CN2082397U - 电容式转角传感器 - Google Patents
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Abstract
电容式转角传感器是一个能将0-290°以内的
转角的变化，转变为工业自动控制中所使用的电流信
号的装置。由能随输入转角线性变化容量的电容
C1、C2，比较器，D触发器，电压电流转换器，恒流恒
压源等电路组成，输入转角0-290°，可两线制供电
兼输出。输出电流两线制为4-20mA，三线制或四线
制为4-20mA，0-20mA，0-10mA，0-5mA等。具有
本质安全型防爆特点，体积小，成本低，全部线路安装
在一个Φ85×35mm的圆盒中。
Description
本实用新型是关于将一个290°以内的转角的变化转变为工业自动控制中所使用的标准电流信号的装置。
在工业自动控制中，诸如压力，液位，温度和流量这些非电量大多数都通过了机械转换的方式，变成了指针的转角运动，在现场的仪表盘上直接读出指针的位置而确定其大小。如果要进行远传或控制调节，可以使用转角传感器将指针转角的大小变成电信号，这个电信号在工业自动控制中规定了标准。在我国DDZ－Ⅱ型电动单元组合仪表的标准电流信号为0－10mA，DDZ－Ⅲ型为4－20mA。转角传感器可以装在现场指示仪表中，与仪表的指针运动连接起来，要求它具有小型化，线性化，本质安全型防爆等特点，供电方式有两线制，三线制和四线制。
一种能实现上述目的的转角传感器是感应同步器式转角传感器。这种传感器存在着制造复杂，成本高，量程的转角范围小，防爆等级低，只能做成隔爆式等缺点，这就限制了它的使用范围，例如指针270°转角的压力表就不能使用。
本实用新型的目的是提供一种简单的，实用的，用市售的标准元器件就可以实现将大角度转角转变成标准电流信号的转角传感器。这种传感器可以两线制、三线制，四线制供电和输出，具有本质安全防爆的特点，克服了感应同步器式传感器存在的缺点，构造简单，容易制造，成本低，量程可达0－290°。
本实用新型是由可随转角线性变化的电容C1、C2，比较器，D触发器，放大滤波全加器，电压电流转换器和恒流恒压源等组成，全部装置安装在一个φ85×35mm的园盒中。
参看附图对实用新型作详细说明。
图1是本实用新型的电路图。
图2是本实用新型的C1、C2动片和定片安装位置图。
图3是本实用新型中电容C1、C2定片的示意图。
图4是本实用新型中电容C1、C2在零角度时扇形动片的位置。
图5是本实用新型中电容C1、C2在最大角度扇形动片的位置。
图6是本实用新型中电容C1、C2在小角度时A点、B点和C点的电压波形图，横轴为时间t轴，纵轴为电压V轴。
图7是本实用新型电容C1、C2在大角度时A点、B点和C点的电压波型图，横轴为时间t轴，纵轴为电压V轴。
图1中，假如上电后D触发器的1Q端为高电位，这时通过R8对C2充电，C2两端的电压VC2开始升高，当高过参考电压①时，比较器B2翻转，输出电位由低变高，1S端电位亦由低变高，从而使1 Q端输出高电位，1Q端电位同时由高变低，C2就通过D3开始放电。另一方面，1 Q端变为高电位的同时通过R7对C1进行充电，当C1两端的电压VC1高过参考电压①时，比较器B1翻转，输出由低电位变为高电位，1R端即变为高电位，由于C2很快的放电，使1S端早已变为低电位，所以这时1Q端又回到高电位，1 Q又变为低电位，C1放电，C2充电，又重复以上过程，周而复始，在A点就形成为一串方波。典型的实施例，R7＝R8＝1MΩ，供给比较器和D触发器电源电压的稳压管D1的稳压值5V，参考电压①等于1.7V，动片为R＝31mm60°角的扇形，方波的高度为4.95V，频率为150KC。C1容量大，A点方波的宽度就宽，C1容量小，A点方波的宽度就小，方波的宽度与C1的容量成正比。图4表示电容C1和C2的动片所处零角度的位置，这时动片沿顺时针方向转动为角度增大的方向，由图看出，这时C1容量最大，C2容量最小，因此A点的方波宽度最宽，这样的方波被送入BG3的一支作为放大滤波全加器的运算放大器的负相端，经C0和R3组成的滤波网络滤除各次谐波，参考电压②通过电阻R6在运算放大器的正相端形成参考电压VB，正好和负相端送入的方波的直流分量相加而抵消，运算放大器的输出为最小。图6表示了动片在小角度时VA、VB和VC的波形。
当大角度时，图5表示动片在最大角度290°时的位置，同图4顺时针方向为动片转角增大的方向，这时A点方波的宽度最小，经放大滤波全加器放大滤波后形成的直流分量也最小，但由于参考电压VB的数值是固定不变的，经运算放大器放大并与负相端形成的直流分量相减，两者之差就形成了放大滤波全加器输出最大电压，该电压送到由BG1、BG2和BG3的另一支运算放大器组成的电压电流转换电路形成恒流输出20mA信号。图7表示了动片在大角度时，VA、VB和VC的波形。当动片在0－290°之间变化时，A点方波的宽度在最大和最小之间变化，输出电流即在0－20mA或4－20mA之间变化。电位器W1为输出满度调节电位器，W2为输出零点调节电位器。典型的实施例W1＝150Ω电位器，W2＝56KΩ电位器。
