JPH0334028B2 - - Google Patents

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JPH0334028B2
JPH0334028B2 JP56162508A JP16250881A JPH0334028B2 JP H0334028 B2 JPH0334028 B2 JP H0334028B2 JP 56162508 A JP56162508 A JP 56162508A JP 16250881 A JP16250881 A JP 16250881A JP H0334028 B2 JPH0334028 B2 JP H0334028B2
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Japan
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voltage
output
capacitance
capacitor
circuit
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JP56162508A
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JPS5863867A (en
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Masao Kawai
Taichi Komachi
Mototaka Konishi
Noriaki Saito
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Tokyo Keiki Inc
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Tokyo Keiki Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測定容量の変化に応じた信号出力
を生ずる静電容量測定装置に関し、特に測定信号
の出力と装置に対する電源供給とを同じ信号線を
用いて行なえるようにした2線式の静電容量測定
装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a capacitance measuring device that generates a signal output in response to a change in capacitance to be measured, and in particular can output a measurement signal and supply power to the device using the same signal line. The present invention relates to a two-wire capacitance measuring device.

従来、液面レベルの検出等に用いられる静電容
量測定装置としては、例えば第1図に示すような
ものがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a capacitance measuring device used for detecting a liquid level, etc., there is, for example, one shown in FIG.

第1図において、1は測定しようとする静電容
量を感知する電極であり、電極1で感知された静
電容量は変換部2において容量値に応じた電気信
号に変換され、出力部3により例えば4〜20mA
の測定出力とされて、信号出力端子8aより出力
される。尚、出力部3に設けている抵抗5は出力
電流を安定化するフイードバツク制御用の出力電
流値を検出している。
In FIG. 1, numeral 1 is an electrode that senses the capacitance to be measured. For example 4~20mA
The measured output is output from the signal output terminal 8a. Note that a resistor 5 provided in the output section 3 detects an output current value for feedback control to stabilize the output current.

一方、変換部2、出力部3に対する電源供給
は、電源入力端子8bを介して与えられる直流電
圧を定電圧回路4で安定化し、抵抗6及びコンデ
ンサ7でなるフイルタ回路を介して行なうように
している。尚、8cは電源入力端子8bと信号出
力端子8aに対する共通端子である。
On the other hand, power is supplied to the converting section 2 and the output section 3 by stabilizing the DC voltage applied via the power input terminal 8b with a constant voltage circuit 4 and via a filter circuit consisting of a resistor 6 and a capacitor 7. There is. Note that 8c is a common terminal for the power input terminal 8b and the signal output terminal 8a.

ところで、第1図の従来装置において、電源供
給と信号出力とを別々の信号線で分けて行なつて
いるのは次の理由による。
By the way, in the conventional device shown in FIG. 1, power supply and signal output are performed using separate signal lines for the following reason.

まず、変換部2における容量値の電気信号への
変換は、パルス的な信号処理によつて行なわれる
もので、例えば、被測定容量の値に対応した時間
幅をもつたパルスを周期的に作り出し、このパル
スの時間幅に亘つてクロツクパルスを計数し、計
数したデジタル値をアナログ変換して出力するよ
うにしている。
First, the conversion of the capacitance value into an electrical signal in the converter 2 is performed by pulse-like signal processing, for example, by periodically generating a pulse with a time width corresponding to the value of the capacitance to be measured. , the clock pulses are counted over the time width of these pulses, and the counted digital values are converted into analog and output.

このように変換部2においてパルス的な信号処
理が行なわれると、CMOS−ICなどの消費電流
の少ない素子を使用していたとしても、動作時に
かなり大きいパルス的な電流消費が行なわれ、瞬
間的に大きな電流を消費することから、ノイズ発
生の原因となる。このノイズ防止のためには、一
般に、大容量のコンデンサを設けて電圧変動を吸
収することで回路の安定化を図るが、コンデンサ
から消費された電力分については、当然のことな
がら電源供給ラインを通じてコンデンサへ充電さ
れることとなり、コンデンサに電源から流れ込む
電流によつてもノイズが発生するようになる。従
つて、パルス的な電流消費が行なれる変換部3を
有する従来装置では、信号出力ラインにノイズが
混入することによる誤差を確実に防止するために
は、信号出力ラインとは別に専用の電源供給ライ
ンを設ける所謂3線式とせざるを得ないものであ
る。
When pulse-like signal processing is performed in the converter 2 in this way, even if an element with low current consumption such as a CMOS-IC is used, a considerably large pulse-like current consumption occurs during operation, resulting in instantaneous It consumes a large amount of current, which causes noise. To prevent this noise, the circuit is generally stabilized by installing a large capacity capacitor to absorb voltage fluctuations, but of course the power consumed by the capacitor is absorbed through the power supply line. The capacitor will be charged, and noise will also be generated by the current flowing into the capacitor from the power supply. Therefore, in a conventional device having a converter 3 that can consume current in a pulsed manner, in order to reliably prevent errors caused by noise entering the signal output line, a dedicated power supply is required separately from the signal output line. There is no choice but to use the so-called three-wire system, which has two lines.

