WO2012025417A1 - Measurement method and measurement arrangement for detecting the time change of an electrical capacitance - Google Patents

Measurement method and measurement arrangement for detecting the time change of an electrical capacitance Download PDF

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WO2012025417A1
WO2012025417A1 PCT/EP2011/064035 EP2011064035W WO2012025417A1 WO 2012025417 A1 WO2012025417 A1 WO 2012025417A1 EP 2011064035 W EP2011064035 W EP 2011064035W WO 2012025417 A1 WO2012025417 A1 WO 2012025417A1
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measuring
current
resistor
capacitance
voltage
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PCT/EP2011/064035
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Jörg HASSEL
Arno Steckenborn
Oliver Theile
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • G01F1/8431—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details electronic circuits

Definitions

  • the invention relates to a measuring method in which the zeitli ⁇ che change of an electric capacity is detected in that a result of the change in the capacitance er Weg ⁇ ter displacement current I (t) with a measuring device is measured sen, wherein the temporal variation of the capacitance me ⁇ chanically brought about with an electric actuator.
  • the invention relates to a measuring arrangement, which is suitable for carrying out the specified measuring method, with a measuring device for measuring the temporal change of an electrical capacitance.
  • the temporal change of the capacity is caused by an electrical actuator by mechanical means.
  • the capacitance can be changed by varying the area of the associated coded plate. Another possibility is to change the distance of the capacitor plates.
  • the dielectric constant of the medium may be changed, which is located between the capacitor plates ⁇ Kon.
  • the capacitor plates do not have to be objectively formed as a flat structure. Other geometric means capable of storing electric charges may also be used.
  • an application of the measuring method or a construction of the measuring arrangement is possible, which is referred to as a field mill.
  • the measurement arrangement only one con ⁇ densatorplatte is realized, while the other capacitor plate ⁇ so to speak, formed by the environment.
  • the measuring device incorporated in the measuring device has a current-voltage converter, to the input of which a shift current I (t) generated due to the change of the capacitance is passed and a voltage signal U (t) proportional to the displacement current I (t). from the ⁇ provides transitional available.
  • the measuring arrangement given at the outset is designed, for example, as a micromechanical system and can be used as a voltmeter.
  • a capacitor plate is used, which is designed as a coating of a microelectromechanical system (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical system
  • a movable aperture is arranged, which can be pushed over the capacitor plate and thus reduces the effec ⁇ tive capacitor area and increases.
  • This Blen ⁇ de is provided with a micromechanical drive, which consists of comb-like electrodes, which can be acted upon by a voltage. The resulting electrostatic forces cause a relative movement between the comb-like electrodes, whereby the diaphragm is moved.
  • micromechanical sensor designed as MEMS is described in DE 10 2006 029 443 B2.
  • This is a vibratory pipe system, which can be traversed by egg ⁇ nem fluid. Since the flowing fluid must be accelerated in the oscillating pipe system, this also has an effect on the vibration behavior of the pipe system.
  • the pipe system is further provided with measuring electrodes, which form a measuring capacitor. Therefore, that can initially specified measuring method for determining the vibration behavior of the pipe system can be used.
  • US Pat. No. 3,812,419 discloses an instrument for measuring the field strength, which operates on the principle of a field mill.
  • a structure having the function of a gyroscope can be manufactured as a MEMS structure.
  • One way of performing the measurement would now be to turn off the excitation during the measurement. However, it would then have to be accepted that both the excitation and the measurement would be discontinuous. In addition, the system would swing off after switching off the excitation depending on its own attenuation.
  • the object of the invention is therefore to specify a measuring method and a measuring arrangement with which or with which a continuous measurement of a change in capacitance with simultaneously comparatively low metrological complexity with comparatively high accuracy is possible.
  • the object is achieved with the measuring method given at the beginning by a combination of the following measures.
  • the first measure is that the time profile of the electrical drive voltage U (t) is selected for the actuator such that it is contained in time intervals with constant on ⁇ operating voltage in it.
  • the property of the capacitive measuring principle is taken into account by the fact that a signal can only be detected when the charge moves on the capacitor, which initiate the displacement current I (t).
  • I (t) dC / dt * U + dU / dt 'C applies, where C is the capacitance of the capacitor and U is the voltage applied to the Kon ⁇ capacitor.
  • the capacitance of the capacitor can be changed by changing the area of the capacitor plates (eg by inserting apertures in the capacitor gap), by changing the distance of the capacitor plates or by changing the relative dielectric constant of the medium between the plates.
  • the time profile of the electrical drive voltage U (t) is selected for the actuator so that time intervals are included with constant drive voltage, so in this time interval an influence due to crosstalk to ⁇ least be largely excluded, since the drive voltage does not change.
  • a drive concept with a drive voltage containing time intervals with a constant voltage value could proceed as follows. If the on ⁇ operating voltage is brought to the constant value acts an electrostatic force on each moving part of the electric actuator, which causes movement thereof.
  • Rectangular voltage are interconnected.
  • An influence on the measurement signal by the capacitive coupling, due to the design of the measuring arrangement, can therefore be reduced to the comparatively short times of passage of the switching edges.
  • the measurement intervals are completely within the time intervals of constant drive voltage and the displacement current I (t) is measured in these measurement intervals.
  • the two pulses from the differentiated switching edges of the drive voltage are in fact relatively high due to the steep signal curve in the region of the switching edges.
  • the useful signals lying the ⁇ ser pulses in the vicinity can therefore not be measured with the necessary for the dissolution of the transimpedance of the coming for use current-voltage converter, since this factor of approximately 1000 are smaller. If, however, the conversion factor of the current-voltage converter were increased as required, this would lead to unacceptable settling times after the pulse-induced overdriving of the converter.
  • the measuring device is blanked out at blanking intervals, so that the measuring device does not process the measuring signal during the blanking intervals, wherein time intervals in which the drive voltage is changed (ie in which the switch-on edges or switch-off edges of the drive voltage U (FIG. t) are located completely in the blanking intervals.
  • time intervals in which the drive voltage is changed ie in which the switch-on edges or switch-off edges of the drive voltage U (FIG. t) are located completely in the blanking intervals.
  • the gain can then be significantly increased by the current-voltage converter, without causing a large overshoot or an excessively long transient during the measurement.
  • a blanking of the measuring device is understood to mean that the measuring device does not detect the measuring signal processed.
  • the measuring device which contains the current-voltage converter, does not receive the measuring signal.
  • this would be a measure to switch off the measuring device.
  • This would make the inventively desired goal of a quasi-continuous measurement impossible, however, since the operational readiness would not manufactured in genü ⁇ quietly a short time after switching on the measuring device.
  • This is different with a blanking of the measuring device, as it remains active during the time and after the end of the blanking interval ⁇ advantageously after a relatively short time again measuring signals ver ⁇ works can be.
  • the object is achieved by the measures that the current-voltage converter has an enable input, which is connected to a control device and the controller provides an enable signal available, which activates the current-voltage converter ,
  • the enable signal can be used to realize the above-described blanking of the measuring device.
  • the enable signal activates the current-voltage converter and as soon as this signal is removed, the current-voltage converter is deactivated, but not switched off. So be ⁇ starts the blanking interval. After completion of the Austastinter ⁇ valls an enable signal by the controller is made available again.
  • the actuator is driven by electrostatic forces.
  • a drive voltage U (t) can be used which has comparatively steep switching edges, in particular a square-wave voltage, and whose time intervals are more constant Voltage are each at zero and a defined drive voltage, which provides a sufficient electrostatic force to drive the electric actuator.
  • a further advantageous embodiment of the invention is obtained if in each case between the blanking interval and the measuring interval, a reaction interval is set, in which the dead time of the measuring device due to the blanking is completely. As already mentioned, even after the termination of the blanking interval a short dead time of
  • Measuring device in particular of the current-voltage converter the result.
  • this reaction is onsintervall, in which the dead time of the measuring device is located, hidden so that the measurement interval only then be ⁇ begins ,
  • This third resistance is be ⁇ neminte at ground potential and whose resistance value is determined on the one hand by the realizable transimpedance, given by the ratio of the second resistor to third resistor ((hereinafter R2) ie by the quotient with the second abutment sand in the numerator and the third resistor in the denominator: R2 / R3), multiplied by the first resistor (hereinafter Rl) and on the other hand by the time ⁇ constant of the discharge, given by the sum of the first resistor and the third resistor (R1 + R3) mul- tiplicated with the capacitance to be measured (17), wherein the time constant of the discharging process is sufficiently small, since ⁇ is completed with the discharge in the blanking interval (a). It is particularly advantageous if the resistance of the second resistor, which is closer to the output of the current-voltage converter than the first resistor, is at most one tenth of that of the first resistor.
  • the described circuit of the resistors in the feedback line takes account of the following circumstance. Although the influence of the switching edges of the drive voltage on the signal can be suppressed by blanking. However, the drive voltage is generated charge on the measurement capacitor through the switching edges, and the associated change that must flow from ⁇ upon reconnection of the current-voltage converter only. Due to the high transimpedance of the converter in standard circuit with a high-impedance feedback resistor, however, this transient is so slow that the measurement of the very small displacement currents I (t) would still not be immediately possible. So here an electrical path is required, which quickly discharges the measuring capacitor despite high transimpedance.
  • the blanking interval and / or the at ⁇ operating voltage and / or the measurement interval can be monitored by a control device.
  • the electrical capacitance is formed by a measuring capacitor whose capacitor area is varied with the actuator.
  • the actuator pushes or pulls out a diaphragm into the capacitor gap, wherein the diaphragm leads to a partial covering of the capacitor plates, whereby the available area of the capacitor plates is changed.
  • a voltmeter can be produced, as described in the already mentioned DE 10 2008 052 477 A1.
  • the electrical capaci ⁇ ability is formed by a vibratory and a flow-through pipe system, the actuator excites the pipe system to vibrate.
  • the vibrations can also the
  • Width of a condenser gap vary between formed ⁇ torplatten or vary an overlap of these capacitor plates.
