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DE102010035381A1 - Measuring method and measuring arrangement for detecting the temporal change of an electrical capacitance - Google Patents

Measuring method and measuring arrangement for detecting the temporal change of an electrical capacitance Download PDF

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DE102010035381A1
DE102010035381A1 DE102010035381A DE102010035381A DE102010035381A1 DE 102010035381 A1 DE102010035381 A1 DE 102010035381A1 DE 102010035381 A DE102010035381 A DE 102010035381A DE 102010035381 A DE102010035381 A DE 102010035381A DE 102010035381 A1 DE102010035381 A1 DE 102010035381A1
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DE
Germany
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measuring
current
capacitance
voltage
electrical
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Ceased
Application number
DE102010035381A
Other languages
German (de)
Inventor
Jörg Hassel
Dr. Steckenborn Arno
Oliver Theile
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für die zeitliche Veränderung einer elektrischen Kapazität bzw. eine Messanordnung zur Durchführung dieses Messverfahrens. Um die Veränderung der Kapazität (17) zu messen, wird ein Verschiebungsstrom I(t) durch einen Strom-Spannungs-Wandler (19) erfasst und hierdurch ein Messsignal M(t) generiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Einfluss einer elektrischen Antriebsspannung U(t) auf das Messergebnis dadurch eliminiert wird, dass die Antriebsspannung konstante Anteile enthält und der Strom-Spannungs-Wandler (19) während der Schaltflanken der Antriebsspannung ausgetastet wird. So kann eine Impulsantwort auf Spannungsänderungen der Versorgungsspannung U(t), die auch auf den Messkondensator (17) wirken, ausgeblendet werden. Erfindungsgemäß ist damit eine genauere Messung möglich.The invention relates to a measuring method for the temporal change of an electrical capacitance or a measuring arrangement for carrying out this measuring method. In order to measure the change in capacitance (17), a displacement current I (t) is detected by a current-voltage converter (19) and a measurement signal M (t) is generated as a result. According to the invention it is provided that the influence of an electrical drive voltage U (t) on the measurement result is eliminated in that the drive voltage contains constant components and the current-voltage converter (19) is blanked during the switching edges of the drive voltage. In this way, an impulse response to voltage changes in the supply voltage U (t), which also act on the measuring capacitor (17), can be masked out. According to the invention, a more precise measurement is thus possible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, bei dem die zeitliche Veränderung einer elektrischen Kapazität dadurch erfasst wird, dass ein aufgrund der Veränderung der Kapazität erzeugter Verschiebungsstrom I(t) mit einer Messeinrichtung gemessen wird, wobei die zeitliche Veränderung der Kapazität mechanisch 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 temporal change of an electrical capacitance is detected by measuring a displacement current I (t) generated due to the change in the capacitance with a measuring device, wherein the temporal change of the capacitance is brought about mechanically with an electrical 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 Kondensatorplatten 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 bezeichnet wird. Hierbei ist in der Messanordnung nur eine Kondensatorplatte verwirklicht, während die andere Kondensatorplatte sozusagen durch die Umgebung gebildet wird. Mit dem Prinzip der Feldmühle lassen sich beispielsweise Potentialveränderungen in der Erdatmosphäre ermitteln.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, which is located between the capacitor plates, can also be changed. 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. In this case, only one capacitor plate is realized in the measuring arrangement, while the other capacitor plate is formed so to speak by the environment. With the principle of the field mill, for example, potential changes in the earth's atmosphere can be determined.

Außerdem weist die in der Messanordnung eingebaute Messeinrichtung 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 Ausgang zur Verfügung stellt.In addition, the measuring device incorporated in the measuring device has a current-voltage converter, on the input of which a displacement current I (t) is generated due to the change in capacitance and which is proportional to the displacement current I (t) voltage signal U (t) at the output provides.

Messverfahren und Messanordnungen der eingangs angegebenen Art sind an sich bekannt. Gemäß der DE 10 2008 052 477 A1 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 Kondensatorplatte ist eine bewegliche Blende angeordnet, die über die Kondensatorplatte geschoben werden kann und somit die effektive Kondensatorfläche verringert und vergrößert. Diese Blende 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 the DE 10 2008 052 477 A1 For example, the measuring arrangement given at the outset is designed as a micromechanical system, for example, 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 capacitor plate, a movable diaphragm is arranged, which can be pushed over the capacitor plate and thus reduces the effective capacitor area and increases. This diaphragm is provided with a micromechanical drive, which consists of comb-like electrodes, which can be subjected to 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 einem Fluid durchflossen 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 disclosed in US Pat DE 10 2006 029 443 B2 described. This is a vibratory pipe system, which can be traversed by a 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, the measuring method mentioned at the beginning can be used to determine the vibration behavior of the pipe system.

