ES2245362T3 - Circuito y sistema para la medida del nivel de la capacidad. - Google Patents
Circuito y sistema para la medida del nivel de la capacidad.Info
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Abstract
Un circuito de medida del nivel de la capacidad (28) que comprende: un circuito de control que incluye: un puerto de alimentación (136) acoplable a una fuente de corriente constante (110); un puerto de detector (162) acoplable a un detector de umbral (130); un puerto de sonda (134) acoplable a un condensador de sonda (21); un puerto de referencia (132) acoplable a un condensador de referencia (44); una pluralidad de conmutadores (111, 112, 113, 114) que son activables para acoplar de manera alterna dicho puerto de alimentación (136) a dicho puerto de sonda (134) y a dicho puerto de referencia (132); dicho circuito de control estando configurado para generar de manera alterna una señal de forma de onda de rampa lineal que tiene una pendiente que es proporcional a la magnitud de la capacidad de un condensador de sonda (21) y un condensador de referencia (44) acoplado a dicho puerto de sonda (134) y a dicho puerto de referencia (132); en el que la capacidad parásita entre el condensador de referencia (44) y el condensador de sonda (21) sustancialmente se elimina manteniendo la tensión a través del mencionado condensador de referencia (44) en el mismo nivel que a través del mencionado condensador de sonda (21) durante las medidas del nivel.
Description
Circuito y sistema para la medida del nivel de la
capacidad.
Esta invención se refiere a sondas de medida de
la capacidad, y de manera más particular, a una sonda de capacidad y
a la circuitería operacional de la misma.
Las sondas de capacidad son a menudo usadas para
medir el nivel de un material en un tanque o en otro compartimiento.
Cuando el material sube dentro del compartimiento, reemplaza al aire
existente entre dos electrodos o conductores. Si el material tiene
una constante dieléctrica superior a la del aire, la capacidad total
del sistema aumenta a medida que se llena el compartimiento. Este
aumento de la capacidad proporciona una indicación de la cantidad de
material en el compartimiento.
Con el fin de que la sonda de capacidad funcione
en esta configuración, se deben espaciar un par de conductores de
manera que el material que vaya a ser medido pueda llenar el espacio
entre ellos. Si la sonda va a ser insertada dentro de materiales
conductores, entonces también debe incorporar algún procedimiento
para aislar eléctricamente los conductores uno del otro.
Un aparato capacitivo, mostrado en la Patente de
los EE.UU. número 3.774.238 de Hardway, usa dos tubos o varillas
largas 26, 27 aisladas una de la otra en una relación espaciada
separada por aisladores plásticos 28.
Otro tipo de sonda de capacidad, mostrada en la
Patente de los EE.UU. número 5.397.995 de Anderson, incluye un
conductor exterior y un conductor interno espaciado. El espacio
entre los conductores aísla a los conductores entre sí de y permite
que el material que va a ser medido rellene el espacio.
El documento de los EE.UU. - A - 6 016 697
describe un sistema de detección del nivel capacitivo incluyendo una
sonda capacitiva alargada posicionada verticalmente dentro del
contenedor de forma que una parte más baja de la sonda esté en el
líquido y una parte superior de la sonda se extienda por encima de
la superficie del líquido. Un sensor de referencia de líquido
capacitivo está próximo al extremo inferior de la sonda, y un sensor
de referencia de gas capacitivo está próximo al extremo superior de
la sonda. Un controlador controla cada uno de los sensores con una
señal eléctrica y produce un valor resultante que corresponde a la
capacidad de cada uno de los sensores.
El documento
DE-A-4329571 describe un sensor de
inclinación CA capacitivo para determinar el nivel de líquido
dieléctrico lubricante de la transmisión de un vehículo que divide
el condensador en dos pares de electrodos espaciados por huecos en
los que se localiza el líquido, cuyos huecos se comunican por el
principio de los vasos
comunicantes.
comunicantes.
El documento de los EE.UU. - A - 4 383 444
describe un sistema de medida del nivel basado en la conversión de
capacidad a corriente proporcionada con el equipo para compensar las
variaciones en la constante dieléctrica en un líquido medido. Una
sonda de referencia está situada completamente dentro del líquido
que va a ser medido. La sonda de medida responde tanto a los cambios
en la constante dieléctrica como a las variaciones en el nivel de
líquido. Una salida diferencial de la sonda de referencia y la sonda
de medida efectúa la compensación de las variaciones en la constante
dieléctrica en el material medido. Una unidad de control a la salida
proporciona un medio para la calibración automática a través de un
microprocesador.
Una desventaja de las sondas de capacidad
conocidas es su susceptibilidad a las imprecisiones debidas a las
capacidades, normalmente conocidas como "capacidades
parásitas", que existen entre varios componentes del circuito de
medida de la capacidad, incluyendo la propia sonda. Es más, estas
capacidades parásitas son a menudo variables, estando influenciadas
por la temperatura ambiente y/o la humedad ambiental. De este modo,
existe una necesidad de una sonda de medida de la capacidad mejorada
y de una circuitería para la misma.
