WO2012004028A1 - Erfassung eines dielektrischen gegenstandes - Google Patents

Erfassung eines dielektrischen gegenstandes Download PDF

Info

Publication number
WO2012004028A1
WO2012004028A1 PCT/EP2011/057577 EP2011057577W WO2012004028A1 WO 2012004028 A1 WO2012004028 A1 WO 2012004028A1 EP 2011057577 W EP2011057577 W EP 2011057577W WO 2012004028 A1 WO2012004028 A1 WO 2012004028A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
capacitances
capacitance
reference point
common reference
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/057577
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Hahl
Oliver Grossmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP11719002.5A priority Critical patent/EP2591345A1/de
Priority to CN2011800332425A priority patent/CN102959390A/zh
Priority to US13/808,699 priority patent/US9244104B2/en
Publication of WO2012004028A1 publication Critical patent/WO2012004028A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/266—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors measuring circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/088—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices operating with electric fields

Definitions

  • an electric field can be generated and then it can be determined whether the electric field is affected by the object.
  • two electric fields are generated by means of two adjacent electrodes, and a comparison of the capacitances at the two electrodes is carried out. If the capacities differ by more than a predetermined amount, it can be concluded that the object is present in the area of the electric fields.
  • This approach can be used for any type of article that has dielectric properties, such as a wooden beam in a lightweight wall.
  • the array of adjacent electrodes is sensitive to any type of electrical conductors in their environment.
  • the electrode assembly is therefore constructed at some spatial distance from an electrical circuit that performs the capacitance determinations.
  • the electrode arrangement may, for example, be arranged on the same circuit board as the circuit, with a horizontal distance of a few centimeters between the electrodes and the circuit. Alternatively, the electrode assembly may be mounted on a separate board so that there is some distance between the circuit and the electrodes in the vertical direction.
  • a device for detecting a dielectric object comprises a first and a second electrode, a first device for determining a first capacitance influenceable by the object between the first electrode and a common reference point and a second device for determining a second influenceable by the object Capacity between the second electrode and the ground point. Furthermore, a control device for controlling the devices and an evaluation device for detecting the object are provided, if the determined capacities differ by more than a predetermined amount.
  • control device is set up to control the device in such a way that the determinations take place successively, and a switching device is provided in order to electrically connect the electrode of the respectively non-activated device to the common reference point.
  • parasitic capacitances between the first and the second electrode can be connected in such a way that they do not influence the difference of the determinations.
  • the influence of parasitic capacitances in the differential capacitance determination can be minimized.
  • the procedure according to the invention of the sequential measurement with simultaneous short-circuiting of parasitic capacitances can be adapted to any number of electrodes or electrode pairs.
  • a third electrode Preferably, in the region of the first and the second electrode, a third
  • the third electrode can serve to achieve a shielding with respect to conductor tracks or electronic components in the region of the first two electrodes. Coupling capacitances that arise between the third and the first two electrodes are connected in the same way as the above-described parasitic capacitances, so that they do not influence the capacitance determination.
  • a measuring circuit can be made compact; In particular, a distance between an evaluation circuit and the electrodes can be reducible to less than ten millimeters, preferably approximately 1.6 millimeters, without sacrificing accuracy, which corresponds to the thickness of a conventional printed circuit board.
  • the third electrode may be arranged on a side of the first and the second electrode facing away from the dielectric object.
  • the means for determining the capacitances can be set up to emit time signals whose lengths each depend on the specific capacitances, and the evaluator can be set up to provide a time signal whose length depends on the difference of the capacitances.
  • the timing signals may be determined based on a charging or discharging operation of the capacitances.
  • the capacities can be determined with relatively low frequencies, which can increase the accuracy of the determination.
  • the time signal provided by the evaluation device can be integrated and compared with a threshold value. Such an evaluation can be constructed simply and reliably in a known manner.
  • the controller may be configured to periodically drive the first and second capacitance determining means at the same frequency, wherein a phase relationship between the periodic drivers is variable to compensate for different sized capacitances in the absence of the item.
  • a plurality of means for determining capacitances between an electrode and the common reference point can be provided, wherein the control device is set up to only one at a time to drive the devices, and the switching device is adapted to electrically connect the electrodes of all non-driven devices with the common reference point.
  • So can be carried out by means of spatially distributed electrodes, a sequence of a variety of capacity determinations.
  • a method of detecting a dielectric article comprises steps of determining a first capacitance between a first electrode and a ground point that can be influenced by the object, determining a second capacitance that can be influenced by the object between a second electrode and the common reference point, and detecting the object, if the determined capacities differ more by a predetermined amount.
  • the capacitances are determined successively and during the determination by means of one of the electrodes, the respective other electrode is electrically connected to the common reference point.
  • a computer program product comprises program code means for carrying out the method and can run on a processing device or be stored on a computer-readable data carrier.
  • Fig. 1 an electrode arrangement
  • FIG. 2 shows a measuring circuit based on the electrode arrangement from FIG. 1;
  • FIG. FIG. 3 shows a beam finder for driving the electrode arrangement from FIG. 2;
  • FIG. FIG. 4 is a timing diagram with progressions on the bar finder of FIG. 3;
