KR910004623B1 - 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로 및 이를 이용한 2선식 송신기 - Google Patents

교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로 및 이를 이용한 2선식 송신기 Download PDF

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Description

교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로 및 이를 이용한 2선식 송신기
제 1 도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 회로를 개략적으로 나타낸 도면.
제 2 도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로를 개략적으로 나타낸 도면.
제 3 도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 회로를 개략적으로 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 공통 커패시터 플레이트 또는 제 1 플레이트
14,16 : 117,118 : 제 2 플레이트 20,120,220 : 정류수단
34,110 : 전압 제어 발진기 50.60 : 연산증폭기
52A,62A,140,210 : 전류 합성 절점 76,79 : 전원 라인
C1,C2,CS: 커패시터 82 : 전류 제어부
84 : 전압 레큘레이터 84A : 제너 다이오드
85 : 전위차계 또는 루프전류감지저항 86,88 : 단자
90 : 외부 전원 92 : 직력 결합부하
93,162 : 피드백 저항
144 : 전류 반전증폭기 또는 인버터증폭기 216 : 제어증폭기
본 발명은 교류 리액턴스 센서 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 압력을 측정하기 위한 커패시턴스 변환기에 관한 것이다.
종래 기술에 있어서, 여러 가지 교류 리액턴스 측정 방안이 제시되어왔다. 그러한 많은 기술이 어느정도 성공적이기는 하였으나, 여러가지 문제점을 내포하고 있었는바, 예를들자면 통상 센서회로에 가해진 피크대피크 전압의 진폭이 그 회로에 대한 제어 파라미터이었다는 점과 또한 그러한 전압의 변화가 출력신호의 안정성을 떨어뜨린다는 점이다.
다른 심각한 결점으로는 그러한 피크대 피크 전압을 가변리액턴스 부하에 공급하기 위해 변압기를 구동시켜야만 한다는 점이다. 그 기술에 숙련된 전문 기술자에게 알려진 바와같이, 변압기는 동작에 대한 충실도가 높기는 하나 저항 및 커패시터나 혹은 반도체 소자에 비해 구하기가 어려운데, 이러한 변압기를 제거하게 되면, 그 장치에 대한 크기와 요구되는 전력이 감소하게 됨은 말할 나위가 없다. 또, 추가의 문제점으로는 그러한 변압기가 하이브리드 회로와는 함께 사용될 수가 없다는 점이다. 이러한 하이브리드 회로는 상호 작용 또는 커패시티브 센서를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 그러한 변압기를 제거하게되면, 기능적으로 개선된 저렴한 회로를 얻을 수 있다.
본 발명의 한가지 목적은 제어 파라미터가 발진기에 의해 교류 리액턴스에 가해진 일정한 피크대 피크 전압의 주파수와 같아지도록 함과 아울러 그 회로자체가 발진기에서 교류 리액턴스까지 변압기와 같은 인덕티브 결합을 필요로하지 않도록 하여 감지될 상태에 반응토록한 개선된 교류 리액턴스 측정회로를 제공하는 것이다. 비 인덕티브 결합은 접지 전위에 대하여 전기적으로 격리된 교류 리액턴스를 가짐으로써 용이해진다. 본 발명의 한 실시예에 의한 교류 리액턴스 측정회로는 교류 리액턴스 센서에 충전 펄스를 공급함과 아울러 교류 리액턴스 센서로부터 방전 펄스를 공급하는데, 이러한 충 방전 펄스는 감지될 파라미터에 따라 변화된다. 센서, 바람직하게는 하나의 커패시터 또는 다수의 커패시터는 발전기에 의해 정류 수단을 거쳐 여기된다. 본 발명의 양호한 한 실시예에 있어서는 정류수단이 다수의 다이오드로 구성되는데 그 정류수단은 저 전압 다이오드를 서로 근접되게 배치함으로써 개선된다.
상기 발진기는 센서 및 그 센서와 관련된 정류 수단의 조합에 의해 일정한 피크진폭신호 및 시간에 따라 변화하는 발진기 신호(이러한 신호의 주파수는 센서 커패시턴스의 변화에 따라 제어된다)를 공급한다. 주파수 제어는 개선된 기능 및 비용절감을 가능케 한다. 센서 및 정류수단의 조합에 의해 동일한 피크대 피크 전압을 가하는 경우의 장점에 대해서는 측정된 파라미터를 나타내지 않는 원치 않는 영향이 회로소자 선택 및 배열에 의해 개선될 때 보다 명백히 알 수 있게 된다. 다수의 센서 및 정류기들이 요구되는 동안, 그들에는 동일한 구동 전압이 가해진다. 추가의 장점으로는 동일한 기준전압이 센서전류가 공급되는 증폭기에 가해진다는 것이다. 다른 추가의 장점들에 대해서는 양호한 실시예에 대한 하기의 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.
이하, 첨부한 도면과 관련하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.
