KR100421573B1 - 커패시턴스형 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 전력이 온된 시점에서, 가변 주파수 발생 회로(5)의 출력은 공진 회로(1)의 공진 주파수와 정합을 유지한다. 피검출물이 검출 전극과 접촉하거나 또는 그 근처에 있게 되고, 공진 회로(1)의 공진 주파수가 변화할 때, 위상 편이는 가변 주파수 발생 회로(5)의 출력단으로부터 발생한다. 편이는 위상 비교 회로(8)에 의해 검출되고, 제어 회로(4)는 가변 주파수 발생 회로(5)의 발진 주파수가 위상 정합을 얻기 위해 변화되도록 제어 전압을 변화시킨다. 이러한 변화는 검출 회로(7)에 의해 검출되고, 대상물의 존재/부재가 검출된다.

Description

커패시턴스형 검출기{Capacitance type detector}

본 발명은 커패시턴스형 검출기(capacitance type detector)에 관한 것으로, 특히 본 발명은 커패시턴스 값으로서 대상물의 유전 상수를 사용하여 가스 또는 분말과 과립 물질처럼 용기에 수용된 물체의 근접 접촉(near contact) 또는 접촉 검출을 위한 커패시턴스형 검출기에 관한 것이다.

종래, 커패시턴스형 검출기는 예를 들면 대상물의 레벨이 검출되어야 할 때 사용되어 왔으며, 이 커패시턴스형 검출기는 액체, 분말, 액체 중의 침전물, 물 및 오일을 포함하는 검출되어야 할 광범위한 범위의 대상물들에 적용될 수 있음에 따라, 용이하게 설치될 수 있고, 가변 유니트(variable unit)를 갖지 않는다.

그러나, 적용 가능한 대상물들의 광범위한 범위는 검출기의 전극 부분의 구조를 변화시킴으로써, 또는 예를 들면 회로의 부품들을 부가하거나 또는 교환시키는 것을 포함하여 부품들을 변화시킴으로써 실현된다. 더욱이, 커패시턴스가 기판의 유전 상수에 기초하여 측정됨에 따라, 검출기는 용기의 커패시턴스같은 환경 커패시턴스(environmental capacitance)에 영향받기 쉽다. 따라서, 현장 눈금 교정(on-site calibration)은 검출기가 용기에 설치될 때 검출 동작전에 필요하고, 이는 상당히 곤란하다. 더욱이, 검출기 동작은 수분 때문에 대상물의 수분 함량이 변할 때 또는 소량의 도전성 물질이 검출기 상에 부착될 때 불안정할 수 있다.

상기 문제점들의 관점에서, 일본 특허 출원 공개 제59-54928호는 커패시턴스형 물질 레벨 지시기(capacitance type material level indicator)를 개시하고 있다. 상기 레벨 지시기는 고정 발진 회로(constant oscillation circuit), 증폭기 회로, 커패시턴스가 피검출물에 따라 변하는 전극체를 갖는 공진 회로, 위상 비교 회로(phase comparing ciruit), 스위치를 갖는 자동 눈금 교정 회로(automatic calibration circuit) 및 출력 회로를 포함한다. 고정 발진 회로로부터의 발진 신호는 여기 신호(excitation singnal)로서 증폭기 회로를 통해 공진 회로에 공급되고, 위상이 공진 회로에 의해 변화되는 여기 신호와 발진 신호 간의 위상 차는 위상 비교 회로에 의해 검출되고, 위상 차에 대응하는 검출 신호는 자동 눈금 교정 회로에 인가된다. 스위치가 눌려졌을 때, 자동 눈금 교정 회로는 검출 신호가 기준 신호와 정합하도록 공진 회로의 동작 특성을 단계적으로 변화시킨다. 더욱이, 발생되는 동작은 기준 신호가 검출 신호와 정합하도록 기준 신호를 변화시킴으로써, 대상물에 대한 적용 및 눈금 교정 동작이 촉진된다.

그러나, 이러한 방법에 있어서, 그것이 단순히 그 현장에서 스위치를 누르는 것이더라도 눈금 교정은 여전히 필요하다. 동작자가 눈금 교정에 실패할 때, 정확한 동작은 보장되지 않는다. 설정 장소를 변화시킬 필요가 있게 될 때, 눈금 교정은 매번 필요하다. 더욱이, 공진 회로의 공진 상태를 이용하기는 곤란하고, 따라서 검출 감도는 변할 수 있다.

일본 특허 출원 공개 제5-87612호는 PLL 회로를 사용하는 액체 레벨 검출기(liquid level detector)인 다른 예를 개시하고 있다. 이 예에서, PLL 회로는 위상 비교 회로, 루프 필터(loop filter; 집적 회로) 및 전압 제어 발진 회로(Voltage controlled oscillation circuit; 이하, VCO 회로)로 구성되고, 여기서 프리-발진 회로(pre-oscillation circuit)는 피검출물에 따라 발진 주파수에서 발진되고, 발진 주파수 신호는 PLL 회로의 위상 비교 회로에 입력되고, 상기 주파수는 대상물을 검출하기 위해 VCO 회로의 주파수 신호와 비교된다.

그러나, 제 2 실시예에서는, 임의의 미리 결정된 하기 조건이 만족되어야 한다.

(1) 어떠한 피검출물도 존재하지 않을 때, 프리-발진 회로의 발진 주파수는 PLL 회로의 락 범위(lock range)에서 벗어나야 하고, 대상물이 접촉하게 되거나 또는 인접하는 경우, 프리-발진 회로의 발진 주파수는 PLL 회로의 락 범위 내로 설정되어야 한다.

(2) 어떠한 피검출물도 존재하지 않을 때, 프리-발진 회로의 발진 주파수는 PLL 회로의 락 범위 내이어야 하고, 대상물이 접촉하게 되거나 또는 근처에 있을 때, 프리-발진 회로의 발진 주파수는 PLL 회로의 락 범위 밖으로 설정되어야 한다.

(3) 어떠한 피검출물도 존재하지 않을 때 그리고 그 대상물이 접촉하거나 또는 근처에 있을 때, 프리-발진 회로의 발진 주파수는 PLL 회로의 락 범위 내로 설정되어야 한다.

프리-발진 회로의 주파수의 변화 범위 및 PLL 회로의 락 범위가 제한된 조건을 만족시키도록 설정되어야 할 때, 현장 및 대상물이 고려되어야 하고, 따라서, 설정은 매우 어렵다. 다시 말해, 적용 범위가 제한될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 임의의 눈금 교정이 없고, 다루기 용이하고, 검출 감도 변화가 없고, 광범위한 조건 하에 사용할 수 있고, 대상물의 전도도에 민감하지 않고, 정전기에 강한 커패시턴스형 검출기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 블록도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시턴스형 검출기의 외관을 나타내는 도면.

도 3b 및 3b는 전극판이 용기에 삽입되는 상태를 나타내는 도면.

도 4는 공진 회로의 등가 회로도.

도 5a 및 5b는 공진 회로의 주파수-진폭 특성 및 주파수-위상 특성을 나타내는 그래프도.

도 6은 본 발명의 일 실시예의 보다 상세한 블록도.

도 7은 위상 비교 회로의 동작을 나타내는 타임 차트.

도 8은 제어 전압의 시간 변화를 나타내는 도면.

도 9a 및 9b는 공진 회로의 공진 주파수가 변화할 때 제어 신호와 발진 주파수 간의 관계를 나타내는 도면.