  • Fig. 5 is a flow chart of a method for finding bars.
  • Description of exemplary embodiments 1 shows an electrode arrangement 100.
  • the electrode arrangement 100 illustrated in FIG. 1 a differential capacitance measurement is possible, so that the object 120 can be found or determined.
  • the electrode assembly 100 as a bar finder for detecting a in a
  • Electrode assembly 100 may also be used for level determination with a dielectric fluid, wherein the electrode assembly shown or adapted may be used. Other applications based on differential capacity determination are also possible.
  • Electrodes E0-E3 are applied on both sides of a transparent printed circuit board (board) 1 10 electrodes E0-E3 are applied.
  • the electrode E2 On the top of the circuit board 1 10 is the electrode E2, which is circulated in a U-shape of the electrode E1.
  • the electrode E1 in turn will rotate in a U-shape from the electrode E0.
  • the bottom of the circuit board 1 10 On the bottom of the circuit board 1 10 is the electrode E2, which is circulated in a U-shape of the electrode E1.
  • the electrode E1 in turn will rotate in a U-shape from the electrode E0.
  • the flat electrode E3 is opposite to the electrodes E0 to E2.
  • the electrodes E0 to E3 are in the form of copper surfaces, which are glued to the circuit board 1 10.
  • the electrodes E0 to E3 can be formed, for example, by an etching process on the printed circuit board 110, with which also further connecting elements are formed on the printed circuit board 110 for connecting electrical components.
  • Above the printed circuit board 110 and the electrode E0 is a dielectric article 120.
  • the electrode E3 is either not further connected or high impedance connected to a circuit, such as a controlled switch such as a transistor.
  • the electrode E3 is used to shield the electrodes E0 to E2 down. An influence of a measuring circuit or a measuring person mounted there on the electrodes E0 to E2 is minimized by the electrode E3. In someritasformen the electrode E3 can also be omitted.
  • Capacitors C1, C2, C12 and C3, which respectively set between the electrodes E0 to E3, are shown in the form of equivalent circuit diagrams.
  • the capacitance C1 is formed between the electrodes E0 and E1, with the electrode E0 grounded; accordingly, the capacitance between the electrodes E0 and
  • the electrode E0 may be connected to a other potential than ground, as long as this potential is usable as a fixed reference point for the determination of the capacitances C1 and C2, respectively.
  • the parasitic capacitance C12 Between the electrodes E1 and E2 there is the parasitic capacitance C12.
  • Another parasitic capacitance C3 is a series connection of partial capacitances between the electrodes E1 and E3 or E3 and E2.
  • the capacitances C1 and C2 are usually charged or discharged at the same time and a time difference is detected at the ends of the charging or discharging processes. If this time difference exceeds a predetermined time threshold, the dielectric object 120 is closed.
  • the parasitic capacitances C12 and C3 cause a coupling of the capacitances C1 and C2 with each other, so that a crosstalk occurs and the accuracy of the measurement, especially with only small differences between the capacitors C1 and C2, is reduced.
  • the parasitic capacitance C3 can also be adjusted if, instead of the electrode E3, another conductive structure is arranged in the region of the electrodes E1 and E2, for example an electrical component or an operating element.
  • FIG. 2 shows a measuring circuit 200 based on the electrode arrangement 100 from FIG. 1.
  • the illustrated measurement circuit 200 is an equivalent circuit diagram for explanatory purposes, for example, in an actual measurement circuit, the parasitic capacitances C12 and C3 would be minimized.
  • the electrode E0 is electrically connected to ground, so that the respective lower terminal of the capacitors C1 and C2 is grounded.
  • the upper terminals of the capacitors C1 and C2 are connected to each other by means of the parasitic capacitances C12 and C3.
  • the upper terminal of the capacitor C1 will be called test point A in the following.
  • Test point A is connected by means of a resistor R1 with a constant operating voltage, as symbolized by the arrow at the upper terminal of the resistor R1.
  • Test point B is connected to the operating voltage by means of a resistor R2.
  • a switch S1 is arranged in parallel with the capacitor C2 and a switch S2 in parallel with the capacitor C2.
  • Capacitance C1 is determined by charging capacitor C1 through resistor R1 and determining a time until the voltage at test point A has exceeded a predetermined threshold. This threshold is usually 2/3 of the operating voltage during charging and 1/3 of the operating voltage during discharging. The determined time is proportional to the capacity C1.
  • the value of the capacitance C1 changes, which can be detected by means of a changed time until the voltage at the test point A exceeds the threshold value.
  • the determination of the capacitance C2 is carried out in a similar manner by the capacitor C2 is charged by means of the resistor R2 and the voltage at the test point B is compared with a threshold value.
  • the parasitic capacitances C3 and C12 electrically couple the capacitances C1 and C2 so that, with the procedure described, an actual difference between the capacitances C1 and C2 is greater than a detectable difference.
  • the switch S2 can be closed while the capacitance C1 is determined or the switch S1 is closed while the capacitance C2 is determined. If the switch S2 is closed, the capacitance C2 is short-circuited and the parasitic capacitances C12 and C3 are parallel to the capacitance C1. The capacitance values add up so that the capacity
  • C1 + C12 + C3 is determined. Subsequently, the switch S2 is opened and the switch S1 is closed, so that the capacitance C2 + C12 + C3 can be determined. Since C12 and C3 are independent of the influence of a dielectric article 120, they both affect capacitance determinations to the same extent. A comparison of the time required to charge the capacitance C1 + C12 + C3 to a predetermined voltage with the time required for a corresponding charge of the capacitance C2 + C12 + C3 leaves the parasitic capacitances C12, C3 conditional constant share disappear. The resulting time difference is thus dependent on the capacitance C1 or C2 and the parasitic capacitances C12 and C3 do not affect the measurement. FIG.
  • FIG. 3 shows a bar finder 300 for driving the electrode arrangement 200 from FIG. 2.
  • a timer F1 is connected to the test point A and a timer F2 to the test point B. If a measurement is carried out, the corresponding connection of the timer connected to the test point A or B is of high resistance. Otherwise, the terminal is grounded, so that the functionality of the switch S1 or S2 is implemented.
