DE10339753B4 - Method for measuring a physical quantity and circuit arrangement for detecting the capacitance or a capacitance change of a capacitive circuit or component - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Messen einer physikalischen Größe bzw. der Änderung
einer physikalischen Größe mit einem
eine steuerbare Arbeitsfrequenz aufweisenden Sensor, insbesondere
mit einem induktiven oder einem kapazitiven Näherungsschalter, wobei der
Sensor mindestens ein Sensorelement und eine Auswerteschaltung aufweist,
dadurch
gekennzeichnet,
daß in
einem ersten Meßintervall
eine erste Messung der physikalischen Größe mit einer ersten Arbeitsfrequenz
f1 durchgeführt wird,
daß in mindestens
einem zweiten Meßintervall
eine zweite Messung der physikalischen Größe mit mindestens einer zweiten
Arbeitsfrequenz f2 durchgeführt wird,
daß durch
einen Vergleich und eine Bewertung des Meßergebnisses m1 der
ersten Messung und des Meßergebnisses
m2 der zweiten Messung eine durch ein Störsignal
mit einer Frequenz fS gestörte Messung
erkannt und der Einfluß des
Störsignals
eliminiert wird, wobei
ein Ausgangssignal nur dann ausgegeben
wird, wenn die Meßergebnisses
m1, m2, m3, ... aller Messungen jeweils einen definierten
Schwellwert erreicht haben.Method for measuring a physical quantity or the change of a physical quantity with a sensor having a controllable operating frequency, in particular with an inductive or a capacitive proximity switch, wherein the sensor has at least one sensor element and an evaluation circuit,
characterized,
that in a first measuring interval a first measurement of the physical quantity is carried out with a first operating frequency f 1 ,
a second measurement of the physical quantity is carried out with at least one second operating frequency f 2 in at least one second measuring interval,
that detected by a comparison and an evaluation of the measurement result m 1 of the first measurement and the measurement result m 2 of the second measurement disturbed by an interference signal with a frequency f S measurement and the influence of the interference signal is eliminated, wherein
an output signal is output only when the measurement result m 1 , m 2 , m 3 , ... of all measurements have each reached a defined threshold.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer physikalischen Größe bzw. der Änderung einer physikalischen Größe mit einem eine steuerbare Arbeitsfrequenz aufweisenden Sensor, insbesondere mit einem induktiven oder einem kapazitiven Näherungsschalter, wobei der Sensor mindestens ein Sensorelement und eine Auswerteschaltung aufweist.The The invention relates to a method for measuring a physical Size or the change a physical size with a a controllable working frequency sensor, in particular with an inductive or a capacitive proximity switch, wherein the Sensor has at least one sensor element and an evaluation circuit.
Daneben betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit einer Spannungsquelle, mit mindestens einem Umschaltkontakt, mit einem den Umschaltkontakt steuernden, vorzugsweise einen Taktgenerator enthaltenden Steuergerät, mit mindestens einem Lade- bzw. Speicherkondensator und mit einer an den Speicherkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, wobei eine Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem Eingang des Umschaltkontakts verbunden ist, der erste Ausgang des Umschaltkontakts mit einem Bezugspotential, der zweite Ausgang des Umschaltkontakts mit der ersten Elektrode des Lade- bzw. Speicherkondensators, die erste Elektrode des Lade- bzw. Speicherkondensators einerseits mit der Spannungsquelle verbindbar und andererseits mit der Auswerteschaltung verbunden ist und die zweite Elektrode des Lade- bzw. Speicherkondensators mit Bezugspotential verbindbar ist.Besides The invention relates to a circuit arrangement for detecting the capacity or a capacity change a capacitive circuit or device, with a voltage source, with at least one changeover contact, with a changeover contact controlling, preferably a clock generator containing control unit, with at least a charge or storage capacitor and with a to the storage capacitor connected evaluation circuit, wherein one electrode of the capacitive Circuit or component with the input of the changeover contact connected, the first output of the changeover contact with a Reference potential, the second output of the changeover contact with the first electrode of the charging or Storage capacitor, the first electrode of the charge or storage capacitor on the one hand connected to the voltage source and on the other hand with the evaluation circuit is connected and the second electrode of the Charging or storage capacitor can be connected to reference potential.
Sensoren, insbesondere induktive und kapazitive Näherungsschalter, werden in einer Vielzahl von ganz unterschiedlichen Anwendungsgebieten in der industriellen Technik eingesetzt. Dabei kann es sich sowohl um berührungslos arbeitende Sensoren handeln, d. h. um solche Sensoren, bei denen sich das Betätigungsobjekt lediglich der aktiven Fläche des Sensors, d. h. dem Sensorelement nähert, als auch um berührend arbeitende Sensoren handeln, d. h. um solche Sensoren, bei denen das Betätigungsobjekt das Sensorelement berührt. Gemeinsam ist diesen Sensoren, daß es sich um sogenannte offene elektronische Systeme handelt, d. h. die aktiven Sensorelemente nicht gänzlich abgeschirmt sind und somit elektromagnetische Strahlen und Signale in ihre Um welt abgeben und umgekehrt elektromagnetische Strahlen und Signale aus der Umwelt aufnehmen. Dieser Umstand kann einerseits zu Störabstrahlungen des Sensors, andererseits auch zu Störeinstrahlungen in den Sensor und damit zu fehlerhaften Meßergebnissen führen.sensors In particular, inductive and capacitive proximity switches are in a variety of very different application areas in used in industrial technology. It can be both around contactless acting sensors, d. H. around such sensors, in which the actuating object only the active area of the sensor, d. H. approaches the sensor element, as well as touching Sensors act, d. H. around such sensors, where the actuation object touches the sensor element. Common to these sensors is that they are so-called open ones electronic systems, d. H. the active sensor elements not entirely are shielded and thus electromagnetic radiation and signals into their environment and vice versa electromagnetic radiation and absorb environmental signals. This circumstance can on the one hand to noise emissions of the sensor, on the other hand also to interference in the sensor and thus to erroneous measurement results to lead.