제 1 도의 회로의 설명
제 1 도에는 도면번호 10으로 도시한 본 발명의 양호한 실시예의 회로에 대한 개략도가 예시되어 있는데, 이러한 회로는 교류 리액턴스형 차압센서 셀과 관련하여 사용되는 것이 바람직하며 또한 한쌍의 가변 커패시터 C1과 C2를 갖는 것이 바람직하다. 스트레이셀(stray cell) 커패시턴스는 조정가능한 커패시터 CS에 의해 보상된다. 2개의 가변 커패시터 C1및 C2가 제 1 도에 도시되어 있지만, 회로의 응용에 따라 어떤 경우에는 교류 리액턴스 수단이 하나의 액티브 커패시터일 수도 있으며 또다른 어떤 경우에는 부가적인 액티브 커패시터나 혹은 인덕터 또는 다른 교류 리액턴스 수단으로 사용될 수 있다. 이것은 커패시턴스 압력센서 회로로서도 특히 유용하지만 그 외에도 외부전원 및 부하를 가진 2선식 전류 루프내의 직류를 제어하기 위한 커패시턴스 신호의 변환 기능을 갖는데, 상기 직류는 감지된 파라미터와 함수관계를 갖는다.
본 발명의 양호한 한 실시예에 있어서, 커패시터 C1및 C2는 적어도 부분적으로 전기전도 상태를 갖도록 배치된 격막으로 구성된 공통 커패시터 플레이트 또는 제 1 플래이트(12)를 가진 챔버내에 형성된다. 공통 커패시터 플레이트(12)는 양챔버벽과 서로 대향하고 있는데, 이러한 플레이트(12)의 최소한의 부분은 전기전도성을 가지며 이득 벽부분은 커패시터 C1및 C2에 대한 제 2 플레이트(14) 및 (16)을 형성한다. 상기 플레이트(12)는 구동발진기에서 그 플레이트(12)까지 변압기와 같은 인덕티브 결합의 필요성을 제거하기 위해 변환기 하우징으로부터 전기적으로 격리되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 플레이트(14) 및 (16)도 변환기 하우징으로부터 전기적으로 격리되도록 하는 것이 바람직하다. 측정될 상태가 차압된 경우에는, 제 1 압력 P1이 플레이트(12)의 한면에 가해지고 제 2 압력 P2는 플레이트(12)의 다른 한면에 가해진다. 이어서, 이 플레이트(12)는 P2가 P1보다 크냐 작으냐에 따라 제 2 플레이트(14) 또는 (16)으로 쏠린다. 플레이트(12)의 움직임은 C1과 C2의 커패시턴스의 변화를 초래케하는 플레이트(12) 및 제 2 플레이트들(14),(16)간의 간격을 변화시킨다. 그러한 센서 구성 및 동작에 관해서는 본 발명과 동일한 양수인에게 양도된 "격리된 감지격막을 가진 커패시터브 압력감지기(Capacitive Pressure Transducer with Isolated Sensing Diaphragm)" 란 명칭으로 공동계류중인 미합중국 특허 출원에서 상세히 개시되어 있다.
커패시터 C1,C2,Cs에 대한 신호를 정류하기 위한 정류수단은 일반적으로 도면번호 20으로 도시되는데, 이는 커패시터 Cs에 대한 다이오드(22) 및 (24)와, C1에 대한 검파 다이오드(26) 및 (28)과, 그리고 C2에 대한 검파 다이오드(30) 및 (32)를 포함하며, 그러한 모든 다이오드는 순방향 전도하는 페루프에서 직렬로 접속된다. C1의 제 2 플레이트(14)는 다이오드(26) 및 (28)사이에 접속되고, C2의 제 2 플레이트(16)는 다이오드(30) 및 (32)사이에 접속되며, 커패서터 Cs는 다이오드(22) 및 (24)사이에 접속된다. 다이오드(22),(24),(26),(28),(30) 및 (32)와 같은 정류수단(20)이 실질상 열적드리프트에 디한 문제점을 제거하는 동일한 온도로 될 때 그 회로의 성능이 개선되다. 그러한 열적 안정성은 정류기(20)의 하이브리드 장착이나 단일 기판상에 대한 정류수단(20)의 장착, 또는 다른 유사한 장착 기술에 의해 얻어질 수 있다. 제 1 도에서, 그러한 유사한 장착부가 정류수단(20)을 둘러싸고 있는 점선(20A)으로 도시되어 있다. 다이오드(22),(24),(26),(28),(30) 및 (32)는 순방향으로 전도하는 저전압 강하 특성을 갖는 것이 바람직하다.