勿論、定電圧回路4の出力側に設けているフイ
ルタ用のコンデンサ7に大容量のものを使用する
ことで、2線式にした場合にも、パルス的な電流
消費で生ずるノイズはある程度防げるが、工業用
に使用されるこの種の装置では、防爆構造とする
ことが安全性の点から要求されており、一般に大
容量のコンデンサの使用は防爆構造の点から困難
であるので実用的でない。また、パルス的な電流
消費により発生したノイズは、出力電流のフイー
ドバツク制御により抑え込むことが可能である
が、このフイードバツク制御は、2線式4〜20m
A出力電流の場合には、瞬間的な電流値が信号に
よるところの出力電流値を下回るときのみ有効で
あつて、上回るような場合には瞬時的なノイズに
なつて現われる。それ故、2線化は困難であつ
た。
Of course, by using a large-capacity filter capacitor 7 provided on the output side of the constant voltage circuit 4, noise caused by pulsed current consumption can be prevented to some extent even in the case of a two-wire system. This type of equipment used for industrial purposes is required to have an explosion-proof structure from the point of view of safety, and the use of large-capacity capacitors is generally impractical because it is difficult from the point of view of the explosion-proof structure. In addition, noise generated by pulsed current consumption can be suppressed by feedback control of the output current, but this feedback control is
In the case of the A output current, it is effective only when the instantaneous current value is less than the output current value according to the signal, and when it exceeds it, it appears as instantaneous noise. Therefore, it was difficult to create two lines.

本発明は、このような従来の問題点に着目して
なされたもので、被測定容量の値を電気信号に変
換するための信号処理における消費電流のパルス
的な変化を最小限に抑える回路とすることによ
り、大容量の電源コンデンサを使用することな
く、電源供給と信号出力とを同一の信号線ライン
をもつて行なえる所謂2線式を実現し、ノイズの
影響を実質上無視できる程度に低減すると共に出
力電流のゼロ及びスパン調整についても容易に行
なえるようにした本質的に防爆構造をもつ2線式
の静電容量測定装置を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made by focusing on such conventional problems, and provides a circuit and a circuit that minimizes pulse-like changes in current consumption in signal processing for converting the value of a capacitance to be measured into an electrical signal. By doing so, we have realized a so-called two-wire system in which power supply and signal output can be performed using the same signal line without using a large-capacity power supply capacitor, and the influence of noise can be virtually ignored. It is an object of the present invention to provide a two-wire capacitance measuring device having an essentially explosion-proof structure, which reduces the amount of output current and allows easy zero and span adjustment of the output current.

以下、本発明を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained based on the drawings.

第2図は、本発明の一実施例を示した回路ブロ
ツク図である。
FIG. 2 is a circuit block diagram showing one embodiment of the present invention.

まず構成を説明すると、10は被測定容量の値
に応じた時間幅を有するパルス信号を作り出す変
換部であり、可変コンデンサーをもつて表わした
被測定容量11と直列に、被測定容量11を充電
するための可変抵抗12が設けられ、被測定容量
11と可変抵抗12との接続点を電圧コンパレー
タ13の一方に入力している。この電圧コンパレ
ータ13の他方には、所定の基準電圧Vrを発生
する基準電圧源14が接続されている。ここで、
被測定容量11の端子電圧をVc1とするとVc1Vr
の時電圧コンパレータ13はLレベル出力を生じ
ており、端子電圧Vc1が基準電圧Vr以下になると
Hレベル出力に切換わる。
First, to explain the configuration, numeral 10 is a conversion unit that generates a pulse signal having a time width according to the value of the capacitance to be measured, and the capacitance to be measured 11 is charged in series with the capacitance to be measured 11 represented by a variable capacitor. A variable resistor 12 is provided for this purpose, and the connection point between the capacitance to be measured 11 and the variable resistor 12 is input to one side of the voltage comparator 13. The other end of the voltage comparator 13 is connected to a reference voltage source 14 that generates a predetermined reference voltage Vr. here,
If the terminal voltage of the capacitor to be measured 11 is V c1 , then Vc1V r
At this time, the voltage comparator 13 produces an L level output, and when the terminal voltage V c1 becomes equal to or lower than the reference voltage V r , the voltage comparator 13 switches to an H level output.

20は、変換部10における被測定容量11に
含まれている固定容量分をうち消して変化分のみ
を取り出すための固定容量に応じた直流電圧を作
り出すための電圧設定回路であり、コンデンサを
もつて示した内蔵容量21と直列に充電用の可変
抵抗22を接続し、内蔵容量21と可変抵抗22
との接続点を電圧コンパレータ23の一方に入力
し、電圧コンパレータ23の他方には、変換部1
0における基準電圧源14よりの基準電圧Vr
入力している。この電圧設定回路20における電
圧コンパレータ23の作動も、変換部10の電圧
コンパレータ13と同様に内蔵容量21の端子電
圧Vc2が基準電圧Vrを上回つているときにコンパ
レータ23の出力はLレベルとなり、端子電圧
Vc2が基準電圧Vr以下になるとHレベル出力に切
換わる。
20 is a voltage setting circuit for generating a DC voltage according to the fixed capacitance in order to cancel out the fixed capacitance included in the measured capacitance 11 in the converter 10 and extract only the changed amount, and 20 has a capacitor. A variable resistor 22 for charging is connected in series with the built-in capacitor 21 shown in FIG.
The connection point with the converter 1 is input to one side of the voltage comparator 23, and the other side of the voltage comparator
The reference voltage V r from the reference voltage source 14 at 0 is input. The operation of the voltage comparator 23 in this voltage setting circuit 20 is similar to that of the voltage comparator 13 of the converter 10, and when the terminal voltage V c2 of the built-in capacitor 21 exceeds the reference voltage V r , the output of the comparator 23 is at L level. Therefore, the terminal voltage
When V c2 becomes lower than the reference voltage V r , it switches to H level output.