Das zuvor erläuterte Problem versucht man bei Näherungsschaltern dadurch in den Griff zu bekommen, daß einerseits die aktiven Sensorelemente zumindest teilweise abgeschirmt werden, daß andererseits die am Näherungsschalter anliegende Spannung verringert wird. Beides führt jedoch automatisch zu einem geringeren maximal möglichen Objekterfassungsabstand – allgemein als Schaltabstand bezeichnet – und/oder zu einem schlechteren Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal.The previously explained Problem one tries with proximity switches To get a grip on that, on the one hand, the active sensor elements At least partially shielded, on the other hand, the proximity switch applied voltage is reduced. However, both automatically lead to a lower one maximum possible Object detection distance - general referred to as switching distance - and / or to a worse relationship from useful signal to interference signal.
Durch die zunehmende Verbreitung von elektromagnetische Strahlen und Signale aussendenden Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefone oder Fernbedienungen, und durch die verstärkte Anwendung von Näherungsschaltern auch in der Nähe solcher elektromagnetische Signale aussendender Geräte kann es verstärkt zu Fehlfunktionen der Näherungsschalter kommen. Als Beispiel sei hier die Verwendung von kapazitiven Näherungsschaltern in Türgriffen von Kraftfahrzeugen genannt, die durch die abgestrahlten Signale eines Autotelefons gestört werden.By the increasing spread of electromagnetic radiation and signals sending out devices, such as mobile phones or remote controls, and through the reinforced one Application of proximity switches also nearby such electromagnetic signals emitting devices can it amplifies to malfunction of the proximity switch come. As an example, here is the use of capacitive proximity switches in door handles called by motor vehicles, by the radiated signals a car phone disturbed become.
Bei Sensoren, beispielsweise bei induktiven oder bei kapazitiven Näherungsschaltern, die eine im wesentlichen diskrete Arbeitsfrequenz verwenden, wobei die Arbeitsfrequenz des Sensors von außen steuerbar ist, sind solche Störsignale besonders schwer zu unterdrücken, die eine Frequenz aufweisen, die in unmittelbarer spektraler Nähe zur Arbeitsfrequenz des Sensors liegen und die Arbeitsfrequenz überlagern. Das besondere Problem derartiger Störgrößen liegt darin, daß aufgrund der Nähe der Frequenz der Störgröße zur Arbeitsfrequenz des Sensors eine Unterdrückung der Störgröße durch Filtermaßnahmen kaum zu realisieren ist.at Sensors, for example inductive or capacitive proximity switches, which use a substantially discrete operating frequency, wherein the working frequency of the sensor is externally controllable, are such noise especially hard to suppress which have a frequency that is in immediate spectral proximity to the working frequency lie of the sensor and superimpose the working frequency. The special problem such disturbances lies in that, because of nearby the frequency of the disturbance variable to the working frequency the sensor a suppression the disturbance variable filter actions can hardly be realized.
Bei der durch das Verfahren zu messenden physikalischen Größe kann es sich beispielsweise um eine Länge, einen Abstand, eine definierte Position oder einen Füllstand handeln. Durch das Verfahren bzw. mit Hilfe des Sensors wird dann die zu messende physikalische Größe bzw. eine Änderung der zu mes senden physikalischen Größe in einen dazu proportionalen bzw. von der zu messende physikalische Größe abhängigen Meßwert, beispielsweise einen Strom, eine Spannung oder einen Ereigniszählwert umgewandelt.at the physical quantity to be measured by the method can for example, a length, a distance, a defined position or a level act. By the method or by means of the sensor is then the physical quantity to be measured or a change the mes to send physical size in a proportional to it or from the physical quantity to be measured measured value, for example a Current, voltage or event count converted.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Kapazität" der Kapazitätswert eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes gemeint; eine "Kapazitätsänderung" meint folglich eine Änderung des Kapazitätswertes eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes. Mit "Erfassung" der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung ist im Rahmen der Erfindung sowohl eine nur qualitative Erfassung als auch eine quantitative Erfassung, also eine echte Messung, gemeint. "Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" meint im Rahmen der Erfindung jedes Schaltungselement und jedes Bauelement, das kapazitive Eigenschaften hat, häufig auch als Kapazität bezeichnet wird, wobei dann nicht der Kapazitätswert gemeint ist. Ein "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" ist insbesondere ein Kondensator. Als "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" wird im Rahmen der Erfindung aber auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalter, im Zusammenwirken mit einem Beeinflussungskörper, bezeichnet. Nachfolgend wird statt von einem "kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement" immer von einem Sensorkondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf einen Kondensator im engeren Sinne verbunden ist.In the context of the invention, "capacitance" means the capacitance value of a capacitive circuit or component; a "capacity change" thus means a change in the capacitance value of a capacitive circuit or component. By "detection" of the capacity or a change in capacity is meant within the scope of the invention both only qualitative detection and a quantitative detection, ie a true measurement. "Capacitive circuit or component" means within the scope of the invention Circuit element and each device that has capacitive properties, is often referred to as capacity, in which case the capacity value is not meant. A "capacitive circuit or component" is in particular a capacitor. In the context of the invention, however, the term "capacitive circuit or component" also refers to the electrode of a capacitive proximity switch in cooperation with an influencing element. Hereinafter, instead of a "capacitive circuit or component" always spoken by a sensor capacitor, without this being a limitation to a capacitor in the strict sense is connected.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Spannungsquelle" sowohl eine interne Spannungsquelle insgesamt als auch ein Anschluß für eine externe Spannungsquelle gemeint.in the The scope of the invention is with "voltage source" both an internal Total voltage source as well as a connection for an external voltage source meant.
