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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung.
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Stand der Technik
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Bei Sensorvorrichtungen wird meist eine Ermittlung eines Messsignals angestrebt, welche möglichst wenig Störeinflüsse, etwa ein geringes Rauschen im Signal, bei der Messung mit sich zieht. Insbesondere betreffend das Internet der Dinge sowie mobile Anwendungen werden Sensoren benötigt, welche eine hohe Genauigkeit aufweisen und energiesparend sind. Für solche Anwendungen sind kapazitive Sensoren besonders gut geeignet, da das Messprinzip selbst keinen Strom zum Messbetrieb erfordert. Des Weiteren wird es ermöglicht Energie einzusparen, indem die Sensoren in einem gepulsten Betrieb betrieben werden. In einem gepulsten Betrieb mit einer pulsförmigen Spannung, etwa mit rechteckigen Profilen, zum Auslesen der Messkapazität des Sensors kann dieser allerdings breitbandig zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, wodurch sich ein Einschwingrauschen auf dem Messsignal ergeben kann.
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In der
DE 10 2016 107 299 A1 werden ein Messverfahren, eine Messschaltung sowie eine Messvorrichtung beschrieben, wobei mittels eines Zufallsjitters auf einem Abtastsignal eine Signalermittlung erfolgt. Ein Messverfahren umfasst das Erzeugen eines Antwortsignals als Antwort auf ein Anregungssignal mit einem Sensor. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abtasttaktsignals gemäß einem Pseudozufallsjitter und das Abtasten des Antwortsignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine Vielzahl digitaler Abtastungen zu bestimmen. Das Verfahren umfasst auch das Kombinieren der Vielzahl digitaler Abtastungen, um eine Messabtastung zu bilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung nach Anspruch 1, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals nach Anspruch 9 und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine zeitversetzte Anregung von Messkanälen in einer Messschaltungsanordnung, etwa einer Sensorvorrichtung, in deren Anregungssignal zu erzeugen, welches zur Messaktivität der Sensorvorrichtung, insbesondere der Messschaltungsanordnung, benötigt wird. Durch die zeitversetzte Anregung kann das Signalrauschen eines Ausgangssignals der Messschaltungsanordnung, etwa das Eigenschwingungsrauschen auf dem Messsignal dieser, verringert werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung eine Taktgebereinrichtung, mittels welcher eine zeitliche Taktung für das Anregungssignal vorgebbar ist; eine Anregungseinrichtung, welche mit der Taktgebereinrichtung verbunden ist, und mittels welcher das Anregungssignal gemäß der zeitlichen Taktung erzeugbar ist. Des Weiteren umfasst die Messschaltungsanordnung zumindest einen ersten und einen zweiten elektronischen Messkanal, welche mit der Anregungseinrichtung verbunden sind und welche jeweils eine Kapazitätsbrücke umfassen, wobei die Kapazitätsbrücke einen ersten Messkondensator, einen zweiten Messkondensator, einen ersten Referenzkondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator und der zweite Referenzkondensator eine konstante Kapazität aufweisen, und wobei der erste und der zweite Messkanal ein erstes und ein zweites Teilsignal aus dem Anregungssignal erzeugen, wobei alle Teilsignale zum Bilden des Antwortsignals am Ausgang überlagerbar sind.
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Das Antwortsignal umfasst vorteilhaft eine Information über einen an dem ersten Messkondensator und an dem zweiten Messkondensator vorliegenden und zu messenden Zustand, beispielsweise einen dort vorherrschenden Druck, auf welchen durch momentanen Kapazitäten (Änderungen der Kapazität) der Messkondensatoren relativ zu den Referenzkondensatoren rückgeschlossen werden kann. Die Messung erfolgt durch eine Ansteuerung der Messkondensatoren mit dem Anregungssignal, wobei der erste und der zweite Messkanal jeweils ein Antwortsignal als Teilsignale erzeugen. Durch ein zeitlich variables Anregungssignal kann in jedem der Messkanäle ein Einschwingrauschen erzeugt werden. Das gesamte Einschwingrauschen der ganzen Messschaltungsanordnung wird vorteilhaft durch eine Überlagerung der Teilsignale verringert, wobei sich die mechanisch schwingungsbedingten dynamischen Teile der Teilsignale destruktiv auslöschen, während sich die statischen Teile der Teilsignale konstruktiv aufaddieren. Durch eine derartige Verringerung des Rauschens auf dem Antwortsignal, kann eine höhere Messauflösung, insbesondere bei MEMS-Sensoren, erzielt werden.