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 Microelectromechanical 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 insbesondere 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 above is, 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 described. The displacement current I (t) is only very small and must therefore be amplified for measurement purposes. This can be done via a current-voltage converter, at the output of an amplified voltage signal U (t) is provided for measurement purposes. In the construction of the measuring arrangement, however, it should also be considered that the excitation also takes place with an electrical actuator which uses a capacitive principle. This drive principle is used because it is comparatively easy to implement. This is particularly important in embodiments of the measuring arrangement as MEMS of particular importance. However, it must be accepted in this technical realization that the driving part of the electrical actuator and the detection part of the measuring device of the system influence each other. This can lead to a crosstalk of the drive voltage to the measured displacement current. 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.

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.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 provide a measuring method and a measuring arrangement specify, with or with the continuous measurement of a capacitance change at the same time comparatively low metrological effort with relatively 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 Antriebsspannung 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 Kondensator 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.The object is achieved with the measuring method given at the beginning by a combination of the following measures. The first measure consists in that the time profile of the electrical drive voltage U (t) for the actuator is selected such that time intervals with a constant drive voltage are contained 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). The equation applies here I (t) = dC / dt * U + dU / dt * C, where C is the capacitance of the capacitor and U is the voltage applied to the 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.

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 zumindest 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 Antriebsspannung 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 Antriebsspannung vorliegt. Aufgrund der Elastizität der Aufhängung 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 Antriebsspannung weist also zwei unterschiedliche Niveaus auf, die durch vergleichsweise steile Flanken (insbesondere eine 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.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, then an influence due to crosstalk can be at least largely excluded in this time interval, 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. When the drive voltage is brought to the constant value, an electrostatic force acts on the respective movable part of the electric actuator causing it to move. The moment the moving part is at the end of its free space, the drive voltage is reset to 0, after which there is a constant drive voltage again. Due to the elasticity of the suspension of the moving part this swings back in the absence of 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, which are interconnected by comparatively steep edges (in particular a square-wave voltage). 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 vergleichsweise 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 selection of a square wave voltage, the derivation formed by the differentiation produces two comparatively intense pulses after the time in the range of the switch-on edge and the switch-off edge of the drive voltage U (t), while the derivative otherwise equals zero is.

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 dieser Pulse liegenden Nutzsignale (also der zu messende Verschiebungsstrom 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 adjacent to these pulses (that is to say the displacement current I (t) to be measured) can therefore not be measured with the transimpedance of the current-voltage converter required for the resolution because they are smaller by about a factor of 1000. 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 genügend 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 vorteilhaft nach vergleichsweise kurzer Zeit wieder Messsignale verarbeitet 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, blanking of the measuring device is understood to mean that the measuring device does not process the measuring signal. 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. However, this would make the inventively desired goal of a quasi-continuous measurement impossible, since according to the Switching on the measuring device the operational readiness would not be produced in a sufficiently short time. This is different with a blanking of the measuring device, since this remains active during the time and after the end of the blanking interval advantageous after a relatively short time again measuring signals can be processed.

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 beginnt das Austastintervall. Nach Beendigung des Austastintervalls 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. This starts the blanking interval. After completion of the blanking interval, an enable signal is again provided by the controller.

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.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the actuator is driven by electrostatic forces. In this way, an activation of the actuator in the already described advantageous manner is possible 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 of constant voltage are in each case at zero and a defined drive voltage, which provides a sufficient electrostatic force to drive the electrical actuator.

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 der Messeinrichtung, insbesondere des Strom-Spannungs-Wandlers die Folge. Um auszuschließen, dass in diesem Intervall generierte Spannungswerte am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers zu falschen Messsignalen führen könnten, wird dieses Reaktionsintervall, in dem die Totzeit der Messeinrichtung liegt, ausgeblendet, so dass das Messintervall erst anschließend beginnt.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, a short dead time of the measuring device, in particular of the current-voltage converter is the result even after the termination of the blanking interval. In order to rule out that voltage values generated in this interval at the output of the current-voltage converter could lead to false measurement signals, this response interval, in which the dead time of the measuring device is located, faded out, so that the measurement interval begins only afterwards.