Die
Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, arbeitet nach
dem sogenannten "Ladungsverschiebungsprinzip", auch mit "Charge Transfer Sensing" bezeichnet, ist
z. B. aus den deutschen Patentschriften 197 01 899 und 197 44 152
bekannt und soll im folgenden in Verbindung mit einer Skizze,
Die
The
Zu
der in
Wie
die
Wie
der
Schließlich zeigt
die
Wie
im Stand der Technik zum "Ladungsverschiebungsprinzip" bzw. zum "Charge Transfer Sensing" bekannt, ist aus
der am Speicherkondensator
Aus
der bekannten Spannung der Spannungsquelle
Die
bekannten, nach dem "Ladungsverschiebungsprinzip" ("Charge Transfer Sensing") arbeitenden Schaltungsanordnungen
haben sich in der Praxis durchaus bewährt und werden deshalb umfangreich
realisiert. Sie sind jedoch mit einem Nachteil behaftet, nämlich empfindlich
gegen Störspannungen
und zwar sowohl gegen NF-Störspannungen
als auch gegen HF-Störspannungen.
Solche Störspannungen
können
das Meßergebnis
verfälschen.
Eine Möglichkeit,
den negativen Einfluß von
NF-Störspannungen
zu vermeiden ist in der nachveröffentlichten
Bei
der in der
Aus
der
Zur
Verringerung des Einflusses von ungewollten Störsignalen offenbart die
Aus
der
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen einer physikalischen Größe bzw. der Änderung einer physikalischen Größe mit einem eine steuerbare Arbeitsfrequenz aufweisenden Sensor, insbesondere mit einem induktiven oder einem kapazitiven Näherungsschalter, zur Verfügung zu stellen, bei dem die Empfindlichkeit des Meßwertes gegenüber Störsignalen, insbesondere solchen Störsignalen, deren Frequenz fS in der Nähe der Arbeitsfrequenz liegt, verringert ist.The present invention is therefore based on the object of providing a method for measuring a physical quantity or the change of a physical variable with a sensor having a controllable operating frequency, in particular with an inductive or a capacitive proximity switch, in which the sensitivity of the Measured value against interference signals, in particular such interference signals whose frequency f S is near the operating frequency, is reduced.
Daneben liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung so auszugestalten und weiterzubilden, daß eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Störsignale, insbesondere durch HF-Spannungen, nicht mehr bzw. nur noch in geringem Maße auftritt.Besides The invention is based on the object described at the outset Circuitry to design and further develop that a falsification of the measurement result due to interference signals, in particular by HF voltages, no longer or only to a small extent occurs.
Die zuvor genannte Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gemäß einer ersten Alternative dadurch gelöst, daß in einem ersten Meßintervall eine erste Messung der physikalischen Größe mit einer ersten Arbeitsfrequenz f1 durchgeführt wird, daß in mindestens einem zweiten Meßintervall eine zweite Messung der physikalischen Größe mit mindestens einer zweiten Arbeitsfrequenz f2 durchgeführt wird und daß durch einen Vergleich und eine Bewertung des Meßergebnisses m1 der ersten Messung und des Meßergebnisses m2 der zweiten Messung eine durch ein Störsignal mit einer Frequenz fS gestörte Messung erkannt und der Einfluß des Störsignals eliminiert wird, wobei ein Ausgangssignal nur dann ausgegeben wird, wenn die Meßergebnisses m1, m2, m3, ... aller Messungen jeweils einen definierten Schwellwert erreicht haben.The above object is achieved in the method described above according to a first alternative in that in a first measurement interval, a first measurement of the physical quantity is performed at a first operating frequency f 1 , that in at least a second measurement interval, a second measurement of the physical quantity with at least a second operating frequency f 2 is performed and that detected by a comparison and an evaluation of the measurement result m 1 of the first measurement and the measurement result m 2 of the second measurement disturbed by an interference signal with a frequency f S measurement and the influence of the interference signal is eliminated , wherein an output signal is output only when the measurement result m 1 , m 2 , m 3 , ... all measurements have each reached a defined threshold.
