Messverfahren und Messanordnung zur Erfassung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, bei dem die zeitli ^¬ che Veränderung einer elektrischen Kapazität dadurch erfasst wird, dass ein aufgrund der Veränderung der Kapazität erzeug ^¬ ter Verschiebungsstrom I (t) mit einer Messeinrichtung gemes- sen wird, wobei die zeitliche Veränderung der Kapazität me ^¬ chanisch mit einem elektrischen Aktor herbeigeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Messanordnung, die zur Ausführung des angegebenen Messverfahrens geeignet ist, mit einer Messeinrichtung zur Messung der zeitlichen Veränderung einer elektrischen Kapazität.

Die zeitliche Veränderung der Kapazität wird durch einen elektrischen Aktor auf mechanischem Wege hervorgerufen. Die Kapazität kann dadurch geändert werden, dass die Fläche der zugehörigen Kodensatorplatten variiert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Abstand der Kondensatorplatten zu verändern. Außerdem kann auch die Dielektrizitätskonstante des Mediums verändert werden, welches sich zwischen den Kon ^¬ densatorplatten befindet. Die Kondensatorplatten müssen dabei nicht gegenständlich als flache Gebilde ausgebildet sein. Es können auch andere geometrische Einrichtungen Verwendung finden, welche fähig sind, elektrische Ladungen zu speichern. Insbesondere ist auch eine Anwendung des Messverfahrens bzw. ein Aufbau der Messanordnung möglich, der als Feldmühle be- zeichnet wird. Hierbei ist in der Messanordnung nur eine Kon ^¬ densatorplatte verwirklicht, während die andere Kondensator ^¬ platte sozusagen durch die Umgebung gebildet wird. Mit dem Prinzip der Feldmühle lassen sich beispielsweise Potential ^¬ veränderungen in der Erdatmosphäre ermitteln. Außerdem weist die in der Messanordnung eingebaute Messein ^¬ richtung einen Strom-Spannungs-Wandler auf, auf dessen Eingang ein aufgrund der Veränderung der Kapazität erzeugter Verschiebungsstrom I (t) geführt ist und der ein zum Verschiebungsstrom I (t) proportionales Spannungssignal U(t) am Aus ^¬ gang zur Verfügung stellt.

Messverfahren und Messanordnungen der eingangs angegebenen Art sind an sich bekannt. Gemäß der DE 10 2008 052 477 AI wird die eingangs angegebene Messanordnung beispielsweise als mikromechanisches System ausgebildet und kann als Voltmeter verwendet werden. Hierbei kommt eine Kondensatorplatte zum Einsatz, die als Beschichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) ausgebildet ist. Oberhalb dieser Kondensator ^¬ platte ist eine bewegliche Blende angeordnet, die über die Kondensatorplatte geschoben werden kann und somit die effek ^¬ tive Kondensatorfläche verringert und vergrößert. Diese Blen ^¬ de ist mit einem mikromechanischen Antrieb versehen, welcher aus kammartigen Elektroden besteht, die mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Die hierdurch hervorgerufenen elektrostatischen Kräfte bewirken eine Relativbewegung zwischen den kammartigen Elektroden, wodurch die Blende verschoben wird.

Ein anderer als MEMS ausgebildeter mikromechanischer Sensor ist in der DE 10 2006 029 443 B2 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein schwingungsfähiges Rohrsystem, welches von ei ^¬ nem Fluid durchflössen werden kann. Da das strömende Fluid in dem schwingenden Rohrsystem mitbeschleunigt werden muss, wirkt sich dieses auch auf das Schwingungsverhalten des Rohrsystems aus. Das Rohrsystem ist weiterhin mit Messelektroden versehen, die einen Messkondensator bilden. Daher kann das eingangs angegebene Messverfahren zur Bestimmung des Schwingungsverhaltens des Rohrsystems verwendet werden.

