CN87216002U

CN87216002U - 电容式连续数字显示物位仪

Info

Publication number: CN87216002U
Application number: CN 87216002
Authority: CN
Inventors: 宋甲伟; 王舒野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1988-09-14

Abstract

电容式连续数字显示物位仪，属于物位自动检测与控制装置。用脉冲宽度法及CMOS集成芯片实现的电容传感器测量部分，自含偏置校准电路，能在标定时去除内部串联电阻和引线分布电容及电极电容初始值等因素影响，可以检测0.1PF的电容差值。即能直接连续显示起点任选任意范围物位相对高度值，又能对高低物位实现上下限告警或自动控制。

Description

本实用新型属于物位自动检测与控制装置。

现有各种电容式物位仪表，其前置测量部分一般由测量电桥、功放电路和振荡源等几部分组成（参见：《自动检测技术》，机械工业出版社，1982）。在电容传感器各种桥式测量电路中，其原理都是将电容变化转换成电流或电压等模拟量输出，不易直接实现物位相对高度值的数字显示。也有数字显示电容值的电容计电路（参见：《Four－Chip meter measures Capacitance to With 1％》，Electronics，Vol，54 No，4，PP，135，February 24，1981），但这类廉价电容计，只能检测10PF以上的电容差值，由于串联电阻影响，测量微小的电容比较困难。特别是通常的电容计不能去除测量电容传感器时，引线分布电容及电极电容固定初始值等常量的影响因而不能直接用于物位测量及高度显示，更不具备物位高度的自动控制功能。

本实用新型的目的是：用脉冲宽度法及CMOS集成电路芯片实现电容式连续数字显示物位仪电路，即能直接连续显示起点任选的物位相对高度值，又能对人为规定的高低物位实现上下限告警或进、出料过程的自动控制。

本实用新型的内容如下：

在图1所示原理方框图中，作为检测元件的电容传感器〔1〕的输出总电容C_S与物位高度H₁之间的关系可写成下列形式：

C_S＝C₀＋KH₁

其中C₀和K是分别与电极参数、容器参数、被测介质参数有关的常数。C_S接入与被测电容量成正比能自激振荡脉冲宽度式预处理电路〔2〕，因为〔2〕的输出脉冲宽度T₂除与随物位高度变化而变化的测量电极电容量Ctx有关外，还受C₀和〔2〕电路内部串联电阻的影响。因此需要偏置校准电路〔3〕在〔2〕电路输出脉冲的上升沿时，产生一和C₀及〔2〕电路内部串联电阻对输出脉宽影响等效的反向负脉冲T₀，〔2〕、〔3〕两电路的输出经与门〔4〕运算后，〔4〕的输出脉宽T₂′＝T₂－T₀只与Ctx成正比。而Ctx＝C_S－C₀＝KH₁，又与物位高度成正比。〔4〕输出脉冲的上升沿启动可控时基脉冲发生器〔6〕，并使BCD数字计数器〔7〕复位，然后〔7〕对从〔6〕来的脉冲数计数，直到〔4〕输出的脉宽T₂′结束，再通过译码电路〔8〕和显示电路〔9〕实时显示计数结果。因为当〔6〕本身振荡频率一定时，所输出的脉冲数目与〔4〕的输出脉宽T₂′成正比，因此，适当调整〔6〕的频率，就可以校准显示数字，做到使读数值与物位相对高度值相一致，且起点可以任意选定。高低物位自动控制电路〔5〕由频率检测器及继电器等执行机构组成。其输入连接〔2〕的输出或〔4〕的输出均可，其输出可发出告警或开关控制信号。

为了易于理解本实用新型，下面仅以产品系列设计之中的一个实施例，结合附图2的电路原理图，对图1中的〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕部分进一步分别予以说明：

图1中的〔2〕由图2中的G₁、G₂组成，图1中的〔3〕由图2中的G₃组成，图1中〔5〕部分内部的频率检测器由图2中的G₄和D触发器组成。

两图中其余相对应的部分标注的编号相同。

G₁－G₄选用CD4098BE双可再触发单稳多谐振荡器，〔4〕选用CD4081BE2输入4回路与门；D触发器选用CD4013BE；〔6〕选用555时钟发生器；〔7〕选用HD14553BP三位BCD计数器；〔8〕选用CD4511BE七段译码器／驱动器，〔9〕选用TKS－511RT共阴极LED数码显示器。

G₁和G₂组成一自激多谐振荡器，其输出特点是图3所示波形图中的T₁和T₂能够独立改变，T₁和T₂的大小和单稳态电路一样，可以通过CD4098BE的特性曲线图4、图5求取。特性曲线中的横坐标表示动作时间T（Sec），纵坐标表示定时电阻Rt（Ω）。从图4可以看出当V_DD＝5V时，取Rt2＝10MΩ，Ctx变化所引起的T₂脉冲宽度的变化量，其灵敏度约为6μs／PF，从图5可以看出，当V_DD为10－15V时，取Rt2＝10MΩ其灵敏度为16μs／PF，两图中受Rt2影响的脉宽均小于500μs，仅相当于几十PF电容的影响。