Gemäß einer zweiten Alternative ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß daß in einem ersten Meßintervall eine erste Messung der physikalischen Größe mit einer ersten Arbeitsfrequenz f1 durchgeführt wird, daß in mindestens einem zweiten Meßintervall eine zweite Messung der physikalischen Größe mit mindestens einer zweiten Arbeitsfrequenz f2 durchgeführt wird und daß durch einen Vergleich und eine Bewertung des Meßergebnisses m1 der ersten Messung und des Meßergebnisses m2 der zweiten Messung eine durch ein Störsignal mit einer Frequenz fS gestörte Messung erkannt und der Einfluß des Störsignals eliminiert wird, wobei als Meßergebnis m1, m2, m3, während eines Meßintervalls der zeitliche Verlauf der physikalischen Größe, insbesondere die Steilheit der Änderung der physikalischen Größe, gemessen wird.According to a second alternative, the object is achieved in that that in a first measurement interval, a first measurement of the physical variable with a first working frequency f 1 is performed in that, in at least one second measuring interval, a second measurement of the physical quantity with at least a second operating frequency f 2 is performed, and that by a comparison and evaluation of the measurement result m 1 of the first measurement and the measurement result m 2 of the second measurement, by an interfering signal at a frequency f S faulty measurement identified, and the influence of the disturbing signal is eliminated, where m as a result of measurement 1 , m 2 , m 3 , during a measuring interval the time course of the physical quantity, in particular the steepness of the change of the physical quantity, is measured.
Erfindungsgemäß ist dabei
folgendes erkannt und zur Eliminierung des Einflusses des Störsignals
auf das Meßergebnis
ausgenutzt worden:
Wenn die zu messende physikalische Größe das Meßergebnis – gewünscht – beeinflußt, d.h.
wenn sich beispielsweise bei einem kapazitiven Näherungsschalter ein Gegenstand
dem Sensorelement nähert,
so wirkt sich dies auch bei verschiedenen Arbeitsfrequenzen in ähnlicher
Weise aus. Wenn dagegen ein – unerwünschtes – elektrische
Störsignal
mit einer Störfrequenz
fS die Messung beeinfluß, so ist der Grad der Beeinflussung stark
abhängig
von der Nähe
der Arbeitsfrequenz zur Frequenz fS des
Störsignals.
Weist das Störsignal
beispielsweise eine Frequenz fS auf, die
der ersten Arbeitsfrequenz f1 im wesentlichen
entspricht, so wird durch das Störsignal
die Messung mit der Arbeitsfrequenz f1 stark
beeinflußt.
Wird dagegen bei einem Störsignal
mit einer Frequenz fS die Messung bei der
zweiten Arbeitsfrequenz f2 durchgeführt, wobei
die Arbeitsfrequenz f2 einen ausreichenden
Abstand von der Frequenz fS des Störsignals
aufweist, so wird diese Messung durch das Störsignal nur unwesentlich oder
gar nicht beeinflußt.According to the invention, the following has been recognized and exploited to eliminate the influence of the interfering signal on the measurement result:
If the physical quantity to be measured influences the measurement result, if desired, ie if, for example, an object approaches the sensor element in the case of a capacitive proximity switch, this also has a similar effect at different operating frequencies. If, on the other hand, an undesirable electrical interference signal having a disturbing frequency f S affects the measurement, then the degree of influencing is highly dependent on the proximity of the operating frequency to the frequency f S of the interference signal. If the interference signal has, for example, a frequency f S which essentially corresponds to the first operating frequency f 1 , the measurement with the operating frequency f 1 is greatly influenced by the interference signal. If, however, f in an interference signal having a frequency S is the measurement at the second operating frequency f 2 was carried out, wherein the operating frequency f 2 a sufficient distance from the frequency f S of the interference signal comprises, as this measurement is only slightly or not at all influenced by the interfering signal ,
Dieser in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz unterschiedliche Einfluß der zu messenden physikalischen Größe einerseits und eines unerwünschten Störsignals andererseits auf die Messung wird erfindungsgemäß durch einen Vergleich und eine Bewertung der beiden Meßergebnisse bei den beiden mit verschiedenen Arbeitsfrequenzen f1, f2 durchgeführten Meßintervallen ausgenutzt, um zu erkennen, ob eine Veränderung eines Meßergebnisses durch eine Änderung der zu messenden physikalischen Größe oder durch ein Störsignal verursacht worden ist.This different depending on the working frequency influence of the physical quantity to be measured on the one hand and an unwanted interference signal on the other hand to the measurement is utilized according to the invention by comparing and evaluating the two measurement results at the two measuring intervals performed with different operating frequencies f 1 , f 2 to recognize whether a change in a measurement result has been caused by a change in the physical quantity to be measured or by an interference signal.
Im einfachsten Fall kann der Vergleich bzw. die Bewertung der beiden Meßergebnisse so aussehen, daß als Ausgangssignal der Auswerteschaltung nur dann eine relevante Änderung der zu messenden physikalischen Größe ausgegeben wird, wenn sowohl bei dem mit der ersten Arbeitsfrequenz f1 durchgeführten Meßintervall als auch bei dem mit der zweiten Arbeitsfrequenz f2 durchgeführten Meßintervall ein einen Schwellwert übersteigendes Meßer gebnis gemessen wird. Wird dagegen bei lediglich einem von – beispielhaft – zwei Meßintervallen ein derartiges Meßergebnis gemessen, so wird dies von der Auswerteschaltung dahingehend bewertet, daß das den Schwellwert überschreitende Meßergebnis durch ein Störsignal verursacht worden ist.In the simplest case, the comparison or the evaluation of the two measurement results can be such that the output of the evaluation only a relevant change of the measured physi is outputted size when measured at the first operating frequency f 1 measuring interval as well as at the second operating frequency f 2 measuring interval, a threshold exceeding Messier result is measured. If, on the other hand, such a measurement result is measured in only one example of two measurement intervals, this is evaluated by the evaluation circuit in such a way that the measurement result exceeding the threshold value has been caused by an interference signal.
