JPS5863867A - 静電容量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
対する電蝕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。

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。

第１図において、■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
８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８に設けてい
る抵抗５は出力電流を安定化するフィードバック制御用
の出力電流値を検出している。

一方、変換部２．出力部８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でなるフィルタ回
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。

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っているのは次の理
由による。

まず、変換部２における容１ル値の電気信号への変換は
、パルス的な信号処理によって行なわれるもので、例え
ば、被測定￥γ量の値に対応した時間幅をもったパルス
を周期的に作り出し、このパルスの時間幅に亘ってクロ
ックパルスをＲ１１’Ｌ、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。

このように変換部２においてパルス的なａｔ　月処理が
行なわれると、ＣＭＯ８−ＩＣ／、ｃ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＋ｈ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
よってもノイズが発生するようになる。従って、パルス
的な電流消費が行なわれる変換部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。

勿論、定電圧回路４の出力側に設けているフィルタ用の
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定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、出力電流のフィードバッ
ク制御により抑え込むことが可能であるが、このフィー
ドバック制御は、２線式４〜２０　ｍ　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って、上回るような瞬間的
なノイズになって現われる。それ故、２線化は困難であ
った。

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（Ｋ
号線ラインをもって行なえる所謂２＋ｖｉ！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］］的とする。

以下、本発明を図面に基づいて目（ｌ明する。

第２図は、本発明の一実施例を示した回路ブロック図で
ある。

まず構成を説明すると、１ｏ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って表わした被測定容量１１と直列
に、被ｄ１１］定容量１１を充電するための可変抵抗１
２が設けられ、被測定容ｆｉｌｌと可変抵抗１２との接
続点を電圧コンパレータ１８の一方に入力している。こ
の電圧コンパレータｌＢの他方には、所定の基準電圧■
、を発生する基準電圧源１４が接続されている。ここで
、被ｄ１１］定容量１１の端子電圧をＶｃｌとするとＶ
Ｃ，＞Ｖ、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Ｖａｔが基準電圧Ｖｒ以下になる
とＩ（レベル出力に切換ゎる。　　　゛ ２０は、変換部ｌＯ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変換部で
あり、コンデンサをもって示した内蔵容量２１と直列に
充電用の可変抵抗２２を接続し、内蔵容−ｉＨ！：ｚｌ
と可変抵抗２２との接続点を電圧コンパレータ２３）一
方に入力し、電圧コンパＶ　−タ２３の他方には、変換
部１０に、ｊ、ｒける基準電圧源１４よりの基準電圧Ｖ
ｒを入力している。この変換部２０における電圧コンパ
レータ２Ｂの作動も、変換部１０の電圧コンパレータ１
８と同様に内蔵容ｉ＋ｉ：２１の端子電圧ＶＣ２が基準
電圧Ｖｒを」二回っているときにコンパレータ２８の出
力はＬレベルト７、Ｃリ、端子電圧Ｖｃ　ｔが基準電Ｌ
ト■ｒ以下になるとＨレベル出力に切換わる。

３０はスイッチ部であり、所定周波数のパルス信号を発
生するパルス発生器８１と、このパルス発生器８１のパ
ルス出力により閉じるスイッチ１３２．８８のそれぞれ
を、変換部１０．２０における被６１１］定容量１１お
よび内蔵容量２１のそれぞれと並列接続しており、パル
ス発生器８１よりのパルス４４号によりスイッチ８２．
８８が閉じることにより、被！ｔｉｌｌ定答量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はフィルタ部であり、変換部１０．２０の各
電圧コンパレータ１８，２Ｂの出カニローパスフィルタ
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２■の各値に応じたパルス
幅を有する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、ローパスフィルタ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６８．
６５および入力抵抗６２．６４で定まる所定の増幅率を
もっ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。

７０は差動増幅部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だめの可変抵抗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ｏｏと共通端子０１間に流す出力電流を制御する
。７１：、たトランジスタ７２のエミッタ側には、電流
検出用の抵抗７Ｂが接続され、抵抗７８で検出された出
方’ｔ’［＋、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
フィードバック制御を行なうようにしている。史に８０
は電隙部であり、′電源兼用信号端子９０より供給され
るｌ（＋’　ｆＡＩ−電圧を定１に出回路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、１！（抗８２およびコンデンサ８３でなるフィル
タ回路が設けられ、このフィルタ回路を介して変換部１
．０，２０、スイッチ部８０゜フィルタ部４０、差動増
幅部（Ｓｏおよび出力部７ｏのそれぞれに電源電圧を供
給している。

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１１１の値に応じた時
間幅を有するパルス信号の出カ作用を第８図のタイムチ
ャートを参照して説明する。