전압 제어 발진기(34)는 라인(36)에 의해 플레이트(12)에 결합되어, 제어주파수에서 일정한 피크대 피크전압을 그 플레이트(12)에 공급한다. 커패시터(40) 및 (42)는 상기 발진기(34)에 의해 구동되는 커패시터 C1및 C2에 반응하는 전류 신호를 균일하게 하기 위해 정류수단(20)에 결합된다. 저항(44) 및 (46)은 전압 레귤레이터(84)의 출력전압에 따라 전원 라인(79) 및 (76)양단에 전압을 걸리게 하는 분압기를 형성한다. 따라서, 이와같이 형성된 분압기가 절점 S1에서 회로기준신호를 공급한다. 이러한 기준신호를 수신하기 위해 라인(48)이 연산증폭기(50) 및 (60)의 비반전 입력을 분압기에서 결합한다. 또한, 출력증폭기(80)의 한 입력도 절점 S1으로 부터의 그러한 기준신호를 수신하기 위하여 라인(48)에 의해 결합된다.
증폭기(50)의 반전 입력은 라인(52)과 전류 합성 절점(52A) 및 다이오드(26)를 거쳐 커패시터 C1의 제 2 플레이트(14)와 공통 커패시터 플레이트(12)로 결합되고, 또 다이오드(22)를 거쳐 커패시터 Cs로 결합된다. 상기 라인(52)은 또한 다이오드(26)과 (22)사이에서 커패시터(40)에 접속된다. 커패시터 C1의 전류(ic1) 및 커패시터 Cs의 전류(ics)는 절점(52A)에서 결합하는데, 그 합성 전류는 i1이다. 마찬가지로, 증폭기(60)의 반전 입력은 라인(62)과 전류합성 절점(62A) 및 다이오드(30)를 통해 커패시터 C2의 제 2 플레이트(16)와, 공통 커패시터 플레이트(12)로 결합되고, 또 다이오드(24)를 통해 커패시터 Cs로 결합된다. 라인(62)은 다이오드(30) 및 (24)사이에서 커패시터(42)로 접속된다. 커패서터 C2의 전류 (iC2) 및 커패시터 Cs의 전류(ics)는 절점(62A)에서 결합되는데, 그 합성 전류는 i2이다. 저항(54),(64)은 각기 연산증폭기(50) 및 (60)의 반전 입력에 대한 피드백을 제공한다.
증폭기(70)의 제 1 입력(72)은 라인(58) 및 저항(56)을 통해 증폭기(50)의 출력에 결합되고, 증폭기(70)의 제 2 입력(73)은 라인(68) 및 저항(66)을 통해 증폭기(60)의 출력에 결합된다. 상기 제 1 입력(72)은 또한 라인(58) 및 저항(75)을 통해 전원라인(76)에 결합된다. 또, 상기 제 2 입력(73)은 라인(68) 및 저항(78)을 통해 전원 라인(79)으로 결합된다. 상기 증폭기(70)는 차동증폭기로서의 기능을 하는데, 이것은 전압 제어 발진기(34)를 제어하기 위해 그 입력(72),(73)에서 상기 신호들을 비교하여 그러한 비교 출력신호를 라인(79A)상에 공급한다.
회로(10)의 합성절점 S는 다이오드(28) 및 다이오드(32)사이에 있는데, 이는 라인(80A)에 의해 증폭기(80)의 반전입력에 결합된다. 커패시터(81)는 전류신호를 여파하기 위해 라인(80A)에서 라인(76)으로 결합된다. 증폭기(80)는 전류 제어부(82)에 결합되는 것이 바람직하지만 적당한 수행 수단이나 판독수단에 직접 결합될 수도 있다. 전류 제어부(82)는 또한 라인(79) 및 단자(88)에 접속된다. 증폭기(50),(60),(70) 및 (80)는 라인(79) 및 (76)을 통해 전원전력을 공급받는다. 회로(10)는 전압 레귤레이터(84)를 통해 조절된 전압을 공급받는데, 이 전압 레귤레이터(84) 는 라인(79) 및 라인(76)으로 접속된 제너 다이오드(84A)와, 라인(76) 및 단자(88)로 접속된 저항(84B)으로 구성된다. 상기한 전압 제어발전기(34)는 실질상 일정한 전압을 공급하기 위해 전원라인(79) 및 (76)에 의해 전압 레귤레이터(84)로 결합된다. 회로(10)는 또한 2개의 단자(86) 및 (88)에 결합된 전위차계 (85)일 수도 있는 피드백 저항을 통해 2선식 전류 루프에 결합되는 것이 바람직하다. 이러한 실시예에 있어서, 전위차계(85)의 와이퍼는 총 2선 전류(IT)로 표시되는 미소하지만 주지된 피드백 전류 (iFB+is)를 저항(93)을 통해 합성절점 S에 결합된다. 저항(94)은 피드백 전류(iFB)의 일정성분을 감소되게 한다. 피드백 전류(is)의 가변성분은 ic1및 ic2유입 및 유출되는 합성절점 S에서 합성된다. 합성절점 S에서의 전류들(ic1,ic2,is)의 조합은 라인(80A)을 거쳐 증폭기(80)의 반전입력에 영향을 미친다. 라인(76)은 전압 레귤레이터(84) 및 단자(88)에 결합된다. 2선 전류 루프는 외부 전원(90)과, 단자(86) 및 (88)에 접속된 직렬 결합 부하(92)를 통해 완성된다.