Eine Umsetzung des eingangs angegebenen Messverfahrens ist beispielsweise durch B. Bahreyni et al . „Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor" in Journal of Mi- croelectromechanical Systems, Vol. 17, Seiten 31 - 36, 2008 beschrieben. Der Verschiebungsstrom I (t) ist nur sehr gering und muss zu Messzwecken daher verstärkt werden. Dies kann über einen Strom-Spannungs-Wandler erfolgen, an dessen Ausgang ein verstärktes Spannungssignal U(t) zu Messzwecken zur Verfügung gestellt wird. Bei dem Aufbau der Messanordnung ist jedoch auch zu berücksichtigen, dass auch die Anregung mit einem elektrischen Aktor erfolgt, der ein kapazitives Prinzip verwendet. Dieses Antriebsprinzip wird verwendet, weil es vergleichsweise einfach zu realisieren ist. Dies ist insbe ^¬ sondere bei Ausführungen der Messanordnung als MEMS von besonderer Bedeutung. Allerdings muss bei dieser technischen Realisierung hingenommen werden, dass der Antriebsteil des elektrischen Aktors und der Detektionsteil der Messeinrichtung des Systems sich gegenseitig beeinflussen. Hierbei kann es zu einem Übersprechen der Antriebsspannung auf den zu messenden Verschiebungsstrom kommen. Dieses Übersprechen liegt bei dem bis zu Tausendfachen der Amplitude des Messsignals, so dass dieses nicht mehr zuverlässig gemessen werden kann, während eine Anregung erfolgt.

In der US 3,812,419 ist außerdem ein Instrument zur Messung der Feldstärke angegeben, welches nach dem Prinzip einer Feldmühle funktioniert. Gemäß der US 2009/0064781 AI ist es außerdem bekannt, dass eine Struktur mit der Funktion eines Gyroskops als MEMS-Struktur hergestellt werden kann. Eine Möglichkeit der Durchführung des Messverfahrens läge nun darin, die Anregung während der Messung abzuschalten. Es müsste dann aber hingenommen werden, dass sowohl die Anregung als auch die Messung diskontinuierlich wären. Außerdem würde das System nach Abschalten der Anregung in Abhängigkeit der ihm eigenen Dämpfung ausschwingen .

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Messverfahren sowie eine Messanordnung anzugeben, mit dem bzw. mit der eine kontinuierliche Messung einer Kapazitätsänderung bei gleichzeitig vergleichsweise geringem messtechnischem Aufwand mit vergleichsweise hoher Genauigkeit möglich ist.

Die Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Messverfahren durch ein Zusammenwirken der folgenden Maßnahmen gelöst. Die erste Maßnahme besteht darin, dass der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor derart gewählt wird, dass in ihm Zeitintervalle mit konstanter An ^¬ triebsspannung enthalten sind. Hier wird der Eigenschaft des kapazitiven Messprinzips dadurch Rechnung getragen, dass ein Signal nur detektiert werden kann, wenn sich am Kondensator Ladungen verschieben, die den Verschiebungsstrom I (t) initiieren. Hierfür gilt die Gleichung I(t) = dC/dt · U + dU/dt ' C, wobei C die Kapazität des Kondensators ist und U die am Kon ^¬ densator anliegende Spannung. Die Kapazität des Kondensators kann durch Änderung der Fläche der Kondensatorplatten (z. B. durch Einschieben von Blenden in den Kondensatorspalt) , durch Änderung des Abstandes der Kondensatorplatten oder durch Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten befindlichen Mediums geändert werden. Wenn der zeitliche Verlauf der elektrischen Antriebsspannung U(t) für den Aktor so gewählt wird, dass Zeitintervalle mit konstanter Antriebsspannung enthalten sind, so kann in diesem Zeitintervall ein Einfluss aufgrund eines Übersprechens zu ^¬ mindest weitgehend ausgeschlossen werden, da sich die Antriebsspannung nicht verändert. Ein Antriebskonzept mit einer Antriebsspannung, die Zeitintervalle mit konstantem Spannungswert enthält, könnte wie folgt ablaufen. Wenn die An ^¬ triebsspannung auf den konstanten Wert gebracht wird, wirkt eine elektrostatische Kraft auf den jeweils beweglichen Teil des elektrischen Aktors, die eine Bewegung desselben hervorruft. In dem Moment, in dem sich das bewegliche Teil am Ende seines Bewegungsfreiraums befindet, wird die Antriebsspannung wieder auf 0 gesetzt, wobei danach wieder eine konstante An ^¬ triebsspannung vorliegt. Aufgrund der Elastizität der Aufhän ^¬ gung des beweglichen Teils schwingt dieses bei Ausbleiben der elektrostatischen Kraft zurück. Wenn es an der anderen zulässigen Position angekommen ist, wird die Antriebsspannung wieder auf den von 0 verschiedenen Wert gebracht. Die Antriebs ^¬ spannung weist also zwei unterschiedliche Niveaus auf, die durch vergleichsweise steile Flanken (insbesondere eine

Rechteckspannung) miteinander verbunden sind. Ein Einfluss auf das Messsignal durch die kapazitive Kopplung, bedingt durch die Bauform der Messanordnung, kann also auf die vergleichsweise kurzen Zeiten des Durchlaufens der Schaltflanken reduziert werden.