  • a capacitor plate on the movable part of the pipe system and a Plat- te attached to a stationary part of the measuring arrangement in each case a capacitor plate on the movable part of the pipe system and a Plat- te attached to a stationary part of the measuring arrangement.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the measuring arrangement according to the invention as a block diagram
  • FIG 2 shows the waveform for one embodiment of the measuring method according to the invention, as can be generated in the pitch ⁇ with a measuring arrangement according to FIG 1,
  • Figure 3 shows another embodiment of the invention shown SEN measurement arrangement as a block diagram
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of the measuring device according to a particular embodiment of he ⁇ inventive measuring arrangement, as this can also be used in measuring arrangements according to Figure 1 and Figure 3.
  • FIG. 1 shows a measurement arrangement 11 is illustrated which can play to be used as a voltmeter at ⁇ .
  • This measuring arrangement has three areas I, II and III, whose boundaries are indicated by dashed lines. Except- there is a region IV, which is formed by a control device (also referred to below as control) 12 for a short time.
  • control also referred to below as control
  • the region I of the actuator is shown only schematically and can be designed as in the prior art already explained above.
  • the actuator has a voltage source 13, with which a voltage U (t) can be generated which has an indicated rectangular profile.
  • the ⁇ ser due to the time-varying voltage U (t) is an alternating field strength of the electric field generated ent ⁇ with this voltage a drive capacitance 14 is fed, so that in.
  • a diaphragm 15 is arranged, which is held by an elas ⁇ diagram suspension 16, thus forming a vibrational ⁇ capable system.
  • the diaphragm 15 is displaced out of this capacitor gap and let in again, and due to the elastic suspension 16 it executes vibrations.
  • the region II of the capacitance 17 to be measured Spatially adjacent to the region I of the actuator is the region II of the capacitance 17 to be measured.
  • the capacitor plates of the capacitance 17 are arranged so that the capacitor gap formed by them lies in a plane with the capacitor gap of the drive capacitance 14. Therefore, the aperture 15, when it is pushed out of the drive capacity 14 ver ⁇ immerse in the capacitance to be measured 17 and thus change the available for the formation of the electric field surface of the capacitor plates of the capacitance 17.
  • the drive capacity 14 and the capacitance 17 to be measured also influence each other in an undesired manner. This is due to a jamming capacity 18 indicated, which of course not, as shown, is formed by a capacitor, but is determined by the design of the real measuring device.
  • the diaphragm 15 oscillates between the drive capacity 14 and the capacitance 17 to be measured.
  • the aperture is shown in the initial position in which it is completely in the Antriebskapa ⁇ capacity 14. Dashed lines the opposite position is shown, in which the aperture 15 is completely in the capacitance 17 to be measured.
  • the diaphragm allows the capacitor area of the capacitance 17 to be measured to alternate between 0 and 100% by means of a shield.
  • the size of the capacitor 17 is variable in time, so that a displacement current I (t) is produced.
  • This can be demonstrated by the arranged in the area III measuring device. This is electrically connected to one capacitor plate of the capacitance 17 and has a current-voltage converter 19 which is connected to its negative input (in) with the capacitance 17.
  • Input is connected to a DC voltage source 20.
  • the current-to-voltage converter 19 outputs at the output (out) a voltage which is proportional to the displacement current I (t).
  • This voltage M (t) can be measured with an analog-to-digital converter 21 and output to a control unit 12.
  • the feedback line leads via the feedback resistor R to the input (in) of the current-voltage converter.
  • a signal line 23 provides a connection to the voltage source 13.
  • the controller via the signal line 23 receives the course of the excitation ⁇ voltage generated by the voltage source 13 without affecting this itself.
  • the voltage source 13 is driven, so that the time ⁇ Liche voltage curve U (t) can be determined by the controller.
  • the time profile of the drive voltage U (t) must be taken into account in order to generate an enable signal E (t).
  • This is fed via a Signallei ⁇ tung 24 in a control input (enable) of the current-voltage transducer and here a blanking interval he attests ⁇ (this hereinafter more).
  • the current-to-voltage converter is always blanked when the enable signal E (t) deactivates it.
  • FIG. 2 shows the time profile of the excitation voltage U (t), the enable signal E (t) and the measurement signal M (t) over time. In the areas where the displacement ⁇ current I (t) of the measurement signal M (t) deviates, the course of the displacement current is shown in phantom.
  • the measurement signal M (t) is equal to zero, which is achieved by setting the enable signal E (t) to zero for the time of the blanking interval. In this way, wherein it is turned on again at the end of the blanking interval a, it is achieved that does not occur in the current-voltage converter to a crosstalk when the impulse response of the displacement current I (t) is already largely be ⁇ subsided.
  • the current-voltage converter 19 requires a certain reaction time after activation of the enable signal. This is in the reaction interval r, which is taken into account in the controller 12, so that no measuring points A can be placed in this time interval. Only then does the measuring interval m start, in which the measuring signal M (t) can be sampled to generate measured values (see points A in FIG. The measurement interval m ending with the beginning of the next blanking interval a, whose position in time is determined by that due time before He 26 ⁇ rich the next switching edge of the drive voltage U (t) of the current-voltage converter 19 must be deactivated.
  • the measuring arrangement 11 according to FIG. 3 is constructed analogously to the measuring arrangement according to FIG. 1 in the areas III and IV. These areas are therefore not explained in detail here.
  • the actuator in region I follows the principle of the mass flow sensor already mentioned at the beginning, the structure being shown only schematically.
  • the vibratory System consists not as shown in Figure 1 from a diaphragm 15, but from a tube 27 which is flowed through in a manner not further dargestell ⁇ ter by a fluid.
  • This tube 27 can be vibrated, wherein schematically the elastic suspension 16 is shown, which is also equipped with a certain damping 28.
  • FIG. 4 shows an alternative construction of the measuring device
  • the resistance ⁇ R3 is at ground potential and has a resistance ⁇ value of 1 kü on.
  • the T configuration of the resistors causes the measurement arrangement in region III to settle faster in the reaction interval r after the enable signal has been set. Namely, a charge from the capacitance to be measured 17 are degraded during the reac tion interval ⁇ r has the impulse response there due to the import after passing through the switching edges 26 is still present.

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Abstract

The invention relates to a method for measuring the time change of an electrical capacitance and to a measurement arrangement for carrying out said measurement method. In order to measure the change in capacitance (17), a displacement current I(t) is detected by a current-to-voltage converter (19) and a measurement signal (M(t)) is thereby generated. According to the invention, the influence of an electrical drive voltage U(t) on the measurement result is eliminated in that the drive voltage comprises constant components and the current-to-voltage converter (19) is switched off during the switching flanks of the drive voltage. An impulse response to changes in the voltage of the power supply voltage U(t), also acting on the measurement capacitor (17), can thus be hidden. According to the invention, a more precise measurement is thereby possible.

Description

Beschreibung description
Messverfahren und Messanordnung zur Erfassung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität Measuring method and measuring arrangement for detecting the temporal change of an electrical capacitance
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, bei dem die zeitli¬ che Veränderung einer elektrischen Kapazität dadurch erfasst wird, dass ein aufgrund der Veränderung der Kapazität erzeug¬ ter Verschiebungsstrom I (t) mit einer Messeinrichtung gemes- sen wird, wobei die zeitliche Veränderung der Kapazität me¬ chanisch mit einem elektrischen Aktor herbeigeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Messanordnung, die zur Ausführung des angegebenen Messverfahrens geeignet ist, mit einer Messeinrichtung zur Messung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität. The invention relates to a measuring method in which the zeitli ¬ che change of an electric capacity is detected in that a result of the change in the capacitance erzeug ¬ ter displacement current I (t) with a measuring device is measured sen, wherein the temporal variation of the capacitance me ¬ chanically brought about with an electric actuator. In addition, the invention relates to a measuring arrangement, which is suitable for carrying out the specified measuring method, with a measuring device for measuring the temporal change of an electrical capacitance.
Die zeitliche Veränderung der Kapazität wird durch einen elektrischen Aktor auf mechanischem Wege hervorgerufen. Die Kapazität kann dadurch geändert werden, dass die Fläche der zugehörigen Kodensatorplatten variiert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Abstand der Kondensatorplatten zu verändern. Außerdem kann auch die Dielektrizitätskonstante des Mediums verändert werden, welches sich zwischen den Kon¬ densatorplatten befindet. Die Kondensatorplatten müssen dabei nicht gegenständlich als flache Gebilde ausgebildet sein. Es können auch andere geometrische Einrichtungen Verwendung finden, welche fähig sind, elektrische Ladungen zu speichern. Insbesondere ist auch eine Anwendung des Messverfahrens bzw. ein Aufbau der Messanordnung möglich, der als Feldmühle be- zeichnet wird. Hierbei ist in der Messanordnung nur eine Kon¬ densatorplatte verwirklicht, während die andere Kondensator¬ platte sozusagen durch die Umgebung gebildet wird. Mit dem Prinzip der Feldmühle lassen sich beispielsweise Potential¬ veränderungen in der Erdatmosphäre ermitteln. Außerdem weist die in der Messanordnung eingebaute Messein¬ richtung einen Strom-Spannungs-Wandler auf, auf dessen Eingang ein aufgrund der Veränderung der Kapazität erzeugter Verschiebungsstrom I (t) geführt ist und der ein zum Verschiebungsstrom I (t) proportionales Spannungssignal U(t) am Aus¬ gang zur Verfügung stellt. The temporal change of the capacity is caused by an electrical actuator by mechanical means. The capacitance can be changed by varying the area of the associated coded plate. Another possibility is to change the distance of the capacitor plates. In addition, the dielectric constant of the medium may be changed, which is located between the capacitor plates ¬ Kon. The capacitor plates do not have to be objectively formed as a flat structure. Other geometric means capable of storing electric charges may also be used. In particular, an application of the measuring method or a construction of the measuring arrangement is possible, which is referred to as a field mill. Here, in the measurement arrangement, only one con ¬ densatorplatte is realized, while the other capacitor plate ¬ so to speak, formed by the environment. With the principle of field mill, for example, potential ¬ changes in the earth's atmosphere can be determined. Moreover, the measuring device incorporated in the measuring device has a current-voltage converter, to the input of which a shift current I (t) generated due to the change of the capacitance is passed and a voltage signal U (t) proportional to the displacement current I (t). from the ¬ provides transitional available.