Gemäß der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird – wie zuvor ausgeführt – ein Ausgangssignal, insbesondere bei einem Näherungsschalter ein Schaltsignal, nur dann ausgegeben, wenn die einzelnen Meßergebnisse m1, m2, m3, ... aller Messungen jeweils einen definierten Schwellwert erreicht haben. Dadurch wird verhindert, daß ein Meßergebnis, das aufgrund des Einflusses eines Störsignals und nicht aufgrund der zu messenden physikalischen Größe den definierten Schwellwert erreicht hat, zu einem Ausgangssignal führt, welches eigentlich – richtigerweise – nur beim Vorliegen einer bestimmten physikalischen Größe erzeugt werden sollte.According to the first alternative of the method according to the invention - as previously stated - an output signal, in particular at a proximity switch a switching signal, only output when the individual measurement results m 1 , m 2 , m 3 , ... all measurements reaches a defined threshold to have. This prevents that a measurement result, which has reached the defined threshold due to the influence of a noise signal and not due to the physical quantity to be measured, leads to an output signal which should actually - correctly - should be generated only in the presence of a certain physical size.
Gemäß der Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Meßergebnis während eines Meßintervalls der zeitliche Verlauf der physikalischen Größe, insbesondere die Steilheit der Änderung der physikalischen Größe, gemessen. Bei dieser Ausgestaltung wird somit weder eine konkrete Spannung noch einen Anzahl x am Ende eines Meßintervalls, sondern der zeitliche Verlauf der physikalischen Größe während eines Meßintervalls gemessen. Dies hat den Vorteil, daß während eines Meßintervalls nicht nur ein Meßwert, sondern eine Vielzahl von Meßwerten gewonnen werden können, die mathematisch miteinander verknüpft werden können. Dadurch kann entweder bei gleichbleibender Genauigkeit die Meßdauer verkürzt werden, oder es kann bei gleichbleibender Meßdauer die Meßgenauigkeit erhöht werden.According to the alternative the method according to the invention is used as measurement result while a measuring interval the temporal course of the physical quantity, in particular the steepness the change the physical size, measured. In this embodiment, therefore, neither a concrete tension a number x at the end of a measurement interval, but the temporal Course of the physical variable during a measurement interval measured. This has the advantage that during a measurement interval not just a reading, but a variety of measurements can be won which can be mathematically linked together. Thereby can be shortened either with constant accuracy, the measurement time, or it can with constant measurement duration, the measurement accuracy elevated become.
Wie zuvor bereits ausgeführt wird dabei bevorzugt eine mathematische Analyse des gemessenen zeitlichen Verlaufs der physikalischen Größe durchgeführt. Durch eine mathematische Analyse des gemessenen zeitlichen Verlaufs der physikalischen Größe ist es dann auch möglich, Rückschlüsse auf die Art und Intensität des Störsignals zu gewinnen, wodurch das Störsignal noch effektiver eliminiert werden kann. Bei Verwendung einer ausreichend schnellen Auswerteschaltung und einer entsprechenden mathematischen Analyse kann das Meßergebnis dann in einen Anteil, der durch das Störsignal erzeugt worden ist und in einen Anteil, der dem Nutzsignal entspricht, zerlegt werden.As previously executed is preferably a mathematical analysis of the measured temporal Course of physical size performed. By a mathematical analysis of the measured time course of the physical size is it then also possible Conclusions on the nature and intensity of the interference signal to win, causing the interfering signal can be eliminated even more effectively. When using a sufficient fast evaluation circuit and a corresponding mathematical Analysis can be the measurement result then in a proportion that has been generated by the interference signal and in a portion corresponding to the useful signal, are decomposed.
Zuvor ist ebenfalls bereits ausgeführt worden, daß für das erfindungsgemäße Verfahren die Werte der einzelnen Arbeitsfrequenzen von besonderer Bedeutung sind. Vorteilhafterweise liegt dabei der Wert der einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... zwischen einigen 10 kHz und einigen MHz, insbesondere im Bereich von ca. 100 kHz bis 300 kHz. Damit der zuvor beschriebene physikalische Effekt ausgenutzt werden kann, daß dann, wenn ein Störsignal mit einer bestimmten Frequenz fS die bei einer Arbeitsfrequenz f1 durchgeführte Messung beeinflußt, die bei einer anderen Arbeitsfrequenz f2 durchgeführte Messung von dem Störsignal jedoch nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird, ist es erforderlich, daß die einzelnen Arbeitsfrequenzen bestimmten Anforderungen entsprechen. Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Kriterien.Previously, it has also already been stated that the values of the individual operating frequencies are of particular importance for the method according to the invention. Advantageously, the value of the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... Lies between a few 10 kHz and a few MHz, in particular in the range of approximately 100 kHz to 300 kHz. Thus, the above-described physical effect can be exploited, that when a jamming signal with a certain frequency f S affects the measurement carried out at an operating frequency f 1 , the measurement carried out at a different operating frequency f 2 but not or only insignificantly influenced by the interference signal It is necessary that the individual operating frequencies meet certain requirements. There are essentially two criteria for this.