30はスイツチ部であり、所定周波数のパルス
信号を発生するパルス発生器31と、このパルス
発生器31のパルス出力により閉じるスイツチ3
2,33のそれぞれを、変換部10、電圧設定回
路20における被測定容量11および内蔵容量2
1のそれぞれと並列接続しており、パルス発生器
31よりのパルス信号によりスイツチ32,33
が閉じることにより、被測定容量11および内蔵
容量21のそれぞれが周期的に放電されるもので
ある。40はフイルタ部であり、変換部10、電
圧設定回路20の各電圧コンパレータ13,23
の出力にローパスフイルタ41,51を設け、変
換部10,20で作り出された被測定容量11お
よび内蔵容量21の各値に応じたパルス信号を直
流電圧に変換して出力する。60は差動増幅部で
あり、ローパスフイルタ41および51の出力す
る直流電圧を抵抗62,64のそれぞれを介して
入力した差動増幅器61を有し、帰還抵抗63,
65および入力抵抗62,64で定まる所定の増
幅率をもつて両入力電圧の差に応じた信号を増幅
出力するようになり、差動増幅器61の出力に
は、出力電流のスパン調整を行なうための可変抵
抗66が基準電圧源67によるバイアスを受けて
接続されている。
30 is a switch section, which includes a pulse generator 31 that generates a pulse signal of a predetermined frequency, and a switch 3 that is closed by the pulse output of this pulse generator 31.
2 and 33 as the capacitance to be measured 11 and the built-in capacitor 2 in the converter 10, voltage setting circuit 20, respectively.
1, and switches 32 and 33 are connected in parallel with each of switches 32 and 33 by the pulse signal from the pulse generator 31.
By closing, each of the capacitor to be measured 11 and the built-in capacitor 21 is periodically discharged. 40 is a filter section, and each voltage comparator 13, 23 of the conversion section 10 and the voltage setting circuit 20
Low-pass filters 41 and 51 are provided at the outputs of converters 10 and 20 to convert pulse signals corresponding to the respective values of capacitance 11 to be measured and built-in capacitance 21 into DC voltages and output the DC voltages. Reference numeral 60 denotes a differential amplifier section, which includes a differential amplifier 61 into which the DC voltage output from the low-pass filters 41 and 51 is input via resistors 62 and 64, respectively, and feedback resistors 63,
65 and input resistors 62 and 64 to amplify and output a signal according to the difference between both input voltages, and the output of the differential amplifier 61 has a predetermined amplification factor determined by the input resistors 62 and 64. A variable resistor 66 is biased by a reference voltage source 67 and connected.

70は出力部であり、差動増幅部60よりのス
パン調整された出力信号に、基準電圧源67の分
圧電圧を作り出して出力電流のゼロ点調整を行な
うための可変抵抗76よりの直流電圧を加算して
増幅する増幅器71を有し、この増幅器71の出
力によりトランジスタ72を駆動して、電源兼用
信号端子90と共通端子91間に流す出力電流を
制御する。またトランジスタ72のエミツタ側に
は、電流検出用の抵抗73が接続され、抵抗78
で検出された出力電流に比例した検出電圧は抵抗
75を介して増幅器71の入力の一方に帰還接続
され、出力電流のフイードバツク制御を行なうよ
うにしている。更に80は電源部であり、電源兼
用信号端子90より供給される直流電圧を定電圧
回路81で所定の電源電圧に安定化して出力し、
定電圧回路81の出力側には、抵抗82およびコ
ンデンサ83でなるフイルタ回路が設けられ、こ
のフイルタ回路を介して変換部10,20、スイ
ツチ部30、フイルタ部40、差動増幅部60お
よび出力部70のそれぞれに電源電圧を供給して
いる。
Reference numeral 70 denotes an output section, in which a DC voltage is applied to the span-adjusted output signal from the differential amplifier section 60 through a variable resistor 76 for creating a divided voltage of a reference voltage source 67 and adjusting the zero point of the output current. The output of the amplifier 71 drives a transistor 72 to control the output current flowing between the power signal terminal 90 and the common terminal 91. Further, a resistor 73 for current detection is connected to the emitter side of the transistor 72, and a resistor 78
A detection voltage proportional to the output current detected by the amplifier 71 is feedback-connected to one of the inputs of the amplifier 71 via a resistor 75, so as to perform feedback control of the output current. Furthermore, 80 is a power supply section, which stabilizes the DC voltage supplied from the power supply/signal terminal 90 to a predetermined power supply voltage using a constant voltage circuit 81 and outputs the stabilized voltage.
A filter circuit consisting of a resistor 82 and a capacitor 83 is provided on the output side of the constant voltage circuit 81, and the converters 10, 20, the switch section 30, the filter section 40, the differential amplifier section 60 and the output are connected through this filter circuit. A power supply voltage is supplied to each of the sections 70.

次に、第2図に示す本発明の実施例の作用を説
明する。まず変換部10における被測定容量11
の値に応じた時間幅を有するパルス信号の出力作
用を第3図のタイムチヤートを参照して説明す
る。
Next, the operation of the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 will be explained. First, the capacitance to be measured 11 in the converter 10
The output effect of a pulse signal having a time width corresponding to the value of will be explained with reference to the time chart of FIG.