Messverfahren und Messanordnungen der eingangs angegebenen Art sind an sich bekannt. Gemäß der DE 10 2008 052 477 AI wird die eingangs angegebene Messanordnung beispielsweise als mikromechanisches System ausgebildet und kann als Voltmeter verwendet werden. Hierbei kommt eine Kondensatorplatte zum Einsatz, die als Beschichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) ausgebildet ist. Oberhalb dieser Kondensator¬ platte ist eine bewegliche Blende angeordnet, die über die Kondensatorplatte geschoben werden kann und somit die effek¬ tive Kondensatorfläche verringert und vergrößert. Diese Blen¬ de ist mit einem mikromechanischen Antrieb versehen, welcher aus kammartigen Elektroden besteht, die mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Die hierdurch hervorgerufenen elektrostatischen Kräfte bewirken eine Relativbewegung zwischen den kammartigen Elektroden, wodurch die Blende verschoben wird. Measuring methods and measuring arrangements of the type specified are known per se. According to DE 10 2008 052 477 A1, the measuring arrangement given at the outset is designed, for example, as a micromechanical system and can be used as a voltmeter. Here, a capacitor plate is used, which is designed as a coating of a microelectromechanical system (MEMS). Above this condenser ¬ plate, a movable aperture is arranged, which can be pushed over the capacitor plate and thus reduces the effec ¬ tive capacitor area and increases. This Blen ¬ de is provided with a micromechanical drive, which consists of comb-like electrodes, which can be acted upon by a voltage. The resulting electrostatic forces cause a relative movement between the comb-like electrodes, whereby the diaphragm is moved.
Ein anderer als MEMS ausgebildeter mikromechanischer Sensor ist in der DE 10 2006 029 443 B2 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein schwingungsfähiges Rohrsystem, welches von ei¬ nem Fluid durchflössen werden kann. Da das strömende Fluid in dem schwingenden Rohrsystem mitbeschleunigt werden muss, wirkt sich dieses auch auf das Schwingungsverhalten des Rohrsystems aus. Das Rohrsystem ist weiterhin mit Messelektroden versehen, die einen Messkondensator bilden. Daher kann das eingangs angegebene Messverfahren zur Bestimmung des Schwingungsverhaltens des Rohrsystems verwendet werden. Another micromechanical sensor designed as MEMS is described in DE 10 2006 029 443 B2. This is a vibratory pipe system, which can be traversed by egg ¬ nem fluid. Since the flowing fluid must be accelerated in the oscillating pipe system, this also has an effect on the vibration behavior of the pipe system. The pipe system is further provided with measuring electrodes, which form a measuring capacitor. Therefore, that can initially specified measuring method for determining the vibration behavior of the pipe system can be used.
Eine Umsetzung des eingangs angegebenen Messverfahrens ist beispielsweise durch B. Bahreyni et al . „Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor" in Journal of Mi- croelectromechanical Systems, Vol. 17, Seiten 31 - 36, 2008 beschrieben. Der Verschiebungsstrom I (t) ist nur sehr gering und muss zu Messzwecken daher verstärkt werden. Dies kann über einen Strom-Spannungs-Wandler erfolgen, an dessen Ausgang ein verstärktes Spannungssignal U(t) zu Messzwecken zur Verfügung gestellt wird. Bei dem Aufbau der Messanordnung ist jedoch auch zu berücksichtigen, dass auch die Anregung mit einem elektrischen Aktor erfolgt, der ein kapazitives Prinzip verwendet. Dieses Antriebsprinzip wird verwendet, weil es vergleichsweise einfach zu realisieren ist. Dies ist insbe¬ sondere bei Ausführungen der Messanordnung als MEMS von besonderer Bedeutung. Allerdings muss bei dieser technischen Realisierung hingenommen werden, dass der Antriebsteil des elektrischen Aktors und der Detektionsteil der Messeinrichtung des Systems sich gegenseitig beeinflussen. Hierbei kann es zu einem Übersprechen der Antriebsspannung auf den zu messenden Verschiebungsstrom kommen. Dieses Übersprechen liegt bei dem bis zu Tausendfachen der Amplitude des Messsignals, so dass dieses nicht mehr zuverlässig gemessen werden kann, während eine Anregung erfolgt. An implementation of the measurement method given at the outset is described, for example, by B. Bahreyni et al. "Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor" in Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, pages 31-36, 2008. The displacement current I (t) is very small and therefore needs to be amplified for measurement purposes. This can be done by means of a current-voltage converter, to the output of which an amplified voltage signal U (t) is provided for measurement purposes, however, it should also be considered in the structure of the measuring arrangement that the excitation also takes place with an electrical actuator which a capacitive principle used. this drive principle is used because it is relatively easy to implement. this is in particular ¬ sondere in embodiments of the measuring arrangement as MEMS is particularly important. However, it must be accepted in this technical realization that the drive portion of the electric actuator and the Detection part of the measuring system of the system influence each other Conversely, the drive voltage must come to the displacement current to be measured. This crosstalk is up to a thousand times the amplitude of the measurement signal, so that it can no longer be reliably measured while excitation occurs.
In der US 3,812,419 ist außerdem ein Instrument zur Messung der Feldstärke angegeben, welches nach dem Prinzip einer Feldmühle funktioniert. Gemäß der US 2009/0064781 AI ist es außerdem bekannt, dass eine Struktur mit der Funktion eines Gyroskops als MEMS-Struktur hergestellt werden kann. Eine Möglichkeit der Durchführung des Messverfahrens läge nun darin, die Anregung während der Messung abzuschalten. Es müsste dann aber hingenommen werden, dass sowohl die Anregung als auch die Messung diskontinuierlich wären. Außerdem würde das System nach Abschalten der Anregung in Abhängigkeit der ihm eigenen Dämpfung ausschwingen . In addition, US Pat. No. 3,812,419 discloses an instrument for measuring the field strength, which operates on the principle of a field mill. According to US 2009/0064781 Al, it is also known that a structure having the function of a gyroscope can be manufactured as a MEMS structure. One way of performing the measurement would now be to turn off the excitation during the measurement. However, it would then have to be accepted that both the excitation and the measurement would be discontinuous. In addition, the system would swing off after switching off the excitation depending on its own attenuation.
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Messverfahren sowie eine Messanordnung anzugeben, mit dem bzw. mit der eine kontinuierliche Messung einer Kapazitätsänderung bei gleichzeitig vergleichsweise geringem messtechnischem Aufwand mit vergleichsweise hoher Genauigkeit möglich ist. The object of the invention is therefore to specify a measuring method and a measuring arrangement with which or with which a continuous measurement of a change in capacitance with simultaneously comparatively low metrological complexity with comparatively high accuracy is possible.
Die Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Messverfahren durch ein Zusammenwirken der folgenden Maßnahmen gelöst. Die erste Maßnahme besteht darin, dass der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor derart gewählt wird, dass in ihm Zeitintervalle mit konstanter An¬ triebsspannung enthalten sind. Hier wird der Eigenschaft des kapazitiven Messprinzips dadurch Rechnung getragen, dass ein Signal nur detektiert werden kann, wenn sich am Kondensator Ladungen verschieben, die den Verschiebungsstrom I (t) initiieren. Hierfür gilt die Gleichung I(t) = dC/dt · U + dU/dt ' C, wobei C die Kapazität des Kondensators ist und U die am Kon¬ densator anliegende Spannung. Die Kapazität des Kondensators kann durch Änderung der Fläche der Kondensatorplatten (z. B. durch Einschieben von Blenden in den Kondensatorspalt) , durch Änderung des Abstandes der Kondensatorplatten oder durch Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten befindlichen Mediums geändert werden. Wenn der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor so gewählt wird, dass Zeitintervalle mit konstanter Antriebsspannung enthalten sind, so kann in diesem Zeitintervall ein Einfluss aufgrund eines Übersprechens zu¬ mindest weitgehend ausgeschlossen werden, da sich die Antriebsspannung nicht verändert. Ein Antriebskonzept mit einer Antriebsspannung, die Zeitintervalle mit konstantem Spannungswert enthält, könnte wie folgt ablaufen. Wenn die An¬ triebsspannung auf den konstanten Wert gebracht wird, wirkt eine elektrostatische Kraft auf den jeweils beweglichen Teil des elektrischen Aktors, die eine Bewegung desselben hervorruft. In dem Moment, in dem sich das bewegliche Teil am Ende seines Bewegungsfreiraums befindet, wird die Antriebsspannung wieder auf 0 gesetzt, wobei danach wieder eine konstante An¬ triebsspannung vorliegt. Aufgrund der Elastizität der Aufhän¬ gung des beweglichen Teils schwingt dieses bei Ausbleiben der elektrostatischen Kraft zurück. Wenn es an der anderen zulässigen Position angekommen ist, wird die Antriebsspannung wieder auf den von 0 verschiedenen Wert gebracht. Die Antriebs¬ spannung weist also zwei unterschiedliche Niveaus auf, die durch vergleichsweise steile Flanken (insbesondere eine The object is achieved with the measuring method given at the beginning by a combination of the following measures. The first measure is that the time profile of the electrical drive voltage U (t) is selected for the actuator such that it is contained in time intervals with constant on ¬ operating voltage in it. Here, the property of the capacitive measuring principle is taken into account by the fact that a signal can only be detected when the charge moves on the capacitor, which initiate the displacement current I (t). For this purpose, the equation I (t) = dC / dt * U + dU / dt 'C applies, where C is the capacitance of the capacitor and U is the voltage applied to the Kon ¬ capacitor. The capacitance of the capacitor can be changed by changing the area of the capacitor plates (eg by inserting apertures in the capacitor gap), by changing the distance of the capacitor plates or by changing the relative dielectric constant of the medium between the plates. If the time profile of the electrical drive voltage U (t) is selected for the actuator so that time intervals are included with constant drive voltage, so in this time interval an influence due to crosstalk to ¬ least be largely excluded, since the drive voltage does not change. A drive concept with a drive voltage containing time intervals with a constant voltage value could proceed as follows. If the on ¬ operating voltage is brought to the constant value acts an electrostatic force on each moving part of the electric actuator, which causes movement thereof. In the moment in which the movable part is at the end of his freedom of movement, the drive voltage is reset to 0, after which there is again a constant on ¬ operating voltage. Due to the elasticity of the Aufhän ¬ supply of the movable part of this swing back in the absence of the electrostatic force. When it has arrived at the other permissible position, the drive voltage is restored to the value other than 0. The drive ¬ voltage thus has two different levels, by comparatively steep edges (in particular a
Rechteckspannung) miteinander verbunden sind. Ein Einfluss auf das Messsignal durch die kapazitive Kopplung, bedingt durch die Bauform der Messanordnung, kann also auf die vergleichsweise kurzen Zeiten des Durchlaufens der Schaltflanken reduziert werden. Rectangular voltage) are interconnected. An influence on the measurement signal by the capacitive coupling, due to the design of the measuring arrangement, can therefore be reduced to the comparatively short times of passage of the switching edges.
