CS260494B1

CS260494B1 - Capacity detector connection

Info

Publication number: CS260494B1
Application number: CS863680A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Haupt; Frantisek Kucera
Original assignee: Zdenek Haupt; Frantisek Kucera
Priority date: 1986-05-21
Filing date: 1986-05-21
Publication date: 1988-12-15
Also published as: CS368086A1

Description

Vynález se týká zapojertí kapacitního detektoru, určeného zejména pro snímání hladiny kapalin elektricky vodivých i nevodivých, využívajícího komparační metody pevné a proměnné kapacity.The invention relates to capacitive detector interfaces, in particular for sensing the level of liquids, both electrically conductive and non-conductive, using comparative methods of fixed and variable capacitance.

Jsou známy kapacitní detektorové systémy s rezonančním Obvodem'. Tato zařízení jsou složitá, citlivá na změny vnějších činitelů, jako kolísání napájecího napětí, poruchy v síti, například motorových vozidel, změny teploty apod. Jsou známy 1 kapacitní detektorové systémy pracující na principu srovnávání rychlostí nabíjení proměnného a srovnávacího· kondenzátoru. Nabíjecí a vybíjecí obvody jsou. obvykle vytvářeny nejméně třemi tranzistory s příslušnými pasivními prvky. Kondenzátor s nižší kapacitou sě nabíjí rychleji a jeho velikostí spolu s velikostí nabíjecího odporu je určen opakovači kmitočet. Okamžitá velikost napětí’ na obou kondenzátorech je porovnána komparátorem a výstupní signál je dále zesilován vícetranzistorovými zesilovači. Taková zařízení jsou přesná a nejsou citlivá na poruchu z okolí. Nejsou vhodná pro integrace.Capacitive detector systems with resonant circuits are known. These devices are complex, sensitive to changes in external factors, such as supply voltage fluctuations, network disturbances such as motor vehicles, temperature changes, etc. There are 1 capacitive detector systems based on comparing the charging rates of a variable capacitor and a comparator capacitor. The charge and discharge circuits are. usually formed by at least three transistors with respective passive elements. The capacitor with lower capacitance charges faster and its repetition rate is determined by its size together with the charge resistance. The instantaneous voltage magnitude of both capacitors is compared by a comparator and the output signal is further amplified by multi-transistor amplifiers. Such devices are accurate and not sensitive to environmental disturbances. They are not suitable for integration.

Nevýhodou známých řešení je jejich obvodová členitosr a složitost zapojení, uvážíme-li, že tato zařízení musejí být umístěna v bezprostřední blízkosti snímače; Nejsou vhodná pro integrace. Bezprostřední reakceThe disadvantages of the known solutions are their circuit breaker and the complexity of the wiring, considering that these devices must be located in the immediate vicinity of the sensor; They are not suitable for integration. Immediate reaction

S známých zařízení a signalizace sebemenších změn kapacity proměnného kondenzátoru je v některých zvláštních případech na závadu jejich použití' Známá zařízení jsou více méně citlivá na změny napětí a teploty.With known devices and signaling of the slightest changes in capacitance of a variable capacitor it is in some special cases a defect in their use. Known devices are more or less sensitive to voltage and temperature changes.

Tyto nevýhody odstraňuje zapojení kapacitního detektoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je vytvořen dvěma operačními zesilovači, přičemž na výstup prvního operačního zesilovače ve funkci aštabilního klopného obvodu je v jedné větvi zapojen napájecí odpor v sérii se srovnávacím kondenzátorem k zdířce zdroje napětí, zatímco jejich středový spoj je propojen s invertujícími vstupy prvního operačního zesilovače a druhého operačního zesilovače ve funkci komparátoru, a v druhé větvi je zapojen druhý napájecí odpor v sérii s proměnným kondenzátorem kě zdířce zdroje napětí, zatímco jejich středový spoj je propojen s neinvertujícím vstupem druhého operačního zesilovače.These disadvantages are overcome by the connection of the capacitive detector according to the invention, which consists of two operational amplifiers, wherein the output of the first operational amplifier in the form of an unstable flip-flop is connected in one branch to a supply resistor in series with a comparator capacitor. while their center link is coupled to the inverting inputs of the first opamp and second opamp as comparator, and in the second branch a second power resistor is connected in series with the variable capacitor to the power supply socket, while their center link is coupled to the non inverting input of the second opamp amplifiers.

