JPH0128324B2

JPH0128324B2 -

Info

Publication number: JPH0128324B2
Application number: JP55053543A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kimura; Hitoshi Akyama
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1980-04-25
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1989-06-02
Also published as: JPS56151309A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、各種物理量を静電容量の変化として
検出のうえ、所定の出力信号へ変換する容量式変
位変換器に関するものである。

従来、かゝる容量式変位変換器は、各種プロセ
スにおける流体圧力等を検出し、電流等の出力信
号へ変換のうえ、遠隔の受信部へ検出結果を伝送
する場合等に用いられており、物理量の変位に応
じて静電容量の変化する可変容量式センサへ交流
電源を印加し、可変容量式センサに通ずる電流を
検波回路によつて直流電圧として検出のうえ、こ
の直流電圧を変換回路により出力電流へ変換する
と共に出力電流回路へ挿入した抵抗器の端子電圧
を取り出し、この端子電圧を変換回路の入力側へ
負帰還として与え、出力電流の安定化を図つてい
る。

また、可変容量式センサに通ずる電流を安定化
するため、検波回路の出力を制御回路へ与えたう
え、制御回路によつて交流電源の出力振幅を負帰
還として制御することもなされている。

しかし、従来の構成においては、出力電流の変
換回路に対する負帰還および交流電源の出力振幅
に対する負帰還が各個別に行なわれていても、全
体としての負帰還ループは形成されておらず、変
換回路の入力側へ外部からの雑音等が混入し、何
等かの外乱が生じたときには、これが加算された
状態で出力電流となり、計測結果に誤差を生ずる
ものとなつていた。

この対策としては、本出願人の別途出願による
「物理量変換装置」（特願昭55−17293号）により、
全体として負帰還ループを形成するものが開示さ
れ、外乱による計測誤差の発生を阻止することが
提案されている。

ただし、可変容量式センサは、差動容量形の場
合、相対向する１対の固定電極間に可動電極が存
在し、物理量に応じて可動電極が固定電極間を移
動することにより、可動電極と各固定電極との間
の静電容量が差動的に変化する構造となつてお
り、与えられる物理量と可動電極の変位との関係
が非直線的であると共に、各電極間の固定的な分
布容量の影響もあり、物理量と静電容量との変換
特性は非直線的となつている。

なお、これは各単一の固定電極と可動電極とに
よつて構成される単一容量形センサの場合も、同
様の関係となつており、可変容量式センサを用い
る変位変換器においては、可変容量式センサの非
直線的変換特性を電気的に補償することが要望さ
れるに至つている。

本発明は、従来のかゝる要望を満足させる目的
を有し、全体としての負帰還ループを形成すると
共に、変換回路として差動入力を有する差動変換
回路を用い、その差動入力間へ出力信号を帰還す
ることにより、任意の非直線性を差動変換回路の
入出力特性として与え、これによつて可変容量式
センサの非直線的変換特性を補償する極めて便利
な容量式変位変換器を提供するものである。

以下、実施例を示す図によつて本発明の詳細を
説明する。

第１図は、差動容量形センサを用いた場合の回
路図であり、出力振幅の制御可能な交流電源１０
１は、制御回路としての差動増幅器１０２により
制御され、差動的静電容量の変化する可変容量素
子１０３，１０４に対してその出力を印加する。

このため、可変容量素子１０３，１０４には、
交流電源１０１の出力における周波数および振幅
に応じ、かつ可変容量素子１０３，１０４の容量
に比例した電流が通じ、これがダイオード１０５
〜１０８により検波され、正の半波が抵抗器１０
９，１１０およびコンデンサ１１１，１１２によ
る低域波器へ流通すると共に、負の半波が抵抗
器１１３とコンデンサ１１４とからなる低域波
器へ通じ、抵抗器１０９には可変容量素子１０３
の容量に比例した端子電圧が生ずる一方、抵抗器
１１０には可変容量素子１０４の容量に比例した
端子電圧が生ずる。

なお、負の半波は抵抗器１１３およびコンデン
サ１１４による低域波器へ流通し、抵抗器１１
３には負の端子電圧が生じており、これは、後述
の負バイアス源として用いられる。