Allerdings wirkt die Kombination aus vergleichsweise kleiner Koppelkapazität (bedingt durch die Bauform der Messanordnung) und eine Wandlung des Stroms in einer Spannung auf das zu messende Signal wie eine Differentiation. Daher kann man sagen, dass wegen der steilen Schaltflanken bzw. der Wahl einer Rechteckspannung die durch die Differentiation gebildete Ableitung nach der Zeit im Bereich der Einschaltflanke und der Ausschaltflanke der Antriebsspannung U(t) zwei vergleichswei¬ se intensive Impulse erzeugt, während die Ableitung ansonsten gleich Null ist. However, the combination of comparatively small coupling capacitance (due to the design of the measuring arrangement) and a conversion of the current in a voltage to the signal to be measured, such as a differentiation. Therefore, one can say that because of the steep switching edges or the choice of a square wave voltage, the derivative formed by the differentiation after the time in the switching edge and the Ausschaltflanke the drive voltage U (t) produces two comparis ¬ se intensive pulses, while the derivative is otherwise equal to zero.
Als zweite Maßnahme muss daher vorgesehen werden, dass die Messintervalle vollständig in den Zeitintervallen konstanter Antriebsspannung liegen und in diesen Messintervallen der Verschiebungsstrom I (t) gemessen wird. Die beiden Pulse aus den differenzierten Schaltflanken der Antriebsspannung sind nämlich aufgrund der steilen Signalverlaufs im Bereich der Schaltflanken verhältnismäßig hoch. Die in Nachbarschaft die¬ ser Pulse liegenden Nutzsignale (also der zu messende Ver¬ schiebungsstrom I (t) ) können daher nicht mit der für die Auflösung notwendigen Transimpedanz des zum Einsatz kommenden Strom-Spannungs-Wandlers gemessen werden, weil diese ungefähr um den Faktor 1000 kleiner sind. Würde jedoch der Umsetzungsfaktor des Strom-Spannungs-Wandlers in der erforderlichen Weise erhöht werden, würde dies zu nicht mehr hinnehmbaren Einschwingzeiten nach der durch die Pulse bedingten Übersteuerung des Wandlers führen. As a second measure, it must therefore be provided that the measurement intervals are completely within the time intervals of constant drive voltage and the displacement current I (t) is measured in these measurement intervals. The two pulses from the differentiated switching edges of the drive voltage are in fact relatively high due to the steep signal curve in the region of the switching edges. The useful signals lying the ¬ ser pulses in the vicinity (that is to be measured Ver ¬ displacement current i (t)) can therefore not be measured with the necessary for the dissolution of the transimpedance of the coming for use current-voltage converter, since this factor of approximately 1000 are smaller. If, however, the conversion factor of the current-voltage converter were increased as required, this would lead to unacceptable settling times after the pulse-induced overdriving of the converter.
Erfindungsgemäß wird daher als dritte Maßnahme vorgesehen, dass die Messeinrichtung in Austastintervallen ausgetastet wird, so dass die Messeinrichtung während der Austastintervalle das Messsignal nicht verarbeitet, wobei Zeitintervalle, in denen die Antriebsspannung verändert wird (also in denen die Einschaltflanken bzw. Ausschaltflanken der Antriebsspannung U(t) liegen), vollständig in den Austastintervallen liegen. Vorteilhaft kann die Verstärkung durch den Strom- Spannungs-Wandler dann deutlich erhöht werden, ohne dass es zu einem großen Überschwingen oder einem übermäßig langen Einschwingvorgang bei der Messung kommt. Unter einem Austasten der Messeinrichtung wird im Zusammenhang dieser Erfindung verstanden, dass die Messeinrichtung das Messsignal nicht verarbeitet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Messeinrichtung, die den Strom-Spannungs-Wandler enthält, das Messsignal nicht empfängt. Hiervon zu unterscheiden wäre eine Maßnahme, die Messeinrichtung abzuschalten. Dies würde das erfindungsgemäß angestrebte Ziel einer quasi kontinuierlichen Messung allerdings unmöglich machen, da nach dem Einschalten der Messeinrichtung die Betriebsbereitschaft nicht in genü¬ gend kurzer Zeit hergestellt würde. Anders ist dies bei einem Austasten der Messeinrichtung, da diese während der Zeit aktiv bleibt und nach dem Ende des Austastintervalls vorteil¬ haft nach vergleichsweise kurzer Zeit wieder Messsignale ver¬ arbeitet werden können. According to the invention, it is therefore provided as a third measure that the measuring device is blanked out at blanking intervals, so that the measuring device does not process the measuring signal during the blanking intervals, wherein time intervals in which the drive voltage is changed (ie in which the switch-on edges or switch-off edges of the drive voltage U (FIG. t) are located completely in the blanking intervals. Advantageously, the gain can then be significantly increased by the current-voltage converter, without causing a large overshoot or an excessively long transient during the measurement. In the context of this invention, a blanking of the measuring device is understood to mean that the measuring device does not detect the measuring signal processed. This can be achieved by the fact that the measuring device, which contains the current-voltage converter, does not receive the measuring signal. To differentiate this would be a measure to switch off the measuring device. This would make the inventively desired goal of a quasi-continuous measurement impossible, however, since the operational readiness would not manufactured in genü ¬ quietly a short time after switching on the measuring device. This is different with a blanking of the measuring device, as it remains active during the time and after the end of the blanking interval ¬ advantageously after a relatively short time again measuring signals ver ¬ works can be.
Durch die erfindungsgemäße Messanordnung wird die Aufgabe durch die Maßnahmen gelöst, dass der Strom-Spannungs-Wandler einen Enable-Eingang aufweist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist und die Steuereinrichtung ein Enable- Signal zur Verfügung stellt, das den Strom-Spannungs-Wandler aktiviert. Über das Enable-Signal kann damit das vorstehend beschriebene Austasten der Messeinrichtung realisiert werden. Das Enable-Signal aktiviert den Strom-Spannungs-Wandler und sobald dieses Signal wegfällt, wird der Strom-Spannungs- Wandler deaktiviert, allerdings nicht abgeschaltet. Damit be¬ ginnt das Austastintervall. Nach Beendigung des Austastinter¬ valls wird wieder ein Enable-Signal durch die Steuerung zur Verfügung gestellt. By the measuring arrangement according to the invention, the object is achieved by the measures that the current-voltage converter has an enable input, which is connected to a control device and the controller provides an enable signal available, which activates the current-voltage converter , The enable signal can be used to realize the above-described blanking of the measuring device. The enable signal activates the current-voltage converter and as soon as this signal is removed, the current-voltage converter is deactivated, but not switched off. So be ¬ starts the blanking interval. After completion of the Austastinter ¬ valls an enable signal by the controller is made available again.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor mit elektrostatischen Kräften angetrieben wird. Hierdurch wird eine Ansteuerung des Aktors in der bereits beschriebenen vorteilhaften Weise möglich, dass eine Antriebsspannung U(t) verwendet werden kann, die vergleichsweise steile Schaltflanken hat, insbesondere eine Rechteckspannung ist, und deren Zeitintervalle konstanter Spannung jeweils bei Null und einer definierten Antriebsspannung liegen, die eine genügende elektrostatische Kraft zum Antreiben des elektrischen Aktors zur Verfügung stellt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn jeweils zwischen das Austastintervall und das Messintervall ein Reaktionsintervall gelegt wird, in welchem die durch das Austasten bedingte Totzeit der Messeinrichtung vollständig liegt. Wie bereits erwähnt wurde, ist auch nach dem Beenden des Austastintervalls eine kurze Totzeit derAccording to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the actuator is driven by electrostatic forces. In this way, activation of the actuator in the advantageous manner already described is possible in that a drive voltage U (t) can be used which has comparatively steep switching edges, in particular a square-wave voltage, and whose time intervals are more constant Voltage are each at zero and a defined drive voltage, which provides a sufficient electrostatic force to drive the electric actuator. A further advantageous embodiment of the invention is obtained if in each case between the blanking interval and the measuring interval, a reaction interval is set, in which the dead time of the measuring device due to the blanking is completely. As already mentioned, even after the termination of the blanking interval a short dead time of
Messeinrichtung, insbesondere des Strom-Spannungs-Wandlers die Folge. Um auszuschließen, dass in diesem Intervall gene¬ rierte Spannungswerte am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers zu falschen Messsignalen führen könnten, wird dieses Reakti- onsintervall , in dem die Totzeit der Messeinrichtung liegt, ausgeblendet, so dass das Messintervall erst anschließend be¬ ginnt . Measuring device, in particular of the current-voltage converter the result. To rule out that in this interval gene ¬ tured voltage values at the output of the current-voltage converter could lead to false measurement signals, this reaction is onsintervall, in which the dead time of the measuring device is located, hidden so that the measurement interval only then be ¬ begins ,
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausgang des Strom- Spannungs-Wandlers auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kommenden Rückkoppelleitung ein erster und ein zweiter elektrischer Widerstand befinden, die seriell geschaltet sind, und zwischen diesen Widerständen ein dritter Widerstand (im Folgenden R3) mit der Rückkoppel- leitung kontaktiert ist. Dieser dritte Widerstand liegt sei¬ nerseits auf Massepotential und dessen Widerstandswert ist bestimmt einerseits durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes (im Folgenden R2 ) zum dritten Widerstand (d. h. durch den Quo- tienten mit dem zweiten Widersand im Zähler und dem dritten Widerstand im Nenner: R2/R3), multipliziert mit dem ersten Widerstand (im Folgenden Rl) und andererseits durch die Zeit¬ konstante des Entladevorganges, gegeben durch die Summe aus dem ersten Widerstand und dem dritten Widerstand (R1+R3) mul- tipliziert mit der zu messenden Kapazität (17), wobei die Zeitkonstante des Entladevorganges hinreichend klein ist, da¬ mit der Entladevorgang im Austastintervall (a) abgeschlossen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstandswert des zweiten Widerstandes, der näher am Ausgang des Strom- Spannungs-Wandlers liegt als der erste Widerstand, höchstens ein Zehntel desjenigen des ersten Widerstandes beträgt. It is particularly advantageous if the output of the current-voltage converter is fed back to the input, with a first and a second electrical resistor being connected in series in the feedback line used here, which are connected in series, and a third resistor between these resistors (hereinafter R3) is contacted with the feedback line. This third resistance is be ¬ nerseits at ground potential and whose resistance value is determined on the one hand by the realizable transimpedance, given by the ratio of the second resistor to third resistor ((hereinafter R2) ie by the quotient with the second abutment sand in the numerator and the third resistor in the denominator: R2 / R3), multiplied by the first resistor (hereinafter Rl) and on the other hand by the time ¬ constant of the discharge, given by the sum of the first resistor and the third resistor (R1 + R3) mul- tiplicated with the capacitance to be measured (17), wherein the time constant of the discharging process is sufficiently small, since ¬ is completed with the discharge in the blanking interval (a). It is particularly advantageous if the resistance of the second resistor, which is closer to the output of the current-voltage converter than the first resistor, is at most one tenth of that of the first resistor.
