CN1687730A

CN1687730A - 电容检测电路及电容式压力变送器

Info

Publication number: CN1687730A
Application number: CN 200510077134
Authority: CN
Inventors: 丁云; 吴忠; 陈健
Original assignee: Zhejiang Supcon Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Supcon Technology Co Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: CN1325890C

Abstract

本发明提供了一种电容检测电路，它包括电容式压力传感器、多路开关和电容频率转换电路。其中，电容式压力传感器：用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；多路开关：用于对两侧电容进行切换；电容频率转换电路：其为一自激振荡电路，用于对多路开关输出的被测电容信号转换成频率信号。本发明采用多路开关，用同一个方波自激振荡器进行分时采样，充分利用了电容的充放电特性，将电容的变化体现在电路振荡频率的变化上，无需另外设计振荡电路，无需交流电源，只需直流电源，从而简化了测量电路，也避免了交流干扰的引入。本发明还保护一种采用上述电容检测电路的电容式压力变送器。

Description

电容检测电路及电容式压力变送器

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种应用于工业过程控制的电容式压力变送器，特别是有关于压力变送器前端测量电路的改进。

背景技术

电容式压力变送器在工业过程控制中有着广泛的应用。对于电容式压力变送器，其前端电路即为电容检测电路。电容检测的基本电路有两类：其一是把电容作为一个阻抗元件，按照电阻-电压转换的方式进行变换，但其中电源必须采用交流电源；其二是充分利用电容的充放电特性进行变换。

目前，在电容式压力变送器中大多采用电容-电压转换的方法来设置电容检测电路，因此需要设计振荡电路以提供交流电源。然而，该频率一般为几千赫兹，并且，频率过高会使寄生电容的影响过大，过低则不利于比较各容抗间的差别。因此，采用电容-电压转换原理设计的电容检测电路具有电路复杂、庞大的特点，对电容式压力变送器的小型化十分不利，同时也给电路的温漂补偿、非线性补偿带来了很大的不便。

在公告号为CN 1188678C的中国专利中公开了一种直接数字化的压力变送器及其测量方法，它采用电容式压力传感器和CB555多谐振荡器完成：将外界压力变化信号转换为电容变化值，并将电容变化值转换为振荡频率信号，以便后续的单片机进行计算和转换。本专利利用了电容充放电特性进行电容测量。但是，由于本专利采用两个CB555多谐振荡器分别对两边电容进行采样，因此造成结构上复杂的后果，从而提高成本。另外，两个CB555多谐振荡器存在个体差异，由此影响了测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容检测电路及电容式压力变送器，以解决现有技术中由于现有的电容式压力变送器中采用两个CB555多谐振荡器来进行前端电容测量，由此造成成本高且测量精度受影响的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种电容检测电路，包括电容式压力传感器、多路开关和电容频率转换电路，其中：

电容式压力传感器，用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；

多路开关：其输入端连接电容式压力传感器，其输出端连接电容频率转换电路，用于对电容式压力传感器的两侧电容进行切换；

电容频率转换电路：其为一自激振荡电路，用于对多路开关输出的被测电容信号转换成频率信号。

所述被测电容与滞回比较器相连，以构成自激振荡电路，所述振荡频率的大小体现被测电容的大小。本发明还可以通过运放构建自激振荡电路，所述被测电容的变化转换成频率变化输出。

本发明还提供了一种电容式压力变送器，包括电容检测电路、单片机、存储器、输入设备和显示单元，其中：

电容检测电路包括：电容式压力传感器：用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；多路开关：其输入端连接电容式压力传感器，其输出端连接电容频率转换电路，用于对电容式压力传感器的两侧电容进行切换；电容频率转换电路：其为一自激振荡电路，用于对多路开关输出的被测电容信号转换成频率信号；

单片机：用于多路开关的控制以及接收电容频率转换电路送出的频率信号，并对其进行计算和转换；

存储器：用于存储单片机产生的计算结果数据；

输入设备：用于调整量程和输入测量参数；

显示单元：用于输出测量结果及所述参数设置的显示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用多路开关，用同一个方波自激振荡器进行分时采样，充分利用了电容的充放电特性，将电容的变化体现在电路振荡频率的变化上，无需另外设计振荡电路，无需交流电源，只需直流电源，从而简化了测量电路，也避免了交流干扰的引入。另外，本发明还可以提高比较器部分运放的速度和减小积分环节中电阻的大小都可以进一步提高测量电路的测量精度。该电路的原理也决定了比较容易实现非线性及温漂等的补偿。