제 1 도의 회로의 동작
제 1 도의 실시예에서는 주지된 다이오드 검파 기능을 갖는 3개의 커패시터 C1,C2,Cs를 채택하고 있다. 제어적(Controlled product)발진기의 개념은 주지되어 있지만, 커패시턴스를 측정하기 위한 통상의 발진기는 소망의 제어적(p)을 얻기 위해 주파수(f) 및 피크대 피크 전압(Vpp)을 변경시키는데, 이를 식으로 나타내면 p ∝ (fVpp)로 된다.
본 발명의 회로에 있어서, 상기 전압(Vpp)의 진폭은 실질상 일정하게 유지되는 반면에 주파수(f)는 소망의 제어적(p)를 얻기 위해 변경된다. 이와같이 소망의 제어적을 얻기위해 주파수를 변경시키는 방법은 C1과 관련된 정류수단(20)의 부분(다이오드 26 및 28)에 C2와 관련된 정류수단(20)의 부분(다이오드 30 및 32)과 동일한 피크대 피크 전압을 걸려지게 하기 때문에(라인 36은 동일한 전압 Vpp를 각각의 커패시터 C1,C2, 및 Cs에 인가한다), 매우 효과적이다.
예컨대, 라인(36)상의 전압이 발전기(34)의 각 사이클의 제 1 부분동안 라인(48)에 대하여 양인 경우 커패시터 C1,C2,CS가 양으로 충전되고, 라인(36)상의 전압이 발진기(34)의 각 사이클의 제 2 부분동안 라인(48)에 대하여 음인 경우에는 커패시터 C1,C2,CS가 음으로 충전된다. 발진기(34)의 한 사이클의 제 1 부분동안, 커패시터 C1은 라인(76), 커패시터(81) 및 다이오드(28)를 통해, 플레이트(12)와 관련하여 라인(36)에 의해 발진기(34)에 접속되는 C1을 형성하는 제 2 플레이트(14)에 양으로 충전된다. 또, 발진기(34)의 한 사이클의 동일한 제 1 부분동안에는 커패시터 C2가 라인(76), 커패시터(42) 및 다이오드(30)를 통해, 제 1 플레이트(12)와 관련하여 라인(36)에 의해 발진기(34)에 접속되는 C2를 형성하는 제 3 플레이트(16)에 양으로 충전된다.
또, 발진기(34)의 한 사이클의 제 2 부분동안에는, 커패시터 C1이 라인(76), 제너 다이오드(84A), 라인(79), 커패시터(40) 및 다이오드(26)를 통해 C1의 제 2 플레이트(14)에 음으로 충전되고, 이에따라 C1은 플레이트(12)상에서 라인(36)상의 발진기에 음으로 충전된다. 그리고, 발진기(34)의 한 사이클의 동일한 제 2 부분동안, 커패시터 C2는 라인(76), 커패시터(81) 및 다이오드(32)를 통해 C2의 제 2 플레이트(16)에 음으로 충전되어, 플레이트(12)상에서 라인(36)상의 발진기(34)에 음으로 충전된다. 플레이트(12)를 통해 접속된 커패시터 Cs의 한 단자는 라인(36)에 의해 발진기(34)에 직접 접속된다. Cs는 라인(76), 제너 다이오드(84A), 라인(79), 커패시터(40) 및 다이오드(22)를 통해 발진기(34)의 한 사이클의 제 1 부분상에 양으로 충전된다. Cs는 라인(76), 커패시터(42) 및 다이오드(24)를 통해 발진기(34)의 한 사이클의 제 2 부분상에 음으로 충전된다. 전류 ic1및 ic2의 크기는 C1과 C2의 커패시턴스 함수이다. 차압 센서가 제 1 도에 도시된 바와같이 사용될 때, 커패시턴스 C1및 C2는 차압(p1-p2)과 함수관계를 갖는다.
전류 ic1및 ic2는 커패시터(40) 및 (42)에 의해 균일해지게 되며 각각 ics와 결합하는데, 그 결과 전류 i1및 i2는 각기 증폭기(50) 및 (60)의 반전 입력에 연결되어 정비례 전압출력 V1및 V2로 변환된다. 이 전압 출력 V1및 V2는 증폭기(70)의 입력(72) 및 (73)에 결합된다. 그러므로, i1및 i2의 차이에 정비례하여 변화하는 증폭기(70)의 출력은 다음과 같은 제어 등식을 만족하는 주파수를 갖는 피크대 피크 전압(Vpp)를 공급하게끔 발진기(34)를 구동시킨다. 즉
V1=i1R54=f(VPP-2VD)(C1-CS)R54등식 (1)
-V2=i2R64=f(VPP-2VD)(C2-CS)R64등식 (1)
여기서 : V1=증폭기(50)의 출력전압
V2=증폭기(60)의 출력전압
f=발진기(34)의 주파수
VPP=발진기(34)로부터의 피크대 피크전압의 진폭
C1=C1의 커패시턴스
C2=C2의 커패신턴스
R54=R64
VD=각 다이오드의 전압 강하
상기 등식(2)으로부터 등식(1)을 합하고 V1-V2-=K라하면, 증폭기(70)는 다음과 같은 등식을 갖는 발진기(34)의 커패시턴스 변화에 반응하는 주파수의 페루프 제어를 행한다는 것을 알수 있다.
