wherein the driving means (115) is adapted to close the first switch and to open the second switch while the capacitance measuring device detects the first differential capacitance (ΔC1), and opening the first switch (107) and closing the second switch (109) while the capacitance measuring device detects the second differential capacitance (ΔC2).
22. Sensor (100) gemäß Anspruch 20, der einen Mikrocont- roller (133) aufweist, der die Ansteuerungseinrichtung (115) umfasst, wobei der MikroController (133) ausgelegt ist, während die Kapazitätsmesseinrichtung (111, 113) die erste Differenzkapazität (ΔC1) bestimmt, einen ersten Umschalter (137a), der an der ersten Elektrode (103a) angeschlossen ist, und einen zweiten Um- Schalter (137b) , der an der zweiten Elektrode (103b) angeschlossen ist, so zu schalten, dass die erste (103a) und die zweite (103b) Elektrode mit einem ersten Anschluss (135b) des Mikrocontrollers (133) verbunden sind, und einen dritten Umschalter (137c), der mit der dritten Elektrode (105a) verbunden ist, so zu schalten, dass ein zweiter Anschluss (135a) des MikroControllers (133) mit der dritten Elektrode (105a) verbunden ist, und einen vierten Umschalter (137d) , der mit der vierten Elektrode (105b) verbunden ist, so zu schalten, dass ein dritter Anschluss (135c) des Mikrocontrollers (133) mit der vierten Elektrode (105b) verbunden ist, und während die Kapazitätsmess- einrichtung (111, 113) die zweite Differenzkapazität (ΔC2) bestimmt, den ersten Umschalter (137a) so zu schalten, dass die erste Elektrode (103a) mit dem zweiten Anschluss (135a) des Mikrocontrollers (133) verbunden ist, und den zweiten Umschalter (137b) so zu schalten, dass die zweite Elektrode (103b) mit dem dritten Anschluss (135c) des Mikrocontrollers (133) verbunden ist, und den dritten (137c) und den vierten (137d) Umschalter so zu schalten, dass der erste Anschluss (135b) des Mikrocontrollers (133) mit der dritten (105a) und der vierten Elektrode (105b) verbunden ist. 22. Sensor (100) according to claim 20, which has a microcontroller (133), which comprises the drive device (115), wherein the microcontroller (133) is designed, while the capacitance measuring device (111, 113) the first differential capacitance (.DELTA.C1 ) determines to switch a first changeover switch (137a) connected to the first electrode (103a) and a second changeover switch (137b) connected to the second electrode (103b) so that the first one (137a) 103a) and the second (103b) electrode are connected to a first terminal (135b) of the microcontroller (133), and a third switch (137c) connected to the third electrode (105a) so as to switch a second one Terminal (135a) of the microcontroller (133) is connected to the third electrode (105a), and a fourth switch (137d), connected to the fourth electrode (105b), so that a third terminal (135c) of the microcontroller (133) is connected to the fourth electrode (105b), and while the capacitance measuring device (111, 113) is the second Difference capacitance (ΔC2) determines to switch the first switch (137a) so that the first electrode (103a) is connected to the second terminal (135a) of the microcontroller (133) and to switch the second switch (137b) so that the second electrode (103b) is connected to the third terminal (135c) of the microcontroller (133), and the third (137c) and the fourth (137d) switch are switched so that the first terminal (135b) of the microcontroller (133) is connected to the third (105a) and the fourth electrode (105b).
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