Die beschriebene Schaltung der Widerstände in der Rückkoppel- leitung trägt folgenden Umstand Rechnung. Der Einfluss der Schaltflanken der Antriebsspannung auf das Signal kann zwar durch das Austasten unterdrückt werden. Allerdings wird durch die Schaltflanken und die damit verbundene Änderung der Antriebsspannung Ladung auf dem Messkondensator erzeugt, die beim Wiedereinschalten des Strom-Spannungs-Wandlers erst ab¬ fließen muss. Durch die hohe Transimpedanz des Wandlers in Standardschaltung mit einen hochohmigen Rückkopplungswiderstand ist dieser Einschwingvorgang allerdings so langsam, dass die Messung der sehr kleinen Verschiebungsströme I (t) immer noch nicht sofort möglich wäre. Hier ist also ein elektrischer Pfad erforderlich, der den Messkondensator trotz hoher Transimpedanz schnell entlädt. Dies wird erfindungsge¬ mäß dadurch erreicht, dass die Rückkopplung des Strom- Spannungs-Wandlers nicht wie üblich als einzelner Widerstand ausgeführt ist, sondern durch eine nachfolgend beschriebene T-Konfiguration . Darin stellt die Serienschaltung aus Ri und R3 impedanzmäßig die erforderliche kurze Entladungszeit des Messkondensators sicher, und der Widerstandsteiler bestehend aus R2 und R3 verstärkt die durch Ri gegebene Transimpedanz um den Faktor R2/R3. Beispielsweise kann bei gleicher Transimpe¬ danz von Ri = 100ΜΩ die Entlade-/Einschwingzeitkonstante um den Faktor 100 entsprechend dem gewählten Widerstandsverhält¬ nis von R2/R3 = lOOkü/ΙΚΩ gesenkt werden. Hierdurch wird die Impedanz der Eingangskapazität gegen Masse deutlich verrin- gert, wobei gleichzeitig die erforderliche Signalverstärkung realisiert wird. Die durch die Schaltflanken der Antriebs¬ spannung U(t) induzierte Ladung kann damit während des Reak¬ tionsintervalls des Strom-Spannungs-Wandlers abfließen und beeinflusst die Messwerte im folgenden Messintervall nicht mehr in nennenswerter Weise. The described circuit of the resistors in the feedback line takes account of the following circumstance. Although the influence of the switching edges of the drive voltage on the signal can be suppressed by blanking. However, the drive voltage is generated charge on the measurement capacitor through the switching edges, and the associated change that must flow from ¬ upon reconnection of the current-voltage converter only. Due to the high transimpedance of the converter in standard circuit with a high-impedance feedback resistor, however, this transient is so slow that the measurement of the very small displacement currents I (t) would still not be immediately possible. So here an electrical path is required, which quickly discharges the measuring capacitor despite high transimpedance. This is achieved erfindungsge ¬ Mäss in that the feedback of the voltage-current converter is not, as usual, embodied as a single resistor, but by a below-described T-configuration. Therein, the series circuit of Ri and R 3 ensures impedance the required short discharge time of the measuring capacitor, and the resistor divider consisting of R 2 and R 3 amplifies the transimpedance given by Ri by the factor R 2 / R 3 . For example, the discharge / settling time will be reduced accordingly by a factor of 100 the selected resistance behaves ¬ nis of R 2 / R 3 = lOOkü / ΙΚΩ at the same Transimpe ¬ impedance of Ri = 100ΜΩ. This will significantly reduce the impedance of the input capacitance to ground. Gert, at the same time the required signal amplification is realized. By the switching edges of the drive ¬ voltage U (t) induced charge can thus flow out during the reac tion ¬ interval of the current-voltage converter and influences the measured values in the following measurement interval not in any significant way.
Vorteilhaft können das Austastintervall und/oder die An¬ triebsspannung und/oder das Messintervall durch eine Steuer- einrichtung überwacht werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, das gesamte Messverfahren zentral zu überwachen bzw. durch eine geeignete Softwareanpassung das Messverfahren auf unterschiedliche Anwendungsfälle ohne großen Aufwand anzupas¬ sen . Advantageously, the blanking interval and / or the at ¬ operating voltage and / or the measurement interval can be monitored by a control device. This advantageously makes it possible to monitor the entire measurement procedures centrally or anzupas by an appropriate software adaptation the measurement method to different applications without much effort ¬ sen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Kapazität durch einen Messkondensator gebildet wird, dessen Kondensatorfläche mit dem Aktor variiert wird. Insbesondere ist es möglich, dass der Aktor eine Blende in den Kondensatorspalt hineinschiebt bzw. herauszieht, wobei die Blende zu einer teilweisen Verdeckung der Kondensatorplatten führt, wodurch die zur Verfügung stehende Fläche der Kondensatorplatten verändert wird. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Voltmeter erzeugen, wie dies in der eingangs bereits genann- ten DE 10 2008 052 477 AI beschrieben ist. It is also advantageous if the electrical capacitance is formed by a measuring capacitor whose capacitor area is varied with the actuator. In particular, it is possible that the actuator pushes or pulls out a diaphragm into the capacitor gap, wherein the diaphragm leads to a partial covering of the capacitor plates, whereby the available area of the capacitor plates is changed. In this way, for example, a voltmeter can be produced, as described in the already mentioned DE 10 2008 052 477 A1.
Vorteilhaft ist es auch möglich, dass die elektrische Kapazi¬ tät durch ein schwingungsfähiges und ein durchströmbares Rohrsystem gebildet wird, wobei der Aktor das Rohrsystem zu Schwingungen anregt. Die Schwingungen können außerdem dieAdvantageously, it is also possible that the electrical capaci ¬ ability is formed by a vibratory and a flow-through pipe system, the actuator excites the pipe system to vibrate. The vibrations can also the
Breite eines Kondensatorspaltes zwischen gebildeten Kondensa¬ torplatten variieren bzw. eine Überlappung dieser Kondensatorplatten variieren. Hierzu wird jeweils eine Kondensatorplatte an dem beweglichen Teil des Rohrsystems und eine Plat- te an einem ortsfesten Teil der Messanordnung befestigt. Width of a condenser gap vary between formed ¬ torplatten or vary an overlap of these capacitor plates. For this purpose, in each case a capacitor plate on the movable part of the pipe system and a Plat- te attached to a stationary part of the measuring arrangement.
Hierdurch lässt sich das in der eingangs genannten DE This can be in the aforementioned DE
10 2006 029 443 B3 beschriebene Sensorprinzip verwirklichen, mit dem beispielsweise ein Massendurchfluss oder auch die Dichte eines Fluids gemessen werden kann. 10 2006 029 443 B3, with which, for example, a mass flow or the density of a fluid can be measured.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren jeweils mit den glei¬ chen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figu¬ ren ergeben. Es zeigen: Further details of the invention will be described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are provided in each of the figures with the moving ¬ reference symbols and will only be explained more than once, such as differences between the individual Figu ¬ ren arise. Show it:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung als Blockschaltbild, FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the measuring arrangement according to the invention as a block diagram,
Figur 2 den Signalverlauf für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens, wie dies bei¬ spielsweise mit einer Messanordnung gemäß Figur 1 erzeugt werden kann, 2 shows the waveform for one embodiment of the measuring method according to the invention, as can be generated in the pitch ¬ with a measuring arrangement according to FIG 1,
Figur 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä¬ ßen Messanordnung als Blockschaltbild und Figure 3 shows another embodiment of the invention shown SEN measurement arrangement as a block diagram and
Figur 4 eine alternative Ausgestaltung der Messeinrichtung gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der er¬ findungsgemäßen Messanordnung, wie diese auch bei Messanordnungen gemäß Figur 1 und Figur 3 zum Einsatz kommen kann. Figure 4 shows an alternative embodiment of the measuring device according to a particular embodiment of he ¬ inventive measuring arrangement, as this can also be used in measuring arrangements according to Figure 1 and Figure 3.