Figure kpo00001
여기서 : p-제어적 ; f(Vpp)
K=상수 ; V1-V2
발진기(34)가 제어 루프의 내부(회로 절점 52A 및 62A 사이)에 있기 때문에, 그로부터의 VPP주파수는 증폭기(70)의 출력에 대하여 선형이 될 필요가 없다.
한 실시예에 있어서의 발진기(34)는 알씨에이 내쇼날 쎄미콘닥터 또는 모터로라사에 의해 생산되는 CMOS 4046형 위상 고정 루프회로의 전압 제어 발진기이다.
증폭기(80)는 합성절점 s로 흐르는 전류 ic1및 ic2에 반응하는 출력신호를 공급하는데, 그 합성절점 s에 서의 전류를 합성하면 다음의 등식이 산출된다. 즉
IS=IC2-IC1등식 (4)
증폭기(80)는 부하 저항(92)내에 정비례 전류 신호를 공급하기 위해 전류 is를 전류 제어부(82), 루프 전류 감지 저항(85) 및 피드백 저항(93)을 거쳐 증폭시키기 때문에, 상기 등식(3)을 상기 등식(4)로 대체하면 2선식 전류(Iz)는 선형화된 차압 신호라는 것을 알 수 있다. 즉
Figure kpo00002
도시된 것처럼 증폭기(80)로부터의 출력신호는 통상의 2선식 회로에 의해 단자(86) 및 (88)에 접속된 외부 전원(90)과 직렬 결합 부하(92)를 가진 2선식 회로용 전류 제어부(82)를 구동하는 것이 바람직하다. 그러면 2선식 회로내에서의 총 직류 전류 IT는 커패시턴스 C1및 C2와 측정된 파라미터에 대한 함수 관계를 갖는다.
전류 ic1및 ic2는 가해진 피크대 피크 전압(VPP), 각각의 다이오드 강하(V 및 V) 또는 (V 및 V), fVCR(여기서 C는 센서 커패시턴스이고 R은 회로 저항값이다)로서 나타낼 수 있는 다이오드를 및 전류합성절점(52A,62A 및 합성절점 s) 사이의 전압 강하(V), 전류 iC1및 iC2와 다른 기준 전압(△V)에 의해 초래되는 손실들에 대한 함수이다. 이에 따라 일반적으로, ic=f(Vpp-Vd1-Vd2-Va-△Vb)C로 되고, ic1=f(Vpp-Vd26-Vd28-fVppC1R-△Vb)C1, ic2=f(Vpp-Vd30-Vd32-fVppC2R-△Vd)C2로 됨을 알 수 있을 것이다.
이러한 등식으로부터, 측정될 상태를 나타내는 ic1과 ic2에 대하여, 괄호안의 항, 즉((Vpp-Vd1-Vd2-Va-△Vb)은 매우 안정된 상태이어야 한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, Vpp의 진폭을 최대로 하고, Vpp의 진폭이 아닌 제어주파수를 최대로하면, C1과 C2의 변화에 관계없이 최대진폭이 공급된다. 또한, 실질상 동일한 Vd1및 Vd2의 변화를 제어하고 나머지항 Va와 △Vb를 최소화하는 것은 안정성을 높이고 원치 않는 오차를 감소시키므로 개선된 전류 신호 ic1및 ic2를 얻어지게 한다. 따라서, 본 발명의 한가지 중요한 장점은 커패시터를 완전히 충전시키도록 실질상 일정한 피크대 피크전압(VPP)을 공급하는 반면에 커패시턴스의 변화에 반응하는 VPP의 주파수를 변경시키는 것이다. 이러한 주파수 변경은 각각의 커패시터 C1,C2및 CS가 각 사이클 동안 전부 충전 및 방전될 수 있는 제한값 이내로 제어된다. 유사한 장착 기술에 의한 다이로드 강하의 균등성을 개선하기 위한 장치가 앞에서 이미 설명되었는바, 전압 강하(Va)의 효과는 정류 수단(20)과 전류합성절점(52A,62A) 및 합성절점 s사이에 전압강하가 없는 경우에 개선된다. 마지막으로, 전류합성절점(52A,62A) 및 합성절점 s와 같은 회로 전류 합성절점에는 각기 증폭기(50),(60)에 의해 동일한 기준 전압이 걸리게 되므로 그에따라 △Vb를 최소화시킨다. 그러한 합성으로 인해, VPP가 최대로되고 다른 항은 최적화 되어, 증폭기(80)에 중대된 신호가 공급되고 아울러 개선된 2선식 전류(IT)를 초래하는 전류제어부(82)에도 증대된 출력신호가 공급된다.