  • a clock generator PWM provides a square wave signal in which the ratio between a high output signal (High) and a low output signal (Low) during each clock period can be affected.
  • the edge of the square wave signal provided by the clock generator triggers the timer FF1 and a falling edge triggers the timer FF2.
  • Unused terminals of the timer FF1 and FF2 are connected to ground or the supply voltage.
  • a non-inverting output Q of the timer FF2 is connected to the R input of an RS flip-flop FF3.
  • any other state memory may be used, such as a correspondingly connected T flip-flop.
  • the inverting output Q of the timer FF1 is connected to the S input of FF3.
  • a non-inverting output Q of FF3 is connected to an integrator composed of a transistor T1, a resistor R3 and a capacitor C4.
  • the output of the integrator is connected to a low-pass filter formed by a resistor R5 and a capacitor C5.
  • the output of the low-pass filter is connected to the noninverting input of an operational amplifier OV1 whose inverting input is supplied with a constant voltage provided by a resistor R6 and a Zener diode ZD1.
  • the operational amplifier OV works as a comparator. If the voltage applied to the non-inverting input exceeds the voltage applied to the inverting input, the output of the operational amplifier OV 1 is set to a positive value (High).
  • a window comparator whose output emits a signal which indicates whether the voltage provided by the low-pass filter is between two predetermined threshold values. values or not.
  • the output of the operational amplifier OV1 is connected to a terminal K.
  • the components connected to the output Q of the RS flip-flop FF3 serve to provide a positive signal at the terminal K when a pulse occurring periodically at the output Q of FF3 exceeds a predetermined length. This corresponds to a predetermined difference between the capacitances C1 and C2 caused by the dielectric article 120 in the region of the electrodes E0, E1 and E2.
  • the signal at the terminal K corresponds to the determination of the dielectric article 120.
  • the flip-flops FF1 to FF3 serve to alternately determine and compare the capacitances C1 and C2. By the chosen circuit arrangement it can be avoided to buffer a value indicative of the capacitance of one of the capacitances C1, C2, while the other capacitance C2, C1 is determined.
  • the capacitances C1 and C2 can also be determined in a number of other ways, or the pulses shown above can be evaluated. For example, by the timer
  • FF1 and FF2 provided pulses first integrated and only then compared.
  • one of the pulses can be inverted and shifted downwards by the voltage difference (high-low), in order then to be supplied to an integrator.
  • Both the comparison and the evaluation can be carried out by means of a digital microcomputer, whereby an analogue
  • the capacitances C1 and C2 may also be converted to digital values by means of a determination method other than the timers FF1 and FF2.
  • each of the capacitances C1 and C2 may be determined by means of an oscillator and frequencies of the oscillators may be subtracted from each other.
  • FIG. 4 shows a time chart 400 with progressions on the bar finder 300 from FIG. 3.
  • a time is plotted in the horizontal direction. From top to bottom, four courses are offered.
  • the uppermost path 410 corresponds to the output Q of the clock generator PWM.
  • the following courses 420 and 430 correspond to the outputs Q of the timers FF1 and FF2, respectively. It should be noted that although in Fig. 3, the output Q of the timer FF1 is not wired, the
  • History 420 refers to this output and not to the wired output Q.
  • the fourth curve 440 corresponds to the output Q of the RS flip-flop FF3.
  • the clock generator PWM generates the symmetrical square wave signal shown in the course 410.
  • a positive portion Tp and a negative portion Tn are the same length.
  • the trace 410 may also generate an asymmetric signal in which Tp and Tn are unequal in length.
  • the rising edge of the first waveform 410 triggers the first timer FF1 to begin determining the capacitance of C1.
  • the output Q of the first timer FF1 is set high, and the capacitor C1 is charged via the resistor R1, at which time the output Q of the second timer FF2 is low, which corresponds to a closed switch S2 in FIG ,
  • the voltage at test point A has exceeded a predetermined threshold and the measurement is completed.
  • the trace 420 returns to "low.”
  • the pulse duration Pw1 in the course 420 between t0 and t1 depends on the determined capacitance of C1.
  • a corresponding determination of the capacitance C2 begins at time C2 with the falling edge of the curve 410. At time t3, the determination is completed and the pulse duration Pw2 of the curve 430 is dependent on the specific capacitance of C2.
  • the RS flip-flop FF3 is set in each case by the falling edge of the profile 430 and is reset by the falling edge of the profile 420.
  • the setting takes place at the times tO or t3, the reset at the times t1 and t4.
  • Fig. 5 shows a method 500 for detecting a dielectric article
  • the method 500 includes steps 510-560.
  • a clock is generated for controlling the capacitance measurements of C1 and C2.
  • the first capacitance C1 and in step 530 the second capacitance C2 are determined.
  • the method 500 returns to the beginning and traverses again, in step 540 the difference of the two determined capacities is determined. Thereafter, the determined difference is compared to a threshold in step 550. If the determined difference deviates from the threshold by more than a predetermined amount, it is concluded that the dielectric object 120 is present in the region of the electrodes E0 to E2. In step 560, this result is output.
  • the output can be made, for example, in a visual and / or acoustic manner to a user of the beam finder 300.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung (300) zur Erfassung eines dielektrischen Gegenstandes (120) umfasst eine erste (E1) und eine zweite Elektrode (E2), eine erste Einrichtung (FF1) zur Bestimmung einer ersten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität (C1) zwischen der ersten Elektrode und einem gemeinsamen Bezugspunkt (E0) und eine zweite Einrichtung (FF2) zur Bestimmung einer zweiten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität (C2) zwischen der zweiten Elektrode und dem Massepunkt. Ferner sind eine Steuereinrichtung (PWM) zur Ansteuerung der Einrichtungen und eine Auswerteeinrichtung (FF3) zur Erfassung des Gegenstandes vorgesehen, falls sich die bestimmten Kapazitäten um mehr als ein vorbestimmtes Mass unterscheiden. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Einrichtungen derart anzusteuern, dass die Bestimmungen nacheinander erfolgen, und es ist eine Schalteinrichtung (S1, S2, FF1, FF2) vorgesehen, um die Elektrode der jeweils nicht angesteuerten Einrichtung elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt zu verbinden.

