NL7904027A - Inrichting voor het detecteren en meten van capaci- teitsvariaties. - Google Patents

Description

* * ~ N# - 1 - H.O. 27.849

Sten Axel Dahlqyist, te Taby, Zweden

Inrichting voor het detecteren en meten van capaciteitsvariaties.

De uitvinding heeft "betrekking op een inrichting voor het meten en detecteren van kleine capaciteitsvariaties van een capacitieve meeteel. Zulke capaciteitsvariaties kunnen worden beinvloed door de omstandigheden, dat de dielektrische constante van het medium tussen de platen of folies van de meet condensator, 5 de afstand tussen de platen of folies van de meetcondensator, of de afmeting van de platen of folies van de meetcondensator zich wijzigen. De uitvinding is in het "bijzonder gericht op een inrichting voor het meten van de concentratie van een vloeistof of gas.

Inrichtingen van de laatstgenoemde soort zijn bekend en omvatten 10 een capacitieve meetcel die bestaat uit een meetcondensator, waarbij tussen de condensatorplaten of -folies het medium is aangebracht, waarvan de concentratie moet worden gemeten. Indien de concentratie wordt gewijzigd varieert ook de capaciteit van de meetcel. Het nadeel van deze bekende capacitieve concentratie- ^ meters is, dat zij zeer ingewikkeld zijn en een moeilijke constructie hebben. De uitvinding heeft ten doel dit nadeel te vermijden en heeft betrekking op een inrichting die een eenvoudige en betrouwbare constructie heeft en waarmee capaciteitsvariaties kunnen worden gemeten die met betrekking tot de capaciteit van de meetcel 20 klein zijn. Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat een astabiele multivibrator aanwezig is, waarvan de uitgang enerzijds met de ingang van een invertor 6 is verbonden en anderzijds met een ingang van een exclusieve 03?-schakeling, en dat een monostabiele multivibrator met de uitgang van de invertor is 25 verbonden, waarbij de componenten van de multivibrator de pulslengte inclusief de meetcondensator bepaalt en waarbij de uitgang van de multivibrator verbonden is met een tweede ingang van de 7904027 t · -I- 2 exclusieve OF-schakeling, die daardoor aan zijn uitgang een puls-vormig signaal opwekt, dat hierna verschilsignaal wordt genoemd en dat het verschil is in pulslengte tussen het uitgangssignaal van de monostabiele multivibrator en dat van de astabiele multivibrator. 5

Yele bekende capacitieve concentratiemeters zijn zeer sterk tempera tuur safhankelijk, waardoor het nadeel ontstaat dat de temperatuur van het gas of de vloeistof constant moet worden gehouden. De uitvinding vermijdt dit nadeel. Hiervoor is de inrichting volgens de uitvinding voorzien van een temperatuurscompen- 10 satieschakeling die de temperatuurafhankelijkheid van de meetresultaten elimineert. In principe is de temperatuurscompensatie-schakeling op dezelfde wijze als de bovengenoemde inrichting geconstrueerd, maar maakt in plaats van een meetcondensator gebruik van een referentiecondensator die dezelfde temperatuurs- -jtj variaties als de meetcondensator ondergaat, maar die een medium van een bekende concentratie meet. Daardoor is het mogelijk de afhankelijkheid van de meetresultaten op temperatuursvariaties te balanceren.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan 20 de hand van de tekening, waarin: fig. 1 een schema van de inrichting volgens de uitvinding toont, voorzien van een aan te sluiten temperatuurscompensatie-schakeling; fig. 2 pulsvormen weergeeft in diverse punten van de in- 25 richting volgens fig. 1, waarbij de temperatuurscompensatie-schakeling is afgeschakeld; en fig. 3 pulsvormen illustreert verkregen in diverse punten van de schakeling volgens fig. 1 met de temperatuurscompen-satieschakeling in bedrijf. jq

In fig. 1 is de inrichting volgens de uitvinding getoond die een capacitièvë' meetcel 1 en een detectoreenheid 2 omvat. De meetcel bestaat uit een meetcondensator 3» tussen de platen of folies waarvan het medium is aangebracht, waarvan de concentratie moet worden gemeten. De meetcondensator is via een leiding 4 van 35 facultatieve lengte met de detectoreenheid verbonden. Aangezien de 790 4 0 2 7 3 dielektrische constante van de vloeistof (of het gas) afhankelijk is van de concentratie van de vloeistof (of het gas), is de capaciteit van de meetcondensator eveneens afhankelijk van de concentratie.