De acuerdo con una realización de esta invención,
un circuito de medida del nivel de la capacidad comprende un
circuito de control incluyendo un puerto de alimentación acoplable a
una fuente de corriente constante, un puerto detector acoplable a un
detector de umbral, un puerto de sonda acoplable a un condensador de
sonda, un puerto de referencia acoplable a un condensador de
referencia, una pluralidad de conmutadores que son accionables para
acoplar de manera alterna dicho puerto de alimentación al puerto de
sonda y a dicho puerto de referencia; estando dicho circuito de
control configurado para generar una señal de forma de onda de rampa
lineal que tiene una pendiente que es proporcional a la magnitud de
la capacidad de un condensador de sonda y un condensador de
referencia acoplados a dicho puerto de sonda y a dicho puerto de
referencia; en el que la capacidad parásita entre el condensador de
referencia y el condensador de sonda se elimina de manera sustancial
manteniendo la tensión entre las placas del mencionado condensador
de referencia al mismo nivel que en el mencionado condensador de
sonda durante la medida del nivel de la capacidad.
\vskip1.000000\baselineskip
En una variación, la presente invención puede
incluir una sonda de capacidad que incluya este circuito de medida
del nivel de la capacidad.
En otro aspecto, la presente invención incluye un
procedimiento para determinar la capacidad de una sonda de capacidad
de medida del nivel. El procedimiento incluye el proporcionar un
circuito de control de selección / apantallamiento, acoplando una
fuente de corriente constante al circuito de control de selección /
apantallamiento, acoplando un condensador de sonda al circuito de
selección / control, acoplando un condensador de referencia al
circuito de selección / control, y proporcionando un circuito de
selección / control con una pluralidad de conmutadores que sean
accionables para acoplar de manera alterna la fuente de corriente
constante al condensador de sonda y al condensador de referencia. El
procedimiento también incluye la configuración del circuito de
control de selección / apantallamiento para generar de manera
alternativa una señal de forma de onda de rampa lineal que tiene una
pendiente que es proporcional a la magnitud de la capacidad de un
condensador de sonda y un condensador de referencia acoplados al
mencionado puerto de sonda y al mencionado puerto de referencia, y
el accionamiento de los interruptores para acoplar de manera alterna
la fuente de corriente constante con el condensador de sonda y con
el condensador de referencia. Los circuitos de control de selección
/ apantallamiento se usan para generar de manera alterna una señal
de forma de onda de rampa lineal que tiene una pendiente que es
proporcional a la magnitud de la capacidad de un condensador de
sonda y un condensador de referencia. Se mantiene un diferencial de
tensión de sustancialmente ceros voltios entre el condensador de
referencia y el condensador de sonda durante el mencionado uso del
circuito de control de selección / apantallamiento.
Las características anteriores y otras y las
ventajas de esta invención serán más claramente aparentes a partir
de una lectura de la siguiente descripción detallada de varios
aspectos de la invención tomados junto con los dibujos que la
acompañan en los que:
La figura 1 es una representación esquemática de
una sonda de capacidad de la presente invención;
La figura 2A es una representación esquemática de
la circuitería de medida de la presente invención, útil en hacer
funcionar la sonda de capacidad de la figura 1;
La figura 2B es una representación esquemática
del cableado eléctrico de la sonda de capacidad de la figura 1;
La figura 3 es una representación esquemática de
un procesador usado para hacer funcionar la circuitería de la figura
2A; y
La figura 4 es una representación esquemática de
componentes adicionales y/o opcionales acoplados a la circuitería de
las figuras 2A y 3.
Con referencia a las figuras establecidas en los
dibujos acompañantes, se describirán a continuación en detalle las
realizaciones ilustrativas de la presente invención. Para una
claridad en la exposición, las características iguales mostradas en
los dibujos acompañantes se indicarán con números de referencia
iguales y las características similares mostradas en las
realizaciones alternas en los dibujos se indicarán con números de
referencia similares.
Como se muestra en las figuras 1 y 2A, la
invención objeto de este documento incluye un circuito de medida 22
que puede usarse en combinación con una sonda de capacidad 10 para
medir el nivel de un material 12 en un compartimiento 14.
Generalmente la sonda 10 incluye un condensador de sonda 21 (para
medir el nivel de material), y un condensador de referencia (célula)
44 usado para calibrar el condensador de sonda 21 para un material
particular 12 que se esté midiendo. El circuito de medida 22
compensa activamente las capacidades parásitas que típicamente
existen entre el condensador de sonda 21 y la célula de referencia
44. El circuito 22 lleva a cabo esta funcionalidad suministrando
una corriente constante al condensador de sonda 21 al inicio de la
medida. Esta corriente constante genera una tensión a través del
condensador 21 que es una forma de onda de rampa lineal que tiene
una pendiente que es proporcional a la magnitud de la capacidad. Un
temporizador mide el tiempo transcurrido ("t") entre la
iniciación de la medida y el tiempo en el que la forma de onda de
tensión alcanza un nivel predeterminado (por ejemplo, 2 voltios).