本实用新型所用的电容C1和C2是由一个扇形动片和两个特殊形状的定片所组成，动片是用金属片制造，例如使用合金铝片，定片可用单面敷铜板经腐蚀而制成。图2表示了动片和定片的安装位置。扇形动片（3）固定在与外壳（10）用轴承（2）结合的转动轴（1）上，在动片的另一端装有与其平衡的配重块（7），扇形动片的上下为形状完全相同的两个定片（9），所以使用两个定片是为了增大电容C1、C2的极板面积，从而增大其容量。动片和定片间有一定的间隙，动片在定片间可随轴随意转动。动片通过游丝（6）和线路板（5）电路连接，定片由固定引线（4）和线路板电路连接，输出和电源端子（8）用导线和线路板连接。定片的形状是按照严格的数学模型而做出的。图3表示了这种定片的形状，图中螺旋线是C1、C2的分界线，它是由公式：
所确定，其中ρ为分界线上的点到图心的距离，θ为分界线上的点与园心的连线离开极轴的角度，a和θo是由初始条件r、R和旋转的最大转角所确定的常数。典型的实施例如图3中的初始条件：
θ＝0时 ρ＝r＝7.5mm
最大转角θ＝2π时， ρ＝R＝31mm
将以上条件代入公式列方程，即可求出a＝11.99981， θo＝0.3906374，公式就变成：
根据这个公式即可确定转角在0－2π之间各个不同角度时ρ的值，从而做出图3的定片。图3中θ增大的方向为逆时针。表1列出了符合上述初始条件，间隔15°角的ρ的值。
表1：
θ ρmm θ ρmm
弧度×@`-;π;12角度 弧度×@`-;π;12角度
0 0° 7.5000003 13 195° 23.373552
1 15° 9.6926736 14 210° 24.166523
2 30° 11.473702 15 225° 24.934289
3 45° 13.013215 16 240° 25.679110
4 60° 14.388943 17 255° 26.402928
5 75° 15.644155 18 270° 27.107426
6 90° 16.805877 19 285° 27.794072
7 105° 17.892329 20 300° 28.464159
8 120° 18.916483 21 315° 29.118830
9 135° 19.887968 22 330° 29.759103
10 150° 20.814158 23 345° 30.385887
11 165° 21.700855 24 360° 31.000001
12 180° 22.552716 这样形状的定片与扇形动片所组成的C1、C2两个电容，当动片按图4图5中顺时针方向在其上转动时，可以证明，角度增大，C1随角度的增大而线性减小，C2随角度的增大而线性增加，其增量和减量是相等的，这就保证了动片在转角变化的过程中，A点方波的导通时间即宽度随转角而线性变化，但周期不变。
本实用新型为了达到两线制传输的目的，即电流输入线兼信号输出线，整个线路除末级BG1和BG2外，均通过BG6、R1和D1组成的恒流恒压源供电。典型的实施例，比较器采用低功耗电压比较器FX193，其电源电流0.4mA，D触发器采用CC4013，电源电流小于0.2mA，BG3采用LM258，电源电流1mA，其余电路消耗电流小于0.5mA，总电流在2mA左右，恒流恒压源限制电流在3.5mA，在零位时调节W2，使电源总电流调到准确的4mA上，在角度变化时，只引起包括未级基极电流在内的各级电流的重新分配，而总的起始电流始终是4mA不发生变化。输入角度的变化只引起末级BG1、BG2集电极输出电流的改变。当末级输出电流随输入信号由0－16mA变化时，电源总电流就准确地在4－20mA范围内变化，电源供电电流即为输出电流信号，因此可以用两线制供电并输出信号。恒流源BG6的采用还使电源电压发生较大变动时，对输出电流不会产生影响。典型的实施例BG6采用场效应管6J7H，R1＝700Ω，D1采用LM336－5V标准稳压管，当电源电压由15V变到30V时，输出电流变化小于最大输出的0.2％。图1虚线表示了两线制输出时，外接负载RL和电源E的情况。
除两线制与负载和电源连接外，本实用新型也可以采用三线制或四线制与负载和电源连接。例如供电电源由Z1、Z3接入，负载由Z1、Z2接入，电源线正极和一根负载线合用Z1，即为三线制。把Z1分成两根线分别连接负载和电源正极即为四线制，两种情况下的电流输出可以调整到4－20mA，0－20mA，0－10mA，0－5mA等不同的标准信号。
为了使BG3输出零点能够向负方向调节，本实用新型在供电线路中设置了二极管D4，使线路地电位高于电源负极，这样运放BG3负电源引脚接电源负极，就得到了0.6V左右的负电位。