De detectoreenheid 2 zet de capaciteit van de meetcel om 5 in een overeenkomstig analoog spanningssignaal. De detectoreenheid omvat een astahiele multivibrator 5» waarvan de uitgang is verbonden met zowel een invertor 6 als een ingang van een exclusieve OF-schakeling J. De laatstgenoemde verbinding is gevormd via een schakelaar 8 (in de geïllustreerde positie), een leiding 9 en 10 een schakelaar 10 (in de geïllustreerde positie). De schakelaars 8 en 10 zyn by voorkeur mechanisch gekoppeld zoals in de tekening door de streeppuntlqn is aangegeven. De uitgang van de invertor is met de sehakelingang van een monostabiele multivibrator 11 verbonden, waarvan de uitgang met de andere ingang van de exclu- 15 sieve OF-schakeling 7 is verbonden. Zoals bekend levert in het algemene geval een monostabiele multivibrator in responsie op een ingangssignaal een uitgangspuls, waarvan de lengte vast en ondubbelzinnig is bepaald, maar vrq kan worden gekozen door een geschikte keuze van bepaalde RC-elementen opgenomen in de 20 multivibrator. In dit geval bestaan de componenten van de multivibrator 11 die de pulslengte bepalen, enerzijds uit de meetcondensator 3 en anderzqds uit een potentiometer 12. Aldus is het duidelijk dat in het betreffende geval de multivibrator 11 een uitgangspuls aflevert, waarvan de lengte afhankelijk is van 25 de capaciteit van de meetcondensator 3 en derhalve van de concentratie .

De werking van de inrichting zal aan de hand van fig. 2 worden toegelicht.

De astabiele multivibrator 5 levert een reeks van pulsen 50 van constante frequentie getoond in fig. 2a. De pulslengte T

a is constant. De pulsreeks wordt in de invertor geïnverteerd, aan de uitgang waarvan de pulsen volgens fig. 2b worden voortgebracht.

Deze pulsen worden toegevoerd aan de sehakelingang van de monostabiele multivibrator 11. De multivibrator wordt geschakeld door 35 6 790 40 27

* V

4 άβ negatieve flanken van de pnlsreeks 2b en levert uitgangs-pulsen (fig. 2c) met een variërende pulslengte T af, in overeen-stemming met de werkelijk gemeten concentratie. Aldus zullen aan de uitgang van de exclusieve OF-sehakeling 7 pulsen (fig. 2d) optreden, hierna verschilpulsen genoemd, waarvan de lengte T^ het * 5 verschil is tussen de pulslengten T - T . Door instelling van de potentiometer 12 kan T. met betrekking tot T zeer klein worden CL et gemaakt. Indien T^ klein is, betekent dit dat een kleine wyziging in Tc zich manifesteert in een wijziging in T^, die groot is met betrekking tot T^. Derhalve reageert de inrichting met grote 10 gevoeligheid of kleine concentratievariaties. (indien slechts de pulslengte T die zoals hierboven is vermeld, evenredig is aan de concentratie, als een maat voor de concentratie moet worden gebruikt, zou dit betekenen dat een kleine wijziging in de concentratie wordt weerspiegeld in een kleine wijziging in T , welke 15 c wijziging met betrekking tot T klein zal zijn, waardoor kleine c c oneentratiewijzigingen niet betrouwbaar zouden kunnen worden gedetecteerd). De verschilpulsen (fig. 2d) worden in een integreer-schakeling 13 geïntegreerd, die een gelijkspanning aflevert waarvan de amplitude evenredig is aan de concentratie. De integreer- 20 schakeling 13 heeft eveneens een laag doorlaatfilter die daarachter is geschakeld, zodat op de uitgang van de integreer-schakeling een af gevlakte gelijkspanning wordt verkregen, die daarna wordt toegevoerd aan een bufferversterker 14 om daarna te worden doorgegeven aan een weergeefinrichting en/of registratie- 25 instrument.