Este valor de tiempo "t" es proporcional al valor de la
capacidad del condensador de sonda 21. Esta capacitance parásita (es
decir, entre el condensador 21 y la célula 44) es eliminada de
manera activa manteniendo la tensión a través de la célula de
referencia 44 al mismo nivel que a través del condensador 21 durante
el ciclo de medida. Manteniendo estas tensiones nominalmente
idénticas se elimina de manera sustancial cualquier diferencia de
tensión entre el condensador 21 y la célula 44 para eliminar de
manera nominal esta capacidad parásita. Una secuencia similar de
eventos se efectúa para la medida de la célula de referencia 44. De
esta manera, las realizaciones de la presente invención hacen
posible realizar medidas relativamente precisas de las capacidades
del condensador de sonda 21 y de la célula de referencia 44.
Haciendo referencia ahora a las figuras 1 a la 4,
las realizaciones de la presente invención serán descritas con un
detalle mayor. Como se muestra en la figura 1, la invención objeto
del presente documento incluye una sonda de capacidad 10 para su uso
en la medida del nivel de (es decir, la profundidad de la inserción
de la sonda 10 dentro) un material 12 en un compartimento 14. La
sonda 10 puede ser del tipo establecido en la Solicitud de Patente
de los Estados Unidos con número de serie 09/696.329, titulada Sonda
de capacidad de bajo coste, fechada el 24 de octubre de 2000. En una
configuración particular, se ha descubierto que la sonda 10 tenía
ventajas en la medición de niveles de combustible en los depósitos
de combustible.
Como se muestra, la sonda 10 forma un condensador
de sonda 21 que muestra una capacidad indicada como C_{sonda} en
la figura 1. A medida que el material 12 sube en un compartimento
(por ejemplo, un depósito) 14, pasa dentro de un espacio 16 entre
dos electrodos o conductores 18, 20 que están acoplados a un módulo
electrónico (es decir, la circuitería) 22 que se describe con mayor
detalle más adelante en el presente documento. El aire u otro gas,
escapa desde el espacio 16 a través de las aperturas 25 en el
conductor exterior 20 a medida que el material 12 sube dentro del
espacio 16. Si el material 12 tiene una constante dieléctrica
superior que la del aire, entonces la C_{sonda} de capacidad del
condensador de sonda 21 (es decir, la capacidad entre conductores
18, 20), se incrementa a medida que se llena el compartimento 16.
Este aumento en la capacidad proporciona una indicación de la
cantidad (es decir, del nivel) de material 12 en el compartimento
14.
Como se muestra también, la sonda de capacidad 10
puede incluir una célula de referencia (es decir, un condensador) 44
situado en un extremo distal 46 de, y concéntricamente con, el
conductor interior 18. La célula de referencia 44 funciona como un
condensador relativamente pequeño de tamaño conocido que permite la
calibración automática para el dieléctrico del material 12
particular en el compartimiento 14. La célula 44 elimina de esta
manera de manera nominal la necesidad de calibrar una medida en el
campo y permite que el sistema, es decir, la sonda 10 y la
circuitería 22, compense de manera conveniente materiales 12 de
varios dieléctricos.
La célula de referencia 44 incluye a un primer
conductor de referencia 48 conectado usando un separador no
conductor 50 al extremo distal 46 del conductor interior 18. Tanto
el conductor 48 de la célula de referencia 44 como el conductor 18
del condensador 21, se conectan eléctricamente a la circuitería 22
por medio de un conductor eléctrico (por ejemplo, un cable) 56 que
se extiende nominalmente a través del centro del conductor interior
18.
En funcionamiento, la sonda de capacidad 10 se
inserta al menos parcialmente dentro de un compartimiento 14 que
tiene un material 12 en su interior. A medida que el material 12 del
compartimiento 14 entra en el espacio 16 entre el conductor interior
18 y el conductor exterior 20, la presencia del material 12 sirve
para alterar el campo eléctrico entre los conductores interno y
externo 19, 20. La circuitería 22 mide la capacidad entre los
conductores 13, 20 y deriva a partir de las medidas de la capacidad
una señal proporcional al nivel de material 12 dentro de la abertura
16. Los componentes y el funcionamiento de la circuitería 22 serán
descritos más adelante con mayor detalle en el presente documento.
Como la célula de referencia 44 está completamente sumergida dentro
del material 12, su capacidad C_{ref} proporciona un valor para un
nivel conocido (altura) del material 12. Los dos condensadores 21 y
44 de sonda 10 se pueden usar de esta forma como condensadores
variables para medir el nivel de material en el depósito
14.
14.
