CZ304845B6 - Kapacitní sonda - Google Patents

Abstract

Kapacitní sonda obsahující multivibrátor, měřicí kapacitu a porovnávací kapacitu, který dále sestává z prvního integračního článku (4) a druhého integračního článku (5), jehož vstupy jsou vzájemně spojeny, přičemž tyto oba vstupy integračních článků (4, 5) jsou spojeny s výstupem astabilního multivibrátoru (1), zatímco výstupy integračních článků (4, 5) jsou jednotlivě spojeny se vstupy bistabilního klopného obvodu (2), jehož výstup je přes koncový stupeň (3) připojen na výstupní elektrodu (11).

Description

Kapacitní sonda

Oblast techniky

Vynález se týká kapacitní sondy pro elektrickou indikaci polohy elektricky vodivých povrchů a/nebo povrchů majících dielektrické vlastnosti.

Dosavadní stav techniky

Kapacitní sondy nebo také kapacitní snímače hladiny jsou užívány pro elektrickou indikaci polohy elektricky vodivých povrchů a také povrchů, jež mají dielektrické vlastnosti. Rozsáhlé jsou využívány například k měření úrovně hladiny kapalin nebo sypkých materiálů v zásobnících. Sonda hlásí dosažení určité výšky hladiny tím, že přepne kontakty výstupu do předem nastavené polohy.

Technická řešení stávajících sond jsou založena na měření kapacity pomocí změny kmitočtu lineárních oscilátorů a jejím směšováním s kmitočtem pevného oscilátoru, což dává signál k vyhodnocení změny kapacity. Tato provedení jsou jak po stránce řešení vnitřních elektrických obvodů, tak po stránce mechanické konstrukce složité, rozměrné a ekonomicky náročné.

Spis CS 260494 B představuje zapojení astabilního multivibrátoru připojeného na dvojici integračních článků, přičemž signál na výstupech těchto integračních článků je vyhodnocen komparátorem (fázovým detektorem), na jehož výstupu je signál odpovídající rozdílu kapacity měřicí sondy a referenčního kondenzátoru.

Účelem tohoto vynálezu je zvýšit spolehlivost a citlivost signalizace stávajících sond a dále zjednodušit jejich konstrukci, a zmenšením jejich fyzických rozměrů a snížením váhy rovněž snížit výrobní náklady na ně.

Podstata vynálezu

Výše uvedeného účelu je dosaženo kapacitní sondou v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že předmětná sonda sestává z prvního integračního článku, jehož vstup je současně spojen se vstupem druhého integračního článku, přičemž oba tyto vstupy integračních článků jsou spojeny s výstupem astabilního multivibrátoru. Výstupy obou integračních článků jsou jednotlivě spojeny se vstupy bistabilního klopného obvodu, jehož výstup je přes koncový stupeň připojen na výstupní elektrodu, přičemž výstup prvního integračního článkuje spojen rovněž se vstupní snímací elektrodou sondy. Ve výhodném provedení je každý z obou integračních článků tvořen sériovou kombinací odporu a kapacitního prvku a klopný obvod je připojen mezi výstupní uzly obou integračních článků. V dalším výhodném provedení je klopný obvod tvořený dvěma hradly, kde výstup každého z hradel je připojen na druhý vstup druhého hradla, a výstup druhého hradla je výstupem klopného obvodu.

Výhodou sondy podle tohoto vynálezu je, že měření je založeno na impulzním principu, který umožňuje použít méně prvků v jednoduchém uspořádání. Výsledné zapojení je tak fyzicky znatelně menší a jeho výroba je levnější, než je tomu u dosud používaných kapacitních sond.

-1 CZ 304845 B6

Objasnění výkresu

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech, kde obr. 1 představuje blokové schéma sondy a obr. 2 představuje schéma vnitřního zapojení jednotlivých obvodů možného provedení sondy.

Příklad uskutečnění vynálezu

Jakje uvedeno na obr. 1, předmětná sonda sestává z porovnávacího bloku, astabilního multivibrátoru £, bistabilního klopného obvodu 2 a koncového stupně 3. Porovnávací blok je tvořen dvěma integračními články 4, 5. První integrační článek 4 sestává z první měřicí kapacity Cl a prvního odporu Rl. Druhý integrační článek 5 sestává z druhého odporu R2 a porovnávací druhé měřicí kapacity C2. Oba integrační články 4, 5 jsou vzájemně propojeny přes své odpory Rl, R2. Hodnota porovnávací druhé měřicí kapacity C2 přibližně odpovídá hodnotě první měřicí kapacity Cl. Tím dochází k časovému porovnávání napětí na vstupu al prvního hradla 7 s napětím na druhém integračním článku 5. První měřicí kapacitou Cl může být samostatný prvek nebo může její funkci zastat kapacita vstupní, snímací elektrody 6, která je připojená přímo na první odpor Rl. Porovnávací druhá měřicí kapacita C2 je svým druhým koncem spojena s výstupní svorkou 12. Vstupy obou integračních článků 4, 5 jsou spojeny s výstupem multivibrátoru i, zatímco výstupy obou integračních článků 4, 5 jsou jednotlivě spojeny se vstupy bistabilního klopného obvodu 2.