スイツチ部30におけるパルス発生器31より
のパルス信号によりスイツチ32は一定周期毎に
オンしており、スイツチ32がオフしている状態
で被測定容量11に対しては可変抵抗12を介し
て定電圧回路81よりの電源供給が行なわれる。
今、定電圧回路81より供給される電源電圧をE
とし、基準電圧Vr=aE(a<1)とすると、スイ
ツチ32が開いた時から可変抵抗12を介して
Vc1=aEに充電されるまでの時間tAは、 (但し、R12は抵抗12の値、C11は被測定容量の
値)であることから、 tA=R12・C11・lo(1/1−a) ……(1) (但し、loは自然対数を示す) として与えられる。ここで被測定容量11の容量
C11は一定の固定した容量CFと測定したいところ
の変化する容量CVの和であり、 C11=CF+CV ……(2) となつている。この固定容量CFは測定対象によ
り測定容量CVの数分の一〜数倍の値をもつよう
になり、この固定容量CFを打ち消して、測定容
量CVのみを測定するための手段として電圧設定
回路20における内蔵容量21と可変抵抗22を
直列接続し、スイツチ32に同期して被測定容量
11と同様にスイツチ33のオフにより、内蔵容
量21を充電させる回路を設けている。この電圧
設定回路20における内蔵容量21の端子電圧
Vc2=aEとなるまでの充電時間tBは前記第(1)式と
同様に、 tB=R22・C21・lo(1/1−a) ……(3) として与えられる。
The switch 32 is turned on at regular intervals by a pulse signal from the pulse generator 31 in the switch unit 30, and when the switch 32 is turned off, a constant voltage is applied to the capacitor 11 through the variable resistor 12. Power is supplied from the circuit 81.
Now, the power supply voltage supplied from the constant voltage circuit 81 is E
If the reference voltage V r = aE (a < 1), then from the time the switch 32 is opened, the voltage is applied via the variable resistor 12
The time t A until charging to V c1 = aE is (However, since R 12 is the value of the resistor 12 and C 11 is the value of the capacitance to be measured), t A = R 12・C 11lo (1/1-a) ...(1) (However, , lo indicates the natural logarithm). Here, the capacitance of the measured capacitor 11
C 11 is the sum of the fixed capacitance C F and the changing capacitance C V that is to be measured, and is as follows: C 11 = C F + C V (2). This fixed capacitance C F has a value ranging from a fraction to several times the measured capacitance C V depending on the object to be measured . A circuit is provided in which the built-in capacitor 21 and variable resistor 22 in the voltage setting circuit 20 are connected in series, and the built-in capacitor 21 is charged in synchronization with the switch 32 by turning off the switch 33 in the same way as the capacitance to be measured 11. The terminal voltage of the built-in capacitor 21 in this voltage setting circuit 20
The charging time t B until V c2 = aE is given as t B = R 22 ·C 21 · lo (1/1-a) (3), similar to the above equation (1).

このような変換部10、電圧設定回路20にお
ける被測定容量11および内蔵容量21の充電時
間tA、tBのそれぞれの計測は、変換部10を例に
とると、第3図のタイムチヤートに示すようにス
イツチ32がオンからオフに切換わつた時に被測
定容量11に対する充電が可変抵抗12を介して
開始され、この充電時定数は、可変抵抗12の値
が一定であることから、被測定容量C11に依存し
て定まり、被測定容量11の端子電圧Vc1はこの
時定数に従つて上昇する。端子電圧Vc1が基準電
源14による基準電圧Vr以下の時には、電圧コ
ンパレータ13の出力はHレベルにあり、端子電
圧Vc1が基準電圧Vrを上回ると電圧コンパレータ
13の出力はLレベルに立ち下り、所定時間後に
スイツチ32が投じると、それまで充電されてい
た被測定容量11が放電リセツトされ、コンパレ
ータ13の出力は、再びHレベルにもどるように
なる。その結果第3図のタイムチヤートから明ら
かなようにAで示すように、被測定容量11の容
量C11が小になるとコンパレータ13のLレベル
に立ち下つている時間幅は長くなり、またBに示
すように被測定容量11の容量C11が大になると
コンパレータ13の出力のLレベルに立ち下つて
いる時間が短くなり、その結果被測定容量11の
容量C11に応じてHレベルとなる時間幅の変化す
るパルス信号がコンパレータ13から出力される
ようになる。
Taking the converter 10 as an example, the measurement of the charging times t A and t B of the capacitor 11 to be measured and the built-in capacitor 21 in the converter 10 and the voltage setting circuit 20 is as shown in the time chart in FIG. As shown, when the switch 32 is turned from on to off, charging of the capacitor 11 to be measured starts via the variable resistor 12, and since the value of the variable resistor 12 is constant, the charging time constant It is determined depending on the capacitance C 11 , and the terminal voltage V c1 of the capacitance to be measured 11 increases in accordance with this time constant. When the terminal voltage V c1 is lower than the reference voltage V r from the reference power supply 14, the output of the voltage comparator 13 is at H level, and when the terminal voltage V c1 exceeds the reference voltage V r , the output of the voltage comparator 13 goes to L level. When the switch 32 is turned on after a predetermined time, the capacitor 11 to be measured that has been charged up to that point is reset to discharge, and the output of the comparator 13 returns to the H level again. As a result, it is clear from the time chart in FIG. 3 that as the capacitance C 11 of the capacitance to be measured 11 becomes smaller, as indicated by A, the time period during which the comparator 13 falls to the L level becomes longer, and As shown in the figure, when the capacitance C 11 of the capacitor 11 to be measured becomes large, the time for the output of the comparator 13 to fall to the L level becomes shorter, and as a result, the time for the output to reach the H level corresponds to the capacitance C 11 of the capacitor 11 to be measured. A pulse signal whose width changes is output from the comparator 13.