また、抵抗器１０９の端子電圧e₁と抵抗器１１
０の端子電圧e₂とは、入力抵抗器１１５，１１６
を介して、差動増幅器１０２の非反転入力と反転
入力とへ与えられる。

たゞし、差動増幅器１０２の反転入力には、抵
抗器１１３の端子電圧を用いた負バイアス源１１
７の電圧e₃が、抵抗器１１８を介して与えられて
おり、これによつて差動増幅器１０２の動作基準
電圧が定められている。

一方、端子電圧e₁、e₂は、加算用の抵抗器１１
９〜１２１により加算されたうえ、差動変換回路
としての差動増幅器１２２における非反転入力へ
電圧e₄として与えられ、電圧e₀の正バイアス源１
２３から抵抗器１２４を介して反転入力へ印加さ
れている基準電圧e₅との差として増幅された後、
トランジスタ１２５を制御し、抵抗器１２６およ
び帰還用の抵抗器１２７を経て、線路端子１２
８，１２９間に通ずる電流値を定めている。

線路端子１２８，１２９は、２線式線路を介し
受信部の電源１３０および負荷抵抗１３１と接続
されており、電源１３０から線路端子１２８，１
２９へ印加されている電圧を、定電流回路１３２
および定電圧ダイオード１３３により安定化のう
え、電源電圧Ｖとしている。

このほか、抵抗器１２７の端子電圧は、抵抗器
１３４を介して差動増幅器１０２の非反転入力へ
与えられており、これによつて全回路としての負
帰還が施され、線路端子１２８，１２９間に通ず
る電流値の安定化が図られている。

このため、端子電圧e₁とe₂との和が基準電圧e₅
と等しくなる様に、交流電源１０１の出力振幅が
制御されると共に、端子電圧e₁とe₂との差によつ
て交流電源１０１の出力振幅が補正的に制御さ
れ、ダイオード１０５，１０８、抵抗器１０９，
１１０、およびコンデンサ１１１，１１２により
構成される検波回路の検出々力としての端子電圧
e₁、e₂は、交流電源１０１の出力振幅および周波
数変動により変化することが阻止される。

また、差動増幅器１２２の差動入力間すなわ
ち、非反転入力と反転入力との間には、分圧器と
してポテンシヨメータ１３５が接続されており、
その分圧点としての可動片には、出力信号として
線路端子１２８，１２９間へ通ずる電流によつ
て、抵抗器１２７に生ずる端子電圧が印加されて
いる。

したがつて、ポテンシヨメータ１３５の調整に
より、抵抗器１２７からの帰還電圧が、差動増幅
器１２２に対し正帰還または負帰還として与えら
れると共に、帰還量が変化し、これによつて全体
としての変換特性が任意の非直線性を呈し、差動
容量形センサの非直線的変換特性を補正すること
が自在となる。

すなわち、動作原理を示せばつぎのとおりであ
る。

まず、交流電源１０１の出力における振幅を
Ｅ、角周波数をω、抵抗器１０９，１１０の抵抗
値をＲ、可変容量素子１０３，１０４の容量を
C₁、C₂とすれば、端子電圧e₁、e₂は次式によつて
与えられる。

e₁＝EωC₁R ………(1) e₂＝EωC₂R ………(2) また、差動増幅器１２２およびトランジスタ１
２５の増幅率をμ₁、トランジスタ１２５に通ずる
電流をI₁、差動増幅器１０２，１２２側の帰路電
流をI₂、抵抗器１２７に通ずる出力電流をI_pとす
れば、次式が成立する。

（e₄−e₅）μ₁＝I₁ ………(3) I_p＝I₁＋I₂ ………(4) ここで、差動増幅器１０２の増幅率をμ₂とし、
便宜上抵抗器１１５，１１６，１１８，１３４の
抵抗値が等しいものとしたうえ、抵抗器１２７の
抵抗値をR_f、差動増幅器１０２の出力に応じて
交流電源１０１の出力振幅が変化する比例定数を
ａとすれば、次式が得られる。（説明の便宜上出
力電流によつて発生する電圧の全部を帰還したと
する。一部を帰還してもよい）｛（e₁−e_fI_p）−（e₂−e₃）｝μ₂＝aE………(5) また、第２図に部分拡大図を示すとおり、抵抗
器１２１の抵抗値をR₁、ポテンシヨメータ１３
５の全抵抗値をR₂、可動片による分割比をαと
すれば、次式が成立する。