Allerdings wirkt die Kombination aus vergleichsweise kleiner Koppelkapazität (bedingt durch die Bauform der Messanordnung) und eine Wandlung des Stroms in einer Spannung auf das zu messende Signal wie eine Differentiation. Daher kann man sagen, dass wegen der steilen Schaltflanken bzw. der Wahl einer Rechteckspannung die durch die Differentiation gebildete Ableitung nach der Zeit im Bereich der Einschaltflanke und der Ausschaltflanke der Antriebsspannung U(t) zwei vergleichswei ^¬ se intensive Impulse erzeugt, während die Ableitung ansonsten gleich Null ist.

Als zweite Maßnahme muss daher vorgesehen werden, dass die Messintervalle vollständig in den Zeitintervallen konstanter Antriebsspannung liegen und in diesen Messintervallen der Verschiebungsstrom I (t) gemessen wird. Die beiden Pulse aus den differenzierten Schaltflanken der Antriebsspannung sind nämlich aufgrund der steilen Signalverlaufs im Bereich der Schaltflanken verhältnismäßig hoch. Die in Nachbarschaft die ^¬ ser Pulse liegenden Nutzsignale (also der zu messende Ver ^¬ schiebungsstrom I (t) ) können daher nicht mit der für die Auflösung notwendigen Transimpedanz des zum Einsatz kommenden Strom-Spannungs-Wandlers gemessen werden, weil diese ungefähr um den Faktor 1000 kleiner sind. Würde jedoch der Umsetzungsfaktor des Strom-Spannungs-Wandlers in der erforderlichen Weise erhöht werden, würde dies zu nicht mehr hinnehmbaren Einschwingzeiten nach der durch die Pulse bedingten Übersteuerung des Wandlers führen.

Erfindungsgemäß wird daher als dritte Maßnahme vorgesehen, dass die Messeinrichtung in Austastintervallen ausgetastet wird, so dass die Messeinrichtung während der Austastintervalle das Messsignal nicht verarbeitet, wobei Zeitintervalle, in denen die Antriebsspannung verändert wird (also in denen die Einschaltflanken bzw. Ausschaltflanken der Antriebsspannung U(t) liegen), vollständig in den Austastintervallen liegen. Vorteilhaft kann die Verstärkung durch den Strom- Spannungs-Wandler dann deutlich erhöht werden, ohne dass es zu einem großen Überschwingen oder einem übermäßig langen Einschwingvorgang bei der Messung kommt. Unter einem Austasten der Messeinrichtung wird im Zusammenhang dieser Erfindung verstanden, dass die Messeinrichtung das Messsignal nicht verarbeitet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Messeinrichtung, die den Strom-Spannungs-Wandler enthält, das Messsignal nicht empfängt. Hiervon zu unterscheiden wäre eine Maßnahme, die Messeinrichtung abzuschalten. Dies würde das erfindungsgemäß angestrebte Ziel einer quasi kontinuierlichen Messung allerdings unmöglich machen, da nach dem Einschalten der Messeinrichtung die Betriebsbereitschaft nicht in genü ^¬ gend kurzer Zeit hergestellt würde. Anders ist dies bei einem Austasten der Messeinrichtung, da diese während der Zeit aktiv bleibt und nach dem Ende des Austastintervalls vorteil ^¬ haft nach vergleichsweise kurzer Zeit wieder Messsignale ver ^¬ arbeitet werden können.