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Es ist hierbei vorteilhaft möglich, dass die Messkondensatoren und/oder die Referenzkondensatoren jeweils oder vereinzelt nur einen Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren oder Kapazitäten umfassen.
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Die beiden oder mehrere Messkanäle können vorteilhaft gleich aufgebaut sein, oder verschiedene Bauelemente oder Verschaltungsarten aufweisen. Die Anregungseinrichtung sendet das in ihrer Form und Dauer sowie in charakteristischen Zeitskalen und im Oszillationsverhalten/frequenzen (Variationsverhalten, zeitliche Taktung) durch die Taktgebereinrichtung vorherbestimmte Anregungssignal an die Messkanäle. Hierbei können alle Messkanäle mit zeitlich zueinander versetzten, jedoch ansonsten gleichen Anregungssignalen oder mit verschiedenen Anregungssignalen angesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst jede Kapazitätsbrücke einen ersten Brückenabschnitt, in welchem der erste Messkondensator und der erste Referenzkondensator angeordnet sind; und einen zweiten Brückenabschnitt, in welchem der zweite Messkondensator und der zweite Referenzkondensator angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen der erste Brückenabschnitt und der zweite Brückenabschnitt einen gemeinsamen ersten Eingangsknoten und einen gemeinsamen zweiten Eingangsknoten, in welchem diese verbunden sind.
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Die Brückenabschnitte können innerhalb eines Messkanals oder einer Kapazitätsbrücke vom ersten gemeinsamen Eingangsknoten aus gesehen hin zum zweiten gemeinsamen Eingangsknoten, in welchen die beiden Brückenabschnitte miteinander verschaltet sind, die gleiche Reihenfolge der Anordnung von Messkondensator und Referenzkondensator oder eine unterschiedliche Reihenfolge umfassen. Die Anregungseinrichtung kann vorteilhaft sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten gemeinsamen Eingangsknoten verschaltet sein und die Kapazitätsbrücke über diese Eingangsknoten ansteuern. Innerhalb eines Brückenabschnitts kann zwischen dem Messkondensator und dem Referenzkondensator ein erstes oder zweites Teilsignal entnommen und zum Ausgang geführt werden und mit den Teilsignalen vom anderen Brückenabschnitt und vom weiteren Messkanal überlagert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung sind der erste und der zweite Messkondensator druckempfindlich, wobei eine Kapazität des ersten und des zweiten Messkondensators auf eine Änderung eines äußeren Einflusses stärker variiert als eine Kapazität des ersten und des zweiten Referenzkondensators.
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Bei dem äußeren Einfluss kann es sich um eine Druckänderung handeln.
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Durch die stärkere Variation kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass es sich bei den Messkondensatoren um jene Bauelemente handelt, mittels welcher der Druck gemessen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die Kapazitätsbrücke eine Wheatstone-Brücke.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen die Messkanäle alle eine gleiche Kapazität und die Messkondensatoren eine gleiche mechanische Eigenfrequenz.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die Anregungsvorrichtung eine erste Anregungsvorrichtung und eine zweite Anregungsvorrichtung, wobei die erste Anregungsvorrichtung mit dem ersten elektronischen Messkanal und die zweite Anregungsvorrichtung mit dem zweiten elektronischen Messkanal verbunden sind und von diesen mit dem Anregungssignal und einem zeitlich verzögerten Anregungssignal ansteuerbar sind.
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Die beiden Anregungseinrichtungen können vorteilhaft bereits von der Taktgebereinrichtung mit unterschiedlichen Taktsignalen angesteuert werden und auf dieser Basis zeitversetzte Anregungssignale erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst diese eine zeitliche Verzögerungseinrichtung für das Anregungssignal, mittels welcher ein zeitlich verzögertes Anregungssignal erzeugbar ist, wobei der erste elektronische Messkanal oder der zweite elektronische Messkanal mit der Verzögerungseinrichtung verschaltet ist.