单稳态G₃和与门〔4〕是作为偏置校准电路使用的，其作用是为了在标定时去除串联Rt2和引线分布电容及电极电容固定初始值等常量的影响。图3所示波形图可进一步说明G₁、G₂、G₃几个单稳电路的输出波形和与门〔4〕输出波形F及〔6〕输出脉冲串fcp间的关系，其中F₁由F₂的上升沿触发，F₂、 F₃ 均由F₁下降沿触发。所有波形的频率都是相同的，区别仅在于脉冲宽度的差异。T₀表示要去除的受串联电阻Rt2及常量电容Co所影响的脉宽，T₂′表示与Ctx成正比允许检测计数的脉冲宽度。T₂′＝T₂－T₀。

由G₄和D触发器组成的频率检测器与外接继电器及执行机构一起构成高低物位自动控制电路。因为G₁、G₂组成的自激多谐振荡器，T₁为常数，只有T₂随Ctx变化成正比例变化。当物位下降，Ctx减小，达到人为事先规定的最低物位时，该振荡器输出频率达到上限值f₂，D触发器输出高电平启动继电器及执行机构自动进料；当物位上升，Ctx增大，达到人为事先规定的最高物位时，该振荡器输出频率达到下限值f₁，D触发器输出恢复低电平停止进料。

再触发单稳多谐振荡器G₄的动作与触发输入 F₁信号的频率的关系如图6所示。而高低物位即图7D触发器输出滞后曲线回差的给定，可通过调节R₁和R₂实现。至于G₄的输出脉冲宽度T_m是由R₁控制还是由R₂控制，则取决于D触发器的状态。当 F₁输出一个任意频率fin的信号同时到达G₄的B输入端和D触发器的CP端时，可以认为R₂是控制元件，当 F₁触发输入正跳变后，G₄动作，F₄输出高电平，下一个正向跳变将再次触发G₄而时钟脉冲将把重触发前所产生的前一个输出状态送入D触发器。如果第二次跳变发生在单稳态电路G₄尚未恢复到低电平之前，则逻辑1将由时钟送入D触发器并改变触发器的状态。一旦D触发器从0变到1后，单稳态G₄的脉冲宽度将受定时元件R₁控制。图6、图7能清楚表明频率上下限f₂、f₁是如何受R₂、R₁控制的。因为f₂对应于由R₂·C₁所决定的相应的脉冲宽度Tm1，只要保证R₁＞R₂，就可做到：当fin超过f₂时D触发器将变高，而fin下降到低于f₁前，D触发器不会回到其初始状态。

本实用新型可以检测和控制任意高度范围的物位，适应检测电极的Ctx电容变化范围从极微小数值到数百μF。如电源电压取10－15V，脉冲宽度变化灵敏度为16μs／PF，而时间分辩率由时基脉冲发生器信号周期决定，只要调整其接近1.6μs（时钟频率接近0.6MHz），即可以检测出0.1PF的电容差值。偏置校准电路采用固定电容换档加微调电容办法，可以去除极宽范围内Co的影响。因预处理电路〔2〕输出的脉冲宽度信号可做为高、低电平的数字信号经长线驱动传输，使得该物位仪即可固定安放在被测对象处，随时观察物位高度及其变化情况，又适用远距离控制室统一控制。且现场安装、调试、校准极为方便，并具有结构简单、价格低廉，使用范围广、通用性强等显著特点。

由于近年来，电容传感器应用领域不断扩大，除物位测量外，还广泛应用于精密测量位移、振动、角度、加速度等机械量方面以及压力、成分含量等方面的测量。该电容变化测量电路也适用于实现上述各种检测目的的电容传感器。如果可控时基脉冲发生器〔6〕能选用稳定的高频时基振荡器，并选用计算频率高的BCD计数器和增加显示位数，则测量电路的精度和稳定性还可以进一步提高，并可以将该测量电路制作成通用电容测试仪表，且具有广泛的推广应用价值。

Claims

1、一种电容式数字连续显示物位的检测与控制仪表装置，其特征在于用脉冲宽度法及CMOS集成芯片实现的电容传感器测量电路，内含与被测电容量成正比能自激振荡的脉冲宽度式预处理电路[2]及偏置校准电路[3]和[4]。高低物位自动控制电路[5]则主要由能检测[2]或[4]输出脉冲宽度，且具有滞后特性的频率检测器构成。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于〔2〕和〔3〕由G₁、G₂、G₃三个单稳态多谐振荡器组成，其中的G₂、G₃均由G₁的同一输出信号触发，而G₂的输出正脉冲和G₃的输出负脉冲经与门〔4〕相与后的输出脉冲宽度只与电容传感器被测电容变化量成正比，〔4〕的输出再连接可控时基脉冲发生器〔6〕和数字计数器〔7〕。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于：其中的电容变化测量电路亦可制作成通用电容测试仪表；其中的〔2〕和〔5〕部分亦可制作成各种物位控制器。