In Figur 1 ist eine Messanordnung 11 dargestellt, die bei¬ spielsweise als Voltmeter zum Einsatz kommen kann. Diese Messanordnung weist drei Bereiche I, II und III auf, deren Grenze durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. Außer- dem gibt es einen Bereich IV, der durch eine Steuereinrichtung (im Folgenden auch kurz als Steuerung bezeichnet) 12 gebildet ist. Dieser grundsätzliche Aufbau ist auch bei der Messanordnung 11 gemäß Figur 3 vorgesehen. 1 shows a measurement arrangement 11 is illustrated which can play to be used as a voltmeter at ¬. This measuring arrangement has three areas I, II and III, whose boundaries are indicated by dashed lines. Except- there is a region IV, which is formed by a control device (also referred to below as control) 12 for a short time. This basic structure is also provided in the measuring arrangement 11 according to FIG.
Der Bereich I des Aktors ist nur schematisch dargestellt und kann wie im oben bereits erläuterten Stand der Technik ausgeführt sein. Der Aktor weist eine Spannungsquelle 13 auf, mit der eine Spannung U(t) generiert werden kann, die einen ange- deuteten rechteckförmigen Verlauf aufweist. Mit dieser Spannung wird eine Antriebskapazität 14 gespeist, so dass in die¬ ser aufgrund der zeitlich veränderlichen Spannung U(t) eine wechselnde Feldstärke des erzeugten elektrischen Feldes ent¬ steht. Im durch die Antriebskapazität 14 gebildeten Kondensa- torspalt ist eine Blende 15 angeordnet, die durch eine elas¬ tische Aufhängung 16 gehalten ist und somit ein schwingungs¬ fähiges System bildet. In Abhängigkeit vom zeitlich veränderlichen elektrischen Feld im Kondensatorspalt wird die Blende 15 aus diesem Kondensatorspalt verdrängt und wieder hineinge- lassen und führt aufgrund der elastischen Aufhängung 16 Schwingungen aus . The region I of the actuator is shown only schematically and can be designed as in the prior art already explained above. The actuator has a voltage source 13, with which a voltage U (t) can be generated which has an indicated rectangular profile. The ¬ ser due to the time-varying voltage U (t) is an alternating field strength of the electric field generated ent ¬ with this voltage a drive capacitance 14 is fed, so that in. In torspalt formed by the drive capacity capacitors 14 a diaphragm 15 is arranged, which is held by an elas ¬ diagram suspension 16, thus forming a vibrational ¬ capable system. Depending on the time-varying electric field in the capacitor gap, the diaphragm 15 is displaced out of this capacitor gap and let in again, and due to the elastic suspension 16 it executes vibrations.
Dem Bereich I des Aktors räumlich benachbart ist der Bereich II der zu messenden Kapazität 17 angeordnet. Konkret sind die Kondensatorplatten der Kapazität 17 so angeordnet, dass der durch sie gebildete Kondensatorspalt in einer Ebene mit dem Kondensatorspalt der Antriebskapazität 14 liegt. Daher kann die Blende 15, wenn sie aus der Antriebskapazität 14 ver¬ drängt wird, in die zu messende Kapazität 17 eintauchen und damit die zur Ausbildung des elektrischen Feldes zur Verfügung stehende Fläche der Kondensatorplatten der Kapazität 17 verändern. Hierbei beeinflussen sich die Antriebskapazität 14 und die zu messende Kapazität 17 allerdings in unerwünschter Weise auch gegenseitig. Dies ist durch eine Störkapazität 18 angedeutet, welche selbstverständlich nicht, wie dargestellt, durch einen Kondensator gebildet ist, sondern durch die Bauform der realen Messanordnung vorgegeben wird. Wie bereits erläutert, schwingt die Blende 15 zwischen der Antriebskapazität 14 und der zu messenden Kapazität 17 hin und her. In Figur 1 ist die Blende in derjenigen Ausgangslage dargestellt, in der sie sich vollständig in der Antriebskapa¬ zität 14 befindet. Gestrichelt ist die entgegengesetzte Lage dargestellt, in der sich die Blende 15 vollständig in der zu messenden Kapazität 17 befindet. Es wird also deutlich, dass die Blende die Kondensatorfläche der zu messenden Kapazität 17 durch eine Abschirmung zwischen 0 und 100 % alternieren lässt. Hierdurch ist die Kapazität 17 in ihrer Größe zeitlich veränderlich, so dass ein Verschiebungsstrom I (t) entsteht. Dieser lässt sich durch die im Bereich III angeordnete Messeinrichtung nachweisen. Diese ist mit der einen Kondensatorplatte der Kapazität 17 elektrisch verbunden und weist einen Strom-Spannungs-Wandler 19 auf, der mit seinem negativen Ein- gang (in) mit der Kapazität 17 verbunden ist. Der positiveSpatially adjacent to the region I of the actuator is the region II of the capacitance 17 to be measured. Specifically, the capacitor plates of the capacitance 17 are arranged so that the capacitor gap formed by them lies in a plane with the capacitor gap of the drive capacitance 14. Therefore, the aperture 15, when it is pushed out of the drive capacity 14 ver ¬ immerse in the capacitance to be measured 17 and thus change the available for the formation of the electric field surface of the capacitor plates of the capacitance 17. In this case, however, the drive capacity 14 and the capacitance 17 to be measured also influence each other in an undesired manner. This is due to a jamming capacity 18 indicated, which of course not, as shown, is formed by a capacitor, but is determined by the design of the real measuring device. As already explained, the diaphragm 15 oscillates between the drive capacity 14 and the capacitance 17 to be measured. In Figure 1, the aperture is shown in the initial position in which it is completely in the Antriebskapa ¬ capacity 14. Dashed lines the opposite position is shown, in which the aperture 15 is completely in the capacitance 17 to be measured. It thus becomes clear that the diaphragm allows the capacitor area of the capacitance 17 to be measured to alternate between 0 and 100% by means of a shield. As a result, the size of the capacitor 17 is variable in time, so that a displacement current I (t) is produced. This can be demonstrated by the arranged in the area III measuring device. This is electrically connected to one capacitor plate of the capacitance 17 and has a current-voltage converter 19 which is connected to its negative input (in) with the capacitance 17. The positive
Eingang ist mit einer Gleichspannungsquelle 20 verbunden. Der Strom-Spannungs-Wandler 19 gibt am Ausgang (out) eine Spannung aus, welche proportional zum Verschiebungsstrom I (t) ist. Diese Spannung M(t) kann mit einem Analog-Digital- Wandler 21 gemessen und an eine Steuereinheit 12 ausgegeben werden. Die Rückkoppelleitung führt über den Rückkoppelwiderstand R auf den Eingang (in) des Strom-Spannungs-Wandlers. Input is connected to a DC voltage source 20. The current-to-voltage converter 19 outputs at the output (out) a voltage which is proportional to the displacement current I (t). This voltage M (t) can be measured with an analog-to-digital converter 21 and output to a control unit 12. The feedback line leads via the feedback resistor R to the input (in) of the current-voltage converter.
Mit Hilfe der im Bereich IV angeordneten Steuerung 12 wird das Messverfahren kontrolliert. Eine Signalleitung 23 stellt eine Verbindung zur Spannungsquelle 13 dar. Hier besteht die Option, dass die Steuerung über die Signalleitung 23 den Verlauf der durch die Spannungsquelle 13 erzeugten Anregungs¬ spannung empfängt, ohne diesen selbst zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass über die Signalleitung 23 die Spannungsquelle 13 angesteuert wird, so dass der zeit¬ liche Spannungsverlauf U(t) mittels der Steuerung bestimmt werden kann. In jedem Falle muss der zeitliche Verlauf der Antriebsspannung U(t) berücksichtigt werden, um ein Enable- Signal E(t) zu generieren. Dieses wird über eine Signallei¬ tung 24 in einen Steuereingang (Enable) des Strom-Spannungs- Wandlers eingespeist und hierüber ein Austastintervall er¬ zeugt (hierzu im Folgenden mehr) . Der Strom-Spannungs-Wandler ist immer dann ausgetastet, wenn das Enable-Signal E(t) ihn deaktiviert . With the help of arranged in area IV controller 12, the measurement method is controlled. A signal line 23 provides a connection to the voltage source 13. Here there is the option that the controller via the signal line 23 receives the course of the excitation ¬ voltage generated by the voltage source 13 without affecting this itself. A Another possibility is that via the signal line 23, the voltage source 13 is driven, so that the time ¬ Liche voltage curve U (t) can be determined by the controller. In any case, the time profile of the drive voltage U (t) must be taken into account in order to generate an enable signal E (t). This is fed via a Signallei ¬ tung 24 in a control input (enable) of the current-voltage transducer and here a blanking interval he attests ¬ (this hereinafter more). The current-to-voltage converter is always blanked when the enable signal E (t) deactivates it.
In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der Anregungsspannung U(t), des Enable-Signals E(t) und des Messsignals M(t) über der Zeit dargestellt. In den Bereichen, wo der Verschiebungs¬ strom I (t) von dem Messsignal M(t) abweicht, ist der Verlauf des Verschiebungsstroms strichpunktiert dargestellt. FIG. 2 shows the time profile of the excitation voltage U (t), the enable signal E (t) and the measurement signal M (t) over time. In the areas where the displacement ¬ current I (t) of the measurement signal M (t) deviates, the course of the displacement current is shown in phantom.