Durch die erfindungsgemäße Messanordnung wird die Aufgabe durch die Maßnahmen gelöst, dass der Strom-Spannungs-Wandler einen Enable-Eingang aufweist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist und die Steuereinrichtung ein Enable- Signal zur Verfügung stellt, das den Strom-Spannungs-Wandler aktiviert. Über das Enable-Signal kann damit das vorstehend beschriebene Austasten der Messeinrichtung realisiert werden. Das Enable-Signal aktiviert den Strom-Spannungs-Wandler und sobald dieses Signal wegfällt, wird der Strom-Spannungs- Wandler deaktiviert, allerdings nicht abgeschaltet. Damit be ^¬ ginnt das Austastintervall. Nach Beendigung des Austastinter ^¬ valls wird wieder ein Enable-Signal durch die Steuerung zur Verfügung gestellt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor mit elektrostatischen Kräften angetrieben wird. Hierdurch wird eine Ansteuerung des Aktors in der bereits beschriebenen vorteilhaften Weise möglich, dass eine Antriebsspannung U(t) verwendet werden kann, die vergleichsweise steile Schaltflanken hat, insbesondere eine Rechteckspannung ist, und deren Zeitintervalle konstanter Spannung jeweils bei Null und einer definierten Antriebsspannung liegen, die eine genügende elektrostatische Kraft zum Antreiben des elektrischen Aktors zur Verfügung stellt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn jeweils zwischen das Austastintervall und das Messintervall ein Reaktionsintervall gelegt wird, in welchem die durch das Austasten bedingte Totzeit der Messeinrichtung vollständig liegt. Wie bereits erwähnt wurde, ist auch nach dem Beenden des Austastintervalls eine kurze Totzeit der

Messeinrichtung, insbesondere des Strom-Spannungs-Wandlers die Folge. Um auszuschließen, dass in diesem Intervall gene ^¬ rierte Spannungswerte am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers zu falschen Messsignalen führen könnten, wird dieses Reakti- onsintervall , in dem die Totzeit der Messeinrichtung liegt, ausgeblendet, so dass das Messintervall erst anschließend be ^¬ ginnt .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausgang des Strom- Spannungs-Wandlers auf den Eingang rückgekoppelt ist, wobei sich in der hierbei zum Einsatz kommenden Rückkoppelleitung ein erster und ein zweiter elektrischer Widerstand befinden, die seriell geschaltet sind, und zwischen diesen Widerständen ein dritter Widerstand (im Folgenden R3) mit der Rückkoppel- leitung kontaktiert ist. Dieser dritte Widerstand liegt sei ^¬ nerseits auf Massepotential und dessen Widerstandswert ist bestimmt einerseits durch die zu realisierende Transimpedanz, gegeben durch das Verhältnis des zweiten Widerstandes (im Folgenden R2 ) zum dritten Widerstand (d. h. durch den Quo- tienten mit dem zweiten Widersand im Zähler und dem dritten Widerstand im Nenner: R2/R3), multipliziert mit dem ersten Widerstand (im Folgenden Rl) und andererseits durch die Zeit ^¬ konstante des Entladevorganges, gegeben durch die Summe aus dem ersten Widerstand und dem dritten Widerstand (R1+R3) mul- tipliziert mit der zu messenden Kapazität (17), wobei die Zeitkonstante des Entladevorganges hinreichend klein ist, da ^¬ mit der Entladevorgang im Austastintervall (a) abgeschlossen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstandswert des zweiten Widerstandes, der näher am Ausgang des Strom- Spannungs-Wandlers liegt als der erste Widerstand, höchstens ein Zehntel desjenigen des ersten Widerstandes beträgt.