スイッチ部８０におけるパルス発生器３１よりのパルス
信号によりスイッチ８２は一定周期毎にオンしており、
スイッチ８２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１うとし、基準電圧Ｖ、＝ａＥ　（ａ（ｌ　
）とすると、スイッチ８２が開いた時から可変抵抗１２
を介して■。ｌ　””　ａ　Ｅに充電されるまでの時間
ｔ、は、 ａＢ−Ｅ（１−ｅ”Ｈ”　０ＩＩ　） （但し、■ｔ１２は抵抗１２の値、ＣＩ＋は被測定容量
の値）であることがら、 ｔ□＝　　ａｔ、２ｓ　　ｃ、、　　ｓ　　ｔｎ（−）
　　　　　甲、、、α）−ａ （但し、ｔｎ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Ｃ，と測定したいところαυ の変化する容量Ｃｖの和であり、 ｃ、、　＝　ｃ、　十ｃｖ１．１１．−　（２）となっ
ている。この固定客１ｔＣ−は測定対象により測定容ｔ
ＩＣｖＯ数分の−〜数倍の値をもつようになり、この固
定客ｌｆｃ、を打ち消して、６１１１定容ｆｉｌ：　Ｃ
ｖのみを測定するための手段として変換部２０における
内蔵容Ｍ：２１と可変抵抗２２を直列接続し、スイッチ
８２に同期して被１（１）定容１＞（：１１と同様にス
イッチ８８のオフにより、内蔵容）１２１を充電させる
回路を設けている。この変換部２０における内蔵容１１
２１の端子電圧Ｖ（２””　ａ　Ｅとなる１Ｆでの充電
時間ｔｌｌは前記第（１）式と同様に、 として与えられる。

このような変換部１０．２０における被測定容量１１お
よび内蔵容ｔｆｔ２１の充電時間ＩＡ、　１．のそれぞ
れの計測は、変換部１０を例にとると、第８図のタイム
チャートに示すようにスイッチ８２がオンから０２） オフに切換わった時に被測定容量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Ｃｏに
依存して定まり、被測定容量１１の端子電圧Ｖｃ＋はこ
の時定数に従って上昇する。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１８の出力はＨレベルにあり、端子電圧Ｖｃｌが基準
電圧■ｒ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、所定時間後にスイッチ８２が閉じると
、それまで充電されていた被測定容−ｆｆｉｌｌが放電
リセットされ、コンパレータ１８の出力は、再びＨレベ
ルにもどるようになる。その結果第８図のタイムチャー
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カ増加するとコンパレータ１８のＬレベル
に立ち下っ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ＣＩ＋が小さくなるとコンパレ
ータ１８の出力のＬレベルに立ち下っている時間が短く
なり、その結果被測定容ｉ什１１の容置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１８から出力されるようになる。

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
り出す作用は変換部２０についても同様である。

変換部１０．２０において、被測定容ｋｔ１．］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
ルス信号はフィルタ部４０に設けているローパスフィル
タ４１．５１のそれぞれで１α流’１１Ｌ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ではローパスフィルタ４１．５１よリノ直流電圧の
差に基づいた信号を出力する。すなわち、ローパスフィ
ルタ４．１より出力される直流分′電圧１シ、は、前記
第（１）、　（２）式を用いて・・・・・・（４） （但し、ｋは比例定数）となり、又ローパスフィルタ５
１より出力される直流分電圧Ｅ、は、前記第（８）式を
用いて となる。ここで抵抗６２〜６５のそれぞれの値を増幅器
６１の出力は ・・・・・（６） となり、この（Ｅ、−ＥＡ）となる電圧が可変抵抗６６
の両端に表われる。

ここで測定上、不必要な固定容量分Ｃ２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変換部
２ｏにおける可変抵抗２２の値を調整シ、■モ、！・Ｃ
２１−Ｒ，２・Ｃ７とすれば良い。このように変換部１
０．２０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 Ｃ５） 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。

このようにして差動増幅部（５０においては、被測定容
量１１における固定容量：Ｃ２を除いた変化する容量Ｃ
ｖにのみ対応したｆｌ、１′流′「１イ圧が出力され、
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７Ｂ、帰還
抵抗７５及び入力抵抗７４によるフィードバック制御の
もとに差動増幅部６０よりの直流イＮ　１ｊに比例した
、例えば４〜２０＋ｗＡの出力電流を′１イ源兼用信１
ｊ゛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１１ネ部〔ＳＯ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７（ｌにより行なわれる
。

