VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG VON KAPAZITäTSWERTEN KAPAZITIVER

SENSOREN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur kalibrierten Ermittlung von Kapazitätswerten bei kapazitiven Sensoren mit mehreren Teilkapazitäten

Kapazitive Messtechnik wird in vielen Bereichen eingesetzt. Dabei werden von einer oder mehreren zu erfassenden Größen die Kapazitäten zwischen Elektroden (den Messkapazitäten) beeinflusst. Für Plattenkondensatoren gilt näherungsweise folgende Beziehung:

0 r _D

A steht für die Fläche der Elektroden, D für den Abstand zwischen den Elektroden, εo für die Dielektrizitätskonstante des leeren Raums und ε _r für die relative Dielektrizitätszahl des jeweiligen Mediums zwischen den Elektroden. Die Beeinflussung der Messkapazität durch die Messgrößen M kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch änderung der Geometrie der Messkapazitäten oder durch änderung der Materialeigenschaften zwischen den Elektroden.

Abweichungen vom idealen Verhalten kapazitiver Sensoren können verschiedene Ursachen haben. Die Messwerte können von Umgebungsbedingungen abhängen (wie zum Beispiel der Temperatur) und auch die verwendeten Messsysteme besitzen oft beträchtliche Offset- und Verstärkungsfehler. Daher werden in der kapazitiven Messtechnik absolut messende Systeme nach Möglichkeit vermieden. Stattdessen werden Referenzkapazitäten verwendet, die in gleicher Art auf geänderte Rahmenbedingungen reagieren wie die Messkapazität. Durch Verhältnis- und Differenzbildungen können dann diese gleichartigen Effekte kompensiert werden.

Diese Verfahren beruhen im Allgemeinen darauf, dass sich die ursprüngliche Kapazität entsprechend gewünschter Teilungsverhältnisse auf die einzelnen Teilkapazitäten aufteilen. Das ist jedoch in vielen Fällen nicht exakt gewährleistet und die Teilkapazitäten weichen von ihren Nominalwerten ab. Dafür gibt es zwei Hauptgründe: Zum einen müssen zu Elektroden Anschlussleitungen geführt werden, die ebenfalls Kapazitäten gegenüber der jeweiligen Gegenelektrode aufweisen. Zum anderen können die Teilungen aufgrund von Herstellungstoleranzen nicht exakt hergestellt werden.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, auf möglichst einfache Weise und mit geringem Aufwand die genannten Fehlermöglichkeiten zu berücksichtigen, um zuverlässige Kapazitätswerte zu ermitteln.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 ebenso gelöst, wie mit einer Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 7, wobei vorteilhafte Varianten in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet sind.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser:

Fig. 1 einen einfachen Plattenkondensator,

Fig. 2 einen Sensor zur Positionsbestimmung,

Fig. 3 einen Sensor mit Teilkapazitäten,

Fig. 4 einen Sensor mit Teilkapazitäten, wobei alle Teilkapazitäten eine gemeinsame Elektrode aufweisen,

Fig. 5 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge einer Verkippung der Elektroden zueinander,

Fig. 6 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge unterschiedlicher Elektrodengrößen,

Fig. 7 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge unterschiedlicher Zuleitungseinflüsse,

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung für die Teilkapazitätswerte in prinzipieller Darstellung,

Fig. 9 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Kalibrierphase zur Autokalibrierung kapazitiver Sensoren gemäß der Erfindung,

Fig. 10 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Messphase zur Autokalibrierung kapazitiver Sensoren gemäß der Erfindung.

Fig. 11 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und

Fig. 12 eine beispielhafte Elektrodenanordnung zur Wegmessung, bei der die Summe der Kapazitätswerte konstant bleibt und weitere bekannte relative Kopplungskapazitäten aufweist.

Die einfachste Konfiguration eines kapazitiven Sensors ist in Fig. 1 dargestellt: Zwischen zwei Elektroden 1 bildet sich eine durch die Messgrößen M beeinflusste Kapazität C aus.

Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Kapazität im Sinne einer Positionsänderung ist in Fig. 2 dargestellt: Durch einen auf konstantem Potential gehaltenen Schirm 2 zwischen den Elektroden kann das elektrische Feld geschirmt und somit die Kapazität verkleinert werden. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten der Beeinflussung können viele Größen ermittelt werden, wie zum Beispiel Winkel, lineare Position, Füllstände, Abstand, Druck, Kraft, Konzentration, Annäherung, Sitzbelegung usw.