제 2 도의 회로의 설명
제 2 도에는 가변 커패시턴스를 측정하기 위한 회로가 일반적으로 도면번호 100으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에서는 2개의 가변 커패시터 C1및 C2가 도시되어 있지만, 원하는 경우 다른 커패시터가 사용될 수도 있다. 전압 제어발진기(110)는 라인(112)를 통해 C1및 C2의 제 1 플레이트 (114) 및 (116)에 결합된다. C1및 C2의 제 2 플레이트 (117) 및 (118)은 라인(132),(134),(136) 및 (138)에 의해 다이오드(122), (124), (126) 및 (128) (라인 120A으로 표시된 바와같이 열적 안정성을 위해 함께 근접배치되는 것이 바람직하다)로 구성된 정류수단(120)에 결합된다. 다이오드(128)의 애노드는 라인(142)에 의해 전류 합성 절점(140)에 결합된다. 전류 반전 증폭기(144)의 출력은 저항(146)과 라인(142)를 통해 절점(140)에 결합된다. 증폭기(144)는 반전 입력에서 출력까지 결합된 피드백 저항(148)을 가지며 또한 공통 회로에 결합된 비반전 압력을 갖는다. 증폭기(144)의 반전 압력은 라인(150)을 통해 다이오드의 애노드와 그리고 커패시터 C1의 제 2 플레이트(117)에 결합된다.
다이오드(122) 및 (126)은 각각 라인(152)에 의해 제어증폭기(154)의 반전 입력과 전류 합성절점(154A)에 결합된다. 기준전류는 기준 전압 -VREF로부터 저항(156)을 통해 공급된다. 증폭기(154)의 제 2 입력은 공통회로로 완성되며 이러한 증폭기(154)의 출력이 라인(158)을 통해 발진기(110)에 대한 제어신호를 공급한다.
증폭기(160)의 반전입력은 절점(140) 및 피드백 저항(162)에 결합되고, 이 피드백 저항(162)은 증폭기(160)의 반전입력에서 출력까지 결합된다. 증폭기(160)의 비반전 입력은 공통회로에 결합된다. 증폭기(160)는 커패시터 C1과 C2의 함수인 회로(100)로부터의 출력신호(V0)를 공급하는데, 그 출력은 적당한 수행 또는 판독수단(161), 2선식 송신기용 전류 제어부 및 전류/압력 변환기 등과 함께 사용되는 것이 바람직하다. 커패시터 C1및 C2에 대한 선형화는 다이오드(164)를 통해 라인(112) 및 공통회로에 결합되고 다이오드(166)을 통해 라인(152)에 결합되는 조정 가능 커패시터 C3에 의해 공급된다. 다이오드(164) 및 (166)는 정류수단(120)에 포함될 수도 있다. 이러한 경우 다이오드(164) 및 (166)로 구성된 한쌍의 다이오드중 단지 하나의 다이오드(166)만이 합성 절점(154A)에 결합되기 때문에, 커패시터 C3의 값은 C3=2CS가 되도록 2배로 되어야 한다.
Figure kpo00003
라인(142),(150),(152)으로부터 공통회로까지의 필터 커패시터(170), (172) 및 (174)는 전류신호를 균일화 하기 위해 제공된다.
제 2 도의 회로의 동작
제 2 도의 회로의 동작시에는 발진기(110)가 제어 및 변화된 주파수에서 일정한 진폭의 피크대 피크 전압을 각각의 커패시터 C1,C2및 C3에 공급한다. 커패시터 C1및 C2의 제 2 플레이트(117),(118)는 정류수단(120)을 거쳐 증폭기(144),(154) 및 (160)에 결합된다.
발진기(110)의 사이클의 제 1 부분동안에는 커패시터 C1의 커패시턴스를 나타내는 제 1 전류 i1이 C1을 충전시키기 위해 증폭기(144)의 반전입력에서의 전류합성절점으로부터 라인(150), 다이오드(124) 및 라인(134)을 통해 흐른다. 또 발진기(110)의 사이클의 제 2 부분동안에는 전류 i1이 커패시터 C1에서 라인(132), 다이오드(122) 및 라인(152)를 통해 전류합성절점(154A)(이는 증폭기 154의 입력에 영향을 미치지 않는다)으로 흘러서 저항(156)을 통해 -VREF로 흐른다. 이러한 제 1 전류 통로는 인버터 증폭기(144) 및 저항(146)과 협동하여 라인(142)을 따라 전류(-i1)가 절점(140)에서 흐르도록 하기 위해 제 1 전류 i1을 반전시키는 피드백 저항(148)에 의해 완성된다. 발진기(110)의 사이클의 제 1 부분동안, 커패시터 C2의 커패시턴스를 나타내는 제 2 전류(i2)는 C2를 충전시키기 위해 노우드(140)로부터 라인(142)과 다이오드(128)을 통해 라인(138)으로 흐른다.