도 10은 공진 회로의 공진 주파수가 가변 주파수 발생 회로의 가변 주파수 범위를 초과할 때, 시간에 따른 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프도.

도 11은 본 발명의 다른 실시예의 블록도.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예의 블록도.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예의 블록도.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 블록도.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 블록도.

도 16은 도 15에 도시된 마이크로프로세서의 동작을 나타내는 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 공진 회로 2: 변환 회로

3, 30: 위상 비교 회로 4, 12: 제어 회로

5: 가변 주파수 발생 회로 6: 구동 회로

7, 13: 검출 회로 8, 14: 위상 차 판별 회로

9: 기준 설정 회로 10: 출력 회로

11: 마이크로프로세서 15: 알람 출력 회로

17: 디스플레이 유니트 40: 루프 필터

50: VCO 회로 51: 고정 발진 회로

52: 주파수 분주 회로 82: 부정합 검출 회로

83: 적분 회로 84: 스위칭 회로

요약하면, 본 발명은 용기 내의 대상물의 커패시턴스에 따라 대상물의 레벨을 검출하는 커패시턴스형 검출기를 제공하는 것으로, 여기서, 공진 회로는 용기에 삽입된 전극체와 피검출물 간에 형성된 커패시턴스 및 그 커패시턴스와 함께 동조될 공진 변환기(resonance transformer)에 의해 형성되고; 공진 회로의 출력 신호 및 기준 신호(reference signal)는 위상 비교에 적용되고, 위상 차에 따른 위상 차 신호는 위상 비교 회로로부터 출력되고; 위상 차 신호에 따라, 위상 차를 제거하기 위한 제어 신호는 제어 회로로부터 출력된다. 제어 신호에 따른 발진 주파수의 주파수 신호는 가변 주파수 발생 회로(variable frequency generating circuit)로부터 발생되고, 기준 신호로서 위상 비교 회로에 인가되고, 전극체는 가변 주파수 발생 회로로부터 주파수 신호에 의해 구동된다. 제어 회로로부터 출력된 제어 신호 또는 가변 주파수 발생 회로로부터 출력된 주파수 신호는 기준 값 설정 회로에 의해 설정된 기준 값과 비교되고, 피검출물의 존재/부재를 나타내는 검출 신호가 출력된다. 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호에 기초하여, 공진 회로의 공진 주파수와 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수 간의 위상 차가 판별되고, 위상 차가 존재하는 것으로 판별될 때, 위상 비교 회로는 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수가 공진 회로의 공진 주파수에 따르도록 동작한다.

따라서, 본 발명에 따라, 공진 회로, 구동 회로, 위상 비교 회로 및 가변 주파수 발생 회로에 의해 루프가 형성되고; 공진 회로의 공진 주파수는 전력이 온된 시점에서 탐색되고, 전극체는 공진 주파수에 따라 작동된다. 따라서, 그 사이트에서 동작자에 의한 눈금 교정의 필요성이 제거되고, 따라서 수동 동작에 의해 유발된 에러가 방지될 수 있고, 동작 효율이 개선될 수 있다.

바람직하게는, 위상 차 판별 회로는 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호가 규정된 값에 도달하거나 또는 그를 초과할 때, 상기 가변 주파수 발생 회로의 주파수 신호를 상기 가변 주파수 발생 회로의 가변 범위의 최저 주파수(lowest frequency)로 설정하는 리셋 회로(reset circuit), 및 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수의 위상을 공진 회로의 공진 주파수의 위상과 비교하고, 위상이 정합되지 않을 때 상기 검출 회로로부터 검출 신호를 출력하는 부정합 검출 회로(mismatch detecting circuit)를 포함한다.

보다 바람직하게는, 리셋 회로는 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호를 적분시키는 적분 회로; 적분 회로로부터 적분 신호를 규정된 전압 값과 비교하는 전압 비교 회로(voltage comparing circuit); 및 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수를 최저 주파수로 설정하기 위해, 적분 회로가 상기 규정된 전압 값 이상이라는 전압 비교 회로에 의한 판별에 응답하는 스위칭 회로(switching circuit)를 포함한다.

보다 바람직하게는, 위상 차 판별 회로(phase difference determining circuit)는 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수를 전력 온 시점에 공진 회로의 공진 주파수에 따르도록 작동시킨다.

보다 바람직하게는, 제어 회로는 루프 필터를 포함한다.

보다 바람직하게는, 가변 주파수 발생 회로는 VCO 회로를 포함한다.

보다 바람직하게는, 가변 주파수 발생 회로는 고정된 주파수 신호를 발생시키는 고정 발진 회로; 및 그의 분주비가 제어 회로로부터 제어 신호에 응답하여 가변적으로 설정되고, 설정된 분주비에 따라 상기 고정 발진 회로로부터 발생된 주파수 신호를 분주하고, 그 결과를 출력하는 주파수 분주 회로를 포함한다.

보다 바람직하게는, 제어 회로, 검출 회로 및 상태 판별 회로는 마이크로프로세서에 의해 구현된다.

다른 국면에 따라, 본 발명은 용기 내의 피검출물의 커패시턴스에 따라 피검출물의 레벨을 검출하는 커패시턴스형 검출기를 제공하는 것으로, 여기서, 공진 회로는 용기에 삽입된 전극체와 피검출물 간에 형성된 커패시턴스 및 그 커패시턴스에 따라 동조될 공진 변환기에 의해 형성되고; 공진 회로의 출력 신호 및 기준 신호는 위상 비교에 적용되고, 위상 차에 따른 위상 차 신호는 위상 비교 회로로부터 출력되고; 위상 차에 따라, 위상 차를 제거하기 위한 제어 신호가 출력된다. 제어 신호에 따른 발진 주파수의 주파수 신호는 전극체가 구동됨으로써, 가변 주파수 발생 회로로부터 발생되고; 제어 회로로부터 출력된 제어 신호 및 기준 값 설정 회로에 의해 설정된 피검출물의 존재/부재를 나타내는 기준 값이 비교되고, 검출 신호가 출력되고; 커패시턴스의 변화는 검출 신호에 따라 단계적으로 지시되고; 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호에 기초하여, 공진 회로의 공진 주파수와 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수 간의 위상 차가 판별되고; 위상 차가 존재한다는 판별에 응답하여, 위상 비교 회로는 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수가 공진 회로의 공진 주파수에 따르도록 작동한다.

보다 상세하게는, 검출 회로는 마이크로프로세서를 포함하고, 이 마이크로프로세서는 상기 피검출물의 상태가 검출 상태인지 여부를 설정하는 검출 상태 설정 회로; 검출 상태가 검출 상태 설정 회로에 의해 설정되었는지 여부에 응답하여, 주파수가 검출 상태를 위한 것인지 여부를 설정하는 신호 처리 설정 회로; 검출 상태의 주파수 또는 상기 신호 처리 설정 회로에 의해 설정된 비검출 상태에 대한 주파수를 저장하는 저장 회로; 저장 회로에 저장된 주파수를 가변 주파수 발생 회로로부터 인가된 현재 주파수와 비교하고, 현재 주파수가 검출 상태의 주파수보다 더 큰지 여부를 나타내는 데이터를 출력하는 비교 회로; 및 상태 판별 회로로부터 위상 차의 존재를 지시하는 신호에 응답하여 피검출물의 존재를 나타내는 데이터를 출력하고, 상태 판별 회로로부터 인가된 위상 차의 부재를 나타내는 신호에 응답하여 비교 회로로부터 데이터를 출력하는 회로를 포함한다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적, 특징, 국면 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여킨 본 발명의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 앞서, 본 발명에 사용된 공진 회로와 함께 본 발명의 원리가 기재될 것이다.