附图说明

图1是本发明的电容检测电路的结构示意图；

图2是本发明电容频率转换电路的一个实施例结构示意图；

图3是本发明图2电容频率转换电路的一个应用例结构示意图；

图4是本发明电容式压力变送器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

本发明的核心在于：压力变送器的前端检测电路通过多路开关切换，再利用自激振荡器对两侧电容的分时采样，得到频率值，由此保证两侧的转换使用相同的振荡电路，进而简化了电路，从而避免了因采用两个CB555组成的压力测量多谐振荡电路的个体差异而影响测量精度的问题。

请参见图1，为本发明电容检测电路的原理框图，包括电容式压力传感器11、多路开关12、及电容频率转换电路13三个部分。其中，电容式压力传感器11包括高压侧测压电容C1和低压侧测压电容C2。利用多路开关12进行切换及以及利用电容频率转换电路13实现分时采样，并将采样值C经过转换成频率信号。其中：

电容式压力传感器11，用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；

多路开关12：其输入端连接电容式压力传感器11，其输出端连接电容频率转换电路13，用于对电容式压力传感器的两侧电容进行切换。其多路开关12的切换可以由单片机控制，也可以由特定的定时装置来控制。

电容频率转换电路13：其为一自激振荡电路，用于对多路开关输出的被侧电容信号转换成频率信号。电容频率转换电路13可以通过被测电容与滞回比较器相连来构成自激振荡电路，所述振荡频率的大小体现被测电容的大小。本发明正是由于电容的大小决定了充放电时间的大小，进而决定了比较器输出波形的频率大小，由此电容检测电路输出波形的频率体现了被测电容的大小，后续电路只需对该频率值进行采样即可获得其频率值。本发明还可以通过运放来构建自激振荡电路，所述被测电容的变化转换成频率变化输出。

图2是图1中的第三个部分即电容频率转换电路13部分的采用运放来构建自激振荡电路的一个实施例的详细阐述。

如图2所示，它包括运放1，被测电容2，积分电阻R，分压电阻R1，电阻R2，反馈电阻R3。运放1输出电压经RC电路(变化电容2、电阻R)积分后送入运放1的反相输入端；运放1输出电压经反馈电阻R3进入同相端，同时VCC经R1也加到同相输入端。

运放1的输出Vout高电平为VCC，低电平为0。则运放1翻转时的输入端比较电压为

u_{1} = \frac{R 2}{R 2 + R 1 / / R 3} VCC,

u_{2} = \frac{R 3 / / R 2}{R 3 / / R 2 + R 1} VCC .

由电容的充放电规律

u_c(t)＝u_c(∞)+[u_c(O)-u_c(∞)]e^-t/τ

可知

\frac{R 2}{R 2 + R 1 / / R 3} VCC = VCC + (\frac{R 3 / / R 2}{R 3 / / R 2 + R 1} VCC - VCC) e^{- T / 2 RC}

由此得到

T = 2 RC \ln (\frac{R 3 + R 2}{R 3})

输出的振荡频率f为1/T。在R2、R3、R一定时，频率由电容C决定。图3为图2的电容频率转换电路的一个应用例结构示意图。假设取R1＝R2＝R3。则比较电压为

u_{1} = \frac{2}{3} VCC, u_{2} = \frac{1}{3} VCC

当输出电压为VCC时，

V_{+} = \frac{2}{3} VCC,

V_-从至

充电，充电时间τ＝RC；当V_-超过时，输出电压翻转至GND，

V_{+} = \frac{1}{3} VCC,

V_-

至

放电。

由此可知，T＝2RC·ln2

所以

f = \frac{1}{2 RC \ln 2} .

由上可知该测量电路的测量精度由运放的速度和积分电阻大小决定。根据对某种膜盒的测量，其电容变化范围为150pf-400pf，当R＝100k时，假设充电时间与放电时间相等时，经过计算频率输出范围为3.6×10E7～9.6×10E7。如果后面的测量精度可达到1Hz的精度，则可分辨至4.17E-6pf。

另外，根据上式可得，该转换频率值仅与R和C有关系，其中R选用100K，是很常见的精密电阻，实现起来成本较低。而C值只与膜盒有关。另外，该温漂值与也仅与R和C有关，R的温漂可以通过选用低温漂的精密电阻实现，而膜盒的温漂还可以通过软件补偿实现。

上述公开的电容检测电路可应用于很多电容式压力变送器。以下就以一个电容式压力变送器为例，来说明采用上述电容检测电路的电容式压力变送器。请参阅图4，其为本发明的一种电容式压力变送器的结构示意图。它包括电容检测电路20、单片机21、存储器22、输入设备23和显示单元24，其中：

电容检测电路20采用图1公开的电容检测电路，可以将被测电容与滞回比较器相连，以构成自激振荡电路，所述振荡频率的大小体现被测电容的大小。另外，也可以通过运放构建自激振荡电路，所述被测电容的变化转换成频率变化输出，比如采用如图2或图3所公开的电容频率转换电路。