Por ejemplo, la célula de referencia 44 puede
tener una longitud (axial) predeterminada 45, tal como 1 a 2
pulgadas (unos 2,5 a 5 centímetros). El condensador de sonda 21
puede ser de cualquier longitud deseada 23 que represente el
intervalo de niveles capaces de ser medidos. Para muchas
aplicaciones de depósitos de combustible, la longitud (axial) 23
típicamente oscila de 36 a 93 pulgadas (aproximadamente 91,4 a 236,2
centímetros). La circuitería 22 mide C_{sonda} de C_{ref} en el
aire y almacena estos valores en memoria 100 (por ejemplo, una
memoria no volátil de un dispositivo EEPROM como se muestra en la
figura 4). Cuando la sonda 10 se sumerge en el fluido 12 con un
dieléctrico diferente al del aire, la C_{ref} de la capacidad de
la célula de referencia 44 cambia, como lo hace la C_{sonda} de la
capacidad del condensador de sonda 21. Este cambio de la capacidad
por unidad de longitud se mide por medio del circuito 22 y el nivel
se puede calcular por medio de microprocesador 200 (figura 3) usando
la siguiente ecuación (1):
Ec. 1Nivel =
Const *((C_{sonda} - C_{sondaaire})/(C_{célularef} -
C_{célularefaire}))
La ecuación 1 teóricamente genera el resultado
deseado porque la célula de referencia 44 tiene las mismas
dimensiones radiales que el condensador de sonda 21, la célula de
referencia 44 y el condensador 21 están ambos sumergidos en el mismo
tipo de fluido 12, y su cambio en la capacidad por unidad de
longitud es nominalmente idéntico. La constante Const en la ecuación
anterior 1 corresponde a la longitud 45 (que en este ejemplo es de 2
pulgadas). La sonda 10 es autocalibradora porque el dieléctrico del
fluido 12 cae fuera del nivel de la ecuación ec. 1, (es decir,
porque la ecuación 1 es radiométrica). Como tal, la medida de nivel
es independiente del dieléctrico del fluido, de forma que se puede
usar en fluidos de muchos tipos sin calibración adicional.
Una dificultad asociada con esta configuración es
que el cable 56 que se extiende desde la célula de referencia 44
hasta la electrónica 22 suma una capacidad parásita variable,
dependiente de la temperatura mostrada como C_{parásita} en las
figuras 1 y 2. Esta capacidad parásita también varía a medida que el
nivel de fluido 12 cambia. Esta capacidad pueden generar de esta
forma un error relativamente grande ya que la ecuación de nivel Ec.
1 no tiene en cuenta este término parásito. La circuitería 22 de la
presente invención sirve de manera ventajosa para eliminar este
error potencial.
La circuitería 22 se describirá ahora con un
mayor detalle con referencia a las figuras 2A-2B. La
Circuitería 22 incluye una fuente de corriente 110, una parte de
control de selección / apantallamiento 120, y un detector de umbral
130. Como se muestra en la figura 2B, los conductores 18 y 56 del
montaje de la sonda 10 (figura 1) se conectan a los terminales 132
y 134, respectivamente, de la parte de control 120. La pantalla 20
de la sonda 10 se conecta al terminal 136 de la parte de control
120.
Con referencia ahora en particular a la figura
2A, los componentes específicos de la circuitería 22 se describen
junto con la siguiente descripción funcional. La persona
experimentada reconocerá que varios componentes descritos en el
presente documento, tales como amplificadores operacionales y
referencias de tensión, requieren de manera típica fuentes de
alimentación que, de acuerdo con la práctica común, no pueden
mostrarse de manera explícita en las figuras. En la realización
particular mostrada y descrita, la persona experimentada debe
reconocer que tales componentes pueden ser alimentados por cualquier
fuente de alimentación adecuada, tal como, por ejemplo, una fuente
de alimentación analógica de 5,0 voltios a la que se hace referencia
en las figuras como
"VANALOG".
"VANALOG".
Como se muestra, la fuente de corriente 110 puede
ser una fuente de corriente de alta impedancia de salida capaz de
entregar una corriente constante de 60 nanoamperios (nA) a la parte
de control 120, a través del terminal de salida 136. En la
realización particular mostrada, la fuente de corriente 110 incluye
un amplificador operacional (Amp-Op) 138, y una
referencia de tensión 140 que produce 2,0 voltios en el terminal 142
con respecto al terminal 144. La fuente de corriente 110 también
incluye los condensadores C52, C47, las resistencias R16, R24, y un
condensador C37. Las resistencias R24 y R16 sirven para dividir la
tensión de referencia (2,0 voltios) rebajándola a aproximadamente
0,6 voltios que aparecen entre los terminales de la resistencia R22.
En la realización particular mostrada, la resistencia R22 tiene una
resistencia de nominalmente 10 megohmios (M). Los 0,6 voltios entre
los terminales de la resistencia de 10 M generan una corriente a la
salida 136 de nominalmente 60 nA.
La fuente de corriente 110 puede aplicarse de
manera selectiva o al condensador de sonda 21 o a la célula de
referencia 44, usando conmutadores analógicos
111-116 de control 120, como se trata más adelante
en el presente documento. Mediante el secuenciado de estos
conmutadores, la corriente constante de 60 nA puede aplicarse
respectivamente al terminal del conector 132, al terminal 134 o a
tierra.