尚、第２図の実施例におけるスイッチ８２，１３８α６
） をオンしているパルス発生器８０よりのパルス信号のパ
ルス間隔は、被測定容量１１の最大容量によって端子電
圧Ｖｃ＋　＝　ａ　Ｅに充電されるまでの時間ｔＡ以上
とな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ッチ部８０、変換部１
０．２０であるがスイッチ部８ｏにおけるスイッチ８２
．８８として半導体スイッチを使用すれば、パルス発生
器８１の出力は極めてわずかな電力でよく、スイッチ部
８０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１０．２０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の最小値で割った大きさとなり、
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１１．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１０．２０及びスイッ
チ部８ｏ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’Ｉｌｆ、
流のパルス的な変化は生じない。その為変換部１．０，
２０Ｊｖよびスイッチ部８０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８８の容量を小さい
値Ｋ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８）３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８８
に流れ込む電流変化は小さく、１１℃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。史にパルス的に動作する
回路部な変換部１０．２０及びスイッチ部８０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
電流の変化を一眉小さくできる。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。

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６６０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って調整し、
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６７０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（、スパン及
びゼロ点調整は極めて容易に行なうことかでα９） きる。

更に又、変換部ｌＯにおける被測定容量１１に含まれる
固定容量Ｃ２の影響を打ち消すために変換部ＩＯと同一
回路構成を有する変換部２０を設けて固定客ｉｉ：ｃ、
に対応した直流電圧をローパスフィルタ５１を介して作
り出すようにｌ−でいるため、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１８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
する変換部２０における電圧コンパレータ２８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（＄
０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、変換部２０及びフィルタ部５０
としては定電圧諒とボテンシ田メータをもって構成し、
被ｎａ＋定容猪１１における固定客１ｆｔＣ−に対応し
た直流電圧を設定出力するようにしても良い。

ＱＯ） 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ッチ手段と
、被ｄ１１１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ィルタと、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、上記ローパスフィルタと電圧設
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′電流消費によるノイズ
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′１に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ｌＢｆ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
て行なわす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
をもっ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って、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。

尚、本発明の静電容ｉｔ　１ｌｌ１１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。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例を示したブロック図、第２図は
本発明の一実施例を示した回路ブロック図、第８図は第
２図の変換部２０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ャート図
である。 １０．２０・・・変換部　　　１１・・・被測定容量１
２　、２２　、６６　、７６・・・可変抵抗１８　、２
８・・・電圧コンパレータ　１４，６７・・・基準′電
圧源８０・・・スイッチ部　　　８１・・・パルス発生
器８２．８８・・・スイッチ　　　４０　、５０・・・
フィルタ部４１　、５１・・・ローパスフィルタ　６０
・・・差動増幅部６１・・・差動増幅器　　　７０・・
・出力部７１・・・増幅器　　　　　７２・・・トラン
ジスタ８０・・・電源部　　　　　８１・・・定電圧回
路８Ｂ・・・コンデンサ　　　　９０・・・電源兼用信
号端子（２８） ６２、６８．６５．７４．７３．７５．８２・・・抵抗
特許出願人　株式会社東京計器 代理人弁理士　　竹　内　　　通 ■◇ 手続補正書（自発） １、　事件の表示 昭和５６年特井１加第１６２５０８号 ２、発明の名称 静電容垣沖：定装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　東京都大田区南蒲１月２丁目１６損４ｂ号名　
称　（３３Ｂ）株式会社東京計器 ４、　　代　　理　　人　　ぞ　１０５住　Ｔす［東京
都ｎ）″区西新植、三丁目１５番８号西新橋中央ビル４
皓・ ５、補正の対象 四重１書のうと明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 ′（１）　　明細書第５頁泊１３行目「安定性」を「安
全性」と補正する〇 （２）　　Ｉ！ＩＪ削書第６負第３行１１　ｒ−１−回
るような瞬時的な」を「上回るような場合にはｅｔ時的
な」と補正する。 （３）［す３細書第１コ３頁第１５行［Ｉ　Ｅｌ加する
」を「小になる」と補止する。 （４）明細書第１３貞２１１１７行１゛１「小きく斤る
」を「大になる」と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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ッチ手段
   と、上記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、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ィルタと、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、上記ローパスフィルタと電圧
   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、前記スイッチ
   手段に同期して該コンデンサを放電させる他のスイッチ
   手段と、前Ｈ＋、’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
   幅のパルスイｉ゛号を出力するコンパレータと、該コン
   パｌノー夕の出力パルスを直流電圧に変換するローパス
   フィルタとでなる特許請求の範囲第１項Ｎ【９１載の静
   電界−１ｄ−測定装置。