또, 발진기(110)의 사이클의 제 2 부분동안에는, i2가 라인(136)과 다이오드(126)을 통해 라인(152)과 전류합성절점(154A)(이는 증폭기 154의 반전입력에 영향을 미치지 않는다)으로 흐르고 이어서 저항(156)을 통해 -VREF로 흐른다. 제어동작에 있어서는 증폭기(154)가 그것의 출력에서 전류 i1및 전류 i2의 합이 일정한 피크대 피크 전압(VPP), 다이오드 강하(VD), 발진기(110) 및 커패시터 C1,C2의 주파수(f)에 대한 함수관계를 갖도록 발진기(110)의 주파수를 제어하는 전압 신호를 공급하는데, 이는 다음과 같은 식으로 나타내어진다.
즉,
i1+i2∝ f(Vpp-2VD)(C1+C2-2Cs) ∝ P
제 3 도의 회로의 설명 및 동작
제 3 도에는, 본 발명에 따른 회로의 또다른 실시예가 도면번호 200으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 전류합성절점(210)은 커패시터 C1의 커패시턴스에 반응하는 제 1 전류 i1과, 전류 반전 증폭기(212)로부터 커패시터 C1커패시턴스에 반응하는 제 2 전류 i2를 공급받는다. 이 실시예에서는, 제어증폭기(216)의 비반전 입력이 공통회로에 결합되고 그 반전입력은 전류합성절점(210)에 결합되어 전압 제어 발진기(218)의 주파수를 제어하는 출력신호를 발생시킨다. 정류수단(220)은 발진기(218)로부터 공급된 실질상 일정한 진폭을 갖는 가변 주파수 전압신호(VPP)를 반복적으로 충전 및 방전시키는 커패시터 C1및 C2에 의해 전류 i1및 i2를 정류시키는데, 상기 가변 주파수는 C1및 C2의 커패시턴스의 변화에 따라 제어된다. 출력증폭기(230)는 그 반전입력이 정류수단(22)에 결합되어 출력신호를 2선식 전류 제어부 및 판독 장치 등과 같은 적당한 수행수단(232)에 공급되게 한다. C1및 C2에 대한 선형화는 전류합성절점(210)에 결합된 다이오드(242) 및 (244)를 거쳐 조절가능한 커패시터 C3에 의해 공급된다. 다이오드(242) 및 (244)는 정류수단(220A)내에 포함될 수 있다. 이 경우 제 2 도의 한 실시예와 마찬가지로 단지 다이오드(244)만이 전류합성절점(210)에 결합되므로, 커패시터 C3의 값은 상술한 등식(6)과 관련하여 설명된 바와같이 2배로 되어야 한다.
제 2 도와 제 3 도의 실시예에서는 피크대 피크 전압을 리액티브 수단에 결합하는 인덕티브 결합수단이 없어도 리액턴스 수단을 여기시키는 가변 주파수를 가진 실질상 일정한 진폭의 피크대 피크 전압을 이용하여 작동한다. 이들 실시예가 2선식 회로와 함께 상용될 경우에는 증폭기(160) 및 (230)에 대한 반전입력을 피드백 전류(is) 및 전류 i1, i2에 대한 전류합성절점으로서 사용할 수 있다. 또, 제 1 도에 도시된 바와같은 전류 제어부, 전압 레귤레이터 및 다른 회로나 혹은 다른 2선식 회로가 사용될 수도 있다. 제 1 도의 2선식 회로가 사용될 때와 다른 2선식 회로가 사용될 때는 증폭기들이 다시 2선식 단자를 통해 그들의 전력을 수신할 수 있다. 제 1 도의 장점은 제 2 도와 제 3 도의 실시예에서 나타나있다.
이 분야에 숙력된 자들은 가변 임피던스가 가변 교류 리액턴스 수단으로 구성되는 것이 이해될 것이다.