Description

Beschreibung
Titel
Erfassung eines dielektrischen Gegenstandes
Stand der Technik
Zur kapazitiven Ortung eines dielektrischen Gegenstands kann ein elektrisches Feld erzeugt und dann bestimmt werden, ob das elektrische Feld durch den Gegenstand beeinflusst ist. in einer Variante werden mittels zwei nebeneinander liegender Elektroden zwei elektrische Felder erzeugt und ein Vergleich der Kapazitäten an den beiden Elektroden durchgeführt. Unterscheiden sich die Kapazitäten um mehr als ein vorbestimmtes Maß, so kann auf ein Vorhandensein des Gegenstands im Bereich der elektrischen Felder geschlossen werden. Diese Vorgehensweise kann für jede Art von Gegenstand verwendet werden, der dielektrische Eigenschaften hat, beispielsweise ein Holzbalken in einer Leichtbauwand.
Die Anordnung aus nebeneinander liegenden Elektroden ist empfindlich gegenüber jeder Art von elektrischen Leitern in ihrer Umgebung. Die Elektrodenanordnung wird daher in einer gewissen räumlichen Entfernung zu einem elektrischen Schaltkreis aufgebaut, der die Kapazitätsbestimmungen durchführt. Die Elektrodenanordnung kann beispielsweise auf der gleichen Leiterplatte wie der Schaltkreis angeordnet sein, wobei zwischen den Elektroden und dem Schaltkreis ein horizontaler Abstand von einigen Zentimetern besteht. Alternativ dazu kann die Elektrodenanordnung auf einer separaten Platine angebracht sein, so dass in vertikaler Richtung ein gewisser Abstand zwischen dem Schaltkreis und den Elektroden liegt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines dielektrischen Gegenstands anzugeben, die eine verbesserte Raumausnutzung erlauben. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines dielektrischen Gegenstands umfasst eine erste und eine zweite Elektrode, eine erste Einrichtung zur Bestimmung einer ersten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität zwi- sehen der ersten Elektrode und einem gemeinsamen Bezugspunkt und eine zweite Einrichtung zur Bestimmung einer zweiten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und dem Massepunkt. Ferner sind eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Einrichtungen und eine Auswerteeinrichtung zur Erfassung des Gegenstands vorgesehen, falls sich die bestimmten Kapazitäten um mehr als ein vorbestimmtes Maß unterscheiden.
Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Einrichtung derart anzusteuern, dass die Bestimmungen nacheinander erfolgen, und es ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, um die Elektrode der jeweils nicht angesteuerten Einrichtung elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt zu verbinden. Vorteil- hafterweise können dadurch parasitäre Kapazitäten zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verschaltet werden, dass sie die Differenz der Bestimmungen nicht beeinflussen.
Durch die Erfindung kann der Einfluss parasitärer Kapazitäten bei der differentiel- len Kapazitätsbestimmung minimiert werden. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise der sequentiellen Messung bei gleichzeitigem Kurzschließen parasitärer Kapazitäten lässt sich auf beliebig viele Elektroden bzw. Elektrodenpaare ausdehmen. Vorzugsweise ist im Bereich der ersten und der zweiten Elektrode eine dritte
Elektrode angeordnet. Die dritte Elektrode kann dazu dienen, eine Abschirmung bezüglich Leiterbahnen bzw. elektronischen Bauelementen im Bereich der ersten beiden Elektroden zu erzielen. Koppelkapazitäten, die dabei zwischen der dritten und den ersten beiden Elektroden entstehen, werden wie die oben beschriebe- nen parasitären Kapazitäten verschaltet, so dass sie die Kapazitätsbestimmung nicht beeinflussen. Dadurch kann eine Messchaltung kompakt aufgebaut werden; insbesondere kann ein Abstand zwischen einer Auswertungsschaltung und den Elektroden ohne Einbußen bei der Genauigkeit bis auf weniger als zehn Millimeter, vorzugsweise ca. 1 ,6 Millimeter reduzierbar sein, was der Dicke einer üblichen Leiterplatte entspricht.
Die dritte Elektrode kann auf einer dem dielektrischen Gegenstand abgewandten Seite der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet sein. Dadurch kann ein raumsparender Aufbau der Elektroden und der mit den Elektroden verbundenen Baugruppen zur Auswertung der Elektrodensignale erzielt werden. Eine Vertei- lung der Baugruppen und Elektroden auf mehrere Leiterplatten oder eine Einhaltung eines großen Abstands zwischen den Elektroden und den Baugruppen ist nicht erforderlich.
Die Einrichtungen zur Bestimmung der Kapazitäten können dazu eingerichtet sein, Zeitsignale abzugeben, deren Längen jeweils von den bestimmten Kapazitäten abhängig sind, und die Auswerteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Zeitsignal bereitzustellen, dessen Länge von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist. Die Zeitsignale können auf der Basis eines Auflade- oder Entladevorgangs der Kapazitäten bestimmt werden. So können die Kapazitäten mit rela- tiv niedrigen Frequenzen bestimmt werden, was eine Genauigkeit der Bestimmung steigern kann. Das von der Auswerteeinrichtung bereitgestellte Zeitsignal kann integriert und mit einem Schwellenwert verglichen werden. Eine derartige Auswertung kann auf bekannte Weise einfach und zuverlässig aufgebaut werden.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die erste und die zweite Einrichtung zur Bestimmung einer Kapazität mit der gleichen Frequenz periodisch anzusteuern, wobei eine Phasenbeziehung zwischen den periodischen Ansteue- rungen variierbar ist, um unterschiedlich große Kapazitäten in Abwesenheit des Gegenstands zu kompensieren. So kann eine einfache und effiziente Synchronisierung der Vorgänge zur Bestimmung der Kapazitäten mit einer einfachen Kalib- rierbarkeit der Vorrichtung kombiniert werden.
Es kann eine Vielzahl von Einrichtungen zur Bestimmung von Kapazitäten zwi- sehen einer Elektrode und dem gemeinsamen Bezugspunkt vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zu jedem Zeitpunkt nur eine der Einrichtungen anzusteuern, und die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, die Elektroden aller nicht angesteuerten Einrichtungen elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt zu verbinden.
So kann mittels räumlich verteilten Elektroden eine Abfolge einer Vielzahl von Kapazitätsbestimmungen durchgeführt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erfassen eines dielektrischen Gegenstands umfasst Schritte des Bestimmens einer ersten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität zwischen einer ersten Elektrode und einem Massepunkt, des Bestimmens einer zweiten durch den Gegenstand beeinflussbaren Kapazität zwischen einer zweiten Elektrode und dem gemeinsamen Bezugspunkt und des Erfassens des Gegenstands, falls sich die bestimmten Kapazitäten um mehr ein vorbestimmtes Maß unterscheiden. Dabei werden die Kapazitäten nacheinander bestimmt und während der Bestimmung mittels einer der Elektroden wird die jeweils andere Elektrode elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbunden.