このような容量に応じた時間幅を有するパルス
信号を作り出す作用は電圧設定回路20について
も同様である。
The same effect is applied to the voltage setting circuit 20 to generate a pulse signal having a time width corresponding to the capacitance.

変換部10、電圧設定回路20において、被測
定容量11および内蔵容量21のそれぞれの値に
応じた時間幅を有するパルス信号はフイルタ部4
0に設けているローパスフイルタ41,51のそ
れぞれで直流電圧に変換され、差動増幅部60に
与えられるようになる。差動増幅部60ではロー
パスフイルタ41,51よりの直流電圧の差に基
づいた信号を出力する。すなわち、ローパスフイ
ルタ41より出力される直流分電圧EAは、前記
第(1)、(2)式を用いて EA=k・tA=k・R12・(CF+CV
)・lo(1/1−a)……(4) (但し、kは比例定数)となり、又ローパスフイ
ルタ51より出力される直流分電圧EBは、前記
第(3)式を用いて EB=k・tB=k・R22・C21・lo(1/1−a) ……(5) となる。ここで抵抗62〜65のそれぞれの値を
R61〜R65とし、且つR62/R64=R62/R63とすると、差動 増幅器61の出力は EB−EA=(CR22・C21−R12・CF−R12・CV
・k・lo(1/1−a)……(6) となり、この(EB−EA)となる電圧が可変抵抗
66の両端に表われる。
In the conversion section 10 and the voltage setting circuit 20, a pulse signal having a time width corresponding to the respective values of the capacitance to be measured 11 and the built-in capacitance 21 is passed through the filter section 4.
The voltage is converted into a DC voltage by low-pass filters 41 and 51 provided at 0, and is applied to the differential amplification section 60. The differential amplification section 60 outputs a signal based on the difference between the DC voltages from the low-pass filters 41 and 51. In other words, the DC voltage component E A output from the low-pass filter 41 is calculated as E A =k・t A =k・R 12・(C F +C V
)・l o (1/1-a)...(4) (where k is a proportionality constant), and the DC component voltage E B output from the low-pass filter 51 is calculated using the above equation (3). E B =k・t B =k・R 22・C 21lo (1/1−a) ...(5). Here, the respective values of resistors 62 to 65 are
When R 61 to R 65 and R 62 /R 64 = R 62 /R 63 , the output of the differential amplifier 61 is E B −E A = (CR 22・C 21 −R 12・C F −R 12CV
・k・l o (1/1−a) (6), and a voltage of (E B −E A ) appears across the variable resistor 66.

ここで測定上、不必要な固定容量分CFを打ち
消すには、例えば被測定容量11として液面レベ
ルの検出を例にとると、液面レベルがゼロレベル
の状態において電圧設定回路20における可変抵
抗22の値を調整し、R22・C21=R12・CFとすれ
ば良い。このように変換部10、電圧設定回路2
0における時定数の関係を等しく設定すると前記
第(6)式は EB−EA=−R12・CV・k・lo(1/1−a) ……(7) となり、変化する容量CVにのみ対応した直流信
号が得られるようになる。
Here, in order to cancel the unnecessary fixed capacitance C F in measurement, for example, when detecting the liquid level as the capacitance to be measured 11, when the liquid level is at zero level, the voltage setting circuit 20 can be adjusted. The value of the resistor 22 may be adjusted so that R 22・C 21 =R 12・C F. In this way, the converter 10 and the voltage setting circuit 2
If the relationship between the time constants at 0 is set equal, the above equation (6) becomes E B −E A = −R 12・C V・k・lo (1/1−a) ……(7) and changes. A DC signal corresponding only to the capacitance C V can now be obtained.

このようにして差動増幅部60においては、被
測定容量11における固定容量CFを除いた変化
する容量CVにのみ対応した直流電圧が出力され、
この出力電圧は出力部70における増幅器71に
入力してトランジスタ72を駆動し、電流検出抵
抗73、帰還抵抗75及び入力抵抗74によるフ
イードバツク制御のもとに差動増幅部60よりの
直流信号に比例した、例えば4〜20mmAの出力電
流を電源兼用信号端子90と共通端子91間に接
続された所定の負荷(指示器等)に対して流すよ
うになる。また、出力電流に対するスパン調整
は、差動増幅部60における可変抵抗66により
行なわれ、ゼロ点調整については出力部70に設
けている可変抵抗76により行なわれる。
In this way, the differential amplifier 60 outputs a DC voltage corresponding only to the changing capacitance C V excluding the fixed capacitance C F in the capacitance to be measured 11,
This output voltage is input to the amplifier 71 in the output section 70 to drive the transistor 72, and is proportional to the DC signal from the differential amplifier section 60 under feedback control by the current detection resistor 73, feedback resistor 75, and input resistor 74. For example, an output current of 4 to 20 mmA is caused to flow to a predetermined load (such as an indicator) connected between the power signal terminal 90 and the common terminal 91. Further, span adjustment for the output current is performed by a variable resistor 66 in the differential amplifier section 60, and zero point adjustment is performed by a variable resistor 76 provided in the output section 70.