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Die Verzögerungseinrichtung kann innerhalb des Messkanals verschaltet sein oder diesem an einem Eingangsknoten vorgeschaltet sein, derart, dass vorteilhaft nur genau dieser eine Messkanal mit dem zeitlich verzögerten Anregungssignal angesteuert wird. Bei der Verzögerungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein RC-Glied handeln.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals eine erfindungsgemäße elektronische Messschaltungsanordnung; eine Signalverstärkereinrichtung, welche mit dem Ausgang der Messschaltung verbunden ist, und welche dazu eingerichtet ist das Antwortsignal vom Ausgang zu empfangen; eine Analog-Digital-Wandlereinrichtung, welche der Signalverstärkereinrichtung nachgeschaltet ist; und eine Filtereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Signal der Analog-Digital-Wandlereinrichtung zu empfangen, und welche dazu eingerichtet ist, ein digitales Ausgabesignal als kapazitives Messsignal zu erzeugen.
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Das kapazitive Messsignal kann vorteilhaft bereits in einer solchen Form ausgegeben werden, dass es von einer digitalen Einrichtung, beispielsweise einer Digitalschaltung, einem Steuergerät oder einem Computer, weiterverarbeitet oder zumindest ausgelesen werden kann.
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Die Signalverstärkereinrichtung kann vorteilhaft das Antwortsignal mit einer Abtastfrequenz abtasten und die Filtereinrichtung kann das Signal über mehrere Pulse hinweg mitteln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Messvorrichtung, ist diese als Drucksensor, Mikrophon, Beschleunigungssensor oder Drehratensensor ausgebildet.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung in einem Verfahrensschritt S1 ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen elektronischen Messvorrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Vorgeben einer zeitlichen Taktung an einer Taktgebereinrichtung und ein Erzeugen eines Anregungssignals mit einer Anregungsvorrichtung basierend auf der zeitlichen Taktung. In einem Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Ansteuern von zumindest einem ersten und einem zweiten elektronischen Messkanal mit dem Anregungssignal, welche jeweils eine Kapazitätsbrücke umfassen, wobei die Kapazitätsbrücke einen ersten Messkondensator, einen zweiten Messkondensator, einen ersten Referenzkondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator und der zweite Referenzkondensator eine konstante Kapazität aufweisen, und wobei der erste Messkanal ein erstes Teilsignal und der zweite Messkanal ein zweites Teilsignal aus dem Anregungssignal erzeugen. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 erfolgt ein zeitliches Verzögern des Anregungssignals an einem der Messkanäle gegenüber einem übrigen der Messkanäle; und in einem Verfahrensschritt S5 ein Überlagern der Teilsignale zu einem Antwortsignal an einem Ausgang. In einem weiteren Verfahrensschritt S6 erfolgt ein Ansteuern einer Signalverstärkereinrichtung, einer Analog-Digital-Wandlereinrichtung, und einer Filtereinrichtung, mit dem Antwortsignal und ein Erzeugen eines digitalen Ausgabesignals als kapazitives Messsignal aus dem Antwortsignal.
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Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der Messschaltungsanordnung und der Messvorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile aus und umgekehrt.
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Das Anregungssignal wird nach einer Zeitversetzung, vorteilhaft mehrmals versetzt bezüglich mehreren Messkanälen, an mehrere Messkanäle angelegt und deren Antworten als Teilsignale dann zu einem gemeinsamen Antwortsignal überlagert. Mit anderen Worten kann ein erster Messkanal mit einem unverzögerten Anregungssignal angesteuert werden, und ein zweiter Messkanal mit einem um eine konstante Zeitperiode verschobenen jedoch ansonsten identischen Anregungssignal, oder unterschiedlichen Anregungssignal, angesteuert werden. Ein dritter Messkanal kann um wiederum die gleiche konstante Zeitperiode verschobenen jedoch ansonsten identischen Anregungssignal, oder unterschiedlichen Anregungssignal, angesteuert werden und ebenso können weitere Messkanäle um ganzzahlige Vielfache der konstanten Zeitperiode verschoben sein.