도 3a 및 3b는 전극판이 용기에 삽입된 상태를 나타낸다. 도 4는 공진 회로의 회로도이고, 도 5a 및 5b는 공진 회로의 주파수-진폭 특성(frequency-amplitude characteristic) 및 주파수-위상 특성(frequency-phase characteristic)을 나타낸다.

도 3a를 참조하여, 용기(100)의 벽 및 바닥이 접지되고, 피검출물(101)이 존재하지 않거나 또는 대상물이 존재하지만, 침전 레벨이 규정된 검출 위치에 아직 도달하지 않은 상태를 이어지는 설명에서 비검출 상태(non-detectio state)라 칭할 것이다. 피검출물(101)이 침전 레벨에 이르기까지 존재하고, 피검출물(101)은 전극판(102) 근처에 있거나, 또는 전극판(102)은 피검출물(101)과 접촉하는 도 3b에 나타낸 상태를 검출 상태(detection state)라 칭할 것이다.

본 실시예에서, 도 3a에 나타낸 비검출 상태에서 전력이 온될 때, 눈금 교정 동작이 자동으로 발생하고, 이후 측정이 수행된다. 측정 대상물(101)이 도 3b에 나타낸 침전 레벨에 도달할 때, 검출 상태를 나타내는 검출 신호가 출력된다.

전극판(102)과 용기(100)의 벽 사이에 존재하는 커패시턴스는 피검출물(101)이 존재하지 않거나 또는 침전 레벨이 용기(100) 내에서 극도로 낮은 비검출 상태와 피검출물(101)이 적어도 도 3b에 나타낸 바의 침전 레벨에 이르기까지 존재하는 검출 상태 간에 상이하다.

도 4에 나타낸 바의 공진 회로는 용기(100) 내의 피검출물(101)과 전극판(102) 간의 커패시턴스에 의해 형성된 커패시턴스 성분 Cx 및 전극판(102)에 포함된 공진 변환기의 인덕턴스 성분 La을 포함하는 병렬 회로에 의해 형성된다. 공진 회로의 공진 주파수는 하기 수학식으로 나타낸다.

fa = 1/{2π√(LaCx)}

이러한 수학식으로부터 명백하듯이, 공진 주파수는 저항 성분 Rx에 의존하지 않는다. 더욱이, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 공진 회로의 임피던스는 낮은 주파수 범위에서 더 낮고, 따라서, 임피던스가 정전기에 대하여 낮다는 특성이 있다.

도 5a 및 5b를 참조하여, 공진 회로의 주파수 및 위상이 상관(correlated)되는 것을 알 수 있다. 공진 주파수 신호가 공진 회로에 입력될 때, 위상 차는 발생되지 않는다. 공진 주파수 근처에서 급격해지는 위상 변화 정도에 따라, 공진 주파수보다 더 낮은 주파수의 신호가 입력될 때, 위상 차는 90°에 가까워지고, 공진 주파수보다 더 큰 주파수의 신호가 입력될 때, 위상차는 -90°에 가까워진다. 도 5a 및 5b에서 값 fa 는 비검출 상태에서 즉, 전극판(102)이 공기 중에 있을 때의 공진 주파수를 나타내고, 값 fr 은 피검출물(101)이 도 3b에 나타낸 바의 전극판(102) 근처에 있거나 또는 그와 접촉할 때의 공진 주파수를 나타낸다. 피검출물(101)의 레벨에 좌우되어, 위상 각도 값 뿐만 아니라 공진 회로의 공진 주파수가 변화한다.

본 발명에 있어서, 전력이 온된 시점에서, 발진 주파수는 눈금 교정 동작으로서 공진 회로의 주파수로부터 위상 차가 자동으로 0으로 되도록 변화된다. 측정 모드에서, 공진 회로의 공진 주파수는 용기(100) 내의 피검출물(101)의 상태에 따라 항상 따르며, 피검출물(101)의 존재/부재는 공진 주파수의 차이에 따라 검출된다.

다음에서, 실시예들이 보다 상세히 기재될 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시턴스형 검출기의 외관을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 원주형 하부 측정 전극(columner lower measurement electrode; 22)은 도 3a 및 3b에 나타낸 전극판(102)에 대응한다. 상부 측정 전극(22) 및 절연체(23)는 동축으로 배열되어, 원통형 상부 측정 전극(22)과 접촉하지 않게 원통형 절연체에 의해 분리된다. 상부 전극(22)의 한쪽 단부는 피팅(fitting; 24)에 의해 보호 프레임(protective frame; 25)에 부착된다. 보호 프레임(25)에서, 이후에 기재하게 되는, 도 1 및 도 6에 나타낸 회로부(26)가 제공된다. 회로부(26)는 도 4에 나타낸 공진 변환기를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 공진 회로(1)는 도 4를 참조하여 이미 기재한 바와 같이, 전극체(102)와 피검출물(101) 간에 형성된 커패시턴스 성분 Cx 및 공진 변환기 L을 포함하는 병렬 회로로 형성된다. 공진 변환기 L은 1차 코일의 인덕턴스 성분 La 및 2차 코일의 인덕턴스 성분 Lb을 포함한다.

공진 회로(1)에서 공진 변환기 L의 2차 코일 Lb의 출력단은 변환 회로(2)에 의해 후속 단계에 적절한 신호로 변환되고, 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단에 인가된다. 위상 비교 회로(3)는 공진 회로(1)로부터 출력된 출력 신호와 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 출력된 기준 신호의 위상들을 비교하고, 위상 차에 대응하는 위상 차 신호를 출력한다. 위상 차 신호는 제어 회로(4) 및 위상 차 판별 회로(8)에 인가된다. 제어 회로(4)는 위상 차 신호에 따라, 공진 회로(1)로부터 출력된 출력 신호와 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 출력된 기준 신호 간의 위상 차를 제거하도록 제어 신호를 가변 주파수 발생 회로(5) 및 검출 회로(7)에 인가한다.

가변 주파수 발생 회로(5)는 발진 주파수가 제어 신호에 따르는 발진 신호를 발생시키고, 기준 신호로서 발진 신호를 위상 비교 회로(3) 및 구동 회로(6)에 인가한다. 구동 회로(6)는 발진 신호로 공진 회로(1)를 구동시킨다. 위상 차 판별 회로(8)는 위상 비교 회로(3)의 제2 입력 단으로부터 인가된 위상 차 신호에 기초하여, 공진 회로(1)의 공진 주파수와 가변 주파수 발생 회로(5)의 발진 주파수 간의 위상 차의 존재/부재를 판별하고, 도 5a 및 5b를 참조하여 기재한 바와 같이 위상 차가 발생될 때, 판별 신호를 위상 비교 회로(3)의 제2 입력 단 및 검출 회로(7)에 인가한다.