Die beschriebene Schaltung der Widerstände in der Rückkoppel- leitung trägt folgenden Umstand Rechnung. Der Einfluss der Schaltflanken der Antriebsspannung auf das Signal kann zwar durch das Austasten unterdrückt werden. Allerdings wird durch die Schaltflanken und die damit verbundene Änderung der Antriebsspannung Ladung auf dem Messkondensator erzeugt, die beim Wiedereinschalten des Strom-Spannungs-Wandlers erst ab ^¬ fließen muss. Durch die hohe Transimpedanz des Wandlers in Standardschaltung mit einen hochohmigen Rückkopplungswiderstand ist dieser Einschwingvorgang allerdings so langsam, dass die Messung der sehr kleinen Verschiebungsströme I (t) immer noch nicht sofort möglich wäre. Hier ist also ein elektrischer Pfad erforderlich, der den Messkondensator trotz hoher Transimpedanz schnell entlädt. Dies wird erfindungsge ^¬ mäß dadurch erreicht, dass die Rückkopplung des Strom- Spannungs-Wandlers nicht wie üblich als einzelner Widerstand ausgeführt ist, sondern durch eine nachfolgend beschriebene T-Konfiguration . Darin stellt die Serienschaltung aus Ri und R ₃ impedanzmäßig die erforderliche kurze Entladungszeit des Messkondensators sicher, und der Widerstandsteiler bestehend aus R ₂ und R ₃ verstärkt die durch Ri gegebene Transimpedanz um den Faktor R ₂ /R ₃ . Beispielsweise kann bei gleicher Transimpe ^¬ danz von Ri = 100ΜΩ die Entlade-/Einschwingzeitkonstante um den Faktor 100 entsprechend dem gewählten Widerstandsverhält ^¬ nis von R ₂ /R ₃ = lOOkü/ΙΚΩ gesenkt werden. Hierdurch wird die Impedanz der Eingangskapazität gegen Masse deutlich verrin- gert, wobei gleichzeitig die erforderliche Signalverstärkung realisiert wird. Die durch die Schaltflanken der Antriebs ^¬ spannung U(t) induzierte Ladung kann damit während des Reak ^¬ tionsintervalls des Strom-Spannungs-Wandlers abfließen und beeinflusst die Messwerte im folgenden Messintervall nicht mehr in nennenswerter Weise.

Vorteilhaft können das Austastintervall und/oder die An ^¬ triebsspannung und/oder das Messintervall durch eine Steuer- einrichtung überwacht werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, das gesamte Messverfahren zentral zu überwachen bzw. durch eine geeignete Softwareanpassung das Messverfahren auf unterschiedliche Anwendungsfälle ohne großen Aufwand anzupas ^¬ sen .

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Kapazität durch einen Messkondensator gebildet wird, dessen Kondensatorfläche mit dem Aktor variiert wird. Insbesondere ist es möglich, dass der Aktor eine Blende in den Kondensatorspalt hineinschiebt bzw. herauszieht, wobei die Blende zu einer teilweisen Verdeckung der Kondensatorplatten führt, wodurch die zur Verfügung stehende Fläche der Kondensatorplatten verändert wird. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Voltmeter erzeugen, wie dies in der eingangs bereits genann- ten DE 10 2008 052 477 AI beschrieben ist.

Vorteilhaft ist es auch möglich, dass die elektrische Kapazi ^¬ tät durch ein schwingungsfähiges und ein durchströmbares Rohrsystem gebildet wird, wobei der Aktor das Rohrsystem zu Schwingungen anregt. Die Schwingungen können außerdem die

Breite eines Kondensatorspaltes zwischen gebildeten Kondensa ^¬ torplatten variieren bzw. eine Überlappung dieser Kondensatorplatten variieren. Hierzu wird jeweils eine Kondensatorplatte an dem beweglichen Teil des Rohrsystems und eine Plat- te an einem ortsfesten Teil der Messanordnung befestigt.

Hierdurch lässt sich das in der eingangs genannten DE

10 2006 029 443 B3 beschriebene Sensorprinzip verwirklichen, mit dem beispielsweise ein Massendurchfluss oder auch die Dichte eines Fluids gemessen werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren jeweils mit den glei ^¬ chen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figu ^¬ ren ergeben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung als Blockschaltbild,

Figur 2 den Signalverlauf für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens, wie dies bei ^¬ spielsweise mit einer Messanordnung gemäß Figur 1 erzeugt werden kann,

Figur 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ^¬ ßen Messanordnung als Blockschaltbild und

Figur 4 eine alternative Ausgestaltung der Messeinrichtung gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der er ^¬ findungsgemäßen Messanordnung, wie diese auch bei Messanordnungen gemäß Figur 1 und Figur 3 zum Einsatz kommen kann.

In Figur 1 ist eine Messanordnung 11 dargestellt, die bei ^¬ spielsweise als Voltmeter zum Einsatz kommen kann. Diese Messanordnung weist drei Bereiche I, II und III auf, deren Grenze durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. Außer- dem gibt es einen Bereich IV, der durch eine Steuereinrichtung (im Folgenden auch kurz als Steuerung bezeichnet) 12 gebildet ist. Dieser grundsätzliche Aufbau ist auch bei der Messanordnung 11 gemäß Figur 3 vorgesehen.