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 Rückkoppelleitung kontaktiert ist. Dieser dritte Widerstand liegt seinerseits 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 Quotienten mit dem zweiten Widersand im Zähler und dem dritten Widerstand im Nenner: R2/R3), multipliziert mit dem ersten Widerstand (im Folgenden R1) und andererseits 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 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 resistor in turn is at ground potential and its resistance is determined on the one hand by the transimpedance to be realized, given by the ratio of the second resistor (hereinafter R2) to the third resistor (ie by the quotient with the second resistance in the counter and the third resistor in Denominator: R2 / R3) multiplied by the first resistor (hereinafter R1) 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) multiplied by the capacitance to be measured ( 17 ), wherein the time constant of the discharging process is sufficiently small, so that the unloading process in the blanking interval (a) is completed. It is particularly advantageous if the resistance value 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 Rückkoppelleitung 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 abfließen 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 erfindungsgemäß 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 R1 und R3 impedanzmäßig die erforderliche kurze Entladungszeit des Messkondensators sicher, und der Widerstandsteiler bestehtend aus R2 und R3 verstärkt die durch R1 gegebene Transimpedanz um den Faktor R2/R3. Beispielsweise kann bei gleicher Transimpedanz von R1 = 100 MΩ die Entlade-/Einschwingzeitkonstante um den Faktor 100 entsprechend dem gewählten Widerstandsverhältnis von R2/R3 = 100 kΩ/1 KΩ gesenkt werden. Hierdurch wird die Impedanz der Eingangskapazität gegen Masse deutlich verringert, wobei gleichzeitig die erforderliche Signalverstärkung realisiert wird. Die durch die Schaltflanken der Antriebsspannung U(t) induzierte Ladung kann damit während des Reaktionsintervalls 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, charge is generated on the measuring capacitor by the switching edges and the associated change in the drive voltage, which must first drain when the current-voltage converter is switched on again. 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 inventively achieved in that the feedback of the current-voltage converter is not carried out as usual as a single resistor, but by a T-configuration described below. Therein, the series circuit of R 1 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 R 1 by the factor R 2 / R 3 . For example, with the same transimpedance of R 1 = 100 MΩ, the discharge / settling time constant can be reduced by a factor of 100 according to the selected resistance ratio of R 2 / R 3 = 100 kΩ / 1 KΩ. As a result, the impedance of the input capacitance to ground is significantly reduced, while the required signal amplification is realized. The charge induced by the switching edges of the drive voltage U (t) can thus flow away during the reaction interval of the current-voltage converter and influences the latter Measured values in the following measurement interval no longer appreciably.

Vorteilhaft können das Austastintervall und/oder die Antriebsspannung und/oder das Messintervall durch eine Steuereinrichtung 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 anzupassen.Advantageously, the blanking interval and / or the drive voltage and / or the measuring interval can be monitored by a control device. As a result, it is advantageously possible to centrally monitor the entire measuring method or to adapt the measuring method to different applications without great effort by means of a suitable software adaptation.

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 genannten DE 10 2008 052 477 A1 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, generate a voltmeter, as mentioned in the beginning DE 10 2008 052 477 A1 is described.

Vorteilhaft ist es auch möglich, dass die elektrische Kapazität durch ein schwingungsfähiges und ein durchströmbares Rohrsystem gebildet wird, wobei der Aktor das Rohrsystem zu Schwingungen anregt. Die Schwingungen können außerdem die Breite eines Kondensatorspaltes zwischen gebildeten Kondensatorplatten variieren bzw. eine Überlappung dieser Kondensatorplatten variieren. Hierzu wird jeweils eine Kondensatorplatte an dem beweglichen Teil des Rohrsystems und eine Platte an einem ortsfesten Teil der Messanordnung befestigt. Hierdurch lässt sich das in der eingangs genannten DE 10 2006 029 443 B3 beschriebene Sensorprinzip verwirklichen, mit dem beispielsweise ein Massendurchfluss oder auch die Dichte eines Fluids gemessen werden kann.Advantageously, it is also possible that the electrical capacitance is formed by a vibratory and a flow-through pipe system, wherein the actuator excites the pipe system to oscillate. The vibrations may also vary the width of a capacitor gap between capacitor plates formed or vary an overlap of these capacitor plates. For this purpose, in each case a capacitor plate is fastened to the movable part of the pipe system and a plate to a stationary part of the measuring arrangement. This can be in the above-mentioned DE 10 2006 029 443 B3 described sensor principle realize, for example, with the 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 gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:Further details of the invention will be described below with reference to the drawing. The same or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals in the figures and are explained only to the extent that there are differences between the individual figures. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung als Blockschaltbild, 1 An embodiment of the measuring arrangement according to the invention as a block diagram,