Zum einen sollte die Differenz Δf zwischen den einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... möglichst groß sein. Als zweites Kriterium für die Wahl der renz Δf zwischen den einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... ist es vorteilhaft, wenn das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) der einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... möglichst groß ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß die einzelnen Arbeitsfrequenzen möglichst bis zu höheren Ordnungen keine gemeinsamen Oberwellen aufweisen. Hierfür wäre es vorteilhaft, wenn die Differenz Δf zwischen den einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... möglichst klein wäre. Um beide Kriterien zu erfüllen, beträgt die Differenz Δf zwischen den einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... vorteilhafterweise jeweils zwischen einigen kHz und einigen 10 kHz. Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise mit zwei verschiedenen Arbeitsfrequenzen f1, f2 durchgeführt, so kann die erste Arbeitsfrequenz f1 beispielsweise 200 kHz und die zweite Arbeitsfrequenz f2 beispielsweise 166 kHz betragen.On the one hand, the difference Δf between the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... should be as large as possible. As a second criterion for the choice of the difference .DELTA.f between the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ..., it is advantageous if the least common multiple (kgV) of the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... as big as possible. This ensures that the individual operating frequencies preferably have no common harmonics up to higher orders. For this purpose, it would be advantageous if the difference Δf between the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... would be as small as possible. To meet both criteria, the difference .DELTA.f between the individual operating frequencies f 1, f 2, f 3 ... each advantageously between a few kHz and a few 10 kHz. If the method according to the invention is carried out, for example, with two different operating frequencies f 1 , f 2 , then the first operating frequency f 1 can be, for example, 200 kHz and the second operating frequency f 2 can be 166 kHz, for example.
Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Insbesondere ist das Verfahren bei einer Vielzahl unterschiedlicher, an die jeweiligen Anforderungen angepaßter Schaltungsanordnungen anwendbar. So gibt es beispielsweise eine Vielzahl von Möglichkeiten, die unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen zu realisieren. Eine Möglichkeit zur Realisierung der verschiedenen Arbeitsfrequenzen besteht dabei darin, daß die Auswerteschaltung, die beispielsweise von einem Mikrocontroller gebildet wird, mit einem externen Taktgenerator verbunden ist. Dabei wird dann einerseits der externe Taktgenerator von dem Mikrocontroller gesteuert, erhält andererseits der Mikrocontroller von dem Taktgenerator seine – variable – Taktfrequenz, aus der dann durch eine entsprechende Frequenzteilung die jeweiligen Arbeitsfrequenzen gewonnen werden.In principle, there are a large number of possibilities for designing and developing the method according to the invention. In particular, the method is applicable to a variety of different, adapted to the particular requirements circuit arrangements. There are, for example, a variety of ways to realize the different working frequencies. One way to realize the different operating frequencies is that the evaluation circuit, which is formed for example by a microcontroller, is connected to an external clock generator. In this case, on the one hand, the external clock generator is controlled by the microcontroller, on the other hand receives the microcontroller of the clock generator its - variable - clock frequency from which then by a corresponding frequency division the respective working frequencies are obtained.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen dadurch realisiert, daß bei einem Sensor mit einer einen Mikrocontroller aufweisenden Auswerteschaltung aus der festen Taktfrequenz fT des Mikrocontrollers die einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... durch softwaregesteuerte Ausgabe bestimmter Impulsmuster erzeugt werden. Eine derartige Realisierung der verschiedenen Arbeitsfrequenzen ist besonders einfach, da hierfür ein handelsüblicher Mikrocontroller verwendet werden kann, so daß keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the different operating frequencies are realized that in a sensor with a microcontroller having evaluation circuit from the fixed clock frequency f T of the microcontroller, the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... by software controlled output certain Pulse patterns are generated. Such a realization of the various operating frequencies is particularly simple, since a commercially available microcontroller can be used for this purpose, so that no additional components are required.
Beträgt die Taktfrequenz fT des Mikrocontrollers beispielsweise 1 MHz und die Zykluszeit 1 μs, so kann die Arbeitsfrequenz dadurch eingestellt werden, daß ein binärer Ausgangsport des Mikrocontrollers im Zeitraster von 1 μs entweder auf den logischen Zustand "High" oder auf den logischen Zustand "Low" gesetzt wird. Wird beispielsweise das Ausgangsport für eine Zeitdauer von 1 μs auf den logischen Zustand "High" und anschließend für eine Zeitdauer von 4 μs auf den logischen Zustand "Low" gesetzt, so ergibt sich dadurch eine erste Arbeitsfrequenz f1 für die gilt f1 = 1/(1 μs + 4 μs) = 200 kHz. Eine zweite Arbeitsfrequenz f2 = 166 kHz kann dann dadurch realisiert werden, daß das Ausgangsport für eine Zeitdauer von 2 μs auf den logischen Zustand "High" gesetzt wird, und anschließend für eine Zeitdauer von 4 μs auf den logischen Zustand "Low" gesetzt wird, so daß dann für die zweite Arbeitsfrequenz f2 gilt: f2 = 1/(2 μs + 4 μs) = 166 kHz.If the clock frequency f T of the microcontroller, for example, 1 MHz and the cycle time 1 microseconds, the operating frequency can be adjusted by a binary output port of the microcontroller in the time frame of 1 microseconds either to the logic state "High" or to the logic state "Low "is set. If, for example, the output port is set to the logic state "high" for a period of 1 μs and then to the logic state "low" for a period of 4 μs, this results in a first operating frequency f 1 for which f 1 = 1 / (1 μs + 4 μs) = 200 kHz. A second operating frequency f 2 = 166 kHz can then be realized by setting the output port to logic high for a duration of 2 μs, and then setting it to logic low for a period of 4 μs , so that then applies to the second operating frequency f 2 : f 2 = 1 / (2 microseconds + 4 microseconds) = 166 kHz.