e₄＝［（e₁＋e₂）αR₂／２（R₁＋αR₂）］−［R_fI_pR₁／
（R₁＋αR₂）］………(6) ただし、０＜α＜１である。なお、抵抗器１２
４の抵抗値をR₃とすれば、次式も成立する。（説
明の便宜上出力電流によつて発生する電圧の全部
を帰還したとする。一部を帰還してもよい） e₅＝［（１−α）R₂e₀／｛R₃＋（１−α）R₂｝］−［R_fI₀R₃／｛R₃＋（１−α）R₂｝］………(7) このほか、可変容量素子１０３，１０４の初期
容量をC₀、物理量に応じた電極間隔の変化量と
初期電極間隔との比をＫとすれば、容量C₁、C₂
は差動的に変化するために次式によつて示され
る。

C₁＝C₀１／１−Ｋ ………(8) C₂＝C₀１／１＋Ｋ ………(9) ここで、μ₁、μ₂は非常に大きいので平衡状態で
は差動増幅器１２２の両端の電圧e₄とe₅は等しく
e₄＝e₅となる。簡略化のためR₁＝R₃＝R₀とし、
これ等の関係と(6)式と(7)式を用いると、［（e₁＋e₂）αR₂／２（R₀＋αR₂）］−［R_fI₀R₀／（R₀＋αR₂｝］＝［（１−α）R₂e₀／｛R₀＋（１−α）R₂｝］−［R_fI₀R₀／｛R₀＋（１−α）R₂｝］となる。次に、この式を変形する。

（e₁＋e₂）αR₂／２（R₀＋αR₂）＝（１−α）R₂e₀／｛
R₀＋（１−α）R₂｝ −R_fI₀R₀｛（１−α）R₂−αR₂｝／（R₀＋αR₂）
｛R₀＋（１−α）R₂｝＝（１−α）R₂e₀／｛R₀＋（１−α）R₂｝−R_fI₀R₀R₂（１−2α）／（R₀＋αR₂）｛R₀＋（１−α）R₂｝さらに、左辺の（e₁＋e₂）／２を残して変形す
ると（e₁＋e₂）／２＝（R₀＋αR₂）（１−α）e₀／α｛R₀＋
（１−α）R₂｝＋R_fI₀R₀（１−2α）α｛R₀＋（１−α）R₂
｝＝［（１−α）（R₀＋αR₂）e₀ ＋R_fI₀R₀（１−2α）］／α｛R₀＋（１−α
）R₂｝となる。次に、（e₂−e₃）は（e₁−R_fI₀）に等しく
なるように差動増幅器１０２が動作するので、こ
の関係を用いると e₁−e₂＝R_fI₀−e₃ の関係を得る。

従つて、これ等の（e₁＋e₂）／２と（e₁−e₂）
の比を演算すると２（e₁−e₂）／（e₁＋e₂）＝（R_fI₀−e₃）α｛R₀＋（１
−α）R₂｝／［（１−α）（R₀＋αR₂） e₀R_fI₀R₀（１−2α）］となる。

一方、これ等の比は(1)、(2)、(8)、(9)式を用いて
も、可変容量素子１０３，１０４に関連する値で２（e₁−e₂）／（e₁＋e₂）＝2EωR（C₁−C₂）／EωR（C
₁＋C₂）＝2K と現すことができる。従つて、 2K＝（R_fI₀−e₃）α｛R₀＋（１−α）R₂｝／［（１−α
）（R₀＋αR₂）e₀＋R_fI₀R₀（１−2α）］を得る。

次に、この式を変形すると R_fI₀［2KR₀(1-2α)／α｛R₀＋(1-α)R₂｝−１］＝−2K（１−α）（R₀＋αR₂）e₀ ／α｛R₀＋（１−α）R₂｝−e₃ となる。従つて、 R_fI₀（１−2KA）＝e₃＋2KBe₀ ………(10) となる。

たゞし、Ａ＝（１−2α）R₀／α｛R₀＋（１−α）R₂
｝Ｂ＝（１−α）（R₀＋αR₂）／α｛R₀＋（１
−α）R₂｝である。

したがつて、(10)式から次式が求められる。

I₀＝１／R_f（e₃＋2KBe₀／１−2KA）≒１／R_f｛e₃＋2K（
Be₀＋Ae₃）＋4K²A（Be₀＋Ae₃）｝………(11) なお、Ａはαの値に応じて次のとおりに変化す
る。