2 den Signalverlauf für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens, wie dies beispielsweise mit einer Messanordnung gemäß 1 erzeugt werden kann, 2 the waveform for an embodiment of the measuring method according to the invention, as for example with a measuring arrangement according to 1 can be generated

3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung als Blockschaltbild und 3 another embodiment of the measuring arrangement according to the invention as a block diagram and

4 eine alternative Ausgestaltung der Messeinrichtung gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung, wie diese auch bei Messanordnungen gemäß 1 und 3 zum Einsatz kommen kann. 4 an alternative embodiment of the measuring device according to a particular embodiment of the measuring arrangement according to the invention, as this also in measuring arrangements according to 1 and 3 can be used.

In 1 ist eine Messanordnung 11 dargestellt, die beispielsweise als Voltmeter zum Einsatz kommen kann. Diese Messanordnung weist drei Bereiche I, II und III auf, deren Grenze durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. Außerdem 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 3 vorgesehen.In 1 is a measuring arrangement 11 represented, for example, as a voltmeter can be used. This measuring arrangement has three areas I, II and III, whose boundaries are indicated by dashed lines. In addition, there is an area IV which is controlled by a control device (hereinafter also referred to as controller for short). 12 is formed. This basic structure is also in the measuring arrangement 11 according to 3 intended.

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 angedeuteten rechteckförmigen Verlauf aufweist. Mit dieser Spannung wird eine Antriebskapazität 14 gespeist, so dass in dieser aufgrund der zeitlich veränderlichen Spannung U(t) eine wechselnde Feldstärke des erzeugten elektrischen Feldes entsteht. Im durch die Antriebskapazität 14 gebildeten Kondensatorspalt ist eine Blende 15 angeordnet, die durch eine elastische Aufhängung 16 gehalten ist und somit ein schwingungsfähiges System bildet. In Abhängigkeit vom zeitlich veränderlichen elektrischen Feld im Kondensatorspalt wird die Blende 15 aus diesem Kondensatorspalt verdrängt und wieder hineingelassen 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 on, with a voltage U (t) can be generated, which has an indicated rectangular shape. With this voltage becomes a drive capacity 14 fed, so that arises in this due to the time-varying voltage U (t) an alternating field strength of the generated electric field. Im by the drive capacity 14 formed capacitor gap is a diaphragm 15 arranged by an elastic suspension 16 is held and thus forms a vibratory system. Depending on the time-varying electric field in the capacitor gap, the aperture 15 displaced from this condenser gap and let in again and leads due to the elastic suspension 16 Vibrations out.

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 verdrängt 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.Spatially adjacent to the region I of the actuator is the region II of the capacitance to be measured 17 arranged. Specifically, the capacitor plates are the capacitance 17 arranged so that the capacitor gap formed by them in a plane with the capacitor gap of the drive capacity 14 lies. Therefore, the aperture can 15 when off the drive capacity 14 is displaced into the capacity to be measured 17 immerse and thus the area available for the formation of the electric field surface of the capacitor plates of the capacity 17 change. This affects the drive capacity 14 and the capacity to be measured 17 but in an undesirable way, also mutually. 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.