Eine Zykluszeit von 1 μs kann natürlich auch dadurch erreicht werden, daß bei einer Taktfrequenz fT des Mikrocontrollers von 250 MHz die Zykluszeit von 1 μs durch Frequenzteilung um den Faktor 4 aus der Taktfrequenz fT erreicht wird.Of course, a cycle time of 1 μs can also be achieved by achieving the cycle time of 1 μs by frequency factoring 4 from the clock frequency f T at a clock frequency f T of the microcontroller of 250 MHz.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die einzelnen Arbeitsfrequenzen bei einem Sensor mit einer einen Mikrocontroller aufweisenden Auswerteschaltung auch dadurch realisiert werden, daß die einzelnen Arbeitsfrequenzen f1, f2, f3 ... aus der durch Zu- oder Abschalten einzelner RL-, RC- und/oder LC-Glieder zum Mikrocontroller veränderten Taktfrequenz fT erzeugt werden.According to a further embodiment of the method according to the invention, the individual operating frequencies in a sensor with a microcontroller having evaluation circuit can also be realized in that the individual operating frequencies f 1 , f 2 , f 3 ... from the connection or disconnection of individual RL , RC and / or LC elements to the microcontroller modified clock frequency f T are generated.
Zuvor ist bereits ausgeführt worden, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren angewendet werden kann. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, ist dabei die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements.before is already running been that that inventive method be applied to a variety of different sensors can. A preferred device for measuring a physical Size, at the method of the invention can be applied, is the circuit arrangement described above for recording the capacity or a capacity change a capacitive circuit or device.
Bei einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung wird dabei – wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt – aus der am Lade- bzw. Speicherkondensator nach einer bestimmten Anzahl x von mit einer Arbeitsfrequenz f1 durchgeführter Umladezyklen anstehenden Spannung oder aus der bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung erfolgten Anzahl x von mit einer Arbeitsfrequenz f1 durchgeführten Umladezyklen durch die Auswerteschaltung ein Meßergebnis m1 ermittelbar ist, welches ein Maß für die Kapazität bzw. die Kapazitätsänderung des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes darstellt.In one embodiment of the circuit arrangement is - as already known from the prior art - from the charging or storage capacitor after a certain number x of running at an operating frequency f 1 Umladezyklen pending or from reaching a certain voltage Number x of cycles carried out with an operating frequency f 1 Umladezyklen by the evaluation circuit, a measurement result m 1 can be determined, which is a measure of the capacitance or the capacitance change of the capacitive circuit or component.
Bei einer derartigen Schaltungsanordnung kann eine Verfälschung des Meßergebnisses durch ein Störsignal dadurch weitestgehend verhindert werden, daß die Arbeitsfrequenz auf mindestens eine weitere, von der ersten Arbeitsfrequenz f1 verschiedene zweite Arbeitsfrequenz f2 einstellbar ist, wobei aus der am Lade- bzw. Speicherkondensator nach einer bestimmten Anzahl x von mit einer Arbeitsfrequenz f2 durchgeführten Umladezyklen anstehenden Spannung oder aus der bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung erfolgten Anzahl x von mit einer Arbeitsfrequenz f2 durchgeführten Umladezyklen durch die Auswerteschaltung ein Meßergebnis m2 ermittelbar ist, welches ein Maß für die Kapazität bzw. die Kapazitätsänderung des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes darstellt und wobei die Auswerteschaltung eine Bewertungslogik aufweist, durch die ein Vergleich zwischen dem bei der ersten Arbeitsfrequenz f1 ermittelten Meßergebnis m1 und dem bei der zweiten Arbeitsfrequenz f2 ermittelten Meßergebnis m2 durchführbar ist.In such a circuit arrangement, a falsification of the measurement result can be largely prevented by an interference signal that the operating frequency f 2 is adjustable to at least one further, different from the first operating frequency f 1 second operating frequency, from the charging or storage capacitor after a a predetermined number x of voltage applied to an operating frequency f 2 Umladezyklen pending voltage or from reaching a certain voltage number x of performed with an operating frequency f 2 Umlade cycles by the evaluation a measurement result m 2 can be determined, which is a measure of the capacity or represents the capacitance change of the capacitive circuit or component and wherein the evaluation circuit has an evaluation logic, by means of which a comparison between the determined at the first operating frequency f 1 measurement result m 1 and the f 2 at the second working frequency Measurement result m 2 is feasible.
Bei einer anderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung wird zunächst aus dem beim Lade- bzw. Entladevorgang mit der Arbeitsfrequenz f1 am Lade- bzw. Speicherkondensator anstehenden Strom- oder Spannungsverlauf durch die Auswerteschaltung ein Meßergebnis m1 ermittelt, welches ein Maß für die Kapazität bzw. die Kapazitätsänderung des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes darstellt. Hier wird somit nicht eine konkrete Spannung oder eine bestimmte Anzahl x von Umladezyklen, sondern vielmehr der zeitliche Verlauf der Spannung oder des Stromes beim Lade- bzw. Entladevorgang gemessen. Insbesondere kann dabei die Steilheit der Lade- oder Entladekurve des Lade- bzw. Speicherkondensators ermittelt und analysiert werden.In another embodiment of the circuit arrangement pending current or voltage waveform is first from the f at the charge or discharge at the operating frequency 1 at the charge or storage capacitor m by the evaluation circuit determines a measurement result of 1, which is a measure of the capacity or the Capacity change of the capacitive circuit or component represents. Here is thus not a specific voltage or a certain number x of Umladezyklen, but rather the time course of the voltage or the current during charging or discharging measured. In particular, the steepness of the charging or discharging curve of the charging or storage capacitor can be determined and analyzed.