０＜α0.5のときＡ＞０ α＝0.5のときＡ＝０ 0.5＜α＜１のときＡ＜１ ………(12) また、総合変換特性を、可変容量素子１０３，
１０４の容量変化に応じて出力電流I₀が大になる
ものとする必要上、（Be₀＋Ae₃）＞０としなければならない。

すなわち、ポテンシヨメータ１３５の調整によ
りαが変化し、Ａがこれに応じた値となるため、
回路上の入出力特性が、上方へ彎曲する凸形の非
直線状あるいは下方へ彎曲する凹形の非直線状と
なり、差動容量形センサの非直線的変換特性を自
在に補償することができる。

なお、α＝0.5のときには、直線的な入出力特
性が得られるため、場合によつては補償を行なわ
ない状態とすることも任意である。

第３図は、単一容量形センサと固定容量とを用
いる場合の回路図であり、差動増幅器１０２の非
反転入力へ、抵抗器１１８を介して正バイアス源
２０１を印加し、基準電圧を設定していると共
に、抵抗器１２７の端子電圧を、抵抗器１３４を
経て印加しており、これによつて全装置としての
負帰還ループを形成している。

また、抵抗器１１０の端子電圧e₂は、抵抗器１
１５，２０２による分圧器を介して差動増幅器１
０２の反転入力へ与えられ、これによつて端子電
圧e₂が一定になるものとして制御される。

一方、抵抗器１０９の端子電圧e₁は、抵抗器１
２１を介して差動増幅器１２２の非反転入力へ与
えられ、抵抗器１２７からの負帰還により、差動
増幅器１２２の両入力間電圧がほぼ零となる状態
で平衡する。

なお、この場合は、抵抗器１１０の端子電圧e₂
が、固定容量２０３の容量に応じて定まるものと
なつている。

したがつて、R₁＝R₃＝R₀とし、部分拡大図を
示す第４図のとおり、ポテンシヨメータ１３５の
分割比をαとすれば、変換特性は次式によつて与
えられる。

I₀＝１／R_f〔（１−2α）R₀K²＋｛α²（R₀＋αR₂）²／
（１−α）²・R₀＋（１−α）R₃e₃＋e₀｝Ｋ＋α｛R₀−（１−α）R₂／（１−α）・（R₀＋αR₂）
e₃−e₀〕………（13）このため、α＞0.5であれば入出力特性が凸形、
α＜0.5であれば入出力特性が凹形、α＝0.5であ
れば入出力特性が直線状となる。

なお、ポテンシヨメータ１３５は、固定抵抗器
を直列接続とした固定分圧器としてもよく、ある
いは固定抵抗器とポテンシヨメータとの組み合せ
としても同様であり、種々の変形が自在である。

以上の説明により明らかなとおり本発明によれ
ば、分圧器の分圧比を設定することにより、任意
の総合変換特性が得られるため、各種可変容量式
センサの非直線的変換特性を容易かつ正確に補償
できるものとなり、可変容量式センサを用いる変
換器において多大の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示し、第１図は差動容量
形センサを用いた場合の回路図、第２図は第１図
の部分拡大図、第３図は単一容量形センサを用い
た場合の回路図、第４図は第３図の部分拡大図で
ある。１０１……交流電源、１０２……差動増幅器
（制御回路）、１０３，１０４……可変容量素子、
１０５〜１０８……ダイオード、１０９，１１０
……抵抗器、１１１，１１２……コンデンサ、１
２２……差動増幅器（差動変換回路）、１２７…
…抵抗器、１３５……ポテンシヨメータ（分圧
器）。

Claims

【特許請求の範囲】

１出力振幅が制御される交流電源と、該交流電
源が印加され検出すべき物理量の変位に応じて静
電容量が変化する可変容量素子と、該可変容量素
子の前記静電容量に比例した電流を検波する検波
回路と、該検波回路の出力を出力信号へ変換する
差動変換回路と、前記出力信号によつて生ずる帰
還電圧が負帰還されると共に前記検波回路の出力
に応じて前記交流電源の前記出力振幅を制御する
制御回路と、前記差動変換回路の差動入力端子の
間に両端が接続され前記出信号によつて生ずる前
記帰還電圧が分圧点に印加されこの分圧点の位置
を調節して非直線補正をする分圧器とからなるこ
とを特徴とする容量式変位変換器。