尚、第2図の実施例におけるスイツチ32,3
3をオフしているパルス発生器30よりのパルス
信号のパルス間隔は、被測定容量11の最大容量
によつて端子電圧Vc1=aEに充電されるまでの時
間tA以上とるようにパルス幅を定める必要があ
る。次に、第2図の実施例におけるパルス的な電
流消費によるノイズについて説明すると、第2図
の実施例においてパルス的に動作する回路部はス
イツチ部30、変換部10、電圧設定回路20で
あるがスイツチ部30におけるスイツチ32,3
3として半導体スイツチを使用すれば、パルス発
生器31の出力は極めてわずかな電力でよく、ス
イツチ部30で瞬間的に消費される電流はごく小
さな値におさえることができる。又変換部10、
電圧設定回路20において被測定容量11、内蔵
容量21を充電するために流す電流の最大値は、
電源電圧Eを可変抵抗12,22の最小値で割つ
た大きさとなり、可変抵抗12,22の最小値を
大きな抵抗値として定めておけば、被測定容量1
1、内蔵容量21を充電するために瞬時的に流れ
る充電電流の値をごく小さな値に制限することが
できる。また、変換部10、電圧設定回路20及
びスイツチ部30以外の回路部は全て直流的に電
流を消費する回路部であるので、これらの回路部
による消費電流のパルス的な変化は生じない。そ
の為変換部10、電圧設定回路20およびスイツ
チ部30におけるごくわずかなパルス的な電流消
費による変動を吸収するだけでよいので、電源部
80に設けているコンデンサ83の容量を小さい
値にしたとしても電源電圧の変動は、殆ど起きず
パルス的な電流消費によるコンデンサ83の電圧
変化に対して定電圧回路81より抵抗82を介し
てコンデンサ83に流れ込む電流変化は小さく、
電源供給ラインを兼ねた信号ラインに対するノイ
ズの影響はほぼ無視できる程度に抑え込むことが
できる。更にパルス的に動作する回路部を変換部
10、電圧設定回路20及びスイツチ部30とい
うようにごくわずかな回路部に抑えているため
に、このパルス的に動作する回路部で消費する直
流電流もごくわずかなものであり、そのため電源
部80における抵抗82の値を相対的に大きくす
ることができ、抵抗82を流れる電流の変化を一
層小さくできる。その結果電源兼用信号端子90
を介して定電圧回路81に流れ込む電源供給用の
電流に生ずる変化は、ごく小さなものとなる。
Note that the switches 32, 3 in the embodiment of FIG.
The pulse interval of the pulse signal from the pulse generator 30 that turns off the capacitor 11 is set so that the pulse width is longer than the time t A until the capacitance to be measured 11 is charged to the terminal voltage V c1 = aE by the maximum capacitance. It is necessary to define Next, to explain the noise caused by pulse-like current consumption in the embodiment shown in FIG. 2, the circuit sections that operate in a pulse-like manner in the embodiment shown in FIG. is the switch 32,3 in the switch section 30
If a semiconductor switch is used as the switch section 3, the output of the pulse generator 31 requires only a very small amount of power, and the current instantaneously consumed by the switch section 30 can be suppressed to a very small value. Also, the conversion unit 10,
The maximum value of the current flowing in the voltage setting circuit 20 to charge the capacitor 11 to be measured and the built-in capacitor 21 is as follows.
It is equal to the power supply voltage E divided by the minimum value of the variable resistors 12 and 22, and if the minimum value of the variable resistors 12 and 22 is set as a large resistance value, the capacitance to be measured 1
1. The value of the charging current that instantaneously flows to charge the built-in capacitor 21 can be limited to a very small value. Further, since all circuit sections other than the conversion section 10, voltage setting circuit 20, and switch section 30 are circuit sections that consume current in a direct current manner, no pulse-like changes in the current consumption by these circuit sections occur. Therefore, it is only necessary to absorb fluctuations due to extremely small pulse-like current consumption in the converting section 10, voltage setting circuit 20, and switch section 30, so even if the capacitance of the capacitor 83 provided in the power supply section 80 is set to a small value, However, there are almost no fluctuations in the power supply voltage, and when the voltage of the capacitor 83 changes due to pulsed current consumption, the change in the current flowing from the constant voltage circuit 81 to the capacitor 83 via the resistor 82 is small.
The influence of noise on the signal line that also serves as a power supply line can be suppressed to an almost negligible level. Furthermore, since the circuit sections that operate in a pulsed manner are kept to a very small number of circuit sections, such as the conversion section 10, the voltage setting circuit 20, and the switch section 30, the DC current consumed by the circuit sections that operate in a pulsed manner is also reduced. This is very small, and therefore the value of the resistor 82 in the power supply section 80 can be made relatively large, and the change in the current flowing through the resistor 82 can be further reduced. As a result, the power supply signal terminal 90
The change that occurs in the power supply current flowing into the constant voltage circuit 81 via the constant voltage circuit 81 is extremely small.

更に、第2図の実施例における出力電流のスパ
ン調整とゼロ調整は、スパン調整については差動
増幅器61の出力側に設けた可変抵抗66の両端
に表われる測定すべき容量の変化に対応した直流
信号の分圧によつて調整し、一方、ゼロ点調整に
ついては可変抵抗66に直列接続した基準電圧源
67の基準電圧を可変抵抗76による分圧で設定
し、このように独立して設定されるスパン調整及
びゼロ調整の各直流電圧を増幅器71で加算して
出力電流を制御するようにしているので、スパン
調整とゼロ点調整について相互に干渉することが
なく、スパン及びゼロ点調整は極めて容易に行な
うことができる。
Furthermore, the span adjustment and zero adjustment of the output current in the embodiment shown in FIG. It is adjusted by dividing the voltage of the DC signal, and on the other hand, for zero point adjustment, the reference voltage of the reference voltage source 67 connected in series with the variable resistor 66 is set by dividing the voltage by the variable resistor 76, and is set independently in this way. Since the output current is controlled by adding the respective DC voltages for the span adjustment and zero adjustment in the amplifier 71, the span adjustment and zero point adjustment do not interfere with each other. It is extremely easy to do.