La secuencia de cierres de conmutadores
111-116 está controlada por el microcontrolador 200
(figura 3) que está acoplado mediante el puerto de salida 151 del
mismo para controlar las entradas en cada conmutador analógico
111-116. Estas entradas de control están etiquetadas
respectivamente como SW SONDA, SW REFCELL, SW REFCAP, SW DISCH, SW
DSR, y SW DSP, y cada uno de ellos está acoplado a un actuador de
conmutador 148. Los actuadores de conmutador 148 funcionan de una
manera convencional para abrir y cerrar de manera alternada el
conmutador 111-116 conectado al mismo, en respuesta
a las señales del microcontrolador 200.
Al comienzo de la secuencia de medida (a la que
también se hace referencia como estado de "reinicialización")
los conmutadores 111, 112, 113, y 114 están cerrados y los
conmutadores 115 y 116 están abiertos. Esto proporciona un camino a
tierra a través de la resistencia R18 para la fuente de corriente de
60 nA 110, y también sirve para conectar a tierra los terminales 134
y 132 para descargar el condensador de sonda 21 y la célula de
referencia 44 (figura 1). En este estado, la tensión en el terminal
154 del amplificador operacional 138 está nominalmente (dentro de la
conformidad con el amplificador operacional 138) a ceros voltios.
Como, en la realización particular mostrada, el amplificador
operacional 138 es un dispositivo único de alimentación, la tensión
está dentro de aproximadamente 20 mV respecto de tierra. Esto pone
al terminal 144 de referencia de tensión 140 nominalmente a tierra.
(Como se tratará con mayor detalle más adelante en el presente
documento, como el terminal 154 sigue la tensión en la salida 136,
la tensión en el terminal 144 también puede aumentar durante la
medida del condensador de sonda 21. La referencia 140 de manera
similar aumenta la tensión en su terminal 142 para mantener el
diferencial de tensión de 2,0 voltios entre los terminales 142 y
144.)
En este estado de "reinicialización", la
corriente proporcionada por la fuente 110 fluye a tierra a través de
R18 cuando los conmutadores 111 al 114 están cerrados. La secuencia
de medidas de sonda puede ahora comenzar con el microcontrolador 200
cerrando los conmutadores 111, 113 y 116, y abriendo los
conmutadores 112, 114 y 115. Un amplificador operacional 152 que
está acoplado al conmutador 115 en el terminal 156 del mismo, está
configurado como un seguidor de tensión de manera que la tensión en
el terminal 156 esté, dentro de la tensión de desplazamiento del
amplificador operacional 152, nominalmente la misma que la tensión
en el terminal 154 del amplificador operacional 138. Como el
amplificador operacional 138 también está configurado como un
seguidor de tensión, la tensión en el terminal 154 del amplificador
operacional 138 es nominalmente la misma que la tensión a la salida
136. Este bucle fuerza la tensión en el terminal 154 del
amplificador operacional 152 para seguir la tensión en la salida
136. De esta forma, en este estado de "medida de sonda" (es
decir, con los conmutadores 111, 113, y 116 cerrados, y los
conmutadores 112, 114 y 115 abiertos), la corriente de 60nA fluye
ahora desde la salida 136 a través de la resistencia R21 dentro del
condensador de sonda 21 conectado al terminal 134.
Este flujo de corriente fuerza la tensión a
través del condensador de sonda 21 (por ejemplo, entre el terminal
134 y el terminal 136) a un incremento lineal. El cierre del
conmutador 116 sirve para mantener la tensión a través de la célula
de referencia 44 (conectada al terminal 132) al mismo nivel que la
tensión a través del condensador de sonda 21 (mientras aumente esta
tensión en el condensador de sonda). Además, este nivel de tensión
se mantiene en la célula 44 mientras la corriente requerida para
cargar la célula de referencia 44 sea proporcionada por el
amplificador operacional 152 (es decir, en el terminal 156 del
mismo) en lugar de por la fuente de corriente de 60 nA 110. De
manera ventajosa, esta funcionalidad mantiene de manera efectiva la
tensión a través de C_{parásita} (es decir, a través de los
conductores 56 y 18 de la figura 1) a ceros voltios incluso mientras
aumente de manera lineal la tensión a través del condensador de
sonda 21 (es decir, durante el "periodo de rampa"). Esta
anulación activa de la tensión a través de la C_{parásita} evita
de manera efectiva cualquier corriente (es decir, genera una
corriente de cero nA) fluyendo a través de la C_{parásita} 50 de
forma que nominalmente toda la corriente de 60 nA fluya dentro del
condensador de sonda 21. El cierre del conmutador 113 también
aplica la tensión en el terminal 156 del amplificador operacional
152 al lado conectado a tierra del conmutador de reinicialización
114 para anular de manera similar cualquier capacidad parásita
generada por el conmutador 114 mientras el conmutador 114 está
abierto.
Como el terminal 136 está conectado a tierra, el
aumento en la tensión a través del condensador de sonda 21 genera un
aumento en la tensión en el terminal 160 del amplificador
operacional 152 (y en el terminal 144 de referencia 140 conectado al
mismo). Como se ha mencionado anteriormente en el presente
documento, como la referencia 140 genera un diferencial de 2,0
voltios constante entre los terminales 142 y 144, cualquier aumento
en la tensión en el terminal 144 producirá un aumento de tensión
similar en el terminal 142. Esta salida creciente sirve para el
flujo de corriente en el terminal 136 en los anteriormente
mencionados 60 nA durante esta rampa o este periodo de medida
de
sonda.
sonda.