기준 값은 기준 설정 회로(9)로부터 검출 회로(7)에 인가된다. 검출 회로(7)는 제어 회로(4)로부터의 제어 신호를 기준 설정 회로에 의해 설정된 기준 값과 비교한다. 기준 값은 예를 들면, 도 3a 및 3b에 나타낸 침전 레벨을 나타내는 값이다. 즉, 제어 신호가 기준 값보다 작지 않을 때, 도 3a의 상태를 지시하는 비검출 신호가 출력되고, 제어 신호가 기준 값 미만일 때, 도 3b의 상태를 나타내는 검출 신호가 출력된다. 검출 신호가 검출 회로(7)로부터 인가될 때, 출력 회로(10)는 레벨이 검출 레벨에 도달하였음을 지시하는 신호를 출력한다. 따라서, 피검출물이 침전 레벨에 도달하였음이 검출될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예의 가장 명확한 블록도이다. 도 6에 나타낸 실시예는 다음 요점을 제외하고는 도 1의 그것과 동일하다. 즉, 전압 제어 발진 회로 회로(VCO)(50)는 가변 주파수 발생 회로(5)로서 사용된다. VCO 회로(50)는 자유-가동 주파수(free-running frequency) fmin으로부터 최대 주파수 fmax에 이르는 주파수에서 발진할 수 있다. 루프 필터(40)는 도 1의 제어 회로(4) 대신에 사용된다. 위상 차 판별 회로(8)는 리셋 회로(81) 및 부정합 검출 회로(82)를 포함한다.

리셋 회로(81)는 VCO 회로(50)의 발진 주파수를 가변 주파수 범위 내의 최저 주파수로 설정하고, 적분 회로(83), 스위칭 회로(84) 및 전압 비교 회로(85)를 포함한다. 적분 회로(83)는 루프 필터(40)처럼 동일한 회로로 형성되고, 위상 비교 회로(3)로부터 출력된 위상 차 신호 PC를 DC 전압으로 변환시키고, 이를 전압 비교 회로(85)의 제1 입력 단에 인가한다. VCO 회로(50)의 최대 주파수 fmax에 대응하는 DC 전압 Vmax보다 약간 더 낮은 주파수 fs에 대응하는 DC 전압 Vs로 설정된 기준 전압은 전압 비교 회로(85)의 제2 입력 단에 입력된다. 집적 회로(83)의 출력으로서의 DC 전압이 기준 전압 Vs를 초과할 때, 전압 비교 회로(85)는 스위칭 회로(84)가 도전성으로 되게 한다. 스위칭 회로(84)가 도전성으로 될 때, 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단은 단락되고, 따라서, 변환 회로(2)를 통해 위상 비교 회로의 제 1 입력단에 출력된 공진 회로(1)로부터의 공진 신호의 입력이 억제된다.

VCO 회로(50)가 공진 회로(1)의 공진 주파수에 따르지 않을 경우, 즉, 위상 비교 회로(3)로부터 출력된 위상 비교 신호 LD가 부정합 상태를 나타내는, 부정합 상태에서, 부정합 검출 회로(82)는 검출 회로(7)에 의해 루프 필터(40)로부터 제어 신호의 검출이 출력되는 것을 방지한다.

도 7은 위상 비교 회로의 동작을 나타내는 타임 차트이고, 도 8은 제어 전압의 시간 변화를 나타내고, 도 9a 및 9b는 공진 회로의 공진 주파수가 변화할 때 발진 주파수와 제어 신호 간의 관계를 나타내고, 도 10은 공진 회로의 공진 주파수가 가변 주파수 발생 회로의 가변 주파수 범위를 초과할 때 공진 주파수의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 실시예의 보다 명확한 동작은 도 6 내지 10을 참조하여 기재할 것이다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 커패시턴스형 검출기가 존재하지 않는 피검출물(101)을 갖는 용기(100) 내에 배치되고, 전력이 온될 때, 눈금 교정은 자동으로 수행된다. 보다 상세하게는, 전력이 온된 직후, 루프 필터(40)는 임의의 제어 신호를 발생시키지 않고, VCO 회로(50)는 공진 회로(1)의 공진 주파수 fa와 무관하게 그 자신의 자유-가동 주파수 fmin에서 발진을 시작하고, 도 7(b)에 나타낸 바의 발진 신호를 위상 비교 회로(3)의 제2 입력단 및 구동 회로(6)에 인가한다. 구동 회로(6)는 공진 회로(1)를 구동시키기에 충분한 발진 신호를 전력-증폭시키고, 증폭된 발진 신호를 공진 회로(1)에 인가한다.

VCO 회로(50)의 자유-가동 주파수 fmin에서 발진하는 발진 신호가 구동 회로(6)에 의해 입력될 때, 공진 회로(1)는 자유-가동 주파수 fmin과 공진 주파수 fa 간의 주파수 차에 따라 발진 신호의 위상을 시프트시키고, 결과의 신호를 변환 회로(2)에 출력한다. 변환 회로(2)는 피검출물의 유전 상수가 탄성 성분의 증폭 전압에 관련되지 않도록 유일한 위상 성분이 위상 비교 회로(3)에 의해 다루어지도록 채택된 신호를 변환시키고, 도 7(a)에 나타낸 신호를 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단에 인가한다. 위상 비교 회로(3)는 공진 회로(1)로부터 변환 회로(2)를 통해 제1 입력단로 인가된 주파수 fmin을 갖는 신호의 위상 및 VCO 회로(50)로부터 제2 입력단에 직접적으로 인가된 주파수 fmin을 갖는 신호의 위상을 비교하고, 위상 차에 대응하는 도 7(c)에 나타낸 위상 차 신호 PC를 루프 필터(40)에 출력한다.

루프 필터(40)는 위상 차 신호 PC를 적분하고, DC 전압으로 변환시키고, 그 결과를 VCO 회로(50) 및 검출 회로(7)에 출력한다. 이러한 동작은 반복되고, 위상 차가 제거될 때, 즉, VCO 회로(50)의 발진 신호가 공진 회로(1)의 공진 주파수 fa와 정합될 때, 제어 전압은 도 8에 나타낸 바의 일정한 전압 Va에 도달하고, 이 상태가 유지된다.

VCO 회로의 발진 신호가 공진 회로(1)의 공진 주파수와 정합되는 경우의 이러한 상태는 자동 눈금 교정 동작의 완성을 나타낸다. 따라서, 눈금 교정을 위한 수동 동작을 필요로 하는 종래 방식과는 달리, 전력이 온될 때 눈금 교정이 자동으로 시작된다. 이 상태는 순간적으로 얻어지고 완료될 수 있다.

상기 자동 눈금 교정 후, 측정 동작이 시작되고, 피검출물(101)이 검출된다. 보다 상세하게는, 피검출물(101)이 도 3b에 나타낸 바의 전극체(102)에 근접하게 되거나 또는 그와 접촉하게 되고 공진 회로(1)의 공진 주파수 fa가 도 9b에 나타낸 VCO 회로(50)에 의해 후속될 수 있는 범위(포획 범위;capture range) 내의 주파수 fr로 변화할 때, VCO 회로(50)의 발진 신호가 주파수 fa를 가짐에 따라, 주파수 차이에 대응하는 위상 편이가 존재한다. 보다 상세하게는, 위상 비교 회로(8)의 제1 및 제2 입력단은 그 사이의 위상 차에 따라 도 7의 (a) 및 (b)에 나타낸다. 따라서, 위상 비교 회로(3)는 도 7(c)의 위상 차 신호 PC 및 도 7(d)의 위상 차 신호 LD를 출력한다. 위상 차 신호 LD가 "H" 레벨에 있는 기간에, 공진 회로(1)의 공진 주파수는 VCO 회로(50)에 의해 후속되고, 그 상태는 정합 상태라 칭할 것이다. 루프 필터(40)로부터 출력된 제어 전압이 위상 차 신호 PC에 의해 Va로부터 Vr로 변화할 때, VCO 회로(50)는 발진 신호의 주파수가 fr과 정합되도록 작동한다.