Der Bereich I des Aktors ist nur schematisch dargestellt und kann wie im oben bereits erläuterten Stand der Technik ausgeführt sein. Der Aktor weist eine Spannungsquelle 13 auf, mit der eine Spannung U(t) generiert werden kann, die einen ange- deuteten rechteckförmigen Verlauf aufweist. Mit dieser Spannung wird eine Antriebskapazität 14 gespeist, so dass in die ^¬ ser aufgrund der zeitlich veränderlichen Spannung U(t) eine wechselnde Feldstärke des erzeugten elektrischen Feldes ent ^¬ steht. Im durch die Antriebskapazität 14 gebildeten Kondensa- torspalt ist eine Blende 15 angeordnet, die durch eine elas ^¬ tische Aufhängung 16 gehalten ist und somit ein schwingungs ^¬ fähiges System bildet. In Abhängigkeit vom zeitlich veränderlichen elektrischen Feld im Kondensatorspalt wird die Blende 15 aus diesem Kondensatorspalt verdrängt und wieder hineinge- lassen und führt aufgrund der elastischen Aufhängung 16 Schwingungen aus .

Dem Bereich I des Aktors räumlich benachbart ist der Bereich II der zu messenden Kapazität 17 angeordnet. Konkret sind die Kondensatorplatten der Kapazität 17 so angeordnet, dass der durch sie gebildete Kondensatorspalt in einer Ebene mit dem Kondensatorspalt der Antriebskapazität 14 liegt. Daher kann die Blende 15, wenn sie aus der Antriebskapazität 14 ver ^¬ drängt wird, in die zu messende Kapazität 17 eintauchen und damit die zur Ausbildung des elektrischen Feldes zur Verfügung stehende Fläche der Kondensatorplatten der Kapazität 17 verändern. Hierbei beeinflussen sich die Antriebskapazität 14 und die zu messende Kapazität 17 allerdings in unerwünschter Weise auch gegenseitig. Dies ist durch eine Störkapazität 18 angedeutet, welche selbstverständlich nicht, wie dargestellt, durch einen Kondensator gebildet ist, sondern durch die Bauform der realen Messanordnung vorgegeben wird. Wie bereits erläutert, schwingt die Blende 15 zwischen der Antriebskapazität 14 und der zu messenden Kapazität 17 hin und her. In Figur 1 ist die Blende in derjenigen Ausgangslage dargestellt, in der sie sich vollständig in der Antriebskapa ^¬ zität 14 befindet. Gestrichelt ist die entgegengesetzte Lage dargestellt, in der sich die Blende 15 vollständig in der zu messenden Kapazität 17 befindet. Es wird also deutlich, dass die Blende die Kondensatorfläche der zu messenden Kapazität 17 durch eine Abschirmung zwischen 0 und 100 % alternieren lässt. Hierdurch ist die Kapazität 17 in ihrer Größe zeitlich veränderlich, so dass ein Verschiebungsstrom I (t) entsteht. Dieser lässt sich durch die im Bereich III angeordnete Messeinrichtung nachweisen. Diese ist mit der einen Kondensatorplatte der Kapazität 17 elektrisch verbunden und weist einen Strom-Spannungs-Wandler 19 auf, der mit seinem negativen Ein- gang (in) mit der Kapazität 17 verbunden ist. Der positive

Eingang ist mit einer Gleichspannungsquelle 20 verbunden. Der Strom-Spannungs-Wandler 19 gibt am Ausgang (out) eine Spannung aus, welche proportional zum Verschiebungsstrom I (t) ist. Diese Spannung M(t) kann mit einem Analog-Digital- Wandler 21 gemessen und an eine Steuereinheit 12 ausgegeben werden. Die Rückkoppelleitung führt über den Rückkoppelwiderstand R auf den Eingang (in) des Strom-Spannungs-Wandlers.