Weiterhin in Figur 2 zu erkennen ist die zeitliche Einteilung des Messverfahrens in aufeinanderfolgende Zeitintervalle, wo¬ bei in der angegebenen Reihenfolge jeweils ein Austastintervall a, ein Reaktionsintervall r und ein Messintervall m vor¬ gesehen sind. Zu erkennen ist, dass der Verschiebungsstrom I (t) im Beispiel gemäß Figur 2 einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Dies ist zu erkennen, indem man sich die entsprechenden Teile der Kurve des Messsignals M(t) des Verschiebungsstroms I (t) durch die in Figur 2 dargestellte strichpunktierte Linie ergänzt vorstellt. Allerdings sieht der tatsächliche zeitliche Ver¬ lauf des Verschiebungsstroms I (t) anders aus, da innerhalb der Austastintervalle a die Schaltflanken 26 der Anregungs¬ spannung U(t) liegen, die aufgrund des Vorliegens der Störka¬ pazität 18 (vgl. Figur 1) zu einer stark überhöhten Sprung- antwort 26i des Verschiebungsstroms I (t) führen. Diese ist in Figur 2 angedeutet. Furthermore, to detect in Figure 2 is the temporal division of the measurement process in successive time intervals, where ¬ at in the order given in each case a blanking interval a, a response interval r and a measurement interval m are seen ¬. It can be seen that the displacement current I (t) in the example according to FIG. 2 has a sinusoidal profile. This can be seen by introducing the corresponding parts of the curve of the measurement signal M (t) of the displacement current I (t) complemented by the dot-dash line shown in Figure 2. However, the actual temporal Ver ¬ run of the displacement current I (t) is different, as are U (t) in the blanking intervals of a switching flanks 26 of the Stimulus ¬ voltage capacity due to the presence of Störka ¬ 18 (see FIG. 1) to a greatly inflated leap answer 26i of the displacement current I (t) lead. This is indicated in FIG.
Allerdings ist im Bereich des Austastintervalls a das Mess- signal M(t) gleich Null, was dadurch erreicht wird, dass das Enable-Signal E(t) für die Zeit des Austastintervalls auf Null gesetzt wird. Hierdurch wird erreicht, dass es im Strom- Spannungs-Wandler nicht zu einem Übersprechen kommt, wobei dieser am Ende des Austastintervalls a wieder eingeschaltet wird, wenn die Impulsantwort des Verschiebungsstroms I (t) be¬ reits weitgehend wieder abgeklungen ist. However, in the region of the blanking interval a, the measurement signal M (t) is equal to zero, which is achieved by setting the enable signal E (t) to zero for the time of the blanking interval. In this way, wherein it is turned on again at the end of the blanking interval a, it is achieved that does not occur in the current-voltage converter to a crosstalk when the impulse response of the displacement current I (t) is already largely be ¬ subsided.
Allerdings sind durch die Impulsantwort I (t) Ladungen auf den Kondensatorplatten der zu messenden Kapazität 17 verblieben, welche beim Wiedereinschalten des Strom-Spannungs-Wandlers 19 zunächst abfließen müssen. Außerdem benötigt der Strom- Spannungs-Wandler 19 nach Aktivierung des Enable-Signals eine gewisse Reaktionszeit. Diese liegt im Reaktionsintervall r, welches in der Steuerung 12 berücksichtigt wird, damit in diesem Zeitintervall keine Messpunkte A gelegt werden können. Erst anschließend beginnt das Messintervall m, in dem das Messsignal M(t) zur Erzeugung von Messwerten abgetastet werden kann (vgl. Punkte A in Figur 2) . Das Messintervall m endet mit dem Beginn des nächsten Austastintervalls a, dessen zeitliche Lage dadurch bestimmt ist, dass rechtzeitig vor Er¬ reichen der nächsten Schaltflanke 26 der Antriebsspannung U(t) der Strom-Spannungs-Wandler 19 deaktiviert werden muss. However, due to the impulse response I (t), charges have remained on the capacitor plates of the capacitance 17 to be measured, which first have to drain when the current-voltage converter 19 is switched on again. In addition, the current-voltage converter 19 requires a certain reaction time after activation of the enable signal. This is in the reaction interval r, which is taken into account in the controller 12, so that no measuring points A can be placed in this time interval. Only then does the measuring interval m start, in which the measuring signal M (t) can be sampled to generate measured values (see points A in FIG. The measurement interval m ending with the beginning of the next blanking interval a, whose position in time is determined by that due time before He 26 ¬ rich the next switching edge of the drive voltage U (t) of the current-voltage converter 19 must be deactivated.
Die Messanordnung 11 gemäß Figur 3 ist in den Bereichen III und IV analog zu der Messanordnung gemäß Figur 1 aufgebaut. Diese Bereiche werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der Aktor im Bereich I folgt jedoch dem Prinzip des eingangs bereits erwähnten Massendurchflusssensors , wobei der Aufbau nur schematisch dargestellt ist. Das schwingungsfähige System besteht nicht wie gemäß Figur 1 aus einer Blende 15, sondern aus einem Rohr 27, welches in nicht näher dargestell¬ ter Weise durch ein Fluid durchströmbar ist. Dieses Rohr 27 kann in Schwingungen versetzt werden, wobei schematisch die elastische Aufhängung 16 dargestellt ist, die auch mit einer gewissen Dämpfung 28 ausgestattet ist. The measuring arrangement 11 according to FIG. 3 is constructed analogously to the measuring arrangement according to FIG. 1 in the areas III and IV. These areas are therefore not explained in detail here. However, the actuator in region I follows the principle of the mass flow sensor already mentioned at the beginning, the structure being shown only schematically. The vibratory System consists not as shown in Figure 1 from a diaphragm 15, but from a tube 27 which is flowed through in a manner not further dargestell ¬ ter by a fluid. This tube 27 can be vibrated, wherein schematically the elastic suspension 16 is shown, which is also equipped with a certain damping 28.
Mechanisch gekoppelt mit dem Rohr 27 ist die Antriebskapazität 14 und die zu messende Kapazität 17. Hierbei handelt es sich wie in Figur 1 um veränderliche Kapazitäten, wobei eine Veränderung bei Schwingen des Rohres 27 dadurch erreicht wird, dass der zwischen den Kondensatorplatten der Kapazitäten 14, 17 gebildete Spalt in seiner Breite variiert wird. Die zu messende Kapazität 17 bildet den Bereich II der Mess¬ anordnung 11. Der Einfluss der Antriebskapazität 14 auf die zu messende Kapazität 17 ist wieder ersatzweise durch die Störkapazität 18 dargestellt. In Figur 4 ist ein alternativer Aufbau der MesseinrichtungMechanically coupled to the tube 27 is the drive capacity 14 and the capacitance 17 to be measured. These are variable capacitances as in FIG. 1, wherein a change in the oscillation of the tube 27 is achieved by switching between the capacitor plates of the capacitors 14, 17 formed gap is varied in width. The capacitance to be measured 17 is the area II of the measuring arrangement ¬ 11. The impact of driving capacity 14 to the capacitance to be measured 17 is again alternatively represented by the parasitic capacitance 18th FIG. 4 shows an alternative construction of the measuring device
III dargestellt. Diese könnte in die Messanordnungen 11 gemäß Figur 1 und 3 eingebaut werden. Die zu messende Kapazität 17 ist in Figur 4 vereinfacht dargestellt, um die Schnittstelle zum Bereich II zu definieren. Die Steuerung 12 im Bereich IV ist analog zu den Messanordnungen 11 gemäß Figur 1 und 3 ausgeführt. Im Bereich III ergibt sich ein Unterschied zu den bisher beschriebenen Messeinrichtungen in der Rückkoppelleitung 22. Statt eines Widerstandes R ist hier die oben be¬ schriebene Konfiguration von drei Widerständen Rl, R2 und R3 realisiert. Rl und R2 liegen in der Rückkoppelleitung 22, wobei Rl näher an dem Eingang (in) liegt. Rl weist einen Widerstandswert von 1 ΜΩ auf, während R2 einen Widerstand von 100 kü aufweist. Zwischen Rl und R2 befindet sich eine Kontakt¬ stelle in der Rückkoppelleitung 22, an der eine Zweigleitung 29 kontaktiert ist, die zum Widerstand R3 führt. Der Wider¬ stand R3 liegt auf Massepotential und weist einen Wider¬ standswert von 1 kü auf. Die T-Konfiguration der Widerstände bewirkt, dass die Messan¬ ordnung im Bereich III im Reaktionsintervall r nach Setzen des Enable-Signals schneller eingeschwingt. Während des Reak¬ tionsintervalls r muss nämlich eine Ladung von der zu messenden Kapazität 17 abgebaut werden, die dort aufgrund der Im- pulsantwort nach dem Durchlaufen der Schaltflanken 26 noch vorhanden ist. Die Zeitkonstante τ, die ein Maß dafür ist, wie schnell das System bestehend aus einem Widerstand und ei¬ nem Kondensator einschwingt, ergibt sich aus τ = R · C III shown. This could be installed in the measuring arrangements 11 according to FIGS. 1 and 3. The capacitance 17 to be measured is shown in simplified form in FIG. 4 in order to define the interface to region II. The controller 12 in the region IV is executed analogously to the measuring arrangements 11 according to FIGS. 1 and 3. In the area III, there is a difference to the previously described measuring devices in the feedback line 22. Instead of a resistor R, the above-described ¬ configuration of three resistors Rl, R2 and R3 is realized here. R1 and R2 are in the feedback line 22, with R1 being closer to the input (in). R1 has a resistance of 1 Ω, while R2 has a resistance of 100 kΩ. Between Rl and R2 is a contact ¬ point in the feedback line 22, at which a branch line 29 is contacted, leading to the resistor R3. The resistance ¬ R3 is at ground potential and has a resistance ¬ value of 1 kü on. The T configuration of the resistors causes the measurement arrangement in region III to settle faster in the reaction interval r after the enable signal has been set. Namely, a charge from the capacitance to be measured 17 are degraded during the reac tion interval ¬ r has the impulse response there due to the import after passing through the switching edges 26 is still present. The time constant τ, which is a measure of how fast the system settles consisting of a resistor and capacitor ei ¬ nem concerns τ = R · C
Da in der Rückkoppelleitung 22 zu Messzwecken ein verhältnismäßig großer Widerstand vorgesehen werden muss, wird dieses zu verhältnismäßig langen Zeitkonstanten τ führen. Die Zeit- konstante τ muss aber eindeutig kleiner sein als das gefor¬ derte Abtastintervall zwischen zwei erforderlichen Messpunkten A (vgl. Figur 2) . Dies wird durch die beschriebene T- Konfiguration der Widerständen Rl, R2, R3 gewährleistet. Da der Widerstand R3 auf Massepotential liegt, kann die an der Kapazität 17 anliegende Ladung über die Widerstände Rl und R3 schneller abgebaut werden. Hierbei verringert sich die Zeit¬ konstante τ um den Faktor R1/R2, wobei Rl und R3 hinsichtlich ihres Widerstandswertes wegen der Anforderungen an die Trans¬ impedanz des Strom-Spannungs-Wandlers vorgegeben sind. Since a relatively large resistance must be provided in the feedback line 22 for measurement purposes, this will lead to relatively long time constants τ. The time to be clearly smaller than the sampling interval Shaped ¬-made between two measurement points A required constant τ must, however, (see FIG. 2). This is ensured by the described T configuration of the resistors Rl, R2, R3. Since the resistor R3 is at ground potential, the charge applied to the capacitance 17 via the resistors Rl and R3 can be degraded faster. Here, the time constant τ ¬ reduced by a factor R1 / R2, where R is and R3 specified in terms of their resistance value because of the requirements for the Trans ¬ impedance of the current-voltage converter.