검출 회로(7)는 루프 필터(40)로부터 공급된 전압 Vr을 기준 설정 회로(9)의 기준 값 Vc과 비교하고, Vr<Vc를 유지할 때, 검출 회로는 검출 신호를 출력 회로(10)로 출력한다. 그에 대한 이유는 다음과 같다. 눈금 교정에서, 주파수는 용기 내의 공기의 유전 상수에 의해 규정되고, 루프 필터(40)로부터 출력된 전압은 높다. 피검출물(101)은 공기보다 더 큰 유전 상수를 가짐으로써, 주파수는 낮아지고, 루프 필터(40)로부터 출력된 전압은 눈금 교정 동작에서 보다 더 낮아진다. 출력 회로(10)는 검출 신호에 의해 피검출물(101)을 외부로 출력하거나 또는 지시한다.

피검출물(101)이 전극체에 근접하거나 또는 그와 접촉하게 되고, VCO 회로(50)의 실시 범위가 공진 회로(1)의 공진 주파수의 도 9b의 fr'로 나타낸 바와 같이 후속될 수 있는 범위(포획 범위)보다 더 낮아질 때, VCO 회로(50)의 발진 주파수가 fa의 주파수를 가짐에 따라 주파수 차에 대응하는 위상 편이가 존재할 것이다. 위상 비교 회로는 위상 편이를 검출하고, 루프 필터(40)의 출력과 같이 제어 전압을 변화시킨다. 출력단의 DC 전압 Va이 도 8의 부분 C에 나타낸 바와 같이 감소할 때, VCO 회로(50)로부터 출력된 발진 신호의 주파수 역시 감소한다. VCO 회로(50)의 발진 주파수는 루프 필터(40)의 출력단의 제어 전압이 최소 값 0V에 도달할 때조차 fr'로 설정될 수 없고, 발진 주파수는 제어 신호에 대응하여 fmin으로 고정된다.

검출 회로(7)는 제어 전압과 기준 전압 Vc을 비교하고, 제어 전압이 기준 전압 Vc보다 낮을 때, 대상물(101)의 검출 신호를 출력 회로(10)에 출력한다. 출력 회로(10)는 검출 신호에 의해 피검출물(101)을 외부로 출력하거나 또는 지시한다.

피검출물(101)이 전극체(102)에 근접하게 되거나 또는 그와 접촉하게 되고, 공진 회로(1)의 공진 주파수가 도 9b의 Fr"로 나타낸 바의 VCO 회로(50)에 의해 후속할 수 있는 범위(포획 범위)를 초과할 때, VCO 회로(50)의 발진 신호가 주파수 fa를 가짐에 따라 주파수 차에 대응하는 위상 편이가 발생한다.

위상 비교 회로(3)는 위상 편이를 검출하고, 루프 필터(40)의 출력단의 제어 전압을 Va로부터 증가시키고, VCO 회로(50)의 발진 신호의 주파수를 증가시킨다. 공진 주파수 fr"은 도 10에 나타낸 바의 발진 신호의 상한치 fmax보다 더 크고, 따라서, 정합이 얻어질 수 없고 발진 신호는 fmax로 고정된다.

따라서, 리셋 회로(81)는 VCO 회로(50)의 발진 주파수를 가변 주파수 범위의 최저 주파수로 설정하기 위해 제공된다. 리셋 회로(81)는 적분 회로(83), 전압 비교 회로(85) 및 스위칭 회로(84)를 포함한다. 위상 차 신호 PC는 리셋 회로(81)의 적분 회로(83)에 의해 DC 전압으로 변환되고, 전압 비교 회로(85)의 제1 입력단에 입력된다. 기준 전압은 fmax에 응답하는 DC 신호 Vmax보다 약간 더 낮은 주파수 fx에 대응하는 전압 Vs로 설정되어 전압 비교 회로(85)의 제2 입력단에 입력된다. 적분 회로(83)의 DC 전압이 기준 전압 Vs를 초과할 때, 전압 비교 회로(85)는 스위칭 회로(84)가 도전성이 되게 한다.

스위칭 회로(84)가 도전성으로 될 때, 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단은 단락되고, 따라서 공진 회로(1)의 공진 신호는 입력되지 않는다. 따라서, 비교될 신호는 위상 비교 회로(3)에서 손실되고, 위상 비교 회로는 도 7(c)에 나타낸 바와 같이 위상 차 신호 PC를 0V로 설정한다. 위상 차 신호 PC가 0V에 도달함에 따라, 루프 필터(40)의 출력단에서 제어 전압은 0V에 도달한다. 결과적으로, VCO 회로(50)는 초기화되고, 발진 신호의 주파수는 fmin으로 설정된다. 리셋 회로(81)에서 적분 회로(83)의 DC 전압이 마찬가지로 0V에 도달함에 따라, 기준 전압 Vs보다 더 낮아지고, 전압 비교 회로(85)는 스위칭 회로(84)를 비도전성이 되게 함으로써, 공진 회로(1)의 공진 신호는 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단에 공급된다.

이후, 위상 비교의 상기 동작, 제어 신호의 증가, 공진 신호의 주파수의 증가 등이 반복된다.

상기 동작이 반복되는 동안, 가변 주파수 발생 회로(5)의 발진 주파수는 공진 회로(1)의 공진 주파수에 후속하지 않고, 따라서, 그 상태는 부정합 상태이다. 따라서, 위상 비교 회로(3)는 검출 회로(82)를 부정합시키기 위해 부정합 신호로서 도 7(d)의 위상 차 신호 LD를 출력한다. 부정합 신호의 적용에 응답하여, 부정합 검출 회로(82)는 루프 필터(40)의 출력단으로서 제어 신호가 검출 회로(7)에 의해 검출되는 것을 방지한다. 따라서, 검출 회로(7)의 출력 신호는 대상물(101)을 검출하는 상태로 고정된다.

대상물(101)의 상태가 변화하고, 공진 회로(1)의 공진 주파수가 예를 들면 도 9b에 나타낸 바와 같이 fr로 포획 범위 내로 이동할 때, VCO 회로(50)는 공진 회로(10)의 공진 주파수 fr과 정합되는 발진 신호에 의해 동조되고, 제어 신호는 "대상물이 전극체에 근접하거나 접촉하게 되고 공진 회로(1)의 공진 주파수가 VCO 회로(50)에 의해 후속될 수 있는 범위(포획 범위) 내의 주파수 fr로 변화할 때" 유사한 동작에 의해 전압 Vr을 갖게 된다.

적분 회로(83)의 DC 신호는 리셋 회로(81)의 기준 전압 Vs보다 더 낮고, 따라서, 리셋 회로(81)의 스위칭 회로(84)는 비도전성 상태로 유지된다.

더욱이, 위상 비교 회로(3)는 발진 신호가 fr로 동조될 때 위상 차 신호 LD와 같은 정합 신호를 출력함에 따라, 부정합 검출 회로(82)는 루프 필터(40)로부터 제어 신호가 검출 회로(7)에 유입되게 한다. 검출 회로(7)는 제어 신호를 판별하고, 대상물(101)의 검출 신호는 출력 회로(10)에 출력된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라, 전력이 온된 시점에서 눈금 교정이 자동으로 수행될 수 있고, 피검출물의 존재/부재의 동작이 후속한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예의 블록도이다. 도 11에 나타낸 실시예에서, 루프 필터(40)는 도 6에 나타낸 적분 회로(83)로서 작용함으로써, 적분 회로(83)는 생략되고 부품의 수는 감소한다. 따라서, 리셋 회로(86)는 스위칭 회로(84) 및 전압 비교 회로(85)에 의해 형성되고, 단 루프 필터(40)의 출력 신호는 전압 비교 회로(85)의 제2 입력단에 인가된다.