更に又、変換部10における被測定容量11に
含まれる固定容量CFの影響を打ち消すために変
換部10と同一回路構成を有する電圧設定回路2
0を設けて固定容量CFに対応した直流電圧をロ
ーパスフイルタ51を介して作り出すようにして
いるため、変換部10における抵抗や増幅器の温
度特性による電圧コンパレータ13の出力波形の
パルス幅に変化が起きたとしても、同一構成を有
する電圧設定回路20における電圧コンパレータ
23の出力波形についても同様な変化を生ずるの
で、このような温度特性に依存した出力波形の変
動は次段の差動増幅部60において打ち消され、
温度変化に対して安定した出力が得られるという
利点を有する。尚、温度安定度がさほど重要でな
い場合には、電圧設定回路20及びフイルタ部5
0としては定電圧源とポテンシヨメータをもつて
構成し、被測定容量11における固定容量CF
対応した直流電圧を設定出力するようにしても良
い。
Furthermore, in order to cancel the influence of the fixed capacitance C F included in the capacitance to be measured 11 in the converter 10, a voltage setting circuit 2 having the same circuit configuration as the converter 10 is provided.
0 is provided to generate a DC voltage corresponding to the fixed capacitance C F via the low-pass filter 51, the pulse width of the output waveform of the voltage comparator 13 changes due to the resistance in the converter 10 and the temperature characteristics of the amplifier. Even if this occurs, a similar change will occur in the output waveform of the voltage comparator 23 in the voltage setting circuit 20 having the same configuration. Therefore, such fluctuations in the output waveform depending on temperature characteristics will be caused by the differential amplifier 60 in the next stage. canceled in
It has the advantage of providing stable output against temperature changes. In addition, if temperature stability is not so important, the voltage setting circuit 20 and the filter section 5
0 may be configured with a constant voltage source and a potentiometer to set and output a DC voltage corresponding to the fixed capacitance C F in the capacitor 11 to be measured.

以上説明してきたように、本発明によればその
構成を被測定容量を充電する充電回路とこの充電
回路により充電される被測定容量を周期的に放電
させるスイツチ手段と、被測定容量の端子電圧と
基準電圧とを比較し、被測定容量の充電時定数に
応じた時間幅のパルス信号を出力するコンパレー
タと、このコンパレータの出力パルスを直流電圧
に変換するローパスフイルタと、上記被測定容量
に含まれる固定容量分に応じた直流電圧を設定出
力する電圧設定回路と、上記ローパスフイルタと
電圧設定回路の各出力電圧の差を取り出す差動増
幅回路と、この差動増幅回路の出力に測定出力の
ゼロ点及びスパンの各々を設定する直流電圧を加
算した測定信号を電源供給線を兼ねた2本の出力
信号線を介して出力する出力回路とを設けるよう
にしたため、パルス的に作動する回路部分を最小
限に抑えてパルス的な電源消費によるノイズの発
生を実用上無視できる程度に抑え、このため電源
供給線を兼ねた信号線を用いる2線式を実現する
ことができ、しかもパルス的な消費電流の変化が
小さいことから、電源部に使用するコンデンサの
容量を小さくすることが出来て、本質的に防爆構
造とすることが出来、更に出力電流のゼロ点及び
スパン調整を相互に独立して行なわせるようにし
ていることから、ゼロ点及びスパン調整が干渉を
起すことなく容易に出来るという効果が得られ
る。又、被測定容量に含まれる固定容量分を打ち
消すための直流電圧を作り出す回路として、被測
定容量の値に応じた直流電圧を作り出す回路と同
じ回路構成を有する回路をもつて固定容量分の打
ち消し直流電圧を作り出しているために、温度変
化による被測定容量の検出電圧の変動を相互に打
ち消すことが可能となつて、温度に対する安定度
を向上することが出来るという効果も得られる。
As explained above, according to the present invention, the configuration includes a charging circuit for charging a capacitance to be measured, a switch means for periodically discharging the capacitance to be measured charged by the charging circuit, and a terminal voltage of the capacitance to be measured. and a reference voltage, and outputs a pulse signal with a time width corresponding to the charging time constant of the capacitor under test, a low-pass filter that converts the output pulse of this comparator into a DC voltage, and a low-pass filter that converts the output pulse of the comparator into DC voltage. A voltage setting circuit sets and outputs a DC voltage according to the fixed capacitance, a differential amplifier circuit extracts the difference between the output voltages of the low-pass filter and the voltage setting circuit, and a measurement output is connected to the output of this differential amplifier circuit. An output circuit that outputs a measurement signal obtained by adding DC voltages that set each of the zero point and span through two output signal lines that also serve as power supply lines is installed, so the circuit part that operates in a pulsed manner This minimizes noise generation due to pulsed power consumption to a practically negligible level, making it possible to realize a two-wire system that uses a signal line that also serves as a power supply line. Since the change in current consumption is small, the capacitance of the capacitor used in the power supply can be reduced, making it essentially explosion-proof, and the zero point and span adjustment of the output current can be made independent of each other. Since this is done, it is possible to easily adjust the zero point and span without causing interference. In addition, as a circuit that generates a DC voltage to cancel the fixed capacitance included in the capacitance to be measured, a circuit having the same circuit configuration as a circuit that generates a DC voltage according to the value of the capacitance to be measured is used to cancel the fixed capacitance. Since a DC voltage is generated, fluctuations in the detected voltage of the capacitance to be measured due to temperature changes can be mutually canceled out, and stability with respect to temperature can be improved.

