DE4418134A1

DE4418134A1 - Capacitance measurement circuit esp. for tank level sensor of e.g. motor vehicle

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

Abstract

The capacitance measurement circuit has two main blocks : a timer or astable multivibrator circuit (11) and a capacitance-multiplying circuit (10), where the ratio of resistance values (R1,R3) determines the multiplication ratio. The capacitance being measured, which forms a level sensor, has a constant capacitance (CO) and a variable (CM) capacitance component. The timer involves an integrated circuit (IC2) with input via two resistors connected to the capacitance, with its output connected to an inverter (IC3) with a further resistor (R5) connected to the supply (UV). The capacitance is measured by evaluating the timer frequency, where tiny change in the capacitance results in a large frequency change.

Description

State of the art

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.The invention relates to a circuit arrangement Capacity measurement according to the type of the main claim and is particularly suitable for the little ones Changes in capacitance with a capacitive level sensor capture.

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.With capacitive level measurement in a container, for example, the fuel tank will be two, for example capacitive probes in the container at such a distance arranged from each other that the liquid between the form a capacitor with the probes, whose capacity depends on the level. The Level-dependent change in capacity is with the help evaluated by an evaluation circuit, an example of a Such an evaluation is given in EP 0 351 700 A2.

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.In this known evaluation of a capacitive Level measurement that is only possible with an electrically conductive Liquid can be used becomes a high frequency AC voltage is coupled into one of the two probes, the resulting high-frequency alternating current, whose Size depends on the capacity between the two probes, is amplified and converted into a measured value signal, the is then evaluated. From the known Relationship between the capacity of the arrangement and the The level of the liquid is determined.

Advantages of the invention

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.The circuit arrangement according to the Capacity measurement has the advantage of being very small Changes in capacity can be reliably determined, so that a very precise level determination is possible. Here is advantageous that the circuit arrangement a simple Structure and symmetrical design insensitive to voltage and temperature fluctuations is. It is also advantageous that the time-determining Resistance is relatively low.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Schaltungsanordnung der zu messenden Kapazität in weiten Grenzen anpaßbar ist.It is particularly advantageous that the circuit arrangement of the capacity to be measured is adjustable within wide limits.

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.These benefits are achieved by using a timer that is switched, for example, as an astable multivibrator, a circuit portion is assigned to the one Multiplication effect for the capacity to be determined causes. Since this capacity multiplication effect in the frequency-determining part of the astable multivibrator a small change in capacity already results a significant change in the frequency of the output signal of the timer that can be measured and used Capacity determination and thus for level determination is used.

Weitere Vorteile der Erfindung werden mit den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen erzielt. Further advantages of the invention are with the in the Characteristics achieved sub-claims achieved.

drawing

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.An embodiment of the invention is shown in Fig. 1 of the drawing and is explained in more detail in the following description. Fig. 2 shows the course of the supply voltage over time.

Description of the embodiment

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.The figure shows a circuit arrangement with which capacities and thus also changes in capacitance can be determined particularly reliably. This circuit arrangement lies between the supply voltage U _{V +} of, for example, 9 volts and ground. It essentially consists of two blocks, one of which represents a capacity multiplier 10 and one a timer 11 , which is constructed, for example, as an astable multivibrator. The capacity multiplier corresponds to a current divider.

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.In detail, the circuit arrangement comprises a first operational amplifier or integrated circuit IC1, the non-inverting input of which is connected to its output via a resistor R1 and a resistor R3, a resistor R2 being located between the inverting input and the output. The capacitor, whose capacitance is to be determined, is denoted by C _O and C _M , where C _O denotes the constant portion of the capacitance and C _M the variable portion of the capacitance.

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. C _O lies between the connection point A of the resistors R1 and R3 and ground. C _M is connected on the one hand via point B to the non-inverting input of the operational amplifier IC1 and on the other hand to ground.

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.Another operational amplifier or integrated circuit IC2 is connected with its non-inverting input to the output of the integrated circuit IC1, its inverting input is connected to supply voltage U _V via a resistor R5. The output of the integrated circuit IC2 leads to an inverter IC3, the output of which represents the output Au of the circuit. This output Au is connected via resistor R4 to point A of capacitance multiplier 10 and via resistors R6 and R7 to ground. The connection point between the resistors R6 and R7 is connected to the inverting input of the integrated circuit IC2.