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Des Weiteren kann betreffend die Messkondensatoren und Referenzkondensatoren sowie weiterer Bauteile im zweiten Messkanal, sowie in weiteren später angesteuerten Messkanälen, vorteilhaft die Größe der Messkondensatoren und/oder Referenzkondensatoren und/oder weiterer Bauteile derart angepasst werden, vorteilhaft von vornherein, dass eine Dämpfung der jeweils früher angesteuerten Messkanals/Messkanäle, oder nur des unmittelbar vorher angesteuerten Messkanals bei dem oder den später angesteuerte(n) Messkanal/Messkanäle, ausgeglichen wird. Alternativ dazu kann auch die Amplitude des zeitversetzten zweiten Anregungssignals gegenüber dem ersten Anregungssignal angepasst werden, um eine Dämpfung der vom ersten Anregungssignal ausgelösten Schwingung zu kompensieren.
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Betreffend die Messkondensatoren ist die Eigenschaft und Größe deren schwingfähiger Membran (Elektrode) vorteilhaft bekannt, woher das Resonanzschwingverhalten vorteilhaft herleitbar ist und die restlichen Bauelemente zum Erzielen einer destruktiven Überlagerung für das Eigenschwingungsrauschen vorteilhaft bestimmt und ausgeführt oder bereitgestellt werden können. Durch die vorteilhaft bekannten Größen und Parameter der Messkondensatoren kann folglich einfach, etwa nach Abgleich mit Referenzkondensatoren, auf den Druck am Messkondensator rückgeschlossen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erzeugt im Verfahrensschritt S2 die Taktgebereinrichtung eine erste zeitliche Taktung und eine dazu zeitversetzte zweite zeitliche Taktung, wobei die erste zeitliche Taktung an eine erste Anregungsvorrichtung und die zweite zeitliche Taktung an eine zweite Anregungsvorrichtung weitergegeben wird, wobei die erste Anregungsvorrichtung mit dem ersten elektronischen Messkanal und die zweite Anregungsvorrichtung mit dem zweiten elektronischen Messkanal verbunden ist und im Verfahrensschritt S4 an den ersten elektronischen Messkanal das Anregungssignal und an den zweiten elektronischen Messkanal ein zeitlich verzögertes Anregungssignal weitergegeben wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die erste zeitliche Taktung und die zweite zeitliche Taktung um einen konstanten Zeitunterschied zeitverschoben.
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Der Zeitunterschied, um welchen die Taktungen, vorteilhaft kann dies auch entsprechend für mehr als zwei Taktungen erfolgen, zeitversetzt werden, erfolgt vorteilhaft äquidistant pro Messkanal. Hierbei bedeutet äquidistant vorteilhaft um konstante Zeitabschnitte innerhalb mindestens einer Periodendauer tres einer Eigenschwingung. Hierbei gilt vorteilhaft für den möglichen äquidistanten Zeitversatz annähernd ein quantitativer Wert dt(quant) etwa gleich dt(quant)~m*tres+tres/n ist, wobei tres der Zeitdauer entspricht, welche die Messschaltungsanordnung (alle n Messkanäle) zum Erzeugen aller Anregungssignale oder des Antwortsignals benötigt. Somit ergibt sich eine Menge von Möglichen Werten für den Zeitversatz dt als
dt={dtmin; dtmin+1×dt(quant); ...; dtmax= dtmin+(n-1)×dt(quant)} mit ganzen Zahlen m und n, wobei m so gewählt werden muss, dass
dtmax<< t(Pulslänge). Beispielsweise nimmt für m=0 und n=5 dt(quant)~tres/5 an; für dtmin=0 ergeben sich dt={0; 1×tres/5; 2×tres/5; 3×tres/5; 4×tres/5}. Das Verfahren ist robust, solange für eine Abweichung δ von dt(quant) gilt:
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Das Auslesesignal wird nach dem Anregen aller Messkanäle erfasst, also nach dtmax.
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Eine derartige Gleichverteilung von Anregungssignalen, vorteilhaft von Pulsen des Anregungssignals, über einen Phasenraum bewirkt vorteilhaft, dass eine destruktive Überlagerung der Eigenschwingungen der Messkanäle im Antwortsignal erfolgt, wodurch sich ein wesentlich glatteres Antwortsignal mit reduziertem Eigenschwingungsrauschen ergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das zeitliche Verzögern im Verfahrensschritt S4 mittels einer Verzögerungseinrichtung, welche im ersten elektronischen Messkanal oder im zweiten elektronischen Messkanal verschaltet ist.