Schließlich umfasst ein Computerprogrammprodukt Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens und kann auf einer Verarbeitungseinrichtung ablaufen oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Elektrodenanordnung;
Fig. 2 eine Messschaltung auf der Basis der Elektrodenanordnung aus Fig. 1 ; Fig. 3 einen Balkenfinder zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung aus Fig. 2; Fig. 4 ein Zeitdiagramm mit Verläufen am Balkenfinder aus Fig. 3; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Balkenfinden darstellt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Fig. 1 zeigt eine Elektrodenanordnung 100. Mit der in Fig. 1 dargestellten Elektrodenanordnung 100 ist eine differentielle Kapazitätsmessung möglich, so dass der Gegenstand 120 aufgefunden oder bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung 100 als Balkenfinder zur Erfassung eines in einer
Leichtbauwand verborgenen Holzbalkens verwendet werden. Alternativ kann die Elektrodenanordnung 100 auch zur Füllstandsbestimmung mit einer dielektrischen Flüssigkeit verwendet werden, wobei die gezeigte oder eine angepasste Elektrodenanordnung verwendet werden kann. Weitere Anwendungen, die auf einer differentiellen Kapazitätsbestimmung basieren, sind ebenfalls möglich.
Zu beiden Seiten einer transparent dargestellten Leiterplatte (Platine) 1 10 sind Elektroden E0-E3 aufgebracht. Auf der Oberseite der Leiterplatte 1 10 liegt die Elektrode E2, die U-förmig von der Elektrode E1 umlaufen wird. Die Elektrode E1 wiederum wird U-förmig von der Elektrode E0 umlaufen. Auf der Unterseite der
Leiterplatte 1 10 liegt die flächige Elektrode E3 den Elektroden E0 bis E2 gegenüber. Die Elektroden E0 bis E3 sind in Form von Kupferflächen ausgebildet, die mit der Leiterplatte 1 10 verklebt sind. Die Elektroden E0 bis E3 können beispielsweise durch einen Ätzprozess auf der Leiterplatte 1 10 ausgebildet werden, mit dem auch weitere Verbindungselemente auf der Leiterplatte 1 10 zur Verbindung von elektrischen Bauelementen ausgebildet werden. Oberhalb der Leiterplatte 1 10 und der Elektrode E0 befindet sich ein dielektrischer Gegenstand 120.
Während die Elektroden E0 bis E2 mit elektrischen Bauelementen verbunden sind, ist die Elektrode E3 entweder nicht weiter verbunden oder hochohmig mit einer Schaltung verbindbar, etwa durch einen gesteuerten Schalter wie einen Transistor. Die Elektrode E3 dient dem Abschirmen der Elektroden E0 bis E2 nach unten. Ein Einfluss einer dort angebrachten Messschaltung oder einer Messperson auf die Elektroden E0 bis E2 wird durch die Elektrode E3 minimiert. In einigen Ausüfhrungsformen kann die Elektrode E3 auch entfallen.
Kapazitäten C1 , C2, C12 und C3, die sich jeweils zwischen den Elektroden E0 bis E3 einstellen, sind in Form von Ersatzschaltbildern eingezeichnet. Die Kapazität C1 ist zwischen den Elektroden E0 und E1 gebildet, wobei die Elektrode E0 an Masse liegt; entsprechend ist die Kapazität zwischen den Elektroden E0 und
E2 gebildet. In anderen Ausführungsformen kann die Elektrode E0 mit einem bliebigen anderen Potential als Masse verbunden sein, so lange dieses Potential als unveränderlicher Bezugspunkt für die Bestimmung der Kapazitäten C1 bzw. C2 verwendbar ist. Zwischen den Elektroden E1 und E2 besteht die parasitäre Kapazität C12. Eine weitere parasitäre Kapazität C3 besteht in einer Reihenschaltung von Teilkapazitäten zwischen den Elektroden E1 und E3 bzw. E3 und E2.
Zur differentiellen Erfassung des dielektrischen Gegenstands 120 werden üblicherweise die Kapazitäten C1 und C2 zeitgleich aufgeladen oder entladen und ein zeitlicher Unterschied den Enden der Auf- bzw. Entladevorgänge erfasst. Übersteigt dieser zeitliche Unterschied einen vorbestimmten zeitlichen Schwellenwert, so wird auf den dielektrischen Gegenstand 120 geschlossen.
Die parasitären Kapazitäten C12 und C3 bewirken eine Koppelung der Kapazitäten C1 und C2 miteinander, so dass ein Übersprechen eintritt und die Genauigkeit der Messung, insbesondere bei nur geringen Unterschieden zwischen den Kapazitäten C1 und C2, verringert ist. Die parasitäre Kapazität C3 kann sich auch dann einstellen, wenn anstelle der Elektrode E3 eine andere leitfähige Struktur im Bereich der Elektroden E1 und E2 angeordnet ist, beispielsweise ein elektrisches Bauelement oder ein Bedienelement.
Fig. 2 zeigt eine Messschaltung 200 auf der Basis der Elektrodenanordnung 100 aus Fig. 1 . Die dargestellte Messschaltung 200 ist ein Ersatzschaltbild zu Erläuterungszwecken, bei einer tatsächliche Messschaltung wären etwa die parasitären Kapazitäten C12 und C3 minimiert. Die Elektrode E0 ist elektrisch mit Masse verbunden, so dass der jeweils untere Anschluss der Kapazitäten C1 und C2 an Masse liegt. Die oberen Anschlüsse der Kapazitäten C1 und C2 sind mittels der parasitären Kapazitäten C12 und C3 miteinander verbunden. Der obere Anschluss der Kapazität C1 wird im Folgenden Testpunkt A genannt. Testpunkt A ist mittels eines Widerstands R1 mit einer konstanten Betriebsspannung verbunden, wie durch den Pfeil am oberen Anschluss des Widerstands R1 symbolisiert ist. In entsprechender Weise wird der obere Anschluss der Kapazität C2 im Folgenden Testpunkt B genannt. Testpunkt B ist mittels eines Widerstandes R2 mit der Betriebsspannung verbunden. Ein Schalter S1 ist parallel zur Kapazität C2 und ein Schalter S2 parallel zur Kapazität C2 angeordnet. Die Bestimmung der Kapazität C1 erfolgt, indem die Kapazität C1 über den Widerstand R1 aufgeladen und eine Zeit bestimmt wird, bis die Spannung am Testpunkt A einen vorbestimmten Schwellenwert überschritten hat. Dieser Schwellenwert liegt üblicherweise bei 2/3 der Betriebsspannung beim Aufladen und 1/3 der Betriebsspannung beim Entladen. Die bestimmte Zeit ist proportional zur Kapazität C1. Befindet sich ein dielektrischer Gegenstand 120 im Bereich der Elektroden E1 und E0, welche die Kapazität C1 bilden, so verändert sich der Wert der Kapazität C1 , was anhand einer geänderten Zeit, bis die Spannung am Testpunkt A den Schwellenwert übersteigt, detektiert werden kann. Die Bestimmung der Kapazität C2 erfolgt in entsprechender Weise, indem die Kapazität C2 mittels der Widerstandes R2 aufgeladen wird und die Spannung am Testpunkt B mit einem Schwellenwert verglichen wird.
Die parasitären Kapazitäten C3 und C12 koppeln die Kapazitäten C1 und C2 elektrisch, so dass mit der beschriebenen Vorgehensweise ein tatsächlicher Unterschied zwischen den Kapazitäten C1 und C2 größer ist als ein nachweisbarer Unterschied.
Werden die Kapazitäten C1 und C2 nicht gleichzeitig, sondern nacheinander bestimmt, so kann der Schalter S2 geschlossen werden, während die Kapazität C1 bestimmt wird bzw. der Schalter S1 geschlossen werden, während die Kapazität C2 bestimmt wird. Wird der Schalter S2 geschlossen, so ist die Kapazität C2 kurzgeschlossen und die parasitären Kapazitäten C12 und C3 liegen parallel zur Kapazität C1 . Die Kapazitätswerte addieren sich, so dass die Kapazität