Claims

Patentansprüche claims
1. Messverfahren, bei dem die zeitliche Veränderung einer elektrischen Kapazität dadurch erfasst wird, dass ein auf Grund der Veränderung der Kapazität (II) erzeugter Verschie¬ bungsstrom I (t) mit einer Messeinrichtung (III) gemessen wird, wobei die zeitliche Veränderung der Kapazität (II) me¬ chanisch mit einem elektrischen Aktor (I) herbeigeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 1. Measuring method in which the temporal change of an electric capacity is detected in that a due to the change of the capacitance (II) generated displacement ¬ bung current I (t) is measured with a measuring device (III), the time variation of the capacitance (II) me ¬ chanically with an electric actuator (I) is brought about, characterized in that
· der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor (I) derart gewählt wird, dass in ihm Zeitintervalle mit konstanter Antriebsspannung enthalten sind, The time profile of the electrical drive voltage U (t) for the actuator (I) is selected such that it contains time intervals with a constant drive voltage,
• Messintervalle (m) vorgesehen werden, welche vollständig in den Zeitintervallen konstanter Antriebsspannung liegen und in denen der Verschiebungsstrom I (t) gemessen wird, und  • measuring intervals (m) are provided which lie completely in the time intervals of constant drive voltage and in which the displacement current I (t) is measured, and
• die Messeinrichtung (III) in Austastintervallen (a) ausgetastet wird, so dass die Messeinrichtung (III) während der Austastintervalle (a) das Messsignal nicht verarbeitet, wobei Zeitintervalle, in denen die Antriebsspannung verändert wird, vollständig in den Austastintervallen liegen.  • The measuring device (III) is blanked out at blanking intervals (a) so that the measuring device (III) does not process the measuring signal during the blanking intervals (a), with intervals in which the drive voltage is changed being completely within the blanking intervals.
2. Messverfahren nach Anspruch 1, 2. Measuring method according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Aktor (I) mit elektrostatischen Kräften angetrieben wird. the actuator (I) is driven by electrostatic forces.
3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. Measuring method according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Antriebspannung eine Rechteckspannung ist. the drive voltage is a square-wave voltage.
4. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeweils zwischen das Austastintervall (a) und das Messinter¬ vall (m) ein Reaktionsintervall (r) gelegt wird, in welchem die durch das Austasten bedingte Totzeit der Messeinrichtung (III) vollständig liegt. 4. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that between each of the blanking interval (a) and the measuring Inter ¬ vall (m) is placed a reaction interval (r), in which the dead time caused by the blanking of the measuring device (III) is complete.
5. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 5. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that a
die Messeinrichtung einen Strom-Spannungs-Wandler (19) aufweist, auf dessen Eingang der Verschiebungsstrom I (t) geführt wird und der ein zum Verschiebungsstrom I (t) proportionales Messsignal M(t) abgibt. the measuring device has a current-voltage converter (19), to the input of which the displacement current I (t) is guided and which outputs a measurement signal M (t) proportional to the displacement current I (t).
6. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 6. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that a
der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers (19) auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kom¬ menden Rückkoppelleitung (22) ein erster (Rl) und ein zweiter elektrischer Widerstand (R2), der näher am Ausgang des Strom- Spannungs-Wandlers liegt als der erste Widerstand (Rl), be- finden, die seriell geschaltet sind, und zwischen diesen Wi¬ derständen ein dritter elektrischer Widerstand (R3) mit der Rückkoppelleitung kontaktiert ist, der seinerseits auf Masse¬ potential liegt und dessen Widerstandswert bestimmt ist the output of the current-voltage converter (19) is fed back to the input, wherein in the case of com ¬ coming feedback line (22) a first (Rl) and a second electrical resistance (R2) closer to the output of the Current-voltage converter is located as the first resistor (Rl), located, which are connected in series, and between these Wi ¬ resistances a third electrical resistance (R3) is contacted with the feedback line, which in turn is at ground ¬ potential and whose resistance is determined
• durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben  • given by the transimpedance to be realized
durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes zum dritten Widerstand (R2/R3) multipliziert mit dem ers¬ ten Widerstand (Rl) und by the ratio of the second resistor to third resistor (R2 / R3) multiplied by ¬ ers th resistor (R) and
• durch die Zeitkonstante des Entladevorganges, gegeben durch die Summe aus dem ersten Widerstand und dem dritten Widerstand (R1+R3) multipliziert mit der zu messenden Kapazität (17), wobei die Zeitkonstante des Entladevorganges hinreichend klein ist, damit der Ent¬ ladevorgang im Austastintervall (a) abgeschlossen ist. • by the time constant of the discharge, given by the sum of the first resistor and the third resistor (R1 + R3) multiplied by the capacitance to be measured (17), wherein the time constant of the discharge is sufficiently small so that the Ent ¬ charging in the blanking interval (a) is completed.
7. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 7. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that a
das Austastintervall (a) und/oder die Antriebsspannung U(t) und/oder das Messintervall (m) durch eine Steuereinrichtung (12) überwacht werden. the blanking interval (a) and / or the drive voltage U (t) and / or the measuring interval (m) are monitored by a control device (12).
8. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 8. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that a
die elektrische Kapazität (II) durch einen Messkondensator gebildet wird, dessen Kondensatorfläche mit dem Aktor vari¬ iert wird. the electrical capacitance (II) is formed by a measuring capacitor, the capacitor surface is to the actuator vari ¬ ated.
9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Measuring method according to one of claims 1 to 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die elektrische Kapazität (II) durch ein schwingungsfähiges und durchströmbares Rohrsystem gebildet wird, wobei der Aktor das Rohrsystem zu Schwingungen anregt und hierdurch ein Kondensatorspalt oder die Überlappung der Kondensatorplatten va- riiert wird. the electrical capacitance (II) is formed by a vibratory and flow-through pipe system, wherein the actuator excites the pipe system to oscillate and thereby a condenser gap or the overlap of the capacitor plates is varied.
10. Messanordnung mit einer Messeinrichtung (III) zur Messung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität (II),10. measuring arrangement with a measuring device (III) for measuring the time change of an electrical capacitance (II),
• wobei zur zeitlichen Veränderung der Kapazität (II) ein elektrischer Aktor (I) vorgesehen ist, Wherein an electrical actuator (I) is provided for temporally changing the capacity (II),
• wobei die Messeinrichtung einen Strom-Spannungs-Wandler (19) aufweist, auf dessen Eingang ein auf Grund der Veränderung der Kapazität (II) erzeugter Verschiebungsstrom Wherein the measuring device comprises a current-voltage converter (19), on the input of which a displacement current generated due to the change of the capacitance (II)
I (t) geführt ist und der ein zum Verschiebungsstrom I (t) proportionales Messsignal M(t) am Ausgang zur Verfügung stellt, I (t) is guided and which provides a displacement signal I (t) proportional to the measurement signal M (t) at the output,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass • der Strom-Spannungs-Wandler (19) einen Enable-Eingang aufweist, der mit einer Steuereinrichtung (12) verbunden ist und characterized in that • the current-voltage converter (19) has an enable input, which is connected to a control device (12) and
• die Steuereinrichtung (12) ein Enable-Signal zur Verfügung stellt, das den Strom-Spannungs-Wandler (19) aktiviert.  • the control device (12) provides an enable signal that activates the current-voltage converter (19).
11. Messanordnung nach Anspruch 10, 11. Measuring arrangement according to claim 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers (19) auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kom¬ menden Rückkoppelleitung (22) ein erster und ein zweiter elektrischer Widerstand (Rl, R2 ) befinden, die seriell ge¬ schaltet sind, und zwischen diesen Widerständen ein dritter Widerstand (R3) mit der Rückkoppelleitung kontaktiert ist, der seinerseits auf Massepotential liegt und dessen Wider¬ standswert bestimmt ist the output of the current-voltage converter (19) is fed back to the input, in which case com ¬ coming feedback line (22) is a first and a second electrical resistance (Rl, R2) are connected, the series ¬ switched are, and between these resistors, a third resistor (R3) is contacted with the feedback line, which in turn is at ground potential and whose resistance ¬ value is determined
• durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben  • given by the transimpedance to be realized
durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes zum dritten Widerstand (R2/R3) multipliziert mit dem ers- ten Widerstand (Rl) und  by the ratio of the second resistor to the third resistor (R2 / R3) multiplied by the first resistor (R1) and
• durch die Zeitkonstante des Entladevorganges, gegeben durch die Summe aus dem ersten Widerstand und dem dritten Widerstand (R1+R3) multipliziert mit der zu messenden Kapazität (17), wobei die Zeitkonstante des Entladevorganges hinreichend klein ist, damit der Ent¬ ladevorgang in einem Austastintervall (a) , in dem keine Messung der Messanordnung vorgesehen ist, abgeschlossen ist. • by the time constant of the discharge, given by the sum of the first resistor and the third resistor (R1 + R3) multiplied by the capacitance to be measured (17) wherein the time constant of the discharge is sufficiently small so that the Ent ¬ charging in a Blanking interval (a), in which no measurement of the measuring arrangement is provided, is completed.
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