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:In the circuit shown in FIG. 1, the timer 11 is constructed as an astable multivibrator circuit around the integrated circuits IC1, IC2 and IC3. The actual time-determining components are the capacitance C _O and the resistor R4. However, the capacitance effective for the breakover frequency is influenced by the measuring capacitance C _M and is therefore composed of the basic capacitance C _O and the measuring capacitance C _M , which is increased by a factor X. This factor X = R1 / R3, which corresponds to a capacity multiplication effect, results from the dimensioning as follows:

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:The operational amplifier IC2 compares the voltage at its non-inverting input with the reference voltage at the inverting input, the reference voltage being set using resistors R5, R6 and R7. The voltage at point D is therefore switched between 1/3 and 2/3 of the supply voltage U _{V +} . The relationships are shown in FIG. 2. The following then applies to the timer time constant:

t = R_t · C_t ln 2/3 U_V+/1/3 U_V+.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.Depending on the voltage conditions at the inputs of the IC2, its output switches to high or low potential. This potential is inverted by the inverter IC3 and leads to the capacitances C _M and C _{O being} charged or discharged via the resistor R4. This charging or discharging in turn influences the potential at the non-inverting input of the integrated circuit IC2, so that the voltage at the non-inverting input changes and, when a certain voltage is reached, a switchover takes place again.

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:The charge and discharge current flowing through resistor R4 divides at point A according to Kirchhoff's law in inverse ratio of resistors R1 and R3. Since the Operational amplifier or integrated circuit IC1 as Voltage follower circuit acts at points B and C. the same tension. Become the resistors R1 = R2 = 10 kOhm, R4 = 30 kOhm and R3 = 0.1 kOhm selected, the measuring capacitance Cm = 26 pF becomes a capacitance of 2600 pF. So the capacity multiplication factor is X = R1 / R3 = 100. This relationship results from the following formula for the frequency of the output signal on Output Au:

f_A = 1/1,386 _* R4(C_O + C_M _* R₁/R₃) (I).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.The current through the resistor R3 flows into a virtual capacitance formed by the capacitance multiplier, the resistor R3 acting like a series resistor. In the application described, the total capacity is 2200 pF + 2600 pF = 4800 pF. If one chooses a higher resistance R1, the capacitance multiplication effect is further increased, it is then possible to dispense with the capacitance C _O , so that the total capacitance is formed solely by the variable capacitance C _M. The resistors R1 and R3 represent a current divider, the current is divided according to the resistance ratio.

Zur Abschätzung des zu erzielenden Frequenzhubes kann die Formel (I) umgestellt werden, es ergibt sich dann:To estimate the frequency deviation to be achieved, the Formula (I) are converted, it then results:

C_M = R3/R1 (1/f _* 1,386 _* R4-C_O) (II).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:If the circuit is used to evaluate a capacitive level sensor, the measuring capacitance is usually in a range from C _M1 = 26 pF to C _M2 = 29 pF and C _O = 2200 pF. The associated frequency range is then between f1 = 4.937 kHz and f2 = 5.252 kHz. The following is then obtained as the frequency deviation:

Δf/ΔC_M = 105 Hz/pF.Δf / ΔC _M = 105 Hz / pF.

Der Hub beträgt also ca. ≈ 6%.The stroke is approximately ≈ 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.The circuit arrangement of the exemplary embodiment thus points overall a simple structure. The time-determining Resistor R4 has a relatively low resistance. By symmetrical Interpretation can make the entire circuit insensitive to Voltage and temperature fluctuations can be made. she is to be made intrinsically safe if necessary and the one to be measured Capacity can be adjusted within wide limits.

Claims

1. Circuit arrangement for measuring a capacitance, in particular in the case of a capacitive fill level sensor, characterized in that the capacitance is part of a flip-flop and its flip condition is influenced and further switching means are provided which bring about an increase in capacitance.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized characterized in that the flip-flop comprises a timer, with an integrated circuit (IC2), one of which Input through at least two capacitance resistors is connected and its output via an inverter (IC3) communicates with the other input, where this other input via a further resistor (R5) Supply voltage (Uv) is.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the circuit means for increasing the capacitance form a capacitance multiplier ( 10 ) and the capacitance multiplier ( 10 ) comprises two resistors (R1, R2), the resistance ratio of which determines the multiplication factor.

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the circuit means for Capacity increase a current divider with at least two Include resistors (R1, R2).

5. Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the to be measured Capacity is a measure of the level of a container.

6. Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the determination of the Capacity by evaluating the frequency of the output signal the circuit arrangement takes place.