尚、本発明の静電容量測定装置は上記の実施例
に例示された液面レベル計に限定されず、距離等
の所定の物理量を容量に変換できるものについて
はそのまま適用することができる。
The capacitance measuring device of the present invention is not limited to the liquid level meter exemplified in the above embodiment, and can be applied as is to any device that can convert a predetermined physical quantity such as distance into capacitance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来装置の一例を示めしたブロツク
図、第2図は本発明の一実施例を示した回路ブロ
ツク図、第3図は第2図の変換部10における容
量の値に対応した時間幅を有するパルス信号の作
り出しを示したタイムチヤート図である。 10……変換部、11……被測定容量、12,
22,66,76……可変抵抗、13,23……
電圧コンパレータ、14,67……基準電圧源、
20……電圧設定回路、30……スイツチ部、3
1……パルス発生器、32,33……スイツチ、
40,50……フイルタ部、41,51……ロー
パスフイルタ、60……差動増幅部、61……差
動増幅器、70……出力部、71……増幅器、7
2……トランジスタ、80……電源部、81……
定電圧回路、83……コンデンサ、90……電源
兼用信号端子、91……共通端子、62,63,
65,74,73,75,82……抵抗。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a conventional device, FIG. 2 is a circuit block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 3 corresponds to the capacitance value in the converter 10 in FIG. FIG. 3 is a time chart diagram showing the generation of a pulse signal having a time width. 10... Conversion unit, 11... Capacity to be measured, 12,
22, 66, 76... variable resistor, 13, 23...
Voltage comparator, 14, 67...Reference voltage source,
20... Voltage setting circuit, 30... Switch section, 3
1... Pulse generator, 32, 33... Switch,
40, 50... Filter section, 41, 51... Low pass filter, 60... Differential amplifier section, 61... Differential amplifier, 70... Output section, 71... Amplifier, 7
2...transistor, 80...power supply section, 81...
Constant voltage circuit, 83... Capacitor, 90... Power supply/signal terminal, 91... Common terminal, 62, 63,
65, 74, 73, 75, 82...resistance.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 被測定容量を充電する充電回路と、 該充電回路により充電される被測定容量を周期
的に放電させるスイツチ手段と、 上記被測定容量の端子電圧と基準電圧を比較
し、被測定容量の充電時定数に応じた時間幅のパ
ルス信号を出力するコンパレータと、 該コンパレータの出力パルスを直流電圧に変換
するローパスフイルタと、 上記被測定容量に含まれる固定容量分に応じて
設定した直流電圧を出力する電圧設定回路と、 上記ローパスフイルタと電圧設定回路の各出力
電圧の差を取り出す差動増幅回路と、 該差動増幅回路の出力電圧をスパン調整用可変
抵抗及びゼロ点調整用可変抵抗によりスパン及び
ゼロ点調整した後にそのまま又は電流変換して電
源供給線を兼ねた2本の出力線を介して出力する
出力回路と、 を備えたことを特徴とする静電容量測定装置。 2 前記電圧設定回路は、固定容量に対応した容
量を有するコンデンサを充電する充電回路と、前
記スイツチ手段に同期して該コンデンサを放電さ
せる他のスイツチ手段と、前記コンデンサの端子
電圧と前記基準電圧とを比較し該コンデンサの充
電時定数に応じた時間幅のパルス信号を出力する
コンパレータと、該コンパレータの出力パルスを
直流電圧に変換するローパスフイルタとでなる特
許請求の範囲第1項記載の静電容量測定装置。
[Scope of Claims] 1. A charging circuit for charging a capacitor to be measured; a switch means for periodically discharging the capacitor to be measured charged by the charging circuit; , a comparator that outputs a pulse signal with a time width corresponding to the charging time constant of the capacitance to be measured, a low-pass filter that converts the output pulse of the comparator to a DC voltage, and a comparator that outputs a pulse signal with a time width corresponding to the charging time constant of the capacitance to be measured; A voltage setting circuit that outputs a set DC voltage, a differential amplifier circuit that extracts the difference between the output voltages of the low-pass filter and the voltage setting circuit, and a variable resistor for span adjustment and a zero point to adjust the output voltage of the differential amplifier circuit. A capacitance measurement characterized by comprising: an output circuit that adjusts the span and zero point using a variable resistor for adjustment and then outputs the output as it is or after converting the current through two output lines that also serve as power supply lines. Device. 2. The voltage setting circuit includes a charging circuit that charges a capacitor having a capacity corresponding to the fixed capacitance, another switch means that discharges the capacitor in synchronization with the switch means, and a terminal voltage of the capacitor and the reference voltage. The static electricity supply system according to claim 1, comprising: a comparator that compares the charging time constant of the capacitor and outputs a pulse signal with a time width corresponding to the charging time constant of the capacitor; and a low-pass filter that converts the output pulse of the comparator into a DC voltage. Capacitance measuring device.
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