C1 +C12+C3 bestimmt wird. Anschließend wird der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S1 geschlossen, so dass die Kapazität C2+C12+C3 bestimmt werden kann. Nachdem C12 und C3 unabhängig vom Einfluss eines dielektrischen Gegenstands 120 sind, betreffen sie beide Kapazitätsbestimmungen im gleichen Maße. Ein Vergleich der Zeit, die erforderlich ist, die Kapazität C1 +C12+C3 auf eine vorbestimmte Spannung aufzuladen, mit der Zeit, die für eine entsprechende Aufladung der Kapazität C2+C12+C3 erforderlich ist, lässt den durch die parasitären Kapazitäten C12, C3 bedingten konstanten Anteil wegfallen. Die resultierende Zeitdifferenz ist somit von der Kapazität C1 bzw. C2 abhängig und die parasitären Kapazitäten C12 und C3 beeinflussen die Messung nicht. Fig. 3 zeigt einen Balkenfinder 300 zur Ansteuerung der Elektrodenanordnung 200 aus Fig. 2. Ein Zeitglied F1 ist mit dem Testpunkt A und ein Zeitglied F2 mit dem Testpunkt B verbunden. Wird eine Messung durchgeführt, so ist der entsprechende, mit dem Testpunkt A bzw. B verbundene Anschluss des Zeitglieds hochohmig. Andernfalls wird der Anschluss auf Masse gelegt, so dass die Funktionalität des Schalters S1 bzw. S2 implementiert ist.
Ein Taktgenerator PWM stellt ein Rechtecksignal bereit, bei dem das Verhältnis zwischen einem hohen Ausgangssignal (High) und einem niedrigeren Ausgangs- signal (Low) während jeder Taktperiode beeinflusst werden kann. Eine steigende
Flanke des vom Taktgenerator PWM bereitgestellten Rechtecksignals triggert das Zeitglied FF1 und eine fallende Flanke triggert das Zeitglied FF2. Unbenutzte Anschlüsse der Zeitglieds FF1 und FF2 sind mit Masse bzw. der Versorgungsspannung verbunden.
Ein nicht invertierender Ausgang Q des Zeitglieds FF2 ist mit dem R-Eingang eines RS-Flipflops FF3 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann auch ein beliebiger ander Zustandsspeicher verwendet werden, etwa ein entsprechend beschaltetes T-Flipflop. Der invertierende Ausgang Q des Zeitglieds FF1 ist mit dem S-Eingang von FF3 verbunden. Ein nicht invertierender Ausgang Q von FF3 ist mit einem Integrator verbunden, der aus einem Transistor T1 , einem Widerstand R3 und einem Kondensator C4 aufgebaut ist. Der Ausgang des Integrators ist mit einem Tiefpass-Filter verbunden, der durch einen Widerstand R5 und einen Kondensator C5 gebildet ist.
Der Ausgang des Tiefpass-Filters ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OV1 verbunden, dessen invertierender Eingang mit einer konstanten Spannung beaufschlagt ist, die durch einen Widerstand R6 und eine Zenerdiode ZD1 bereitgestellt ist. Der Operationsverstärker OV arbeitet als Kom- parator. Übersteigt die am nichtinvertierenden Eingang anliegende Spannung die am invertierenden Eingang anliegende Spannung, so wird der Ausgang des Operationsverstärkers OV 1 auf einen positiven Wert (High) gesetzt. Alternativ zu dem gezeigten einfachen Komparator kann auch ein Fensterkomparator eingesetzt werden, dessen Ausgang ein Signal abgibt, das anzeigt, ob die vom Tief- pass-Filter bereitgestellte Spannung zwischen zwei vorbestimmten Schwellen- werten liegt oder nicht. Der Ausgang des Operationsverstärkers OV1 ist mit einer Klemme K verbunden.
Die mit dem Ausgang Q des RS-Flipflops FF3 verbundenen Bauelemente dienen dazu, an der Klemme K ein positives Signal bereitzustellen, wenn ein periodisch am Ausgang Q von FF3 auftretender Impuls eine vorbestimmte Länge überschreitet. Dies entspricht einem vorbestimmten Unterschied zwischen den Kapazitäten C1 und C2, der durch den dielektrischen Gegenstand 120 im Bereich der Elektroden E0, E1 und E2 hervorgerufen ist. Das Signal an der Klemme K kor- respondiert zum Bestimmen des dielektrischen Gegenstands 120.
Die Flipflops FF1 bis FF3 dienen dazu, die Kapazitäten C1 und C2 abwechselnd zu bestimmen und miteinander zu vergleichen. Durch die gewählte Schaltungsanordnung kann es vermieden werden, einen Wert zwischenzuspeichern, der auf die Kapazität einer der Kapazitäten C1 , C2 hinweist, während die andere Kapazität C2, C1 bestimmt wird.
Abweichend von der Darstellung von Fig. 3 können die Kapazitäten C1 und C2 auch auf eine Anzahl weiterer Weisen bestimmt werden bzw. die oben gezeigten Impulse ausgewertet werden. Beispielsweise können die durch die Zeitglieds
FF1 und FF2 bereitgestellten Impulse zuerst integriert und erst dann miteinander verglichen werden. Alternativ kann einer der Impulse invertiert und um die Spannungsdifferenz (High - Low) nach unten verschoben werden, um dann einem Integrator zugeführt zu werden. Sowohl der Vergleich als auch die Auswertung können mittels eines digitalen Mikrocomputers erfolgen, wobei eine Analog-
Digital-Wandlung und/oder eine Digital-Analog-Wandlung durchgeführt werden können. Die Kapazitäten C1 und C2 können auch mittels eines anderen Bestimmungsverfahrens als durch die Zeitglieds FF1 und FF2 in digitale Werte umgewandelt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann jede der Kapazitäten C1 und C2 mittels eines Oszillators bestimmt werden und Frequenzen der Oszillatoren voneinander subtrahiert werden.
Die Funktionsweise der miteinander verschalteten Flipflops FF1 bis FF3 von Fig. 3 wird nun mit Bezug auf Fig. 4 näher erläutert. Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm 400 mit Verläufen am Balkenfinder 300 aus Fig. 3. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Von oben nach unten sind vier Verläufe angetragen. Der oberste Verlauf 410 korrespondiert zum Ausgang Q des Taktgenerators PWM. Die folgenden Verläufe 420 und 430 korrespondieren zu den Ausgängen Q der Zeitglieder FF1 bzw. FF2. Es ist zu beachten, dass, obwohl in Fig. 3 der Ausgang Q des Zeitglieds FF1 nicht verdrahtet ist, sich der
Verlauf 420 auf diesen Ausgang und nicht auf den verdrahteten Ausgang Q bezieht. Der vierte Verlauf 440 korrespondiert zum Ausgang Q des RS-Flipflops FF3.
Innerhalb eines Zyklus T erzeugt der Taktgenerator PWM das im Verlauf 410 dargestellte symmetrische Rechtecksignal. Ein positiver Anteil Tp und ein negativer Anteil Tn sind gleich lang. In anderen Ausführungsformen kann durch den Verlauf 410 auch ein asymmetrisches Signal generiert werden, bei dem Tp und Tn ungleich lang sind. Zum Zeitpunkt tO wird mit der steigenden Flanke des ersten Verlaufs 410 das erste Zeitglied FF1 getriggert, um eine Bestimmung der Kapazität von C1 zu beginnen. Der Ausgang Q des ersten Zeitglieds FF1 wird auf „High" gesetzt und die Kapazität C1 wird über den Widerstand R1 geladen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ausgang Q des zweiten Zeitglieds FF2 auf„Low", was einem geschlossenen Schalter S2 in Fig. 2 entspricht.
Zum Zeitpunkt t1 hat die Spannung am Testpunkt A einen vorbestimmten Schwellenwert überschritten und die Messung ist beendet. Der Verlauf 420 schaltet auf„Low" zurück. Die Impulsdauer Pw1 im Verlauf 420 zwischen tO und t1 ist abhängig von der bestimmten Kapazität von C1.
Eine entsprechende Bestimmung der Kapazität C2 beginnt zum Zeitpunkt C2 mit der fallenden Flanke des Verlaufs 410. Zum Zeitpunkt t3 ist die Bestimmung abgeschlossen und die Impulsdauer Pw2 des Verlaufs 430 ist abhängig von der bestimmten Kapazität von C2.
