DE4418134A1

DE4418134A1 - Schaltungsanordnung zur Kapazitätsmessung

Info

Publication number: DE4418134A1
Application number: DE19944418134
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Wilfert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1995-11-30

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Kapazitätsmessung nach der Gattung des Hauptanspruchs und ist insbesondere dazu geeignet, die kleinen Kapazitätsänderungen bei einem kapazitiven Füllstandssensor zu erfassen.

Bei der kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter, beispielsweise dem Kraftstofftank werden beispielsweise zwei kapazitive Sonden im Behälter derart in einem Abstand voneinander angeordnet, daß die Flüssigkeit zwischen den beiden Sonden mit den Sonden einen Kondensator bilden, dessen Kapazität vom Füllstand abhängt. Die füllstandsabhängige Änderung der Kapazität wird mit Hilfe einer Auswerteschaltung ausgewertet, ein Beispiel für eine solche Auswertung wird in der EP 0 351 700 A2 angegeben.

Bei dieser bekannten Auswertung einer kapazitiven Füllstandsmessung, die nur bei einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit eingesetzt werden kann, wird eine hochfrequente Wechselspannung in eine der beiden Sonden eingekoppelt, der dabei entstehende hochfrequente Meßwechselstrom, dessen Größe von der Kapazität zwischen den beiden Sonden abhängt, wird verstärkt und in ein Meßwertsignal umgewandelt, das anschließend ausgewertet wird. Aus dem bekannten Zusammenhang zwischen der Kapazität der Anordnung und der Höhe der Flüssigkeit wird der Füllstand bestimmt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Kapazitätsmessung hat den Vorteil, daß sehr kleine Kapazitätsänderungen zuverlässig ermittelt werden können, so daß eine sehr genaue Füllstandsbestimmung möglich ist. Dabei ist vorteilhaft, daß die Schaltungsanordnung einen einfachen Aufbau aufweist und durch symmetrische Auslegung unempfindlich gegen Spannungs- und Temperaturschwankungen ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der zeitbestimmende Widerstand relativ niederohmig ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Schaltungsanordnung der zu messenden Kapazität in weiten Grenzen anpaßbar ist.

Erzielt werden diese Vorteile, indem einem Timer, der beispielsweise als astabile Kippschaltung geschaltet ist, ein Schaltungsanteil zugeordnet wird, der einen Multiplikationseffekt für die zu bestimmende Kapazität bewirkt. Da dieser Kapazitätsmultiplikationseffekt in den frequenzbestimmenden Teil der astabilen Kippschaltung eingeht, bewirkt eine kleine Änderung der Kapazität bereits eine deutliche Veränderung der Frequenz des Ausgangssignales des Timers, die gemessen werden kann und zur Kapazitätsbestimmung und damit zur Füllstandsermittlung herangezogen wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden mit den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen erzielt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Versorgungsspannung über der Zeit.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In der Figur ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit der Kapazitäten und damit auch Kapazitätsänderungen besonders zuverlässig ermittelbar sind. Diese Schaltungsanordnung liegt zwischen der Versorgungsspannung U_V+ von beispielsweise 9 Volt und Masse. Sie besteht im wesentlichen aus zwei Blöcken, von denen einer einen Kapazitätsmultiplizierer 10 und einer einen Timer 11, der beispielsweise als astabile Kippschaltung aufgebaut ist, darstellt. Der Kapazitätsmultiplizierer entspricht dabei einem Stromteiler.

Im einzelnen umfaßt die Schaltungsanordnung einen ersten Operationsverstärker bzw. integrierter Schaltkreis IC1, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand R1 und einen Widerstand R3 mit seinem Ausgang in Verbindung steht, wobei zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang ein Widerstand R2 liegt. Der Kondensator, dessen Kapazität ermittelt werden soll, ist mit C_O und C_M bezeichnet, wobei C_O den konstanten Anteil der Kapazität bezeichnet und C_M den variablen Anteil der Kapazität.

C_O liegt zwischen dem Verbindungspunkt A der Widerstände R1 und R3 und Masse. C_M ist einerseits über den Punkt B mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1 und andererseits mit Masse verbunden.

Ein weiterer Operationsverstärker bzw. integrierter Schaltkreis IC2 ist mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit dem Ausgang des integrierten Schaltkreises IC1 verbunden, sein invertierender Eingang liegt über einen Widerstand R5 an Versorgungsspannung U_V. Der Ausgang des integrierten Schaltkreises IC2 führt auf einen Inverter IC3, dessen Ausgang den Ausgang Au der Schaltung darstellt. Dieser Ausgang Au ist über den Widerstand R4 mit dem Punkt A des Kapazitätsmultiplizierers 10 verbunden und über die Widerstände R6 und R7 mit Masse. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R6 und R7 ist mit dem invertierenden Eingang des integrierten Schaltkreises IC2 verbunden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ist der Timer 11 als astabile Kippschaltung um die integrierten Schaltungen IC1, IC2 und IC3 aufgebaut. Die eigentlichen zeitbestimmenden Bauelemente sind die Kapazität C_O und der Widerstand R4. Die für die Kippfrequenz wirksame Kapazität wird jedoch durch die Meßkapazität C_M beeinflußt und setzt sich daher zusammen aus der Grundkapazität C_O sowie der Meßkapazität C_M, die um einen Faktor X vergrößert wird. Dieser Faktor X = R1/R3, der einem Kapazitätsmultiplikationseffekt entspricht, ergibt sich aus der Dimensionierung wie folgt:

Im Operationsverstärker IC2 findet ein Vergleich der Spannung, die an seinem nichtinvertierenden Eingang liegt mit der am invertierenden Eingang liegenden Referenzspannung statt, wobei die Referenzspannung mit Hilfe der Widerstände R5, R6 und R7 eingestellt wird. Es wird also die Spannung am Punkt D zwischen 1/3 und 2/3 der Versorgungsspannung U_V+ umgeschaltet. In Fig. 2 sind die Zusammenhänge dargestellt. Für die Timer-Zeitkonstante gilt dann:

t = R_t · C_t ln 2/3 U_V+/1/3 U_V+.