La tensión a través del condensador de sonda 21
(por ejemplo, según se toma en el terminal 160) es aplicada al
terminal de entrada 162 del detector de umbral 130. Esta tensión es
aplicada al terminal de entrada 168 de un comparador 170. En la
realización particular mostrada, el comparador 170 incluye un
amplificador operacional similar a los amplificadores operacionales
138 y 152, a los que se hace funcionar en el modo de no
realimentación. El comparador 170 compara la tensión de sonda en el
terminal 168 (por ejemplo, 2,0 voltios) con la salida en el terminal
172 de una fuente de referencia 140'. (La fuente de referencia 140
es sustancialmente similar a la fuente de referencia 140 descrita
anteriormente en el presente documento con respecto a la fuente de
corriente 110.) Las resistencias R28 y R29 pueden usarse para
proporcionar una pequeña cantidad de realimentación positiva
alrededor del detector de umbral para evitar la falsa activación
debida al ruido. Cuando la tensión de sonda en el terminal 168
alcance los 2,0 voltios (es decir, la tensión en el terminal 168
pase a ser igual a la tensión en el 172), el comparador genera una
señal a la salida 174 del comparador (por ejemplo, la salida 174
pasa al estado de nivel "alto"). Esta señal, a la que se hace
referencia a veces en el presente documento como "PULSO MEDIDA"
se introduce en un temporizador (por ejemplo, un temporizador de 16
bits) 178 del microcontrolador 200 (figura 3). El temporizador 178
mide la diferencia de tiempo "t" entre el cierre del conmutador
111 y la recepción de la señal PULSO MEDIDA. Usando esta información
de temporización, el microcontrolador 200 puede calcular la
capacidad de la sonda a partir de la siguiente ecuación
(2a):
(2a):
Ec. 2aC = It /
V
donde, en la realización particular
mostrada, I es la corriente generada por la fuente de corriente 110
(por ejemplo, 60 nA), t es la diferencia de tiempo declarada
anteriormente, y v la tensión umbral suministrada por la referencia
140' (por ejemplo, 2,0
voltios).
El cierre del conmutador 113 durante el proceso
de medida de sonda anula por completo la capacidad parásita del
conmutador de reinicialización 114, que como se ha tratado
anteriormente en este documento, se usa para poner a tierra la
corriente de 60 nA durante el estado de "reinicialización".
Como se ha tratado antes, como la corriente en el condensador de
sonda 21 es constante y como se mide el tiempo que esta corriente
fluye dentro del condensador 21, la resolución de la medida es
constante, con independencia del tamaño del condensador de sonda
21.
La capacidad C_{ref} de la cálula de referencia
44 se mide de una manera que es sustancialmente similar a la medida
de C_{sonda} como se ha tratado anteriormente en el presente
documento, exceptuando que los conmutadores 112, 113, y 115 están
cerrados, y que los conmutadores 111, 114, y 116 están abiertos. De
esta manera, la corriente de 60 nA generada por la fuente de
corriente 110 es aplicada al terminal 132 para la célula de
referencia 44, en lugar de al terminal 134 para el condensador de
sonda 21.
Debido a la naturaleza sensible de la circuitería
de medida 22, los cambios relativamente grandes en la temperatura
ambiente (y en la humedad) pueden generar errores de la medida.
Estos errores generalmente son el resultado de las derivas de la
tensión de desplazamiento inducidas por la temperatura en los
amplificadores operacionales 138, 152, 170, de las capacidades entre
varios componentes montados en placa de circuito impreso, y de los
cambios en la humedad que afectan a la conductibilidad de la
superficie de la placa de circuito. A estas capacidades parásitas
influenciadas por la temperatura y/o la humedad (es decir,
capacidades parásitas distintas de C_{parásita} descritas
anteriormente en el presente documento) se hace referencia de manera
colectiva como "capacidades parásitas de placa". Con el fin de
compensar estos cambios como una función de la temperatura y de la
humedad, se puede proporcionar un microcontrolador 200 con un código
de programa legible por medio de un ordenador (software) que mida
las capacidades parásitas de placa en la calibración y almacene
estos valores (por ejemplo, en una EEPROM 100 de la figu-
ra 4).
ra 4).
Estas medidas parásitas de la tabla se realizan
substancialmente de la misma manera que una medida de sonda o medida
de célula de referencia con la siguiente excepción. Durante una
medida de la capacidad parásita de la placa, los conmutadores 111 al
116 se configuran como se ha declarado anteriormente con respecto a
la medida de C_{sonda}, excepto que el conmutador 111 está
abierto. Esto fuerza a la corriente de 60 nA a fluir dentro de la
circuitería de medida de sonda (sin fluir dentro del condensador de
sonda 21), para permitir la medida de la capacidad parásita de la
placa asociada con la circuitería de medida de la sonda como una
función del tiempo y de la temperatura. De manera similar, se mide
la capacidad parásita asociada con la circuitería de la célula de
referencia como se ha declarado anteriormente en el presente
documento con respecto a la medida de C_{ref}, excepto que el
conmutador 112 está abierto. Estos valores en tiempo real
(C_{calsonda} y C_{calref} de la ecuación 3) se ven afectados
por la temperatura y la humedad y se pueden medir mientras funcione
el instrumento con el fin de compensar cambios en los mismos.