Použitím operačních zesilovačů a využitím jejich příznivých vlastností v zapojení podle vynálezu je zařízení dostatečně přesné, je necitlivé na poruchy v napájecí síti, kolísání napětí nebo teploty. Reakce zařízení na změnu stavu trvá asi 1 sec., což je výhodné například u snímače hladiny kapaliny v mobilním prostředku, že nereaguje bezprostředně na prudké kolísání hladiny. Obvodová jednoduchost za použití operačních zesilovačů předurčuje toto zapojení pro integraci s kapacitním snímačem včetně výkonové části. Zařízení nezanáší do napájecí sítě žádné rušivé signály. Při zapojení s vysoce citlivými přístroji lze jej snadno odrušit, protože pracuje s neměnným kmitočtem.By using operational amplifiers and utilizing their favorable features in the circuitry of the invention, the device is sufficiently accurate, insensitive to power line faults, voltage or temperature fluctuations. The reaction of the device to change the state takes about 1 second, which is advantageous, for example, in a liquid level sensor in a mobile device, that it does not react immediately to severe level fluctuations. Circuit simplicity using operational amplifiers predetermines this circuitry for integration with a capacitive sensor, including the power section. The device does not transmit any interfering signals to the mains. When connected to highly sensitive devices, it can be easily suppressed as it operates at a fixed frequency.

Příklad konkrétního zapojení kapacitního detektoru podle vynálezu je znázorněn na přiloženém vyobrazení, kde je uvedeno schéma jeho zapojení.An example of a specific connection of a capacitive detector according to the invention is shown in the accompanying drawing, where its connection diagram is shown.

Kapacitní detektor je popisován se zřetelem na snímání hladiny vodivé kapaliny. Celý kapacitní detektorový systém je vytvořen dvěma operačními zesilovači a dvojicí tranzistorů v Darlingtonově zapojení s příslušnými pasivními prvky. První operační zesilovač 1 je v zapojení «stabilního klopného obvodu, jehož neinvertující vstup je napájen z děliče napětí vytvořeného odporem 6, zapojeným na zdířku 21 v záporné větvi nezakresleného zdroje a odporem 7 zapojený přes předřadný odpor 13 na zdířku 20 v kladné větvi zdroje napětí, přičemž výstup prvního operačního zesilovače 1 je s jeho neinvertujícím vstupem propojen vazebním odporem 8. Ke vstupu operačního zesilovače 1 je připojen ochranný odpor 9 v sérii spolu s napájecím odporem 2 a srovnávacím kondenzátorem 5, který je připojen ke zdířce 21 záporné větve napěťového zdroje. Ke vstupu operačního zesilovače 1 je rovněž zapojen napájecí odpor 3 v sérii s proměnným kondenzátorem 4, který je rovněž připojen ke zdířce 21 záporné větve napěťového zdroje. Od spoje mezi ochranným odporem 9 a napájecím odporem 2 vede přípoj ke zdířce 21 připojené na tlačítko TEST. Spoj mezi napájecím odporem .2 a srovnávacím kondenzátorem 5 je současně propojen s invertujícími vstupy jak prvního operačního zesilovače 1, tak i druhého operačního zesilovače 10, který je zapojen ve funkci komparátoru. Spoj mezi napájecím odporem 2 a proměnným kondenzátorem 4 je propojen s neinvertujícím vstupem druhého operačního zesilovače 10. Druhý operační zesilovač 10 je frekvenčně kompenzován kompenzačním kondenzátorem 18. Na výstup druhého· operačního zesilovače 10 je napojena omezující Zenerova dioda 11 v sérii s omezujícím odporem 12, který je vyveden na bázi prvního z dvojice výkonových tranzistorů v Darlingtonově zapojení 13, kde emitor posledního výkonového tranzistoru je propojen se zdířkou 21 v záporné síti napěťového zdroje a společný kolektorový výstup je propojen jednak přes ochrannou diodu 14 se zdířkou 20 kladné větve napěťového zdroje a jednak zapojen ipřímo na výstupní zdířku 22 k indikaci SIGNÁL.Capacitive detector is described with regard to sensing the level of conductive liquid. The entire capacitive detector system is made up of two operational amplifiers and a pair of Darlington transistors with corresponding passive elements. The first operational amplifier 1 is in the circuit of a stable flip-flop whose non-inverting input is supplied from a voltage divider formed by a resistor 6 connected to a socket 21 in the negative branch of a non-drawn source and a resistor 7 connected via a series resistor 13 to a socket 20 in the positive branch of a voltage source. wherein the output of the first operational amplifier 1 is coupled to its non-inverting input by a coupling resistor 8. A protective resistor 9 in series is connected to the input of the operational amplifier 1 together with a power resistor 2 and a comparator capacitor 5 connected to the negative terminal of the power supply. Also connected to the input of the operational amplifier 1 is a power resistor 3 in series with a variable capacitor 4, which is also connected to the negative terminal 21 of the power supply. From the connection between the protective resistor 9 and the supply resistor 2, the connection leads to a socket 21 connected to the TEST button. The connection between the supply resistor 2 and the comparator capacitor 5 is simultaneously connected to the inverting inputs of both the first operational amplifier 1 and the second operational amplifier 10, which is connected as a comparator. The connection between the power resistor 2 and the variable capacitor 4 is coupled to the non-inverting input of the second operational amplifier 10. The second operational amplifier 10 is frequency compensated by a compensating capacitor 18. The output of the second operational amplifier 10 is coupled to a limiting Zener diode 11 in series with a limiting resistor 12. which is connected on the basis of the first of the pair of power transistors in Darlington circuit 13, where the emitter of the last power transistor is connected to the socket 21 in the negative network of the power supply and the common collector output is connected via the diode 14 to the socket 20 of the positive branch of the power supply. connected directly to the output socket 22 to indicate SIGNAL.