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Durch ein gepulstes Signal (Ausleseverfahren) kann eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine kapazitive Sensorvorrichtung, in deren Energiesparsamkeit verbessert werden. Durch ein rechteckförmig gepulstes Anregungssignal können die Messschaltung und deren Bauelemente (ungezielt) zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Bei einem Kondensator, etwa bei dem Messkondensator, entstehen durch die gepulste Spannung elektrische Potentialdifferenzen zwischen dessen beiden Elektroden, was zu einer relativen Anziehungskraft führt, wodurch mechanische Eigenschwingungsmoden angeregt werden. Auf diese Weise überlagert sich dem eigentlichen statischen Messsignal ein kleiner dynamischer Rauschanteil. Dieser Effekt kann allerdings auch bei anderen zeitlich variablen Anregungssignalmustern auftreten. Beispielsweise kann eine Grundmode der mechanischen Eigenschwingungen zu einem elektrisch messbaren Schwingverhalten der Messkapazitäten, insbesondere der Messkondensatoren, führen, was in einem Schwingverhalten (Rauschen) eines Antwortsignals am Ausgang führt. Eine Abklingzeit der Messschaltungsanordnung, vorteilhaft der Kapazitätsbrücke als mechanisch schwingendem System, wird durch dessen Dämpfungsverhalten bzw. durch dessen Güte bestimmt. Bei kapazitiven Sensorvorrichtungen umfassen solche mechanischen Schwingkomponenten vorteilhaft eine niedrige mechanische Schwinggüte bezüglich des Anregungssignals auf. Drucksensoren sind allerdings meist Hochgütesysteme.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die elektronische Messvorrichtung 10 zum Erfassen eines kapazitiven Messsignal S umfasst eine elektronische Messschaltungsanordnung 1, wobei eine Signalverstärkereinrichtung 7 mit dem Ausgang A der Messschaltungsanordnung 1 verschaltet ist und das aus mehreren Teilsignalen 3a und 3b überlagerte Antwortsignal 3 von der Messschaltungsanordnung 1 empfangen kann. Vom Ausgang A weg kann der Signalverstärkereinrichtung 7 nachfolgend eine Analog-Digital-Wandlereinrichtung 8 nachgeschaltet sein, welcher wiederum eine Filtereinrichtung 9 nachgeschaltet sein kann, welche aus dem Antwortsignal 3 ein kapazitives Messsignal S als digitales Ausgabesignal der Messvorrichtung 10 erzeugen kann. Das kapazitive Messsignal S kann selbst auch aus zumindest zwei Teilsignalen bestehen, welche jeweils von den überlagerten Signalen der ersten Brückenabschnitte KB11 und KB21 stammen, oder aus einem überlagerten Gesamtsignal. In der elektrischen Messschaltungsanordnung 1 erzeugt eine Taktgebereinrichtung 4 eine zeitliche Taktung t, welche einer ersten zeitlichen Taktung t1 entsprechen kann und eine um einen konstanten Zeitunterschied dt verzögerte zweite Taktung t2 umfassen kann. Mit der Taktgebereinrichtung 4 kann eine erste Anregungseinrichtung 5a und eine zweite Anregungseinrichtung 5b verbunden sein, wobei ein Taktsignal mit der ersten Taktung t1 an die erste Anregungseinrichtung 5a weitergeleitet wird und ein Taktsignal mit der zweiten Taktung t2 an die zweite Anregungseinrichtung 5b weitergeleitet wird. Die erste Anregungseinrichtung 5a erzeugt, basierend auf der ersten Taktung t1, ein erstes Anregungssignal 2a und die zweite Anregungseinrichtung 5b erzeugt, basierend auf der zweiten Taktung t2, ein zweites Anregungssignal 2b. Die erste Anregungseinrichtung 5a erzeugt ein Anregungssignal 2a, beispielsweise einen rechteckförmigen Auslesespannungspuls, mit welcher ein erster elektronischer Messkanal MK1 angesteuert wird. Der erste elektronische Messkanal MK1 kann einen gemeinsamen ersten Eingangsknoten X1 umfassen, in welchem ein erster Brückenabschnitt KB11 und ein zweiter Brückenabschnitt KB12 des ersten Messkanals