Durante el ciclo de la medida, estos valores de calibración, por
ejemplo, "C_{calsonda}" y "C_{calref}" se pueden
recuperar (por ejemplo, desde la EEPROM 100) y se pueden usar para
modificar la ecuación del nivel anteriormente referenciada (Ec. 1)
para producir la siguiente ecuación de nivel mejorada (Ec. 3):
Ec. 3Nivel =
Const*(((C_{sonda}-C_{sondaaire})-C_{calsonda})/((C_{célularef}
- C_{célularefaire}) -
C_{calref})).
Este cálculo modificado del nivel puede utilizar
de manera ventajosa los valores de calibración de capacidad parásita
de placa almacenados de manera nominal cada vez que se realice un
cálculo del nivel para una precisión de medida mejorada. En el caso
de que estos valores parásitos cambien como una función de la
temperatura y/o de la humedad, esta ecuación de nivel modificada
(Ec. 3) proporciona un término de corrección de la temperatura en
tiempo real. El software de ejemplo usado para llevar a cabo esta
función esta incluido en el Apéndice anejo al presente
documento.
En la realización particular mostrada en las
figuras 3 y 4, el microprocesador 200 puede funcionar como un
procesador "esclavo" acoplado por medio de un puerto de
interfaz 180 (figura 3) al puerto 182 de un microprocesador
"maestro" 210 (figura 4). Como también se muestra, la EEPROM
100 está directamente acoplada al microprocesador 210. En esta
configuración, el microprocesador "maestro" 210 puede
proporcionar alimentación eléctrica al procesador esclavo 200, un
pulso de reloj, y el acceso a la EEPROM 100. El microprocesador
maestro 210 también puede controlar un módulo sin hilos (por
ejemplo, un ASIC) 220 configurado para habilitar la sonda 10 para
que funcione sin hilos por medio de radiofrecuencia u otros medios
sin hilos. Los que sean expertos reconocerán que en las
realizaciones alternativas, la presente invención puede configurarse
sin procesadores duales Maestro / Esclavo y/o sin la capacidad
inalámbrica. Por ejemplo, puede usarse un solo procesador 200,
teniendo la EEPROM 100 u otro dispositivo de almacenamiento de
memoria acoplado directamente al mismo, con o sin módulo sin
hilos
220.
220.
En la especificación anterior, la invención se ha
descrito con referencia a las realizaciones específicas de ejemplo.
Será evidente que pueden hacerse varias modificaciones y cambios a
la misma sin salirse del campo de aplicación de la invención como se
declara en las reivindicaciones que siguen. La especificación y los
dibujos serán de acuerdo con esto, considerados de una manera
ilustrativa en lugar de en sentido restrictivo.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Esquema pasa a página
siguiente)
Habiendo descrito de esta manera la invención, lo
que se reivindica es.
Claims (17)
-
\global\parskip0.970000\baselineskip
1. Un circuito de medida del nivel de la capacidad (28) que comprende:un circuito de control que incluye:un puerto de alimentación (136) acoplable a una fuente de corriente constante (110);un puerto de detector (162) acoplable a un detector de umbral (130);un puerto de sonda (134) acoplable a un condensador de sonda (21);un puerto de referencia (132) acoplable a un condensador de referencia (44);una pluralidad de conmutadores (111, 112, 113, 114) que son activables para acoplar de manera alterna dicho puerto de alimentación (136) a dicho puerto de sonda (134) y a dicho puerto de referencia (132);dicho circuito de control estando configurado para generar de manera alterna una señal de forma de onda de rampa lineal que tiene una pendiente que es proporcional a la magnitud de la capacidad de un condensador de sonda (21) y un condensador de referencia (44) acoplado a dicho puerto de sonda (134) y a dicho puerto de referencia (132);en el que la capacidad parásita entre el condensador de referencia (44) y el condensador de sonda (21) sustancialmente se elimina manteniendo la tensión a través del mencionado condensador de referencia (44) en el mismo nivel que a través del mencionado condensador de sonda (21) durante las medidas del nivel. - 2. El circuito de la reivindicación 1, comprendiendo una fuente de corriente constante (110) acoplada al mencionado puerto de alimentación (136).
- 3. El circuito de la reivindicación 1, comprendiendo:un condensador de sonda (21) acoplado al mencionado puerto de sonda (134); y un condensador de referencia (44) acoplado a dicho puerto de referencia.
- 4. El circuito de la reivindicación 1, estando configurado para mantener un diferencial de tensión de sustancialmente cero voltios entre el condensador de referencia y el condensador de sonda.
- 5. El circuito de la reivindicación 1, comprendiendo de manera adicional un detector de umbral acoplado al mencionado puerto de detector, estando configurado el mencionado detector de umbral para indicar cuándo la forma de onda de la rampa lineal alcanza un umbral.