Oft ist es vorteilhaft, die Messkapazitäten in mehrere kleinere Teilkapazitäten aufzuteilen und auf dedizierte Referenzelektroden zu verzichten. Fig. 3 zeigt, wie ein Kondensator entsprechend Fig. 1 in mehrere Teilkapazitäten C ₁ mit geteilten Elektroden 4 aufgeteilt wird. Ein auf konstantem Potential gehaltener Schirm 3 dient dazu, das Verhalten der Teilelektroden am Rand an das Verhalten der Teilelektroden im Inneren anzugleichen und gegebenenfalls Störsignale abzuhalten oder elektromagnetische Emissionen zu reduzieren.

Es ist auch möglich, eine einzelne, gemeinsame Elektrode 6 für mehrere Kondensatoren zu verwenden, wie in Fig. 4 dargestellt. Verschiedene, zumeist anwendungsspezifische Verfahren wurden entwickelt, um mit Hilfe der unterteilten Kapazitäten bessere Ergebnisse zu erzielen als dies mit einfachen Kapazitäten entsprechend Fig. 1 möglich ist.

Abweichungen der Teilkapazitäten G von den Nominalwerten sind in den folgenden Figuren dargestellt. Beispielsweise müssen zu den Elektroden 1 Anschlussleitungen geführt werden, die ebenfalls Kapazitäten gegenüber der jeweiligen Gegenelektrode aufweisen. Für eine gemeinsame Elektrode 6 ist das in Fig. 7 dargestellt: Eine Messschaltung 10 muss mit den geteilten Elektroden 4 über Zuleitungen 9 verbunden werden. Daraus ergeben sich unterschiedlich Kopplungskapazitäten 11 gegenüber der gemeinsamen Elektrode 6. Aus geometrischen Gründen können diese Leitungen nicht für alle Teilkapazitäten genau eine der Teilung entsprechende Kapazität aufweisen oder wenigstens wäre der Aufwand, diese Eigenschaft sicherzustellen, sehr hoch. Eine andere mögliche Ursache für abweichende Teilkapazitäten treten aufgrund von Herstellungstoleranzen auf. Beispiele dazu sind in Fig. 6

dargestellt. Die Breiten 11 und 12 der beiden dargestellten Elektroden sollten gleich sein, durch Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess entsteht jedoch eine Abweichung und die entsprechenden Kapazitäten unterscheiden sich. Eine weitere Ursache für Abweichungen von Nominalwerten ist in Fig. 5 dargestellt. Durch die Verkippung der gemeinsamen Elektrode 6 gegenüber den geteilten Elektroden 4 ergibt sich eine von links, Elektrode 7, nach rechts, Elektrode 8, zunehmende Kopplungskapazität aufgrund des abnehmenden Abstandes. Auf ähnliche Art und Weise führt eine Reihe von herstellungsbedingten Toleranzen zu Abweichung von Nominalwerten.

Gemäß dem Stand der Technik werden die Abweichungen gegenüber den Nominalwerten entweder durch Kalibrierung der Sensoren oder durch Skalierung mit abgespeicherten Minimal- und Maximalwerten der Messwerte durchgeführt. Beide Verfahren haben das Problem, dass sie bei änderung der Umgebungsbedingungen oft unzureichende Ergebnisse liefern. Das kann durch Anwendung der Verfahren bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) verhindert werden, jedoch ist der Aufwand dafür sehr hoch. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass mit geringem Aufwand und einmaliger Durchführung der Autokalibrierung zufrieden stellende Ergebnisse liefern kann.

Jede Teilkapazität C ₁ besitzt aufgrund der oben angeführten Ursachen eine individuelle Offsetkapazität C ₀₁ und eine ebenso individuelle variable Kapazität C _λι , die jeweils von den nominellen Werten abweichen können. Da die bekannten Algorithmen jedoch von den nominellen Werten ausgehen, müssen Sensoren mit hoher Genauigkeitsanforderung kalibriert werden. Erschwerend kommt hinzu, dass - wie bereits erwähnt - Kapazitätswerte oft von Umweltbedingungen wie zum Beispiel der Temperatur abhängen, wodurch eine Kalibrierung für die jeweiligen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden muss.