MK1 verschaltet sind. Hierbei umfasst der erste Messkanal MK1 eine Kapazitätsbrücke KB1, mit dem ersten und dem zweiten Brückenabschnitt KB11 und KB12. Die Kapazitätsbrücke KB1 kann weiterhin einen zweiten gemeinsamen Eingangsknoten Y1 umfassen, in welchem die beiden Brückenabschnitte KB11 und KB12 miteinander verschaltet sind. Ebenso wie der erste Eingangsknoten X1 ist auch der zweite Eingangsknoten Y1 mit der ersten Anregungseinrichtung 5a verschaltet und empfängt das Anregungssignal 2a. Der erste Brückenabschnitt KB11 umfasst einen ersten Messkondensator C1Ma und einen ersten Referenzkondensator C1Ra, welche im ersten Brückenabschnitt KB11 miteinander in Reihe geschaltet sind. Der zweite Brückenabschnitt KB11 umfasst einen zweiten Messkondensator C2Ma und einen zweiten Referenzkondensator C2Ra, welche im zweiten Brückenabschnitt KB12 miteinander in Reihe geschaltet sind, jedoch bezüglich der beiden Eingangsknoten X1 und Y1 in umgekehrter Reihenfolge als die Kondensatoren im ersten Brückenabschnitt KB11. In jedem der Brückenabschnitte wird das Signal zwischen dem Messkondensator und dem Referenzkondensator zum Ausgang A hin geführt. So ergibt sich im ersten Messkanal MK1 ein Signalpfad für ein Teilsignal 3a vom ersten und vom zweiten Brückenabschnitt.
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Die beiden Teilsignale 3a sind vorteilhaft die Brückenspannungsabgriffe der Wheatstonebrücke des ersten Messkanals. Ein Messkanal entspricht vorteilhaft einer Wheatstonebrücke. Überlagert werden vorteilhaft die Teilsignale der beiden Messkanäle/Wheatstone-Brücken 3a und 3b. Durch die zeitversetzte Anregung überlagern sich die Schwingungsanteile des Signals vorteilhaft destruktiv, während sich die statischen Signalanteile vorteilhaft konstruktiv addieren, woraus sich ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis ergeben kann.
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Das verzögerte Anregungssignal 2b wird von der zweiten Anregungseinrichtung 5b an den zweiten Messkanal MK2 weitergeleitet. Das zeitliche Muster sowie Amplitudenwerte können dabei dem Anregungssignal 2a entsprechen, jedoch um dt zeitverschoben sein. Der zweite Messkanal MK2 empfängt das verzögerte Anregungssignal 2b an einem ersten Eingangsknoten X2 und an einem zweiten Eingangsknoten Y2, in welchen jeweils ein erster Brückenabschnitt KB21 und ein zweiter Brückenabschnitt KB22 der Kapazitätsbrücke des zweiten Messkanals MK2 verschaltet sein können. Der erste Brückenabschnitt KB21 und der zweite Brückenabschnitt KB22 im zweiten Messkanal MK2 sind vorteilhaft analog zu den Brückenabschnitten des ersten Messkanals MK1 aufgebaut, könnten aber auch dazu verschieden sein. Der zweite Messkanal umfasst dementsprechend einen ersten Messkondensator C1Mb und einen ersten Referenzkondensator C1Rb sowie einen zweiten Messkondensator C2Mb und einen zweiten Referenzkondensator C2Rb. Es wäre ebenso möglich, dass die Messschaltungsanordnung 1 (n-2) weitere Messkanäle umfasst, welche analog zu dem ersten und dem zweiten Messkanal aufgebaut sind und ein Anregungssignal an entsprechenden Eingangsknoten erhalten, welches um einen konstanten Zeitunterschied (n-1) x dt (n als ganze Zahl und Ordnungszahl des Messkanals) zeitverschoben ist. Zwischen den Messkondensatoren und den Referenzkondensatoren kann aus den Brückenabschnitten des zweiten, und falls vorhanden jeden weiteren Messkanals, ein Teilsignal 3b des Antwortsignals 3 herausgeführt werden, welches dann mit den Teilsignalen der übrigen Messkanäle (MK1, MK2, ..., MKn) zu einem Antwortsignal 3 am Ausgang A überlagert werden kann. Diese Teilsignale können dabei derartige Eigenschaften aufweisen, dass sich bei einer Überlagerung das Eigenschwingungsrauschen der Bauteile in den Messkanälen destruktiv überlagert und signifikant verringert. Das überlagerte Antwortsignal 3 umfasst daher weniger Rauschanteile und einen genaueren Signalanteil der an den Messkondensatoren anliegenden Druckwirkung, welche eine Kapazitätsveränderung an den Messkondensatoren auslöst.