Mit Hilfe der im Bereich IV angeordneten Steuerung 12 wird das Messverfahren kontrolliert. Eine Signalleitung 23 stellt eine Verbindung zur Spannungsquelle 13 dar. Hier besteht die Option, dass die Steuerung über die Signalleitung 23 den Verlauf der durch die Spannungsquelle 13 erzeugten Anregungs ^¬ spannung empfängt, ohne diesen selbst zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass über die Signalleitung 23 die Spannungsquelle 13 angesteuert wird, so dass der zeit ^¬ liche Spannungsverlauf U(t) mittels der Steuerung bestimmt werden kann. In jedem Falle muss der zeitliche Verlauf der Antriebsspannung U(t) berücksichtigt werden, um ein Enable- Signal E(t) zu generieren. Dieses wird über eine Signallei ^¬ tung 24 in einen Steuereingang (Enable) des Strom-Spannungs- Wandlers eingespeist und hierüber ein Austastintervall er ^¬ zeugt (hierzu im Folgenden mehr) . Der Strom-Spannungs-Wandler ist immer dann ausgetastet, wenn das Enable-Signal E(t) ihn deaktiviert .

In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der Anregungsspannung U(t), des Enable-Signals E(t) und des Messsignals M(t) über der Zeit dargestellt. In den Bereichen, wo der Verschiebungs ^¬ strom I (t) von dem Messsignal M(t) abweicht, ist der Verlauf des Verschiebungsstroms strichpunktiert dargestellt.

Weiterhin in Figur 2 zu erkennen ist die zeitliche Einteilung des Messverfahrens in aufeinanderfolgende Zeitintervalle, wo ^¬ bei in der angegebenen Reihenfolge jeweils ein Austastintervall a, ein Reaktionsintervall r und ein Messintervall m vor ^¬ gesehen sind. Zu erkennen ist, dass der Verschiebungsstrom I (t) im Beispiel gemäß Figur 2 einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Dies ist zu erkennen, indem man sich die entsprechenden Teile der Kurve des Messsignals M(t) des Verschiebungsstroms I (t) durch die in Figur 2 dargestellte strichpunktierte Linie ergänzt vorstellt. Allerdings sieht der tatsächliche zeitliche Ver ^¬ lauf des Verschiebungsstroms I (t) anders aus, da innerhalb der Austastintervalle a die Schaltflanken 26 der Anregungs ^¬ spannung U(t) liegen, die aufgrund des Vorliegens der Störka ^¬ pazität 18 (vgl. Figur 1) zu einer stark überhöhten Sprung- antwort 26i des Verschiebungsstroms I (t) führen. Diese ist in Figur 2 angedeutet.

Allerdings ist im Bereich des Austastintervalls a das Mess- signal M(t) gleich Null, was dadurch erreicht wird, dass das Enable-Signal E(t) für die Zeit des Austastintervalls auf Null gesetzt wird. Hierdurch wird erreicht, dass es im Strom- Spannungs-Wandler nicht zu einem Übersprechen kommt, wobei dieser am Ende des Austastintervalls a wieder eingeschaltet wird, wenn die Impulsantwort des Verschiebungsstroms I (t) be ^¬ reits weitgehend wieder abgeklungen ist.

Allerdings sind durch die Impulsantwort I (t) Ladungen auf den Kondensatorplatten der zu messenden Kapazität 17 verblieben, welche beim Wiedereinschalten des Strom-Spannungs-Wandlers 19 zunächst abfließen müssen. Außerdem benötigt der Strom- Spannungs-Wandler 19 nach Aktivierung des Enable-Signals eine gewisse Reaktionszeit. Diese liegt im Reaktionsintervall r, welches in der Steuerung 12 berücksichtigt wird, damit in diesem Zeitintervall keine Messpunkte A gelegt werden können. Erst anschließend beginnt das Messintervall m, in dem das Messsignal M(t) zur Erzeugung von Messwerten abgetastet werden kann (vgl. Punkte A in Figur 2) . Das Messintervall m endet mit dem Beginn des nächsten Austastintervalls a, dessen zeitliche Lage dadurch bestimmt ist, dass rechtzeitig vor Er ^¬ reichen der nächsten Schaltflanke 26 der Antriebsspannung U(t) der Strom-Spannungs-Wandler 19 deaktiviert werden muss.