V obvodu pro stabilizaci napájecího napětí kapacitního· detektoru je použito zapojení se Zenerovou dtodou 16 s paralelně připojeným kondenzátorem 17 a sériově zapojeným předřadným odporem 15 spojeným se zdířkou 20 kladné větve napěťového zdroje. Napájení obou operačních zesilovačů stabilizovaným napětím je odebíráno ze spoje mezi předřadným odporem 13 a Zenerovou diodou 16.In the circuit for stabilizing the supply voltage of the capacitive detector, a connection is made with a Zener base 16 with a capacitor 17 connected in parallel and a series resistor 15 connected in series to a positive branch 20 of the power supply. The stabilized voltage supply of both operational amplifiers is taken from the junction between the resistor 13 and the Zener diode 16.

Bezprostředně po zapnutí popsaného kapacitního detektorovému systému podle příkladu zapojení bude na proměnném kon•denzátoru 4 a srovnávacím kondenzátoru S napětí nulové. Na invertu jícím vstupu prvního operačního zesilovače 1 ve funkci astabilního klopného obvodu bude nižší napětí proti napětí jeho neinvertujícího vstupu. Na výstupu operačního zesilovače 1 se objeví téměř plné napájecí napětí, které ještě zvýší napětí neinvertujícího vstupu operačního zesilovače 1.Immediately after switching on the described capacitive detector system according to the wiring example, the voltage at the variable capacitor 4 and the comparator capacitor S will be zero. On the inverting input of the first operational amplifier 1 as an astable flip-flop there will be a lower voltage versus the voltage of its non-inverting input. Nearly full supply voltage appears at the output of the operational amplifier 1, which further increases the voltage of the non-inverting input of the operational amplifier 1.

Z výstupu operačního zesilovače 1 je přes ochranný odpor 9 a napájecí odpor 2, zaVýstup tlačítka startu testování je spojen se tor 5. Rovněž z výstupu prvního operačního zesilovače 1 je přes napájecí odpor 3 napájen proměnný kondenzátor 4. Měrný proměnný kondenzátor 4 je zhotoven ze dvou elektrod ponořených do vodivé kapaliny, z •nichž jedna je vůči kapalině elektricky izolována a druhou tvoří kapalina.The output of the test start button is connected to tor 5. The output of the first operational amplifier 1 also supplies a variable capacitor 4 via the supply resistor 3. The specific variable capacitor 4 is made of two electrodes immersed in a conductive liquid, one electrically insulated from the liquid and the other forming a liquid.