Je nachdem wie die Spannungsverhältnisse an den Eingängen des IC2 sind, schaltet sein Ausgang auf hohes oder niedriges Potential. Dieses Potential wird vom Inverter IC3 invertiert und führt dazu, daß sich die Kapazitäten C_M und C_O über den Widerstand R4 auf- oder entladen. Durch dieses Auf- bzw. Entladen wird das Potential am nichtinvertierenden Eingang des integrierten Schaltkreises IC2 wiederum beeinflußt, so daß sich die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ändert und bei Erreichen einer bestimmten Spannung wiederum eine Umschaltung erfolgt.

Der durch den Widerstand R4 fließende Lade- und Entladestrom teilt sich am Punkt A gemäß dem Kirchhoffschen Gesetz im umgekehrten Verhältnis der Widerstände R1 und R3. Da der Operationsverstärker bzw. integrierte Schaltkreis IC1 als Spannungsfolgerschaltung wirkt, liegt an den Punkten B und C die gleiche Spannung. Werden die Widerstände R1 = R2 = 10 kOhm, R4 = 30 kOhm und R3 = 0,1 kOhm gewählt, so wird aus der Meßkapazität Cm = 26 pF eine Kapazität von 2600 pF. Der Kapazitätsmultiplikationsfaktor ist also X = R1/R3 = 100. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus der folgenden Formel für die Frequenz des Ausgangssignales am Ausgang Au:

f_A = 1/1,386 _* R4(C_O + C_M _* R₁/R₃) (I).

Der Strom durch den Widerstand R3 fließt in eine vom Kapazitätsmultiplizierer gebildete virtuelle Kapazität, wobei der Widerstand R3 wie ein Serienwiderstand wirkt. In dem beschriebenen Anwendungsfall ergibt sich dabei eine Gesamtkapazität von 2200 pF + 2600 pF = 4800 pF. Wählt man einen höheren Widerstand R1, wird der Kapazitätsmultiplikationseffekt weiter vergrößert, es ist dann möglich, auf die Kapazität C_O zu verzichten, so daß die Gesamtkapazität allein durch die variable Kapazität C_M gebildet wird. Die Widerstände R1 und R3 stellen einen Stromteiler dar, der Strom teilt sich entsprechend dem Widerstandsverhältnis auf.

Zur Abschätzung des zu erzielenden Frequenzhubes kann die Formel (I) umgestellt werden, es ergibt sich dann:

C_M = R3/R1 (1/f _* 1,386 _* R4-C_O) (II).

Wird die Schaltung zur Auswertung eines kapazitiven Füllstandssensors verwendet, liegt die Meßkapazität üblicherweise in einem Bereich von C_M1 = 26 pF bis C_M2 = 29 pF und C_O = 2200 pF. Der zugehörige Frequenzbereich liegt dann zwischen f1 = 4,937 kHz und f2 = 5,252 kHz. Als Frequenzhub wird dann erhalten:

Δf/ΔC_M = 105 Hz/pF.

Der Hub beträgt also ca. ≈ 6%.

Die Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispiels weist also insgesamt einen einfachen Aufbau auf. Der zeitbestimmende Widerstand R4 ist relativ niederohmig. Durch symmetrische Auslegung kann die gesamte Schaltung unempfindlich gegen Spannungs- und Temperaturschwankungen gemacht werden. Sie ist bei Bedarf eigensicher zu machen und der zu messenden Kapazität in weiten Grenzen anpaßbar.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Messung einer Kapazität, insbesondere bei einem kapazitiven Füllstandsensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität Bestandteil einer Kippschaltung ist und deren Kippbedingung beeinflußt und weitere Schaltungsmittel vorgesehen sind, die eine Kapazitätserhöhung bewirken.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung einen Timer umfaßt, mit einem integrierten Schaltkreis (IC2), dessen einer Eingang über wenigstens zwei Widerstände mit der Kapazität in Verbindung steht und dessen Ausgang über einen Inverter (IC3) mit dem anderen Eingang in Verbindung steht, wobei dieser andere Eingang über einen weiteren Widerstand (R5) an Versorgungsspannung (Uv) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel zur Kapazitätserhöhung einen Kapazitätsmultiplizierer (10) bilden und der Kapazitätsmultiplizierer (10) zwei Widerstände (R1, R2) umfaßt, deren Widerstandsverhältnis den Multiplikationsfaktor bestimmt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel zur Kapazitätserhöhung einen Stromteiler mit wenigstens zwei Widerständen (R1, R2) umfassen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kapazität ein Maß für den Füllstand eines Behälters ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Kapazität durch Auswertung der Frequenz des Ausgangssignales der Schaltungsanordnung erfolgt.