Die Messanordnung 11 gemäß Figur 3 ist in den Bereichen III und IV analog zu der Messanordnung gemäß Figur 1 aufgebaut. Diese Bereiche werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der Aktor im Bereich I folgt jedoch dem Prinzip des eingangs bereits erwähnten Massendurchflusssensors , wobei der Aufbau nur schematisch dargestellt ist. Das schwingungsfähige System besteht nicht wie gemäß Figur 1 aus einer Blende 15, sondern aus einem Rohr 27, welches in nicht näher dargestell ^¬ ter Weise durch ein Fluid durchströmbar ist. Dieses Rohr 27 kann in Schwingungen versetzt werden, wobei schematisch die elastische Aufhängung 16 dargestellt ist, die auch mit einer gewissen Dämpfung 28 ausgestattet ist.

Mechanisch gekoppelt mit dem Rohr 27 ist die Antriebskapazität 14 und die zu messende Kapazität 17. Hierbei handelt es sich wie in Figur 1 um veränderliche Kapazitäten, wobei eine Veränderung bei Schwingen des Rohres 27 dadurch erreicht wird, dass der zwischen den Kondensatorplatten der Kapazitäten 14, 17 gebildete Spalt in seiner Breite variiert wird. Die zu messende Kapazität 17 bildet den Bereich II der Mess ^¬ anordnung 11. Der Einfluss der Antriebskapazität 14 auf die zu messende Kapazität 17 ist wieder ersatzweise durch die Störkapazität 18 dargestellt. In Figur 4 ist ein alternativer Aufbau der Messeinrichtung

III dargestellt. Diese könnte in die Messanordnungen 11 gemäß Figur 1 und 3 eingebaut werden. Die zu messende Kapazität 17 ist in Figur 4 vereinfacht dargestellt, um die Schnittstelle zum Bereich II zu definieren. Die Steuerung 12 im Bereich IV ist analog zu den Messanordnungen 11 gemäß Figur 1 und 3 ausgeführt. Im Bereich III ergibt sich ein Unterschied zu den bisher beschriebenen Messeinrichtungen in der Rückkoppelleitung 22. Statt eines Widerstandes R ist hier die oben be ^¬ schriebene Konfiguration von drei Widerständen Rl, R2 und R3 realisiert. Rl und R2 liegen in der Rückkoppelleitung 22, wobei Rl näher an dem Eingang (in) liegt. Rl weist einen Widerstandswert von 1 ΜΩ auf, während R2 einen Widerstand von 100 kü aufweist. Zwischen Rl und R2 befindet sich eine Kontakt ^¬ stelle in der Rückkoppelleitung 22, an der eine Zweigleitung 29 kontaktiert ist, die zum Widerstand R3 führt. Der Wider ^¬ stand R3 liegt auf Massepotential und weist einen Wider ^¬ standswert von 1 kü auf. Die T-Konfiguration der Widerstände bewirkt, dass die Messan ^¬ ordnung im Bereich III im Reaktionsintervall r nach Setzen des Enable-Signals schneller eingeschwingt. Während des Reak ^¬ tionsintervalls r muss nämlich eine Ladung von der zu messenden Kapazität 17 abgebaut werden, die dort aufgrund der Im- pulsantwort nach dem Durchlaufen der Schaltflanken 26 noch vorhanden ist. Die Zeitkonstante τ, die ein Maß dafür ist, wie schnell das System bestehend aus einem Widerstand und ei ^¬ nem Kondensator einschwingt, ergibt sich aus τ = R · C

Da in der Rückkoppelleitung 22 zu Messzwecken ein verhältnismäßig großer Widerstand vorgesehen werden muss, wird dieses zu verhältnismäßig langen Zeitkonstanten τ führen. Die Zeit- konstante τ muss aber eindeutig kleiner sein als das gefor ^¬ derte Abtastintervall zwischen zwei erforderlichen Messpunkten A (vgl. Figur 2) . Dies wird durch die beschriebene T- Konfiguration der Widerständen Rl, R2, R3 gewährleistet. Da der Widerstand R3 auf Massepotential liegt, kann die an der Kapazität 17 anliegende Ladung über die Widerstände Rl und R3 schneller abgebaut werden. Hierbei verringert sich die Zeit ^¬ konstante τ um den Faktor R1/R2, wobei Rl und R3 hinsichtlich ihres Widerstandswertes wegen der Anforderungen an die Trans ^¬ impedanz des Strom-Spannungs-Wandlers vorgegeben sind.