Úbytek kapaliny způsobí změnu kapacity proměnného kondenzátoru 4. Má-li proměnný kondenzátor vyšší kapacitu, narůstá na něm napětí pomaleji, než na srovnávacím kondenzátoru S. Jelikož je proměnný kondenzátor 4 připojen na neinvertující vstup druhého operačního zesilovače 10 zapojeného jako komparátor, objeví se na jeho výstupu napětí téměř nulové a dvojice výkonových tranzistorů v· Darlingtonově zapojení 13 je uzavřena a nepropouští proud do zdířky 22 SIGNÁL. Je-li naopak kapacita proměnného kondenzátoru 4 nižší, narůstá na něm napětí rychleji, než na srovnávacím kondenzátoru S.Loss of liquid causes a change in the capacitance of the variable capacitor 4. If the variable capacitor has a higher capacitance, the voltage builds up more slowly than on the comparative capacitor S. Since the variable capacitor 4 is connected to the non-inverting input of the second opamp 10 Nearly zero voltage output and a pair of power transistors in Darlington wiring 13 is closed and does not pass current to SIGNAL 22. Conversely, if the capacitance of the variable capacitor 4 is lower, the voltage on the capacitor 4 increases faster than on the comparator capacitor S.

Na výstupu druhého operačního zesilovače 10 ve funkci komparátoru se objeví napětí blízké napájecímu. Toto napětí způsobí otevření dvojice výkonových tranzistorů v Darlingtonově zapojení 13 a proud jí tekoucí se objeví na· zdířce 22 SIGNÁL a spustí signalizaci. Nabíjení proměnného kondenzátoru 4 a srovnávacího kondenzátoru 5 trvá do té doby, než napětí srovnávacího kondenzátoru 3 spojeného s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače 1 ve funkci astabilního klopného obvodu překročí úroveň neinvertujícího vstupu, kdy se «stabilní klopný obvod překlopí a jak srovnávací kondenzátor 5, tak i proměnný kondenzátor 4 se začnou vybíjet. Tento děj se opakuje periodicky.At the output of the second operational amplifier 10 as a comparator, a voltage close to the supply voltage appears. This voltage causes the pair of power transistors to open in Darlington circuit 13 and the current flowing to it will appear at the SIGNAL socket 22 and trigger a signal. The charging of the variable capacitor 4 and the comparator capacitor 5 lasts until the voltage of the comparator capacitor 3 connected to the inverting input of the first operational amplifier 1 as an astable flip-flop exceeds the non-inverting input level when the stable flip-flop flips even the variable capacitor 4 will start to discharge. This process repeats periodically.

Ochranný odpor 9 je vložen mezi výstup prvního operačního zesilovače a napájecí odpor 2 srovnávacího kondenzátoru 5 a jeho propojení se zdířkou 19 TEST umožňuje kdykoliv stlačením připojeného nezakresleného tlačítka, jehož druhý konec je zapojen do záporné větve napěťového zdroje, přesvědčit se o správné funkci zařízení.The protective resistor 9 is inserted between the output of the first operational amplifier and the power resistor 2 of the comparator capacitor 5 and its connection to the TEST socket 19 makes it possible to verify the correct function of the device at any time by pressing a connected non-drawn button.

Další možností použití kapacitního detektoru podle vynálezu je snímání hladiny nevodivých kapalin, kde vrstva nevodivé kapaliny tvoří dielektrikum mezi elektrodami proměnného kondenzátoru 4. Kapacitního detektoru lze ovšem použít i pro· snímání hladiny sypkých hmot, pro snímání hloubky promrznutí vody nebo půdy apod.Another possibility of using a capacitive detector according to the invention is to sense the level of non-conductive liquids, wherein the non-conductive liquid layer forms a dielectric between the electrodes of the variable capacitor 4. The capacitive detector can of course also be used for sensing bulk solids, water or soil freezing depth.

Claims

.1. A capacitive detector, in particular for sensing the level of electrically conductive and non-conductive liquids, employing fixed and variable capacity comparative methods, characterized in that it is formed by two operational amplifiers, the output of the first operational amplifier (1) as astable flip-flop the supply resistor (2) is connected in series with the comparator capacitor (5) to the socket (21) of the power supply, while their center connection is connected to the INVYNALEZU vertical inputs of the first operational amplifier (1) and the second operational amplifier (10) a second supply resistor (3) in series with a variable capacitor (4) is connected to the power supply socket (21), while their center link is coupled to the non-inverting input of the second operational amplifier (10).

2. The capacitive detector circuit according to claim 1, characterized in that at least one of the electrodes of the variable capacitor (4) is surface-insulated.