도 11에 나타낸 실시예의 명확한 동작이 도 5를 참조하여 기재된 것과 동일함에 따라, 그의 설명은 반복하지 않을 것이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 12에 나타낸 실시예에서, 가변 주파수 발생 회로(5)는 고정 발진 회로(51) 및 주파수 분주 회로(52)로 구성되고, 제어 회로(12), 검출 회로(13) 및 위상 차 판별 회로(14)는 마이크로프로세서(11)로 구성된다. 마이크로프로세서(11)는 위상 비교 회로(3)의 출력 신호를 검출하고, 가변 주파수 발생 회로(5)의 주파수 분주 회로(52)의 분주비를 제어한다.

여기서, 마이크로프로세서(11)는 가변 주파수 발생 회로(5)의 가변 주파수의 상한치 및 하한치에 대응하는 주파수 분주 회로(52)의 주파수 분주비(bmax, bmin)를 미리 설정한다. 고정 발진 회로(51)는 규정된 발진 주파수로 발진하고, 신호를 주파수 분주 회로(52)에 출력한다. 주파수 분주 회로(52)는 예를 들면 마이크로프로세서(11)에서 설정된 초기화된 분주비 bfmin에 따라 고정 발진 회로(51)로부터 구동 회로(6)를 통해 공진 회로(1)로 신호를 주파수-분주함으로써 제공된 발진 신호를 공급하고, 동시에, 그 신호를 위상 비교 회로(3)의 제2 입력단에 인가한다. 공진 회로(1)에 의해 변화된 그의 위상에 따른 신호는 변환 회로(12)를 통해 위상 비교 회로(3)의 제1 입력단에 인가된다.

위상 비교 회로(3)는 제1 입력단 및 제2 입력단에서 신호들을 비교하고, 위상 차가 존재할 때, 위상 차 신호 LD에 대해 도 7(d)에 나타낸 바의 하강 펄스 신호를 발생시키고, 마이크로프로세서(11)에 출력한다. 펄스 신호의 존재 하에, 마이크로프로세서(11)는 그것이 예를 들면 발진 신호의 주파수를 증가시키기 위해 하한치로부터 상한치로 단조로운 증가를 반복하도록 분주비를 연속적으로 변화시킨다.

공진 회로의 공진 주파수가 발진 주파수와 정합될 때, 위상 비교 회로(3)는 위상 차 신호 LD에 대해 펄스 신호를 발생시키지 않는다. 따라서, 위상 차 신호가 사라지는 시점에서, 마이크로프로세서(11)는 공진 회로(1)의 공진 주파수에 정합하는 값으로 발진 신호를 고정하는 주파수 분주 회로(52)의 분주비를 고정하고, 그 분주비에 대응하는 값을 저장한다.

공진 회로(1)의 공진 주파수가 피검출물(101)의 상태에 따라 fr로 변화할 때, 마이크로프로세서(11)는 상기한 바와 같이 유사한 동작에 의해 fr과 정합하는 발진 주파수를 고정시키고, 그 시점에서 분주비에 대응하는 값을 저장한다. 마이크로프로세서(11)는 기준 값 설정 회로(9)로부터 얻어진 기준 값과 저장된 값을 비교하고, 대상물의 검출 상태 신호를 출력 회로(10)에 출력한다. 공진 회로(1)의 공진 주파수가 주파수 가변 범위(fr', fr")에서 벗어날 때, 마이크로프로세서(11)는 단조로운 증가가 규정된 반복 횟수로 반복되고, 이 기간 동안 대상물의 검출 상태를 출력 회로(10)에 제공하도록 분주비의 상한치 및 하한치에 의해 제한된 주파수를 연속적으로 변화시킨다.

상기한 바와 같이 미리 설정된 상한치 및 하한치에 관하여, 전체 가변 주파수 범위는 전력이 온된 시점에서 마이크로프로세서(11)에 의해 다다를 수 있고, 주파수 분주 회로(52)의 분주비의 상한치 및 하한치는 공진 회로(1)의 공진 주파수가 가변 주파수의 중심값으로 되도록 설정될 수 있고, 설정된 상한치 및 하한치가 저장될 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 13에 나타낸 실시예는 도 12의 마이크로프로세서(11) 상에 추가로 제공된 알람 출력 회로(14), 보전 출력 회로(15) 및 디스플레이 유니트(16)를 포함한다. 알람 출력 회로(14)는 피검출물(101)이 규정량 이상 만큼 전극체(102) 상에 부착될 때 알람 신호를 출력한다. 보전 출력 회로(15)는 유사한 방식으로 보전을 요하는 신호를 출력한다. 디스플레이 유니트(16)는 예를 들면 LCD 디스플레이에 의해 구현된다. 디스플레이 유니트는 피검출물(101)이 용기(100) 내에 존재하지 않는 경우의 도 3a의 상태와 피검출물(101)이 침전 레벨에 도달한 경우의 상태 간의 주파수의 변화(커패시턴스의 변화에 대응함)를 8단계로 디스플레이한다. 디스플레이 기능은 전극 상에 부착된 대상물의 양을 디스플레이하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 접착에 의해 유발된 잘못된 동작은 디스플레이를 검토함으로써 피할 수 있다. 더욱이, 접착 정도가 설정될 때, 전극 부분을 클리닝시키는 시점이 출력될 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.

상기 도 1에 나타낸 실시예에서, 피검출물(101)이 침전 레벨에 도달하였는지 여부는 제어 회로(4)로부터 출력된 제어 전압을 기준 값과 비교함으로써 검출된다. 이와는 대조적으로, 본 실시예에서, 피검출물(101)이 침전 레벨에 도달하였는지 여부는 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 출력된 발진 신호의 주파수를 기준 설정 회로(9)에 의해 설정된 기준 값과 비교함으로써 검출 회로(7)에 의해 검출된다. 이러한 점을 제외하고, 그 구성은 도 1의 그것과 동일하다.

검출 회로(7)에 의한 주파수 신호와 기준 값 간의 비교는 제어 전압이 기준 값과 비교될 때보다 더 큰 동적 범위가 만들어질 수 있다는 장점이 있다.

또한, 도 1에 나타낸 실시예에서, 위상 비교 회로(3)로부터 위상 차 신호가 제어 전압으로 변환될 때 온도 특성은 현저한 영향을 비치는 반면에, 도 14에 나타낸 실시예에서, 공진 회로(1)의 공진 주파수에 따라 순수한 신호는 기준 값과 비교되고, 따라서, 온도 특성의 영향이 감소될 수 있다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.

도 14에 나타낸 실시예에서, 피검출물의 존재/부재는 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 주파수 신호를 기준 값과 비교함으로써 검출된다. 본 실시예에서, 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 주파수신호는 주파수 분주 회로(18)에 인가되고, 주파수-분주되고, 결과 값은 피검출물의 존재/부재를 검출하기 위해 마이크로프로세서(11)에 의해 기준값과 비교된다.

도 16은 도 15에 나타낸 마이크로프로세서의 동작을 나타내는 흐름도이다.

도 16을 참조하여, 도 15에 나타낸 커패시턴스형 검출기의 동작을 기재할 것이다.