Es ergibt sich folgendes Modell für die i Teilkapazitäten C ₁ :

C ₁ = C ₁ C _{j1 +} C ₀ ,

Die Offsetkapazität C _Oι ist der kleinste Wert, den C ₁ annimmt:

C _Oι = min C,

Der variable Anteil von C ₁ ist bestimmt durch

C _A = max(C, - C _O/ )

Ratiometrisch arbeitende Algorithmen benötigen nur Kenntnis der relativen Kapazitätswerte C ₁ .

Die Kapazitätswerte bestimmen die eigentlichen Messwerte (digitale Entsprechung einer elektrischen Spannung oder eines Stroms), wobei hier noch ein Proportionalitätsfaktor k und gegebenenfalls ein Offsetfehler O (bedingt durch die Messschaltung) einfließen:

Y, = k{ _Cl C _Aι + C _Oι ) + O

Eine entsprechende Messanordnung ist in Fig. 8 symbolisch dargestellt. Eine Messschaltung 12 liefert einen digitalen Wert Y ₁ , der dem relativen Kapazitätswert C ₁ proportional ist.

Bei Kenntnis von Offsetkapazität und variablem Anteil ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur korrekten Bestimmung VOnC ₁ :

Allerdings können die Kapazitäten C ₀₁ und C _Aι nicht direkt gemessen werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren vor, mit dessen Hilfe die jeweiligen Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten für die einzelnen Teilkapazitäten ermittelt werden können. Dadurch können die Abweichungen von den Nominalwerten korrigiert werden.

Der Vorgang vereinfacht sich, wenn die Messwerte keinen (oder einen vernachlässigbaren) Offsetfehler O aufweisen. Dazu bzw. zur Bestimmung des Offsetfehlers O können bekannte Verfahren zur Offsetverminderung (z.B. Chopping, Correlated Double Sampling, Autozeroing, Modulationsverfahren) verwendet werden. Man erhält vereinfacht

Die vorliegende Erfindung löst die angeführten Problemstellungen unter Verwendung folgender beispielhafter Verfahrensschritte, wobei das Verfahren zwei Phasen umfasst: In der ersten Phase (Kalibrierphase), deren Ablauf beispielhaft in Fig. 9 dargestellt ist, werden spezifische Werte für die Offsetkapazität C _Oι und die variable Kapazität C _Aι der jeweiligen

Teilkapazität ermittelt und schließlich in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt. In der zweiten Phase (Messphase), deren Ablauf beispielhaft in Fig. 10 dargestellt ist, werden mit Hilfe der abgespeicherten Werte sowie des ebenfalls zu bestimmenden

Proportionalitätsfaktors k die Messdaten korrigiert und die Messgröße (die Messgrößen) aus den korrigierten Daten ermittelt. Die Messphase stellt den normalen Betrieb des Sensors dar. Zur einfachem Unterscheidung zwischen den Phasen wird im Folgenden für Messwerte Y ₁ und relative Kapazitätswerte C ₁ in der Kalibrierphase der Index k (YKJ, cκi) und in der Messphase der Index M bzw. m (YM ₁ , Cmi) beigefügt .

In der Kalibrierphase werden nach willkürlicher Festlegung des Proportionalitätsfaktors in der Kalibrierphase fe oder einem optionalen Schritt 13 zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors kv. und einem optionalen Schritt 14 zur Bestimmung des Offsetfehlers O in einem Schritt 15 durch Veränderung der Messgröße, unter weitgehender Konstanthaltung der Umgebungsbedingungen, Minimal- und Maximalwerte der jeweiligen Teilkapazitäten erreicht. In einem Schritt 16 werden die Mess werte YK ₁ ermittelt und daraus in einem Schritt 17 Kapazitätswerte bestimmt. Im Gegensatz zu einer Kalibrierung ist es nicht erforderlich, die angelegte Messgröße genau zu kennen, es muss lediglich für jede Teilkapazität der gesamte Messbereich oder wenigstens ein definierter Teil des

Messbereiches durchlaufen werden. Dass heißt, es ist lediglich erforderlich, dass für wenigstens zwei Messungen die relativen Kapazitätswerte C ₁ bekannt sein müssen.