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Anordnung der 2 umfasst, ähnlich wie die Anordnung der Messschaltungsanordnung 1 aus der 1, einen ersten elektronischen Messkanal MK1 und einen zweiten elektronischen Messkanal MK2, mit dem Unterschied, dass nicht nur die Brückenabschnitte eines Messkanals in einem ersten gemeinsamen Eingangsknoten X1 und in einem gemeinsamen zweiten Eingangsknoten Y1 verschaltet sind, sondern auch beide Messkanäle MK1 und MK2. Da die Messschaltungsanordnung 1 aus der 2 über nur eine Anregungseinrichtung 5 verfügen können, welche das Anregungssignal 2a erzeugt, erhalten an den Eingangsknoten X1 und Y1 beide Messkanäle dasselbe Anregungssignal 2a. Die Taktgebereinrichtung 4 erzeugt dabei vorteilhaft nur eine zeitliche Taktung t. Das Anregungssignal 2a kann hierbei durch eine Verzögerungseinrichtung 12 in ein verzögertes Anregungssignal 2b umgewandelt, insbesondere nur zeitlich verschoben werden. Die Verzögerungseinrichtung 12 kann hierbei unmittelbar nach einem der Eingangsknoten X1 oder Y1, beispielsweise nach dem ersten gemeinsamen Eingangsknoten X1, und vor der Aufspaltung des zweiten Messkanals in die zwei Brückenabschnitte, angeordnet sein, so dass beide Brückenabschnitte des zweiten Messkanals MK2 ein verzögertes Anregungssignal 2b erhalten. Aus den beiden Messkanälen können die Teilsignale 3a und 3b auf gleiche Weise zum Ausgang A geführt werden, wie dies bei der Anordnung aus der 1 der Fall ist. Auf ähnliche Weise könnten auch weitere Messkanäle mit dem ersten Messkanal MK1 in den Eingangsknoten X1 und Y1 parallel verschaltet werden, und eigene Verzögerungseinrichtungen 12 umfassen und weitere Teilsignale zur Überlagerung am Ausgang A erzeugen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Beim Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung, erfolgen die Verfahrensschritte vorteilhaft in der angegebenen Reihenfolge S1 bis S6. Im Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer elektronischen Messvorrichtung gemäß der Erfindung. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Vorgeben einer zeitlichen Taktung von einer Taktgebereinrichtung und ein Erzeugen eines Anregungssignals mit einer Anregungsvorrichtung basierend auf der zeitlichen Taktung und im Verfahrensschritt S3 ein Ansteuern von zumindest einem ersten und einem zweiten elektronischen Messkanal mit dem Anregungssignal, welche jeweils eine Kapazitätsbrücke umfassen, wobei die Kapazitätsbrücke einen ersten Messkondensator, einen zweiten Messkondensator, einen ersten Referenzkondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator und der zweite Referenzkondensator eine konstante Kapazität aufweisen, und wobei der erste Messkanal ein erstes Teilsignal und der zweite Messkanal ein zweites Teilsignal aus dem Anregungssignal erzeugt. In einem Verfahrensschritt S4 erfolgt ein zeitliches Verzögern des Anregungssignals an einem der Messkanäle gegenüber einem übrigen der Messkanäle; und in einem Verfahrensschritt S5 ein Überlagern der Teilsignale zu einem Antwortsignal an einem Ausgang. In einem Verfahrensschritt S6 erfolgt ein Ansteuern einer Signalverstärkereinrichtung, einer Analog-Digital-Wandlereinrichtung, und einer Filtereinrichtung, mit dem Antwortsignal und ein Erzeugen eines digitalen Ausgabesignals als kapazitives Messsignal aus dem Antwortsignal.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016107299 A1 [0003]