De volgende experimentele inrichting werd gebruikt om de concentratie-afhankelijkheid van het uitgangssignaal te bepalen, dat wordt afgeleid aan de bufferversterker.

De astabiele multivibrator was van het TTL-type (555sa 30 verbonden als een TTL-multivibrator) en leverde uitgangssignalen met een frequentie van 6 kHz. De invertor 6 was van het 7414 type; de potentiometer 12 was 100 kilo-ohm; de meetcondensator 3 has een nominale capaciteit van 3 nl1; de multivibrator 11 was van het TTL-type (opgebouwd van een 555:a); de exclusieve ΟΓ-schake- 3.5 790 4 0 27 ? -Λ 5 ling 7 was van het Q}!DL-type (7486); en een weerstand 15 van 10 kOhm verbond de uitgang van de schakeling 7 met de inverterende ingang van de operationele versterker 16 van de integreerschake-ling 13, welke versterker van het 741-type was en een terugkoppel-schakeling had gevormd door een parallelschakeling van een 5 condensator van 0,1 yuP en een weerstand van 100 kOhm. De niet-inverterende ingang van de operationele versterker 16 was via een potentiometer van 20 kOhm met een referentiespanningsbron verbonden. De potentiometer werd op bekende wijze gebruikt voor het instellen van het geljjkspanningsniveau van de operationele ver- -jq sterker 16. Het uitgangssignaal van de operationele versterker 16 werd gefilterd in het laagdoorlaatfilter van de integreerschakeling, welk filter bestond uit een condensator 17 van 1 ƒ ui1 en een weerstand 18 van 10 kOhm. Het gefilterde uitgangssignaal werd toegevoerd aan de bufferversterker 14 die van het 741-type was. ^

Als meetcondensator 3 werd een geleidingscel (Philips PW 9511) met een celconstante van 1,44 gebruikt. De meetcel werd ingebracht in diverse testbuizen voorzien van een mengsel van water en ethanol met een bekende concentratie. De volgende waarden werden gemeten: 20

gewichtspercentage ethanol uitgangssignaal, mV

80.5 ’ -540 84.2 -347 86.6 -205 88.2 -120 25 ïïit hierboven genoemde experimenten blijkt, dat de gevoeligheid van de inrichting ongeveer 50 mV/gewichtspercentage ethanol bedraagt.

Het uitgangssignaal van de hierboven beschreven meetcondensator is afhankelijk van de temperatuur. Om de temperatuurs- 50 afhankelijkheid te elimineren is door middel van de schakelaars 8, 10 een temperatuurscompensatieschakeling 19 aangesloten, die binnen de gestippeld getekende rechthoek in fig. 1 is geïllustreerd.

In principe is de schakeling 19 op dezelfde wijze als de detector-eenheid 2 opgebouwd en bestaat uit een invertor 20 die met de uit- 55 gang van de astabiele multivibrator 5 is verbonden, waarbij de uit- 790 4 0 27 *.’·' <i> 6 \ gang van de multivibrator met een monostabiele multivibrator 21 is gekoppeld, die identiek is met de multivibrator 12 en die wordt geschakeld door de achterflanken van de pulsen uit de invertor 20. Ben referentiecondensator 22 en een potentiometer 23 zijn de componenten van de multivibrator die de pulslengte bepaalt 5 op dezelfde wijze als de componenten 3 en 12 van de multivibrator 11. De referentiecondensator 22 is in dit geval aangebracht in een fluïdum van bekende concentratie. Indien bijvoorbeeld de meetcondensator 3 bestaat uit twee platen die in een vloeistof zijn ondergedompeld, kan de referentiecondensator bestaan uit een 1° condensator die in een houder is ondergebracht (met een substantie van bekende concentratie), die tezamen met de meetcondensator in het fluïdum is geplaatst, waarvan de concentratie moet worden gemeten en waarvan de temperatuur varieert. Het uitgangssignaal van de monostabiele multivibrator 21 wordt toegevoerd aan de 15 andere ingang van de exclusieve 0B-schakeling 7 via het contact 10.