Eine Verfälschung des Meßergebnisses durch ein Störsignal kann bei dieser Schaltungsanordnung dadurch weitestgehend verhindert werden, daß die Arbeitsfrequenz auf mindestens eine weitere, von der ersten Arbeitsfrequenz f1 verschiedene zweite Arbeitsfrequenz f2 einstellbar ist, wobei aus dem beim Lade- bzw. Entladevorgang mit der Arbeitsfrequenz f2 am Lade- bzw. Speicherkondensator anstehenden Strom- oder Spannungsverlauf durch die Auswerteschaltung ein Meßergebnis m2 ermittelbar ist, welches ein Maß für die Kapazität bzw. die Kapazitätsänderung des kapazitiven Schalungs- oder Bauelementes darstellt und wobei die Auswerteschaltung wiederum eine Bewertungslogik aufweist, durch die ein Vergleich zwischen dem bei der ersten Arbeitsfrequenz f1 ermittelten Meßergebnis m1 und dem bei der zweiten Arbeitsfrequenz f2 ermittelten Meßergebnis m2 durchführbar ist.Falsification of the measurement result by an interference signal can be largely prevented in this circuit arrangement that the operating frequency f 2 is adjustable to at least one further, different from the first operating frequency f 1 second operating frequency, wherein from the loading or unloading at the working frequency f 2 at the charging or storage capacitor pending current or voltage curve by the evaluation a measurement result m 2 can be determined, which is a measure of the capacitance or the capacitance change of the capacitive formwork or component and wherein the evaluation circuit in turn has an evaluation logic by the f a comparison between the first at the operating frequency measurement result determined 1 m 1 and the f in the second operating frequency measurement result obtained 2 m 2 is feasible.
Sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei den beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dabei wesentlich, daß die Messung bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen f1, f2 durchgeführt wird.Both in the method according to the invention and in the two embodiments of the circuit arrangement according to the invention, it is essential that the measurement is carried out at at least two different frequencies f 1 , f 2 .
Als Auswerteschaltung eignet sich besonders eine programmgesteuerte Maschine, insbesondere ein Mikrocontroller, da es sich hierbei zum einen um ein handelsübliches Bauteil handelt, welches in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungen erhältlich ist, zum anderen mit einem Mikrocontroller sowohl die Bewertung der einzelnen Meßergebnisse als auch die Steuerung des Umschalterkontakts mit den einzelnen Arbeitsfrequenzen einfach zu realisieren ist.When Evaluation circuit is particularly suitable for a program-controlled Machine, in particular a microcontroller, since this is for one for a commercial one Component is, which in a variety of different versions available is, on the other hand with a microcontroller both the rating the individual measurement results as well as the control of the switch contact with the individual Working frequencies is easy to implement.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt dabei die Ermittlung bzw. Bewertung der einzelnen Meßergebnisse u.a. mittels eines Komparators. Als kostengünstigere Variante kann anstelle eines Komparators auch ein einfacher Schmitt-Trigger oder ein Binär-Input des Mikrocontrollers verwendet werden.According to one preferred embodiment is carried out the determination or evaluation the individual measurement results et al by means of a comparator. As a cheaper option can instead a comparator also a simple Schmitt trigger or a binary input be used of the microcontroller.
Im einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 2 bzw. 12 und 13 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen. In der Zeichnung zeigenin the Individual there are a variety of ways, the inventive method or the circuit arrangement according to the invention to design and develop. Reference is made to both to the claims 1 and 2 or 12 and 13 subordinate claims, as also to the description of the preferred embodiment shown in the drawing embodiments Circuit arrangements according to the invention. In the drawing show
Die
Die
einzelnen Umschaltkontakte
Nachfolgend
soll das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die Arbeitsweise
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
an Hand der
Bei
der in
Vorzugsweise
wird nicht die Spannung gemessen, die nach einer bestimmten Anzahl
x von mit einer Arbeitsfrequenz f1 durchgeführten Umladezyklen
am Lade- bzw. Speicherkondensator
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nun so ausgebildet, daß nach dem zuvor beschriebenen Meßzyklus mit der ersten Arbeitsfrequenz f1 ein zweiter Meßzyklus durchgeführt wird, wobei bei diesem zweiten Meßzyklus eine zweite Arbeitsfrequenz f2 verwendet wird.The circuit arrangement according to the invention is now designed so that after the measuring cycle described above with the first operating frequency f 1, a second measuring cycle is performed, wherein in this second measuring cycle, a second operating frequency f 2 is used.
Wird
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
beispielsweise in einem kapazitiven Türgriffsensor eingesetzt, durch
den die Annäherung
einer Hand gemessen werden soll, so wird durch den Mikrocontroller zunächst die
Anzahl x der erforderlichen Umladezyklen bei den beiden Arbeitsfrequenzen
f1, f2 gemessen.
Erfolgt eine Annäherung
einer Hand an den Sensorkondensator
Die
Schaltungsanordnung gemäß
Die
Schaltungsanordnung gemäß
Bei
dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Umschaltkontakte
Bei
dieser Abfolge werden gleichzeitig immer zwei Umschaltkontakte
Eine andere Abfolge, ist in der nachfolgenden Tabelle angegeben: Another sequence is given in the following table:
Durch
diesen Ablauf wird jeder Umschaltkontakt
Daneben
ist es jedoch grundsätzlich
auch möglich,
immer nur einen Umschaltkontakt
Schließlich zeigt
die
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