지금까지는 본 발명의 몇가지 양호한 실시예에 대해서만 설명하였지만, 이 분야에 숙련된자라면 본 발명의 회로 구성 및 세부 사항에 대한 여러 가지 변경 및 수정이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 감지될 상태의 변화에 반응하여 변화하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스를 측정하기 위한 회로에 있어서, 상기 교류 리액턴스 센서의 리액턴스에 따른 출력주파수 신호를 발생시키는 제어발진기와, 상기 출력주파수 신호가 공급되며 상기 교류 리액턴스 센서의 리액턴스에 따른 출력을 공급하되 그 출력이 상기 발진기에 대한 제어 입력 신호를 공급하는 제어수단에 의해 공급되게 하는 정류수단을 구비하는데, 상기 정류수단은 상기 교류 리액턴스 센서에 직접 결합되고, 상기 발진기 출력 신호는 상기 발진기에 공급된 상기 입력신호에 따른 가변 주파수를 갖는 일정한 피크대 피크 전압 신호이고, 상기 입력 신호는 상기 출력 신호의 주파수와 상기 교류 리액턴스 수단의 리액턴스에 따른 값을 갖는 직류 신호인 것을 특징으로 하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 리액턴스 센서는 감지될 상태의 변화에 반응하여 커패시턴스가 변화하는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 리액턴스 센서는 적어도 제 1 및 제 2 리액턴스 소자를 구비하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 교류 리액턴스 센서는 하우징내에 내장되어, 그 하우징과 전기적으로 절연되는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 정류 수단으로부터 2가지 전류를 감지하는데, 그 전류들은 상기 출력 주파수 신호의 주파수와 상기 교류 리액턴스 센서의 리액턴스에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 교류 리액턴스 센서의 리엑턴스 측정회로.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 리엑턴스 소자들중 적어도 한 소자는 가변값을 갖는 소자인 것을 특징으로 하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 제 1 및 제 2 리액턴스 소자로부터 출력신호들이 각각 공급되는 제 1 및 제 2 증폭기와, 상기 제 1 및 제 2 증폭기의 출력들이 공급되고 상기 발진기에 대한 제어 입력 신호를 상기 증폭기들로부터 공급된 신호들에 대한 함수로서 공급하는 비교기 수단을 구비하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 교류 리액턴스 센서의 리액턴스를 나타내는 출력신호가 공급되는 출력 수단을 추가로 구비하는데, 상기 출력수단은 2선식 회로의 리드들을 형성하는 2선내의 직류 전류를 상기 출력신호의 함수로서 제어하는 역할을 하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 2선식 회로는 상기 회로에 대한 안정된 기준 전압을 제공하는 역할을 하는 전압 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 출력수단에 대한 기준전압을 제공하는 전압 레귤레이터에 결합된 전압기준수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 2개의 선과 상기 출력수단에 결합된 피드백저항을 추가로 구비하여, 상기 출력수단에 대한 입력신호를 상기 교류 리액턴스 센서로부터의 상기 출력신호와 상기 피드백 저항을 통해 흐르는 피드백 전류에 대한 함수로서 제공하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 교류 리액턴스 센서는 챔버를 형성하는 하우징과, 상기 쳄버내에 제 1 공통 커패시터 플레이트를 형성하는 격막과, 상기 격막과 대향하는 각각의 챔버 벽에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제 2 및 제 3 커패시터 플레이트를 포함하는 커패시티브 압력 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 교류 리액턴스 센서의 측정회로.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 커패시터 플레이트는 제 1 커패시터를 형성하고, 상기 제 1 및 제 3 커패시터 플레이트는 제 2 커패시터를 형성하고, 상기 커패시터들의 값은 상기 교류 리액턴스 센서상에 작용하는 감지될 압력(P)에 대한 함수로서 변화하고, 상기 제어수단은 상기 발진기에서의 출력 주파수 신호의 주파수를
    Figure kpo00004
    (여기서 VPP는 주파수 출력 신호의 피크대 피크 전압임)인 등식 관계로 제어하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 정류 수단은 열적 드리프트가 보상된 다수의 다이오를 구비하는 것을 특징으로하는 교류 리액턴스 센서의 리액턴스 측정회로.
  15. 파라미터를 감지하기 위한 커패시티브 센서 수단을 갖는 2선식 송신기에 있어서, 가변주파수를 공급하며, 제어 신호에 의해 그 가변 주파수가 제어되는 일정한 피크대 피크 전압 발진기 신호를 공급하기 위한 변압기가 없는 전압 제어발진기와 ; 상기 센서 수단과 상기 발진기 수단에 결합되어, 상기 센서 수단을 여기시키는 발진기 신호를 인가함과 동시에 상기 센서 수단으로부터 커패시턴스의 변화에 반응하는 센서 전류에 대한 직류 전류 통로를 상기 감지된 파라미터에 대한 함수로서 제공하기 위한 정류수단과 ; 센서 전류를 수신하기 위해 상기 정류 수단에 결합된 입력과, 상기 발진기 신호의 주파수를 제어하기 위해 상기 제어신호를 센서 전류의 함수로서 제공하기 위한 출력을 갖는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 2선식 송신기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 정류 수단과 상기 발진기 수단에 결합되어, 상기 피크대 피크 전압을 일정한 레벨로 유지하는 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로하는 2선식 송신기.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 커패시티브 센서 수단은 상기 감지된 파라미터(p)의 함수로서 변화하는 제 1 및 제 2 커패시턴스(C1및 C2)를 갖고, 상기 제어 수단은 발진기 신호의 주파수(f)를
    Figure kpo00005
    (여기서 Vpp는 발진기 신호의 피크대 피크 전압임)인 등식 관계로 제어하는 것을 특징으로 하는 2선식 송신기.
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