Um die Impulsdauern Pw1 und Pw2 miteinander zu vergleichen, wird das RS- Flipflop FF3 jeweils von der fallenden Flanke des Verlaufs 430 gesetzt und von der fallenden Flanke des Verlaufs 420 zurückgesetzt. Das Setzen erfolgt zu den Zeitpunkten tO bzw. t3, das Rücksetzen zu den Zeitpunkten t1 bzw. t4. Sind die
Kapazitäten von C1 und C2 gleich, so sind die Impulslängen Pw1 und Pw2 gleich lang und der Verlauf 440 ist ein symmetrisches Rechtecksignal. Mit anderen Worten, in diesem Fall ist Pw3 im Verlauf 440 genau so lang wie Tp oder Tn im Verlauf 410. Durch Integrieren des Verlaufs 440 kann eine Spannung bereitgestellt werden, die dem Verhältnis zwischen High- und Low-Zeit des Verlaufs 440 entspricht, und diese Spannung kann nach Durchlaufen eines Tiefpassfilters mit einer konstanten Spannung verglichen werden. Liegt die vom Tiefpass bereitgestellte Spannung um mehr als ein vorbestimmtes Maß von der konstanten Spannung ent- fernt, so weist das Signal des Verlaufs 440 ein Imnpuls-Pause-Verhältnis auf, welches auf das Vorliegen eines dielektrischen Gegenstands 120 im Bereich der Elektroden E0 bis E2 in Fig. 1 schließen lässt.
Asymmetrien, die durch Bauteilstreuungen oder durch parasitäre Effekte zwi- sehen den Bauelementen bedingt sein können, lassen sich dadurch kompensieren, dass das Rechtecksignal des vierten Verlaufs 440 in geeignetem Maße asymmetrisch gemacht wird. Der Balkenfinder 100 kann auf diese Weise justierbar ausgelegt werden. Fig. 5 zeigt ein Verfahren 500 zum Erfassen eines dielektrischen Gegenstands
120. Das Verfahren 500 umfasst Schritte 510 bis 560. In einem ersten Schritt 510 wird ein Takt zur Steuerung der Kapazitätsmessungen von C1 und C2 erzeugt. Im Schritt 520 wird die erste Kapazität C1 und im Schritt 530 die zweite Kapazität C2 bestimmt. Während das Verfahren 500 zum Anfang zurückkehrt und erneut durchläuft, wird im Schritt 540 die Differenz der beiden bestimmten Kapazitäten bestimmt. Danach wird die bestimmte Differenz im Schritt 550 mit einem Schwellenwert verglichen. Weicht die bestimmte Differenz um mehr als ein vorbestimmtes Maß von dem Schwellenwert ab, so wird auf ein Vorliegen des dielektrischen Gegenstands 120 im Bereich der Elektroden E0 bis E2 geschlossen. Im Schritt 560 erfolgt ein Ausgeben dieses Ergebnisses. Das Ausgeben kann beispielsweise auf optische und/oder akustische Weise an einen Benutzer des Balkenfinders 300 erfolgen.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung (300) zur Erfassung eines dielektrischen Gegenstandes (120), wobei die Vorrichtung (300) folgende Elemente umfasst:
- eine erste (E1 ) und eine zweite Elektrode (E2);
- eine erste Einrichtung (FF1 ) zur Bestimmung einer ersten durch den Gegenstand (120) beeinflussbaren Kapazität (C1 ) zwischen der ersten Elektrode (E1 ) und einem gemeinsamen Bezugspunkt (E0);
- eine zweite Einrichtung (FF2) zur Bestimmung einer zweiten durch den Gegenstand (120) beeinflussbaren Kapazität (C2) zwischen der zweiten Elektrode (E2) und dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0);
- eine Steuereinrichtung (PWM) zur Ansteuerung der Einrichtungen;
- eine Auswerteeinrichtung (FF3) zur Erfassung des Gegenstandes (120), falls sich die bestimmten Kapazitäten (C1 , C2) um mehr als ein vorbestimmtes Maß unterscheiden;
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuereinrichtung (PWM) dazu eingerichtet ist, die Einrichtungen
(FF1 , FF2) derart anzusteuern, dass die Bestimmungen nacheinander erfolgen, und
- eine Schalteinrichtung (S2, S1 , FF2, FF1 ) vorgesehen ist, um die Elektrode (E2, E1 ) der jeweils nicht angesteuerten Einrichtung (FF2, FF1 ) elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0) zu verbinden.
2. Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten (E1 ) und der zweiten Elektrode (E2) eine dritte Elektrode (E3) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (E3) auf einer dem dielektrischen Gegenstand abgewandten Seite der ersten (E1 ) und der zweiten Elektrode (E2) angeordnet ist. Vorrichtung (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (FF1 , FF2) zur Bestimmung der Kapazitäten (C1 , C2) dazu eingerichtet sind, Zeitsignale (PW1 , PW2) abzugeben, deren Längen jeweils von den bestimmten Kapazitäten (C1 , C2) abhängig sind, und dass die Auswerteeinrichtung (FF3) dazu eingerichtet ist, ein Zeitsignal (PW3) bereitzustellen, dessen Länge von der Differenz der Kapazitäten (C1 , C2) abhängig ist.
Vorrichtung (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (PWM) dazu eingerichtet ist, die erste (FF1 ) und die zweite Einrichtung (FF2) zur Bestimmung einer der Kapazitäten (C1 , C2) mit der gleichen Frequenz periodisch anzusteuern, wobei eine Phasenbeziehung zwischen den periodischen Ansteuerungen variierbar ist, um unterschiedlich große Kapazitäten (C1 , C2) in Abwesenheit des Gegenstandes (120) zu kompensieren.
Vorrichtung (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Einrichtungen (FF1 , FF2) zur Bestimmung von Kapazitäten (C1 , C2) zwischen einer Elektrode (E1 , E2) und dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0) vorgesehen sind, wobei die Steuereinrichtung (PWM) dazu eingerichtet ist, zu jedem Zeitpunkt nur eine der Einrichtungen (FF1 , FF2) anzusteuern und die Schalteinrichtung (S1 , S2) dazu eingerichtet ist, die Elektroden (E1 , E2) aller nicht angesteuerten Einrichtungen (FF1 , FF2) elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0) zu verbinden.
Verfahren (500) zum Erfassen eines dielektrischen Gegenstandes (120), folgende Schritte umfassend:
- Bestimmen (520) einer ersten durch den Gegenstand (120) beeinflussbaren Kapazität (C1 ) zwischen einer ersten Elektrode (E1 ) und einem gemeinsamen Bezugspunkt (E0);
- Bestimmen (530) einer zweiten durch den Gegenstand (120) beeinflussbaren Kapazität (C2) zwischen einer zweiten Elektrode (E2) und dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0); und
- Erfassen 540, 550) des Gegenstandes (120), falls sich die bestimmten Kapazitäten (C1 , C2) um mehr als ein vorbestimmtes Maß unterscheiden, wobei
- die Kapazitäten (C1 , C2) nacheinander bestimmt werden und während der Bestimmung mittels einer der Elektroden (E1 , E2) die jeweils andere Elektrode (E2, E1 ) elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt (E0) verbunden wird.
8. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, wenn es auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft.
9. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, wenn es auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
PCT/EP2011/057577 2010-07-07 2011-05-11 Erfassung eines dielektrischen gegenstandes WO2012004028A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11719002.5A EP2591345A1 (de) 2010-07-07 2011-05-11 Erfassung eines dielektrischen gegenstandes
CN2011800332425A CN102959390A (zh) 2010-07-07 2011-05-11 介电物体的检测
US13/808,699 US9244104B2 (en) 2010-07-07 2011-05-11 Detecting a dielectric article