In einem weiteren Schritt 18 werden spezifische Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten (Abweichungen von den Nominalwerten) der einzelnen Teilkapazitäten oder

Größen, aus denen sich diese bestimmen lassen, aus den Minimal- und Maximalwerten oder anderen Messwerten, die bei bekannten relativen Kapazitätswerten C ₁ ermittelt wurden, bestimmt. Zum Beispiel, für ein Maximum Y _{1 max} nimmt C ₁ den Wert 1 und für ein Minimum Y _{1 mm} den Wert 0 an. In diesem Fall können C ₀ , und C _Al durch Umformung der angeführten

Gleichungen als C _Ol ermittelt werden. Auch jedes andere

Paar an bekannten Werten von C ₁ kann zur Bestimmung von C ₀₁ und C _Al herangezogen werden.

Die Schritte 15 bis 18 werden in einer Schleife 20 mindestens solange wiederholt, bis für jede Teilkapazität die spezifischen Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten ermittelt sind.

In einem weiteren Schritt 19 werden die Werte für die Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten (oder Werte, aus denen diese Größen ermittelt werden können) in einem nichtflüchtigen Speicher, eventuell nach vorangehender Filterung, abgelegt. Die bisher angeführten Schritte können einmal pro Sensor oder auch nur einmal für eine größere Anzahl an Sensoren erfolgen; während der Herstellung des Sensors. In letzterem Fall bleiben zufällige Unterschiede zwischen einzelnen Sensoren unberücksichtigt. Gegebenenfalls kann während des Betriebs eine Aktualisierung der Daten in der Tabelle erfolgen.

In der Messphase wird in einem Schritt 21 der Proportionalitätsfaktors k bestimmt. Dazu müssen Elektrodenanordnungen derart gewählt werden, dass die Bestimmung des Proportionalitätsfaktors k ermöglicht wird. Beispielsweise kann sichergestellt werden, dass die Summe über alle Teilkapazitäten konstant bleiben muss. In einer alternativen Variante wird sichergestellt, dass immer wenigstens ein relativer Kapazitätswert bekannt ist. Das kann wiederum dadurch erreicht werden, dass immer zumindest eine Teilkapazität einen Maximal- oder Minimalwert annehmen muss. Bei einem Winkelsensor oder einem Wegsensor entsprechend Fig. 12 kann beispielsweise sichergestellt sein, dass immer zumindest eine Elektrode j entweder völlig freigestellt oder völlig abgedeckt ist. Da dann der relative Kapazitätswert c _mj und der Messwert Y _Mj für dieses Segment bekannt sind, lässt sich aus den oben angeführten Gleichungen der Proportionalitätsfaktor k bestimmen:

^C mj ^C AJ ^{+ 0} OJ

Nimmt eine Teilkapazität C/ gerade ein Minimum an, ergibt sich demnach

Y, k = ¹ Mj

Nach einem optionalen Schritt 22 zur Bestimmung des Offsetfehlers werden in einem Schritt 23 die Messwerte bestimmt und in einem Schritt 24 daraus unter zu Hilfenahme der unter Schritt 19 abgespeicherten Daten sowie des Proportionalitätsfaktors k und des Offsetfehlers O mit Hilfe der oben beschriebenen Gleichungen die relativen Kapazitätswerte ermittelt, aus denen in Schritt 25 die Messgröße ermittelt wird, die vom Sensor in Schritt 26 ausgegeben wird. Die Schritte 21 bis 26 werden in einer Schleife 27 während der Messphase ständig wiederholt.

Das Verfahren zur Autokalibrierung kann mit verschiedenen Messverfahren für elektrische Kapazitäten wie beispielsweise Ladungsverstärker, Oszillatoren und Trägerfrequenzverfahren angewendet werden. Fig. 11 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung für einen Sensor mit Teilkapazitäten unter Verwendung eines Trägerfrequenzverfahrens, wobei in einem vereinfachten Beispiel zwei Teilkapazitäten Ci und C2 bzw. die zugehörigen relativen Kapazitätswerte ci und C2 ermittelt werden sollen. Dazu werden Elektroden Tl und T2 beispielsweise im Zeitmultiplexverfahren Signale Sl und S2 aus einem Signalgenerator SG über einen von einer Steuer- und Auswerteschaltung STG gesteuerten Multiplexer MUX zugeführt. Der dadurch auftretende Verschiebungsstrom zur Elektrode El kann als Spannungsabfall an einer niederohmigen Impedanz Zl gegen Massepotential erfasst werden. Dieses Signal SE wird mit einem Verstärker AMP verstärkt,