- 6. El circuito de la reivindicación 5, en el que la señal comprende una forma de onda de tensión de rampa lineal en la que la tensión varía de manera lineal a lo largo de la misma, y dicho detector de umbral está configurado para indicar cuándo la señal alcanza una tensión umbral.
- 7. El circuito de la reivindicación 6, comprendiendo además un temporizador para medir el tiempo transcurrido entre el acoplamiento de dicha fuente de corriente constante a uno de los condensadores de sonda o de referencia, y la señal alcanzando el umbral.
- 8. El circuito de la reivindicación 7, comprendiendo un microprocesador configurado para activar dichos conmutadores y para medir dicho tiempo transcurrido.
- 9. El circuito de la reivindicación 8, en el que dicho microprocesador está configurado para calcular un nivel de material dentro del que está sumergido el condensador de sonda.
- 10. El circuito de la reivindicación 9, en el que dicho microprocesador usa dicha magnitud de la capacidad del condensador de sonda y del condensador de referencia para calcular el nivel del material.
- 11. El circuito de la reivindicación 10, en el que el mencionado microprocesador lleva a la práctica la ecuación:Nivel = Const * ((C_{sonda} - C_{sondaaire}) / (C_{célularef} - C_{célularefaire}),en la que C_{sonda} es la capacidad del condensador de sonda sumergido en el mencionado material, C_{sondaaire} es la capacidad del condensador de sonda en el aire, C_{célularef} es la capacidad del condensador de referencia sumergido en dicho material, C_{célularefaire} es la capacidad del condensador de referencia en el aire, y Const es la longitud axial del condensador de referencia.
- 12. El circuito de la reivindicación 10, comprendiendo un código de programa legible por un ordenador configurado para compensar las capacidades parásitas de placa.
- 13. El circuito de la reivindicación 12, en el que dicho código de programa legible por un ordenador comprende:un código de programa legible por un ordenador para determinar un valor de las capacidades parásitas de placa;un código de programa legible por un ordenador para almacenar dicho valor;un código de programa legible por un ordenador para recuperar dicho valor durante un ciclo de medida; yun código de programa legible por un ordenador para incorporar el mencionado valor para calcular el nivel de material.
- 14. El circuito de la reivindicación 12, en el que dicho código de programa legible por un ordenador implementa la siguiente ecuación:Nivel = Const * (((C_{sonda} - C_{sondaaire}) - C_{calsonda}) / ((C_{célularef} - C_{célularefaire}) - C_{calref})).donde C_{sonda} es la capacidad del condensador de sonda sumergido en el mencionado material, C_{sondaaire} es la capacidad del condensador de sonda en el aire, C_{cálularef} es la capacidad del condensador de referencia sumergido en el mencionado material, C_{célularefaire} es la capacidad del condensador de referencia en el aire, C_{calsonda} es un valor de calibración del condensador de sonda, C_{calref} es un valor de calibración del condensador de referencia, y Const es la longitud axial del condensador de referencia.
- 15. Una sonda de capacidad que comprende el circuito de medida del nivel de capacidad de la reivindicación 1.
- 16. La sonda de la reivindicación 15, comprendiendo:una fuente de corriente constante acoplada a dicho puerto de alimentación; un condensador de sonda acoplado a dicho puerto de sonda;un condensador de referencia acoplado a dicho puerto de referencia;un detector de umbral acoplado a dicho puerto de detector, el mencionado detector de umbral estando configurado para indicar cuándo la forma de onda de rampa lineal alcanza un umbral;en la que el mencionado circuito está configurado para mantener un diferencial de tensión de sustancialmente cero voltios entre el condensador de referencia y el condensador de sonda para eliminar de manera sustancial la capacidad parásita entre los mismos.
- 17. Un procedimiento para determinar la capacidad de una sonda de capacidad de medida del nivel, comprendiendo el mencionado procedimiento:proporcionar un circuito de control;acoplar una fuente de corriente constante al circuito de control;acoplar un condensador de sonda al circuito de selección / control;acoplar un condensador de referencia al circuito de selección / control;dotar al circuito de selección / control con una pluralidad de conmutadores que son activables para acoplar de manera alternada la fuente de corriente constante al condensador de sonda y al condensador de referencia;configurar el circuito de control para generar de manera alterna una señal de forma de onda de rampa lineal que tenga una pendiente que sea proporcional a la magnitud de la capacidad de un condensador de sonda y un condensador de referencia acoplados a dicho puerto de sonda y a dicho puerto de referencia;activar los conmutadores para acoplar de manera alternada la fuente de corriente constante al condensador de sonda y al condensador de referencia; yusar del circuito de control para generar de manera alternada una señal de forma de onda de rampa lineal que tenga una pendiente que sea proporcional a la magnitud de la capacidad de un condensador de sonda y de un condensador de referencia; ymantener un diferencial de tensión de sustancialmente cero voltios entre el condensador de referencia y el condensador de sonda durante el mencionado uso del circuito de control.
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2001
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