De werking van de inrichting kan het eenvoudigst worden toegelicht aan de hand van fig. 3» waarbij fig. 3a de pulsreeks uit de astabiele multivibrator 45 toont. De pulsreeks wordt in de invertor 20 geïnvearteerd en krijgt het uiterljjk volgens fig. 3b. 20

De achterflank van de pulsen in fig. 3¾ schakelt de monostabiele multivibrator 11, die een uitgangssignaal volgens fig. 3c levert, waarbij de pulslengte T aldus afhankelijk is van de werkelijk gemeten concentratie. De uitgangspulsen (fig. 3a) uit de astabiele multivibrator worden eveneens in de invertor 20 geïnverteerd 25 en de achterflank van de geïnverteerde pulsen (fig. 3¾) schakelt eveneens de monostabiele multivibrator 21, die pulsen aflevert (fig. 3d), waarvan de pulslengte wordt bepaald door de concentratie van de bekende substantie. Aan zijn uitgang levert de exclusieve OB-schakeling 7 een 'pulsreeks (fig. 3e) » waarvan de puls- 50 lengte ö?e het verschil is tussen en T^. Stel dat de temperatuurs-coëfficiënt van de condensator 22 gelijk is aan die van de condensator 3» zullen de pulslengten Tc en met gelijke bedragen bij gelijke temperatuursvariaties wijzigen. Het verschil signaal 0?e zal dus onafhankelijk zijn van de temperatuur en kan op dezelfde 35 790 4 0 27 7 als het signaal volgens fig. 2 worden geïntegreerd en gefilterd.

De hierboven beschreven uitvoeringsvorm volgens de uitvinding kan op vele wijzen worden gewijzigd en gevarieerd binnen het kader van het basisconcept van de|iitvinding. Bijvoorbeeld kan de meetcondensator worden gebruikt voor het meten van de druk of 5 positie. In elk van deze gevallen is de meetcondensator zodanig opgesteld, dat de afstand tussen de condensatorplaten of -folies worden gewijzigd in responsie op een variatie van druk respectievelijk positie. In het geval van een positievariatie kan de inrichting worden gebruikt als een positie-indicator. 10 790 4 0 27

Claims (2)

1. Inrichting voor het detecteren en meten van capaciteits- variaties die klein zijn met betrekking tot de capaciteit van een capacitief meetlichaam, by voorkeur voor het meten van de concentratie van gas of vloeistof, welke inrichting bestaat uit een 5 meetcel met een meetcondensator, waarvan de capaciteitsvariaties worden gemeten, en een detectoreenheid die de capaciteit van de meetcondensator omzet in een elektrisch signaal, gekenmerkt door een astabiele multivibrator (5) waarvan de uitgang enerzijds met de ingang van een invertor (6) is verbonden en 10 anderzyds met een ingang van een exclusieve OF-schakeling (7); en door een monostabiele multivibrator (11) die met de uitgang van de invertor is verbonden, waarbij de componenten van deze multivibrator de pulslengte bepaalt tezamen met de meetcondensator en waarbij de uitgang van de multivibrator is verbonden met 15 een tweede ingang van de exclusieve OF-schakeling, die daardoor aan zyn uitgang een pulsvormig signaal levert, hierna verschil-signaal genoemd, dat het verschil is in pulslengte tussen het uitgangssignaal van de monostabiele multivibrator en dat van de astabiele multivibrator. 20

2. Inrichting volgens conclusie 1,met het ken merk, dat de componenten die de pulslengte bepalen, een potentiometer (12) omvatten, die zodanig is ingesteld, dat het verschilsignaal kort is met betrekking tot de pulslengte van het uitgangssignaal van de monostabiele multivibrator (11), waarby 25 een kleine capaciteitsvariatie van de meetcondensator een grote percentagewyziging in de pulslengte van het verschilsignaal oplevert, 790 4 0 27