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010031034A DE102010031034A1 (de) 2010-07-07 2010-07-07 Erfassung eines dielektrischen Gegenstandes
DE102010031034.4 2010-07-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012004028A1 true WO2012004028A1 (de) 2012-01-12

Family

ID=44119031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/057577 WO2012004028A1 (de) 2010-07-07 2011-05-11 Erfassung eines dielektrischen gegenstandes

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9244104B2 (de)
EP (1) EP2591345A1 (de)
CN (1) CN102959390A (de)
DE (1) DE102010031034A1 (de)
WO (1) WO2012004028A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104204858A (zh) * 2012-03-29 2014-12-10 罗伯特·博世有限公司 电容式定位设备

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9365766B2 (en) * 2011-10-13 2016-06-14 Intematix Corporation Wavelength conversion component having photo-luminescence material embedded into a hermetic material for remote wavelength conversion
US9459296B2 (en) * 2012-10-19 2016-10-04 Microchip Technology Germany Gmbh Ii & Co. Kg Electrode design for electric field measurement system
US9541330B2 (en) 2013-07-17 2017-01-10 Whirlpool Corporation Method for drying articles
US20150047218A1 (en) 2013-08-14 2015-02-19 Whirlpool Corporation Appliance for drying articles
US9784499B2 (en) 2013-08-23 2017-10-10 Whirlpool Corporation Appliance for drying articles
US9410282B2 (en) 2013-10-02 2016-08-09 Whirlpool Corporation Method and apparatus for drying articles
US9645182B2 (en) 2013-10-16 2017-05-09 Whirlpool Corporation Method and apparatus for detecting an energized E-field
US9546817B2 (en) 2013-12-09 2017-01-17 Whirlpool Corporation Method for drying articles
US9605899B2 (en) 2015-03-23 2017-03-28 Whirlpool Corporation Apparatus for drying articles
CN105158576B (zh) * 2015-07-02 2017-12-19 漳州市东方智能仪表有限公司 一种探测不同深度介质的方法及电路
CN108352842B (zh) * 2015-11-20 2022-03-04 株式会社村田制作所 传感器装置
US10524592B2 (en) 2015-12-01 2020-01-07 Black & Decker Inc. Picture hanging device
CN108226237B (zh) * 2018-03-02 2020-12-04 鄂尔多斯市源盛光电有限责任公司 一种检测方法和装置
WO2021153058A1 (ja) * 2020-01-27 2021-08-05 アルプスアルパイン株式会社 入力装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3926218A1 (de) * 1989-07-07 1991-01-10 Merckens J G Gmbh & Co Kg Messvorrichtung zur fuellstandsmessung
US5138880A (en) * 1991-05-29 1992-08-18 Lee/Maatuk Engineering, Inc. Digital level sensing probe system
DE19916979A1 (de) * 1999-04-15 2000-11-02 Sican Gmbh Verfahren zur Füllstandsmessung und Füllstandssensor
US6433560B1 (en) * 2001-08-31 2002-08-13 Eaton Corporation Combined fluid condition monitor and fluid level sensor
US20040000918A1 (en) * 2002-06-28 2004-01-01 Solar Wide Industrial Ltd. Apparatus and method for locating objects behind a wall lining
EP2071301A1 (de) * 2007-12-05 2009-06-17 Fluid Well Instruments B.V. Vorrichtung zur Niveaumessung der Grenzschichte zwischen Flüssigkeiten

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002340699A (ja) * 2001-05-21 2002-11-27 Mitsumi Electric Co Ltd 静電容量センサー
JP2004045173A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 Nitta Ind Corp 静電容量式センサ
JP2004045178A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 Nitta Ind Corp 静電容量式センサ
US7019538B2 (en) * 2003-01-28 2006-03-28 Canon Kabushiki Kaisha Electrostatic capacitance sensor type measurement apparatus
DE102004018630A1 (de) * 2004-04-16 2005-11-10 Pepperl + Fuchs Gmbh Vorrichtung, Sensoranordnung und Verfahren zur kapazitiven Positionserfassung eines Zielobjekts
JP4358679B2 (ja) * 2004-05-14 2009-11-04 株式会社フジクラ 静電容量式近接センサ
US20090045822A1 (en) * 2007-08-13 2009-02-19 Windbond Electronics Corporation Capacitive detection systems, modules and methods
WO2009058745A2 (en) * 2007-10-28 2009-05-07 Synaptics Incorporated Determining actuation of multi-sensor electrode capacitive buttons
CN101738240B (zh) * 2008-11-27 2013-01-23 苟阳明 电容传感式燃油计量仪
CN101509800B (zh) * 2009-03-23 2010-12-29 江苏工业学院 一种同时检测油水双液位的方法
US8823399B1 (en) * 2013-10-07 2014-09-02 Cypress Semiconductor Corporation Detect and differentiate touches from different size conductive objects on a capacitive button

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3926218A1 (de) * 1989-07-07 1991-01-10 Merckens J G Gmbh & Co Kg Messvorrichtung zur fuellstandsmessung
US5138880A (en) * 1991-05-29 1992-08-18 Lee/Maatuk Engineering, Inc. Digital level sensing probe system
DE19916979A1 (de) * 1999-04-15 2000-11-02 Sican Gmbh Verfahren zur Füllstandsmessung und Füllstandssensor
US6433560B1 (en) * 2001-08-31 2002-08-13 Eaton Corporation Combined fluid condition monitor and fluid level sensor
US20040000918A1 (en) * 2002-06-28 2004-01-01 Solar Wide Industrial Ltd. Apparatus and method for locating objects behind a wall lining
EP2071301A1 (de) * 2007-12-05 2009-06-17 Fluid Well Instruments B.V. Vorrichtung zur Niveaumessung der Grenzschichte zwischen Flüssigkeiten

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104204858A (zh) * 2012-03-29 2014-12-10 罗伯特·博世有限公司 电容式定位设备

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010031034A1 (de) 2012-01-12
CN102959390A (zh) 2013-03-06
US9244104B2 (en) 2016-01-26
EP2591345A1 (de) 2013-05-15
US20130207674A1 (en) 2013-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2591345A1 (de) Erfassung eines dielektrischen gegenstandes
DE69920034T3 (de) Ladungstransfer-Kapazitätsmessschaltung
DE102008025387B4 (de) System und Verfahren zur Fehlerverringerung bei elektrostatischen Instrumenten mit Kraftausgleich
DE112009002587T5 (de) Rauschhandhabung in kapazitiven Berührungssensoren
DE112015005851T5 (de) Kapazitiver Sensor
DE3490412T (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Größe einer Kapazität
DE102012209669B4 (de) Laufzeitkompensierter oszillator
DE102005044383A1 (de) Kapazitiver Sensor für eine physikalische Größe
DE4135624A1 (de) Verfahren zur lagesteuerung eines sensorbauteils, sowie kraftbalanciertes sensorinstrument mit elektrostatischer ladungssteuerung
DE10316901A1 (de) Kontrollsystem und Kontrollverfahren zum Überprüfen der Funktion von LCD-Anzeigen
DE102010049488A1 (de) Verfahren zum Testen eines Laborgeräts und entsprechend ausgestattetes Laborgerät
EP2318850B1 (de) Anordnung zur messung wenigstens eines wertes einer an einer elektronischen komponente anliegenden spannung
EP1629257B1 (de) Verfahren und schaltungsanordnung zur detektion eines füllstands einer flüssigkeit
DE3639070A1 (de) Verfahren zur messung des verhaeltnisses einer messgroessenabhaengigen kapazitaet zu einer referenzkapazitaet und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
WO2016041726A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur überwachung einer prozessgrösse eines mediums
EP2233890A2 (de) Kapazitiver Sensor und Verfahren zur kapazitiven Erfassung eines Objektabstandes
DE19528454C1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung einer Kapazität
WO2017067928A1 (de) Schaltungsanordnung und verfahren zur überwachung eines mikrocontrollers auf der grundlage einer wächterspannung
DE102011013559B9 (de) Schaltungs- oder Messanordnung zur kapazitiven, berührenden und/oder berührungslosen Überwachung eines Füllstandes und/oder einer Leckage leitfähiger Medien und Verfahren hierzu
EP2862277B1 (de) Balkendetektor mit regelschaltung
EP2936119B1 (de) Optische messvorrichtung
DE2547746B2 (de) Vorrichtung zur Bildung des arithmetischen Mittelwertes einer Meßgröße
DE102007009549B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Stromaufnahme und der Kapazität eines Halbleiterbauelements
DE1591968C3 (de) Schaltungsanordnung zur Messung des Effektivwertes einer Wechselspannung
DE4210164A1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zum Fernmessen von Zuständen

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201180033242.5

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11719002

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011719002

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13808699

Country of ref document: US