먼저, 특정하기 전에, 다음과 같은 설정이 이루어진다. 가변 주파수 발생 회로(5)로부터 주파수 신호는 주파수 분주 회로(18)에 의해 분주되고 그 결과는 마이크로프로세서(11)에 인가된다. 위상 차 신호는 위상 차 판별 회로(8)로부터 마이크로프로세서(11)에 인가된다. 더욱이, 개인용 컴퓨터와의 통신 또는 도시되지 않은 푸시 스위치의 동작에 의해, 피검출물(101)이 검출되지 않은 경우의 도 3a의 상태에서 눈금 교정되는지 또는 도 3b의 검출 상태에서 측정치인지 여부가 마이크로프로세서(11)에서 설정된다.

눈금 교정/측정치의 설정에 응답하여, 마이크로프로세서(11)는 신호 설정 공정을 수행하고, 입력 신호가 비검출 상태에서 눈금 교정을 위한 주파수인지 또는 측정 동작의 검출 상태에 있는 주파수인지 여부를 판별한다. 즉, 눈금 교정이 설정될 때, 가변 주파수 발생 회로(5)의 발진 주파수는 도 6을 참조하여 기재한 바와 유사한 방식으로 눈금 교정을 위해 설정된 신호에 도달하도록 공진 회로(1)의 공진 주파수와 동일하게 된다. 이 시점에서, 피검출물(101)은 용기 내에 존재하지 않고, 따라서, 공기 중의 유전 상수에 의해 판별된 주파수가 설정된다.

측정 동작이 설정될 때, 피검출물(101)은 용기 내에 넣어지고, 대상물의 침전량에 다른 주파수가 설정된다. 마이크로프로세서(11)는 EEPROM 등의 데이터 유지 메모리 내의 검출 시점(피검출물(101)의 양에 따름)에서 주파수 및 신호 설정 공정에 의해 설정된 비검출 시점(눈금 교정을 위함)의 유지를 위한 데이터 유지 공정을 수행한다.

실제 측정에서, 마이크로프로세서(11)는 가변 주파수 발생 회로(5)에 의해 발진되고 주파수 분주 회로(18)에 의해 주파수-분주된 현재 주파수 데이터를 데이터 유지 공정에서 유지된 주파수 데이터와 비교한다. 비교 결과가 "비검출 상태의 주파수>검출 상태의 주파수≥현재 주파수"일 때, 검출 신호가 출력된다. "현재 주파수>검출 상태의 주파수"일 때, 비검출 신호가 출력된다. 그 이유는 다음과 같다. 비검출 상태에서, 주파수는 크고, 이는 공기의 유전 상수에 의해 정의되는 한편, 피검출물(101)의 유전 상수는 공기보다 크다. 따라서, 주파수는 대상물(101)이 검출될 때 더 낮아진다. 보다 상세하게는, 현재 주파수가 검출 상태의 설정된 주파수보다 더 낮아질 때, 마이크로프로세서(11)는 대상물(101)이 존재하는 것을 판별한다.

검출 상태의 주파수보다 더 큰 주파수는 현재 주파수로서 얻어지고, 검출 상태의 주파수가 이 값 이상인 경우, 공기보다 더 작은 유전 상수를 갖는 기질이 검출되는 것을 의미한다. 그러한 기질이 존재하지 않음에 따라, 주파수의 오기능 또는 오조정으로서 간주될 수 있다.

위상 차 판별 신호는 위상 차 판별 회로(8)로부터 마이크로프로세서(11)로 출력되고, 신호 차별화 공정에 의해, 신호는 규정된 임계 레벨을 초과하는 신호(예를 들면 채터링 없는 신호)로 변환된다. 위상 차의 존재/부재를 나타내는 신호는 현재 주파수 신호와 비교되고, 위상 차 판별 신호가 위상 차의 존재를 지시할 때, 검출 신호는 현재 주파수와 유지된 데이터 간의 비교와 무관하게 출력된다. 위상 차 판별 신호가 위상 차의 부재를 나타낼 때, 비검출 또는 검출 신호는 현재 주파수와 유지된 데이터 간의 비교 결과로서 출력된다.

신호는 출력 신호가 검출 상태에서 제공되어야 하는지 또는 출력 신호가 비검출 상태에서 제공되어야 하는지에 관한 설정에 따라 출력된다. 더욱이, 지연 타이머는 출력 신호에 대한 지연 시간을 제공하도록 제공됨으로서, 검출 신호 및 비검출 신호는 검출 및 비검출에 관한 판별이 미묘한 경우를 대안으로 출력하지 않아야 한다.

더욱이, 현재 주파수와의 비교에 관하여, 주파수의 단순한 비교 뿐만 아니라 다음 동작이 가능할 수 있다. 즉, 비검출 상태의 주파수와 검출 상태의 주파수 간의 차이는 동일하게 분주되고, 현재 주파수가 대응하는 위치에서 판별함으로써, 검출 상태와 비검출 상태 간에 히스테리시스를 제공하는 것이 가능해질 수 있다. 더욱이, 최종 주파수와의 비교는 잡음의 영향을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라, 루프는 공진 회로, 구동 회로, 위상 비교 회로 및 가변 주파수 발생 회로에 의해 형성되고, 공진 회로의 공진 주파수는 전력이 온된 시점에 탐색되고, 전극체는 공진 주파수에서 작동하고, 따라서, 그 사이트에서 동작자에 의한 수동 눈금 교정은 불필요해지고, 따라서 수동 동작에 의해 유발된 에러는 방지될 수 있고 가공 효율이 개선될 수 있다.

더욱이, 공진 회로의 공진 주파수가 검출 동작을 위해 사용됨에 따라, 검출 감도의 변화가 억제될 수 있다.

더욱이, 공진 회로의 공진 주파수가 피검출물 때문에 가변 주파수 발생 회로에 의해 후속될 수 있는 범위(포획 범위)를 초과할 때조차, 검출기가 사용 가능하고, 따라서 검출기는 광범위한 조건 하에 사용될 수 있다.

더욱이, 그것은 공진 회로의 공진 주파수에서 작동하고, 대상물은 주파수에 대응하는 제어 신호 등에 의해 검출되고, 따라서, 대상물의 도전성의 영향에 대해 민감하지 않다.

더욱이, 병렬 공진 회로는 공진 회로로서 사용되어 정전기에 상대적인 낮은 임피던스를 보장하고, 따라서, 정전기 저항 특성이 개선될 수 있다.

더욱이, 가변 주파수 발생 회로가 위상 비교 회로의 제1 입력단 및 제2 입력단의 주파수 발생 회로로서 사용됨에 따라, 프리-발진 회로는 불필요해지고, 따라서, 그 비용이 감소될 수 있고, 오작동 비율도 감소될 수 있다.

더욱이, 부품들의 등급을 포함하여 공통 회로 부분이 이용될 수 있고, 예를 들면 IC에 의한 구현이 가능하고, 이는 제조 단가의 감소를 가져 온다.

더욱이, 공통 회로 부분이 사용됨에 따라, 그 사이트에서 준비될 여분의 부분이 감소될 수 있고, 따라서, 전체적인 비용이 감소될 수 있다.

본 발명을 상세히 기재하고 예시하였지만, 이는 단지 예시 및 실시의 목적에 의한 것으로 제한하고자 한 것이 아니고, 본 발명의 정신 및 범위는 단지 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것임을 분명히 이해해야 한다.