单片机21：用于接收电容频率转换电路21送出的频率信号，并对其进行计算和转换。单片机可以采用89C51，对电容频率转换电路21送出的不同频率方波利用89C51中的T0计数器进行计数，再利用89C51中T1作为定时器，进行计算和转换。本发明的单片机21的型号并非局限于89C51，可以采用现有技术中的多种单片机，89C51仅为本发明电容式压力变送器的举例说明。

存储器22：用于存储单片机21产生的计算结果数据。

输入设备23：用于调整量程和输入测量参数。为了进一步提高测量精度，本发明还可以使用外部输入设备(如键盘)来进行量程迁移，完成量程的设置与操作。

显示单元24：用于输出测量结果及所述参数设置的显示。显示单元24一方面可用来显示量程范围、被测压力参数，另一方面，当系统工作在量程设置工作状态时，可用来显示压力变送器的工作状态和量程。

单片机的运行可以采用以下流程。

首先初始化系统，循环等待用户通过键盘输入信息；随后根据接收到的信息判断当前操作是测量还是参数设定，如果是测量，则通过控制多路开关轮流对电容式压力传感器的两侧电容的电容值进行脉冲频率测量，计算电容式压力传感器的两侧电容对应的频率后，进行插值计算，求得被测压力值。其插值计算的过程是：当被测电容的脉冲上升沿来临时，T0开始计数，同时T1定时开始。当T1时间到来时，T0停止计数，然后读取计数器记录的时钟脉冲，求得t时间内所记录的脉冲个数N，得到被测电容对应的频率，通过控制多路开关轮流切换将得到电容式压力传器的两侧电容对应的频率，再根据标度变换公式求出压力值，该压力值可以通过显示单元显示出来。如果当前用户通过键盘输入确定为参数设定操作，则先读入给定的压力值，然后进行脉冲频率的测量，最后计算相应压力参数值，以便将其保存于存储单元中。

以上公开的仅为本发明压力变送器的一个实施例。事实上，压力变送器可以根据电容检测电路输出的频率信号，计算出对应电容值，然后将计算出的C1电容值和C2电容值之间的差值，计算出差动电容的相对变化值，最后根据差动电容的相对变化值与被测差压成线性关系统的特点，来得到压力变送器的输出值。

以上公开的仅为本发明几个具体实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims

1、一种电容检测电路，其特征在于，包括电容式压力传感器、多路开关和电容频率转换电路，其中：

电容式压力传感器：用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；

多路开关：其输入端连接电容式压力传感器，其输出端连接电容频率转换电路，用于对两侧电容进行切换；

2、如权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，所述被测电容与滞回比较器相连，以构成自激振荡电路，所述振荡频率的大小体现被测电容的大小。

3、如权利要求1所述的电容检测电路，其特征在于，通过运放构建自激振荡电路，所述被测电容的变化转换成频率变化输出。

4、如权利要求3所述的电容检测电路，其特征在于，所述电容频率转换电路包括运放、积分电阻R、分压电阻R1、电阻R2、电阻R3，运放的输出电压经RC电路积分后送入运放的反相输入端，其反相输入端还连接被测电容，运放输出电压经反馈电阻R3进入同相端，电源VCC作为参考电压经R1也加到运放同相输入端。

5、如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述运放输入的周期

T = 2 RC \ln (\frac{R 3 + R 2}{R 3}),

振荡频率f为1/T。在R2、R3、R的阻值确定时，频率由电容C决定。

6、如权利要求4所述的电容检测电路，其特征在于，所述电阻为精密电阻。

7、一种电容式压力变送器，包括电容检测电路、单片机、存储器、输入设备和显示单元，其中：

电容检测电路包括：

电容频率转换电路：其为一自激振荡电路，用于对多路开关输出的被测电容信号转换成频率信号；

单片机：用于对多路开关的控制以及接收电容频率转换电路送出的频率信号，并对其进行计算和转换；

存储器：用于存储单片机产生的计算结果数据；

输入设备：用于调整量程和输入测量参数；

显示单元：用于输出测量结果及所述参数设置的显示。

8、如权利要求7所述的电容式压力变送器，其特征在于，所述被测电容与滞回比较器相连，以构成自激振荡电路，所述振荡频率的大小体现被测电容的大小。

9、如权利要求7所述的电容式压力变送器，其特征在于，通过运放构建自激振荡电路，所述被测电容的变化转换成频率变化输出。

10、如权利要求9所述的电容式压力变送器，其特征在于，所述电容频率转换电路包括运放、积分电阻R、分压电阻R1、电阻R2、电阻R3，运放的输出电压经RC电路积分后送入运放的反相输入端，其反相输入端还连接被测电容，运放输出电压经反馈电阻R3进入同相端，电源VCC作为参考电压经R1也加到运放同相输入端。