Wie bereits erläutert, schwingt die Blende 15 zwischen der Antriebskapazität 14 und der zu messenden Kapazität 17 hin und her. In 1 ist die Blende in derjenigen Ausgangslage dargestellt, in der sie sich vollständig in der Antriebskapazität 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 Eingang (in) mit der Kapazität 17 verbunden ist. Der 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. As already explained, the aperture swings 15 between the drive capacity 14 and the capacity to be measured 17 back and forth. In 1 the aperture is shown in the initial position in which they are completely in the drive capacity 14 located. Dashed line is the opposite position shown, in which the aperture 15 completely in the capacity to be measured 17 located. It thus becomes clear that the diaphragm is the capacitor surface of the capacitance to be measured 17 can be alternated between 0 and 100% by a shield. This is the capacity 17 in size variable in time, so that a displacement current I (t) is formed. This can be demonstrated by the arranged in the area III measuring device. This is with the one capacitor plate of capacity 17 electrically connected and has a current-voltage converter 19 on, with its negative input (in) with capacity 17 connected is. The positive input is with a DC voltage source 20 connected. The current-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 used with an analog-to-digital converter 21 measured and sent to a control unit 12 be issued. 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 Anregungsspannung empfängt, ohne diesen selbst zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass über die Signalleitung 23 die Spannungsquelle 13 angesteuert wird, so dass der zeitliche 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 Signalleitung 24 in einen Steuereingang (Enable) des Strom-Spannungs-Wandlers eingespeist und hierüber ein Austastintervall erzeugt (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 the area IV control 12 the measuring procedure is controlled. A signal line 23 connects to the voltage source 13 Here is the option that the control over the signal line 23 the course of the voltage source 13 generated excitation voltage receives without affecting this itself. Another possibility is that via the signal line 23 the voltage source 13 is controlled, so that the temporal voltage curve U (t) can be determined by means of 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 via a signal line 24 fed into a control input (enable) of the current-voltage converter and over this a blanking interval generated (more on this in the following). The current-to-voltage converter is always blanked when the enable signal E (t) deactivates it.

In 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 Verschiebungsstrom I(t) von dem Messsignal M(t) abweicht, ist der Verlauf des Verschiebungsstroms strichpunktiert dargestellt.In 2 the time profile of the excitation voltage U (t), the enable signal E (t) and the measurement signal M (t) is shown over time. In the regions where the displacement current I (t) deviates from the measurement signal M (t), the course of the displacement current is shown in phantom.

Weiterhin in 2 zu erkennen ist die zeitliche Einteilung des Messverfahrens in aufeinanderfolgende Zeitintervalle, wobei in der angegebenen Reihenfolge jeweils ein Austastintervall a, ein Reaktionsintervall r und ein Messintervall m vorgesehen sind.Continue in 2 to recognize the temporal division of the measuring method in successive time intervals, in each case a blanking interval a, a reaction interval r and a measuring interval m are provided in the order given.

Zu erkennen ist, dass der Verschiebungsstrom I(t) im Beispiel gemäß 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 2 dargestellte strichpunktierte Linie ergänzt vorstellt. Allerdings sieht der tatsächliche zeitliche Verlauf des Verschiebungsstroms I(t) anders aus, da innerhalb der Austastintervalle a die Schaltflanken 26 der Anregungsspannung U(t) liegen, die aufgrund des Vorliegens der Störkapazität 18 (vgl. 1) zu einer stark überhöhten Sprungantwort 26i des Verschiebungsstroms I(t) führen. Diese ist in 2 angedeutet.It can be seen that the displacement current I (t) in the example according to 2 has a sinusoidal shape. This can be seen by taking the corresponding parts of the curve of the measurement signal M (t) of the displacement current I (t) by the in 2 illustrated dash-dotted line supplements imagines. However, the actual time course of the displacement current I (t) looks different because within the blanking intervals a the switching edges 26 the excitation voltage U (t), due to the presence of the Störkapazität 18 (see. 1 ) to a greatly inflated step response 26i of the displacement current I (t). This is in 2 indicated.

Allerdings ist im Bereich des Austastintervalls a das Messsignal 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) bereits weitgehend wieder abgeklungen ist.However, in the region of the blanking interval a, the measuring 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. This ensures that there is no crosstalk in the current-voltage converter, this being switched on again at the end of the blanking interval a when the impulse response of the displacement current I (t) has already subsided to a large extent.