本实用新型从输出端和电源输入端看，自感和自容极小，文末所述典型的实施例中，自感小于1mH，自容小于1nF，工作时最大供电电流小于25mA。在事故情况下由于加了限流电阻R0和R1，典型的实施例R0＝300Ω，R1＝700Ω，当电源电压24V时，其短路电流不会超过120mA，因而整个线路具有本质安全型防爆特点。
本实用新型一个典型的实施例参数归纳如下：
R0＝300Ω ，R1＝700Ω， R2＝33Ω， R3＝1MΩ
R4＝200KΩ R5＝1MΩ R6＝200KΩ R7＝1MΩ
R8＝1MΩ R9＝5.1KΩ R10＝5.1KΩ R11＝5.1KΩ
R12＝5.1KΩ R13＝10KΩ R14＝5.1KΩ R15＝100KΩ
R16＝100KΩ W1＝100Ω W2＝56KΩ C0＝0.1μf
BG1：3DG6D BG2：3DA87A BG3：LM258 BG4：FX193
BG5：C073 BG6：3DJ7H D1：LM336－5V
D2：2CK22A D3：2CK22A D4：1N4002
C1、C2动片采用合金铝片R＝31mm，60°角的扇形，定片采用敷铜板腐蚀，r＝7.5mm，R＝31mm。
在这个实施例中，可达如下电气指标：
1、供电电源DC12V－36V，危险场所最大24V。
2、重复误差小于0.02％。
3、温度影响误差小于±0.5％／10℃
4、线性误差小于±1％。
5、角度变化范围0－290°
6、最大负载
RL＝ (VB)/(Imax) －450Ω
VB：供电电压
Imax：输出最大电流。
Claims (8)
1、一种电容式转角传感器，由随输入转角而线性变化的电容C1、C2，比较器，D触发器，滤波放大全加器，电压电流转换器，恒流恒压源等组成，其特征在于随输入转角而线性变化的电容C1、C2和比较器B1、B2与D触发器联合作用，使A点输出导通宽度随输入转角而线性变化的方波，送入放大兼滤波的全加器，变为随输入转角而线性变化的直流电压信号，再经电压电流转换器变为随转角而线性变化的标准电流信号。
2、根据权利要求1所述电容式转角传感器，其特征在于电容C1、C2由扇形动片夹在两个完全相同的定片中所组成。
3、根据权利要求1、2所述电容式转角传感器，其特征在于电容C1、C2两个定片中的每一个定片C1、C2极板的分界线是由公式：
所确定，其中a和θo是由做成的定片的初始条件γ，R和最大转角所确定。
4、根据权利要求1所述的电容式转角传感器，其特征在于在两个比较器的负相端接参考电压，正相端分别接电容C1、C2，依靠C1、C2的轮流充放电，使两个比较器轮流输出高低电位，从而使D触发器的输出端Q和 Q周期性地呈现高电位和低电位，从而在A点得到一系列与C1的容量成正比例的方波。
5、根据权利要求1所述电容式转角传感器，其特征在于A点的电压信号由BG3的一支运算放大器的负相端输入，参考电压由正相端输入，并在运放的输出端与负相端间接电容C0，从而将信号放大、滤波，与参考电压进行加减用一支运算放大器完成，参考电压通过电位器W2供给，W2兼输出零点调节电位器。
6、根据权利要求1所述电容式转角传感器，其特征在于用场效应管BG6，电阻R1和标准稳压管D1组成恒流恒压源供给除末级BG1、BG2以外的所有电路电流，使二根电源线中的起始电流为准确的4mA，电源线中超过4mA的电流的变化完全跟随输入转角的变化而变化，因而可采用两线制供电和输出信号。
7、根据权利要求1所述电容式转角传感器，其特征在于在电源供电回路的负极上串接一个二极管D4，使线路地电位高于电源负极电位，从而由单电源供电而取得了负电位，供运算放大器BG3负电源端使用。
8、根据权利要求1所述电容式转角传感器，其特征在于全部电路从输出端和电源输入端看，其自感和自容极小，自感小于1mH，自容小于1nF，又设置了限流电阻R0和R1，R0＝300Ω，R1＝700Ω，当用24V直流供电时，达到了本质安全防爆的要求。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103105154A (zh) * | 2011-11-11 | 2013-05-15 | 阿自倍尔株式会社 | 角度传感器 |
| EP2189869A3 (en) * | 2008-11-25 | 2014-06-04 | Omron Corporation | Current load driving device |
| CN107764178A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-03-06 | 武汉航空仪表有限责任公司 | 一种线绕电位计线性度调试方法 |
-
1990
- 1990-04-06 CN CN 90203738 patent/CN2082397U/zh not_active Withdrawn
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