Bistabilní klopný obvod 2 sestává ze dvou hradel - prvního hradla 7 a druhého hradla 8. První vstup al prvního hradla 7 je připojen na uzel mezi prvním odporem Rl a první měřicí kapacitou Cl, resp. vstupní snímací elektrodou 6. První vstup a2 druhého hradla 8 je připojen na uzel mezi druhým odporem R2 a porovnávací druhou měřicí kapacitou C2. Na výstup dl prvního hradla 7 je připojen druhý vstup b2 druhého hradla 8. Na výstup d2 druhého hradla 8 je připojen jednak druhý vstup b£ prvního hradla 7, jednak vstup koncového stupně 3. Na výstup koncového stupně 3 je připojena výstupní elektroda ££. První vstupy al, a2 obou hradel 7, 8, tvoří vstupy bistabilního klopného obvodu 2. Jeho výstupem je výstup d2 druhého hradla 8.

Předmětné zapojení umožňuje vyhodnocení změny kapacity v závislosti na změně vnějšího podnětu. Vyhodnocení je prováděno na základě změny stavu dvojice hradel 7, 8, které jsou nastaveny multivibrátorem £ tak, že výstup bistabilního klopného obvodu 2 reaguje citlivě na časovou souvislost mezi signály na vstupech al, a2 jednotlivých hradel 7, 8, z nichž první hradlo 7 je ovládáno změnou napětí závislém na velikosti vstupní kapacity. Výstupní signál bistabilního klopného obvodu 2, vyjadřující změnu první měřicí kapacity Cl, je dále zpracován v koncovém stupni 3, takže na výstupní elektrodě 11 předmětné kapacitní sondy je signál odpovídající změně vstupní kapacity.

Jedno z možných zapojení obvodu se zobrazenými prvky jednotlivých bloků je představeno na obr. 2.

Multivibrátor £ je tvořen třetím hradlem 9, typu „Schmidt“, v obvyklém zapojení, kde nesymetričnost pulzů zajišťuje pasivní člen tvořený první diodou Dl a třetím a čtvrtým odporem R3, R4. Signál z multivibrátoru £ je přiváděn na výše popsané integrační články 4, 5, které zpožďují náběžnou hranu signálu ve vztahu ke změně vstupní, první měřicí kapacity Cl oproti náběžné hraně signálu na druhé měřicí kapacitě C2. Údaj o změně první měřicí kapacity Cl je přenášen „RS“ klopným obvodem tvořeným dvojicí hradel 7, 8 typu „Schmidt“, takže na jejich výstupu je signál, jehož úroveň vyjadřuje poměr měřicích kapacit C2/C1.

Možné rušení je eliminováno třetím integračním článkem sestávajícím z pátého odporu R5 a třetí kapacity C3 a signál je přiveden na čtvrté hradlo £0, jehož výstup je spojen s tranzistorem T a šestým odporem R6 je převeden na proudový signál na výstupní elektrodě 11, jenž odpovídá

-2CZ 304845 B6 hodnotě kapacity na vstupní, snímací elektrodě 6. Ochranná dioda D2 slouží k ochraně před přepólováním napájení.

Jak je z obr. 2 zřejmé, multivibrátor I dále obsahuje kapacitu C5 určující frekvenci kmitání multivibrátoru i a koncový stupeň 3 čtvrtou měřicí kapacitu C4 omezující rušivé napěťové jevy na výstupní elektrodě IL

Průmyslová využitelnost

Předmětná sonda je použitelná v mnoha oborech, např. v zemědělství pro měření hladiny sypkých materiálů, jako jsou obiloviny, v silech, při ochraně životního prostředí při zjišťování přítomnosti kapalin a jejich rozšíření dle permitivity, jako je tomu pro vodu a olej, v automatizační technice jako senzor přiblížení kovových či nekovových předmětů, pro ochranu památek jako zařízení hlídající nežádoucí přemisťování předmětů, atd.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kapacitní sonda obsahující multivibrátor, měřicí kapacitu a porovnávací kapacitu, vyznačující se tím, že dále sestává z prvního integračního článku (4) a druhého integračního článku (5), jehož vstupy jsou vzájemně spojeny, přičemž tyto oba vstupy integračních článků (4, 5) jsou spojeny s výstupem astabilního multivibrátoru (1), zatímco výstupy integračních článků (4, 5) jsou jednotlivě spojeny se vstupy bistabilního klopného obvodu (2), jehož výstup je přes koncový stupeň (3) připojen na výstupní elektrodu (11).
2. 2. Kapacitní sonda podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý z obou integračních článků (4, 5) je tvořen sériovou kombinací odporu a kapacitního prvku.
3. 3. Kapacitní sonda podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že bistabilní klopný obvod (2) je tvořený dvěma hradly (7, 8), kde výstup (dl) prvního hradla (7) je připojen ke druhému vstupu (b2) druhého hradla (8) a výstup (d2) druhého hradla (8) je spojen s druhým vstupem (bl) prvního hradla (7), přičemž první vstupy (al, a2) obou hradel (7, 8) tvoří vstupy bistabilního klopného obvodu (2) a výstup (d2) druhého hradla (8) je výstupem bistabilního klopného obvodu (2).