Claims (10)

1. 용기 내 피검출물의 커패시턴스에 따라 피검출물의 레벨을 검출하는 커패시턴스형 검출기(capacitance type detector)에 있어서,

   상기 용기에 삽입된 전극체(electrode body; 21,22),

   상기 전극체와 상기 피검출물 사이에 형성된 커패시턴스 및 그와 함께 동조되는 공진 변환기(resonance transformer)를 포함하는 공진 회로(resonance circuit; 1),

   상기 공진 회로의 출력 신호와 기준 신호(reference signal)의 위상들을 비교하여, 그 위상 차에 따라 위상 차 신호(phase difference signal)를 출력하는 위상 비교 회로(phase comparing circuit; 3),

   상기 위상 비교 회로로부터의 상기 위상 차 신호에 응답하여, 상기 위상 차를 제거하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 회로(control circuit; 4),

   상기 제어 회로로부터의 제어 신호에 따라 발진 주파수의 주파수 신호를 발생시키고, 그 주파수 신호를 상기 기준 신호로서 상기 위상 비교 회로 및 전극체에 인가하는 가변 주파수 발생 회로(variable frequency generating circuit; 5),

   상기 피검출물의 검출을 판별하기 위한 기준 값을 설정하는 기준 값 설정 회로(reference value setting circuit; 9),

   상기 제어 회로로부터 출력된 제어 신호 또는 상기 가변 주파수 발생 회로로부터 출력된 주파수 신호를 상기 기준 값 설정 회로에 의해 설정된 기준 값과 비교하고 검출 신호를 출력하는 검출 회로(detection circuit; 7),

   상기 검출 회로의 검출 신호에 따라 상기 피검출물의 존재/부재를 나타내는 신호를 출력하는 출력 회로(output circuit; 10) 및,

   상기 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호에 응답하여, 상기 공진 회로의 공진 주파수와 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수 사이의 위상 차를 판별하고, 위상 차의 존재의 판별에 응답하여, 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수가 상기 공진 회로의 공진 주파수를 따르도록 상기 위상 비교 회로를 작동시키는 위상 차 판별 회로(phase difference determining circuit)를 포함하는, 커패시터형 검출기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상 차 판별 회로는,

   상기 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호가 규정된 값에 도달하거나 또는 초과할 때, 상기 가변 주파수 발생 회로의 주파수 신호를 상기 가변 주파수 발생 회로의 주파수 가변 범위의 최저 주파수(lowest frequency)로 설정하는 리셋 회로(reset circuit; 81) 및,

   상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수의 위상과 상기 공진 회로의 공진 주파수의 위상을 비교하고, 그 위상들이 정합하지 않을 때 상기 검출 회로로부터 검출 신호를 출력하게 하는 부정합 검출 회로(mismatch detecting circuit; 82)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 리셋 회로는,

   상기 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호를 적분하는 적분 회로(integrating circuit; 83),

   상기 적분 회로로부터의 적분 신호와 규정된 전압 값을 비교하는 전압 비교 회로(voltage comparing circuit; 85) 및,

   상기 적분 신호가 상기 전압 비교 회로에 의한 상기 규정된 전압 값보다 낮지 않다는 판별에 응답하여, 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수를 상기 최저 주파수로 설정하는 스위칭 회로(switching circuit; 84)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상 차 판별 회로는 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수가 전력 온(power on) 시점에서 상기 공진 회로의 공진 주파수를 따르도록 하는, 커패시턴스형 검출기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 회로는 루프 필터(loop filter; 40)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 주파수 발생 회로는 전압 제어 발진 회로(Voltage controlled oscillation circuit; 50)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 주파수 발생 회로는,

   고정된 주파수 신호(constant trequency signal)를 발생시키는 고정 발진 회로(constant oscillation circuit; 51) 및,

   상기 제어 회로로부터의 제어 신호에 따라 가변적으로 설정된 분주비(division ratio)를 갖고, 설정된 분주비로 상기 고정 발진 회로로부터 발생된 주파수 신호를 주파수 분주하고, 결과를 출력하는 주파수 분주 회로(frequency dividing circuit; 52)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 회로, 상기 검출 회로 및 상기 위상 차 판별 회로는 마이크로프로세서(11)에 의해 구현되는, 커패시턴스형 검출기.
9. 용기 내 피검출물의 커패시턴스에 따라 피검출물의 레벨을 검출하는 커패시턴스형 검출기에 있어서,

   상기 용기에 삽입된 전극체(21, 22),

   상기 전극체와 상기 피검출물 사이에 형성된 커패시턴스 및 그와 함께 동조되는 공진 변환기를 포함하는 공진 회로(1),

   상기 공진 회로의 출력 신호와 기준 신호의 위상들을 비교하여, 그 위상 차에 따라 위상 차 신호를 출력하는 위상 비교 회로(3),

   상기 위상 비교 회로로부터의 위상 차 신호에 응답하여, 상기 위상 차를 제거하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 회로(4),

   상기 제어 회로로부터의 제어 신호에 따라 발진 주파수의 주파수 신호를 발생시키고, 그 주파수 신호를 기준 신호로서 상기 위상 비교 회로에 인가하며, 상기 전극체에 인가하는 가변 주파수 발생 회로(5),

   상기 피검출물의 검출을 판별하기 위해 기준 값을 설정하는 기준 값 설정 회로(9),

   상기 제어 회로로부터 출력된 제어 신호와 상기 기준 값 설정 회로에 의해 설정된 기준 값을 비교하고, 상기 피검출물의 존재/부재를 나타내는 검출 신호를 출력하는 검출 회로(7),

   상기 검출 회로로부터의 검출 신호에 따라 상기 커패시턴스에서의 변화를 단계적으로 디스플레이하는 디스플레이 수단(10) 및,

   상기 위상 비교 회로로부터 출력된 위상 차 신호에 기초하여 상기 공진 회로의 공진 주파수와 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수 사이의 위상 차를 판별하고, 위상 차의 존재의 판별에 응답하여, 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수가 상기 공진 회로의 공진 주파수를 따르도록 상기 위상 비교 회로를 작동시키고, 상기 공진 회로의 공진 주파수로부터의 위상 편이(phase deviation)가 측정 시점에서 상기 가변 주파수 발생 회로의 발진 주파수에서의 변화에 의해 미리 결정된 값을 초과할 때 상기 검출 회로로부터 검출 신호를 출력하게 하는 위상 차 판별 회로(8)를 포함하는, 커패시턴스형 검출기.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 검출 수단은 마이크로프로세서(11)를 포함하며;

    상기 마이크로프로세서는,

    상기 피검출물의 상태가 검출 상태인지 여부를 설정하는 검출 상태 설정 회로(detection state setting circuit),

    상기 검출 상태 설정 회로가 검출 상태를 설정하였는지 여부에 따라 주파수가 상기 검출 상태를 위한 것인지 여부를 설정하는 신호 처리 설정 회로(signal processing setting circuit),

    상기 검출 상태에서의 주파수, 또는 상기 신호 처리 설정 회로에 의해 설정된 검출 상태에서의 주파수를 저장하는 저장 회로(storing circuit),

    상기 저장 회로에 저장된 주파수와 상기 가변 주파수 발생 회로로부터 인가된 현재 주파수를 비교하고, 상기 현재 주파수가 상기 검출 상태에서의 주파수보다 더 큰지 여부를 나타내는 데이터를 출력하는 비교 회로 및,

    상기 위상 차 판별 회로로부터의 위상 차의 존재를 나타내는 신호에 응답하여, 상기 피검출물의 존재를 나타내는 데이터를 출력하고, 위상 차의 부재를 나타내는 신호의 인가에 응답하여, 상기 비교 회로로부터 데이터를 출력하는, 커패시턴스형 검출기.