mit Hilfe eines Demodulators DEM werden z.B. die Gleichrichtwerte der Verschiebungsströme ermittelt und mittels eines Analog-Digital Umsetzers ADU in digitale Messwerte Yi umgesetzt. Diese werden der Steuer- und Auswerteschaltung STG zugeführt, die aus diesen Messwerten mittels einer Kalibriereinheit KE während der Kalibrierungsphase nach dem beschriebenen Verfahren Kalibrierungsdaten bestimmt und in einem nicht-flüchtigen Speicher NVM ablegt. Der Signalgenerator SG liefert weiters ein Hilfssignal H für den Demodulator DEM für eine Synchrondemodulation (gegebenenfalls mittels Inphase- und Quadratursignal). Während der Messphase werden mit Hilfe der Kalibrierdaten KAL aus dem nicht-flüchtigen Speicher NVM und den digitalen Messwerten Yi und Yi in einer Rechenschaltung RS die relativen Kapazitätswerte cl und c2 ermittelt und an eine Auswerteeinheit AUS weitergegeben, an derem Ausgang das Ergebnis ERG in lesbarer bzw. verarbeitbarer Form vorliegt. Der Proportionalitätsfaktor k repräsentiert dabei den Umrechnungsfaktor einer Kapazität Cl (C2) auf einen Messwert Yl (Y2). Der Proportionalitätsfaktor k wird wiederum von den Verstärkungen des Verstärkers AMP und des Demodulators DEM sowie den Eigenschaften des A/ D-Umsetzers ADU und der Impedanz Zl beeinflusst und weist aufgrund der gemeinsamen Verstärkerkette für jede Teilkapazität den selben Wert auf.

Eine Elektrodenanordnung, die zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors k gut geeignet ist, zeigt Fig. 12. Die lineare Position eines auf Massepotential gehaltenen Schirms 2 soll bestimmt werden. Dazu werden mehrere, hier zehn Teilkapazitäten Cl bis ClO, gegen eine gemeinsame Elektrode 6 gemessen. Wird der bewegliche Schirm derart ausgeformt, dass immer wenigstens eine Teilelektrode 4 vollständig abgedeckt ist oder vollständig frei bleibt, können die entsprechenden Teilkapazitäten einfach als Minima bzw. Maxima in den Messwerten Y ₁ erkannt werden und jeweils eine relative Kopplungskapazität von 0 bzw. 1 zugeordnet werden und die restlichen Kopplungskapazitäten mittels des beschriebenen Verfahrens ermittelt werden. Schränkt man den Bewegungsbereich des Schirms 4 weiters so ein, dass er einen Mindestabstand zum Masseschirm 3 aufweist, kann auch davon ausgegangen werden, dass die Summe der Teilkapazitäten konstant bleibt, unabhängig von der Position des Schirms. Dann kann der aktuelle Proportionalitätsfaktor einfach entsprechend

10 k = k _κ -^ ermittelt werden. Anzumerken ist, dass der Wert für den

∑ ^y _κ ,

Proportionalitätsfaktor /CK in der Kalibrierungsphase beliebig gewählt werden kann und in der Messphase lediglich eine Korrektur dieses Werts erfolgt. Bei beliebiger Wahl des Proportionalitätsfaktors /CK werden Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten nicht als Absolutwerte bestimmt, sondern haben nur relativ zueinander Gültigkeit.

Weiters ist es auch möglich, eine Teilkapazität Cj derart anzuordnen, dass diese durch die

Messgröße nicht beeinflusst werden kann. Für diese Teilkapazität Cj ergibt sich demnach Y _j = kC _Oj , woraus wiederum der Proportionalitätsfaktor mittels k - Y _} l C _Oj .

Als weiteres Beispiel zur Ermittlung von bekannten Werten für die relativen Kapazitätswerte sei ein Füllstandsensor genannt, bei dem eine Messung mit leerem Behälter und eine Messung mit gefülltem Behälter durchgeführt werden. Ebenso kann bei einem Sitzbelegungssensor der unbelegte Zustand sowie der Zustand mit Belegung mittels eines definiertes Objekt zur Durchführung der Kalibrierphase verwendet.