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 2). Das Messintervall m endet mit dem Beginn des nächsten Austastintervalls a, dessen zeitliche Lage dadurch bestimmt ist, dass rechtzeitig vor Erreichen 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 on the capacitor plates of the capacitance to be measured 17 remained, which when restarting the current-voltage converter 19 have to drain first. In addition, the current-voltage converter is required 19 After activating the enable signal a certain reaction time. This is in the reaction interval r, which is in the controller 12 is taken into account 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 2 ). The measuring interval m ends with the beginning of the next blanking interval a, the temporal position of which is determined by the fact that in good time before reaching the next switching edge 26 the drive voltage U (t) of the current-voltage converter 19 must be disabled.

Die Messanordnung 11 gemäß 3 ist in den Bereichen III und IV analog zu der Messanordnung gemäß 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 1 aus einer Blende 15, sondern aus einem Rohr 27, welches in nicht näher dargestellter 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 3 is in the areas III and IV analogous to the measuring arrangement according to 1 built up. 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 oscillatory system does not exist as per 1 from a panel 15 but from a tube 27 , which is flowed through in a manner not shown by a fluid. This pipe 27 can in Vibrations are added, where schematically the elastic suspension 16 is shown, which also with a certain damping 28 Is provided.

Mechanisch gekoppelt mit dem Rohr 27 ist die Antriebskapazität 14 und die zu messende Kapazität 17. Hierbei handelt es sich wie in 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.Mechanically coupled with the pipe 27 is the drive capacity 14 and the capacity to be measured 17 , These are like in 1 variable capacitance, with a change in the swinging of the tube 27 is achieved by that between the capacitor plates of the capacitances 14 . 17 formed gap is varied in width.

Die zu messende Kapazität 17 bildet den Bereich II der Messanordnung 11. Der Einfluss der Antriebskapazität 14 auf die zu messende Kapazität 17 ist wieder ersatzweise durch die Störkapazität 18 dargestellt.The capacity to be measured 17 forms the area II of the measuring arrangement 11 , The influence of the drive capacity 14 on the capacity to be measured 17 is again substitute by the Störkapazität 18 shown.

In 4 ist ein alternativer Aufbau der Messeinrichtung III dargestellt. Diese könnte in die Messanordnungen 11 gemäß 1 und 3 eingebaut werden. Die zu messende Kapazität 17 ist in 4 vereinfacht dargestellt, um die Schnittstelle zum Bereich II zu definieren. Die Steuerung 12 im Bereich IV ist analog zu den Messanordnungen 11 gemäß 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 beschriebene Konfiguration von drei Widerständen R1, R2 und R3 realisiert. R1 und R2 liegen in der Rückkoppelleitung 22, wobei R1 näher an dem Eingang (in) liegt. R1 weist einen Widerstandswert von 1 MΩ auf, während R2 einen Widerstand von 100 kΩ aufweist. Zwischen R1 und R2 befindet sich eine Kontaktstelle in der Rückkoppelleitung 22, an der eine Zweigleitung 29 kontaktiert ist, die zum Widerstand R3 führt. Der Widerstand R3 liegt auf Massepotential und weist einen Widerstandswert von 1 kΩ auf.In 4 an alternative construction of the measuring device III is shown. This could be in the measuring arrangements 11 according to 1 and 3 to be built in. The capacity to be measured 17 is in 4 simplified to define the interface to area II. The control 12 in area IV is analogous to the measuring arrangements 11 according to 1 and 3 executed. In 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 R1, R2 and R3 is realized here. R1 and R2 are in the feedback line 22 where R1 is closer to the entrance (in). R1 has a resistance of 1 MΩ while R2 has a resistance of 100 KΩ. Between R1 and R2 there is a contact point in the feedback line 22 on which a branch line 29 is contacted, which leads to the resistor R3. The resistor R3 is at ground potential and has a resistance of 1 kΩ.

Die T-Konfiguration der Widerstände bewirkt, dass die Messanordnung im Bereich III im Reaktionsintervall r nach Setzen des Enable-Signals schneller eingeschwingt. Während des Reaktionsintervalls r muss nämlich eine Ladung von der zu messenden Kapazität 17 abgebaut werden, die dort aufgrund der Impulsantwort 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 einem Kondensator einschwingt, ergibt sich aus τ = R·C The T-configuration of the resistors causes the measuring arrangement in region III to react faster in the reaction interval r after setting the enable signal. Namely, during the reaction interval r, a charge must be made from the capacitance to be measured 17 are degraded there due to the impulse response after passing through the switching edges 26 still exists. The time constant τ, which is a measure of how fast the system consisting of a resistor and a capacitor settles, results from 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 Zeitkonstante τ muss aber eindeutig kleiner sein als das geforderte Abtastintervall zwischen zwei erforderlichen Messpunkten A (vgl. 2). Dies wird durch die beschriebene T-Konfiguration der Widerständen R1, R2, R3 gewährleistet. Da der Widerstand R3 auf Massepotential liegt, kann die an der Kapazität 17 anliegende Ladung über die Widerstände R1 und R3 schneller abgebaut werden. Hierbei verringert sich die Zeitkonstante τ um den Faktor R1/R2, wobei R1 und R3 hinsichtlich ihres Widerstandswertes wegen der Anforderungen an die Transimpedanz des Strom-Spannungs-Wandlers vorgegeben sind.Because in the feedback line 22 For measurement purposes, a relatively large resistance must be provided, this will lead to relatively long time constant τ. However, the time constant τ must be clearly smaller than the required sampling interval between two required measuring points A (cf. 2 ). This is ensured by the described T configuration of the resistors R1, R2, R3. Since the resistor R3 is at ground potential, the at the capacity 17 applied charge across the resistors R1 and R3 are degraded faster. In this case, the time constant τ decreases by the factor R1 / R2, wherein R1 and R3 are predetermined in terms of their resistance value because of the requirements for the transimpedance of the current-voltage converter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008052477 A1 [0004, 0020] DE 102008052477 A1 [0004, 0020]
  • DE 102006029443 B2 [0005] DE 102006029443 B2 [0005]
  • DE 102006029443 B3 [0021] DE 102006029443 B3 [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • B. Bahreyni et al. „Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor” in Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, Seiten 31–36, 2008 [0006] B. Bahreyni et al. "Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor" in Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, pages 31-36, 2008 [0006]

Claims (11)

Messverfahren, bei dem die zeitliche Veränderung einer elektrischen Kapazität dadurch erfasst wird, dass ein auf Grund der Veränderung der Kapazität (II) erzeugter Verschiebungsstrom I(t) mit einer Messeinrichtung (III) gemessen wird, wobei die zeitliche Veränderung der Kapazität (II) mechanisch mit einem elektrischen Aktor (I) herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor (I) derart gewählt wird, dass in ihm Zeitintervalle mit konstanter Antriebsspannung enthalten sind, • Messintervalle (m) vorgesehen werden, welche vollständig in den Zeitintervallen konstanter Antriebsspannung liegen und in denen der Verschiebungsstrom I(t) gemessen wird, und • 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.Measuring method in which the time change of an electrical capacitance is detected by measuring a displacement current I (t) generated due to the change of the capacitance (II) with a measuring device (III), wherein the temporal change of the capacitance (II) is mechanical with an electrical actuator (I) is brought about, characterized in that • the time profile of the electrical drive voltage U (t) for the actuator (I) is selected such that it contains time intervals with constant drive voltage, • measuring intervals (m) which are completely in the time intervals of constant drive voltage and in which the displacement current I (t) is measured, and • the measuring device (III) is blanked out at blanking intervals (a), so that the measuring device (III) during the blanking intervals (a ) the measurement signal is not processed, with time intervals in which the drive voltage is changed, completely constantly in the blanking intervals. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Aktor (I) mit elektrostatischen Kräften angetrieben wird.Measuring method according to claim 1, characterized in that the actuator (I) is driven by electrostatic forces. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebspannung eine Rechteckspannung ist.Measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that the drive voltage is a square wave voltage. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen das Austastintervall (a) und das Messintervall (m) ein Reaktionsintervall (r) gelegt wird, in welchem die durch das Austasten bedingte Totzeit der Messeinrichtung (III) vollständig liegt.Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that in each case between the blanking interval (a) and the measuring interval (m) a reaction interval (r) is laid, in which due to the blanking dead time of the measuring device (III) is completely. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device is a current-voltage converter ( 19 ), on whose input the displacement current I (t) is guided and which emits a measurement signal M (t) proportional to the displacement current I (t). Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers (19) auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kommenden Rückkoppelleitung (22) ein erster (R1) und ein zweiter elektrischer Widerstand (R2), der näher am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers liegt als der erste Widerstand (R1), befinden, die seriell geschaltet sind, und zwischen diesen Widerständen ein dritter elektrischer Widerstand (R3) mit der Rückkoppelleitung kontaktiert ist, der seinerseits auf Massepotential liegt und dessen Widerstandswert bestimmt ist • durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes zum dritten Widerstand (R2/R3) multipliziert mit dem ersten Widerstand (R1) und • 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 Entladevorgang im Austastintervall (a) abgeschlossen ist.Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the output of the current-voltage converter ( 19 ) is fed back to the input, wherein in this case used feedback line ( 22 ) are a first (R1) and a second electrical resistance (R2), which is closer to the output of the current-voltage converter than the first resistor (R1), which are connected in series, and between these resistors, a third electrical resistance (R2) R3) is in contact with the feedback line, which in turn is at ground potential and whose resistance value is determined by the transimpedance to be realized, given by the ratio of the second resistance to the third resistance (R2 / R3) multiplied by the first resistance (R1) and by the time constant of the discharge process, 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 discharging process is sufficiently small, so that the unloading process in the blanking interval (a) is completed. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Austastintervall (a) und/oder die Antriebsspannung U(t) und/oder das Messintervall (m) durch eine Steuereinrichtung (12) überwacht werden.Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the blanking interval (a) and / or the drive voltage U (t) and / or the measuring interval (m) by a control device ( 12 ) be monitored. Messverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität (II) durch einen Messkondensator gebildet wird, dessen Kondensatorfläche mit dem Aktor variiert wird.Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical capacitance (II) is formed by a measuring capacitor whose capacitor area is varied with the actuator. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 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 variiert wird.Measuring method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical capacitance (II) is formed by a vibratory and durchströmbares 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. Messanordnung mit einer Messeinrichtung (III) zur Messung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität (II), • wobei zur zeitlichen Veränderung der Kapazität (II) ein elektrischer Aktor (I) vorgesehen ist, • wobei die Messeinrichtung einen Strom-Spannungs-Wandler (19) aufweist, auf dessen Eingang ein auf Grund der Veränderung der Kapazität (II) erzeugter Verschiebungsstrom I(t) geführt ist und der ein zum Verschiebungsstrom I(t) proportionales Messsignal M(t) am Ausgang zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass • der Strom-Spannungs-Wandler (19) einen Enable-Eingang aufweist, der mit einer Steuereinrichtung (12) verbunden ist und • die Steuereinrichtung (12) ein Enable-Signal zur Verfügung stellt, das den Strom-Spannungs-Wandler (19) aktiviert.Measuring arrangement with a measuring device (III) for measuring the temporal change of an electrical capacitance (II), • wherein for the temporal change of the capacitance (II) an electrical actuator (I) is provided, wherein the measuring device is a current-voltage converter ( 19 ), on the input of which a displacement current I (t) generated due to the change in the capacitance (II) is guided and which provides a measurement signal M (t) proportional to the displacement current I (t) at the output, characterized in that the current-voltage converter ( 19 ) has an enable input connected to a control device ( 12 ) and the control device ( 12 ) provides an enable signal representing the current-to-voltage converter ( 19 ) is activated. Messanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers (19) auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kommenden Rückkoppelleitung (22) ein erster und ein zweiter elektrischer Widerstand (R1, R2) befinden, die seriell geschaltet sind, und zwischen diesen Widerständen ein dritter Widerstand (R3) mit der Rückkoppelleitung kontaktiert ist, der seinerseits auf Massepotential liegt und dessen Widerstandswert bestimmt ist • durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes zum dritten Widerstand (R2/R3) multipliziert mit dem ersten Widerstand (R1) und • 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 Entladevorgang im Austastintervall (a) abgeschlossen ist.Measuring arrangement according to claim 11, characterized in that the output of the current-voltage converter ( 19 ) is fed back to the input, wherein in this case used feedback line ( 22 ) are a first and a second electrical resistance (R1, R2), which are connected in series, 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 by the transimpedance to be realized given by the ratio of the second resistor to the third resistor (R2 / R3) multiplied by the first resistance (R1) and • the time constant of the discharge, given by the sum of the first resistance and the third resistance (R1 + R3) multiplied by the capacitance to be measured ( 17 ), wherein the time constant of the discharging process is sufficiently small, so that the unloading process in the blanking interval (a) is completed.
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