RU2126173C1

RU2126173C1 - Device with capacitance gauge

Info

Publication number: RU2126173C1
Application number: RU94030021A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Фролов; В.В. Сухомлинов
Original assignee: Научное производственно-коммерческое товарищество "Фортуната"
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1999-02-10
Also published as: RU94030021A

Abstract

FIELD: instruments, in particular, for security and fire alarm services, devices for measurements of linear size and movements. SUBSTANCE: device has crystal oscillator of rectangular signals which on-off time ratio is equal to -2 and which has two opposite phase outputs which output characteristics are identical except phases. In addition device has two units of reactance elements, which are designed as capacitance detectors, adder and recording unit. EFFECT: increased field of application due to increased efficiency and precision of operations. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в устройствах охранной и противопожарной сигнализации, а также устройствах для измерения линейных размеров с емкостными датчиками. The present invention relates to instrumentation and can be used in devices for security and fire alarms, as well as devices for measuring linear dimensions with capacitive sensors.

Известно большое количество устройств с емкостными датчиками и электронных емкостных реле. В качестве аналогов полезно рассмотреть два устройства, прошедшие некоторый практический отбор и рекомендованные в литературе для широкого повторения. A large number of devices with capacitive sensors and electronic capacitive relays are known. As analogues, it is useful to consider two devices that have passed some practical selection and are recommended in the literature for wide repetition.

Известно устройство охранной сигнализации (см. журнал "Радиолюбитель". Минск. ISSN 0869-0510, 1992 год, N 8, стр. 26). A security alarm device is known (see the journal "Amateur Radio". Minsk. ISSN 0869-0510, 1992, N 8, p. 26).

Устройство содержит последовательно включенные генератор с частотно-задающим LC-контуром, конденсатор связи, второй LC-контур, амплитудный детектор и компаратор, а электрод (сенсор) емкостного датчика соединен с частотно-задающим контуром генератора. The device contains a series-connected generator with a frequency-defining LC circuit, a coupling capacitor, a second LC-circuit, an amplitude detector and a comparator, and the electrode (sensor) of the capacitive sensor is connected to the frequency-defining circuit of the generator.

Недостатком устройства являются неудовлетворительная точность срабатывания и повышенное энергопотребление, требующее сетевого электропитания. The disadvantage of this device is the unsatisfactory accuracy of operation and increased power consumption, requiring mains power.

Известно емкостное реле (см. журнал "Радио". Москва. ISSN 0033-765X, 1992 год, N 9, стр. 48). A capacitive relay is known (see the journal Radio. Moscow. ISSN 0033-765X, 1992, No. 9, p. 48).

Устройство имеет аналогичную функциональную схему, но также не обладает необходимой точностью срабатывания и экономичностью и как предыдущее требует настройки двух LC-контуров. The device has a similar functional diagram, but also does not have the necessary accuracy and efficiency, and as the previous one requires the adjustment of two LC-circuits.

Сложившаяся традиция проектирования подобных устройств наложила отпечаток и на профессиональные разработки, к которым со всем основанием можно отнести интегральные микросхемы КМ1025КП1 и КМ1025КП2, функционально представляющие собой емкостные реле, см. И.В.Новаченко, В.А.Телец. "Справочник. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры". Москва. "Радио и связь", 1991 г., стр. 121. Принцип действия указанных микросхем подобен принципу работы приведенных аналогов. The established tradition of designing such devices has left its mark on professional developments, which include the KM1025KP1 and KM1025KP2 integrated circuits, which functionally are capacitive relays, with all reason, see I.V. Novachenko, V.A. Telets. "Reference. Microcircuits for household radio equipment." Moscow. "Radio and Communications", 1991, p. 121. The principle of operation of these microcircuits is similar to the principle of operation of the above analogues.

Не критикуя сложности схемотехники (микросхемы содержат до 12-ти функциональных узлов) и отмечая как достоинство использование только одного "навесного" LC-контура, отметим как основной недостаток повышенный ток электропотребления, составляющий 20 миллиампер. Without criticizing the complexity of circuitry (microcircuits contain up to 12 functional units) and noting the advantage of using only one “mounted” LC circuit, we note as a main disadvantage the increased current consumption of 20 milliamps.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по авторскому свидетельству СССР N 821911, которое содержит генератор опорного напряжения, индуктивный датчик и блок регистрации, в котором опорный генератор выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов скважности-2, а устройство снабжено блоком реактивных элементов, образующих с индуктивностью датчика резонансный фильтр. The closest in technical essence to the proposed is a device according to USSR author's certificate N 821911, which contains a reference voltage generator, an inductive sensor and a registration unit, in which the reference generator is made in the form of a generator of rectangular pulses of duty cycle-2, and the device is equipped with a block of reactive elements forming with sensor inductance resonant filter.

Для использования данного устройства в качестве емкостного реле достаточно в блок реактивных элементов включить емкостный датчик. Однако такое устройство может иметь лишь ограниченное применение, так как на рабочей частоте порядка 30 кГц оно не имеет достаточной чувствительности, а на высоких, более 1 - 2 МГц становится не экономичным. To use this device as a capacitive relay, it is enough to include a capacitive sensor in the reactive element block. However, such a device can have only limited use, since at a working frequency of the order of 30 kHz it does not have sufficient sensitivity, and at high frequencies, more than 1 - 2 MHz, it becomes not economical.

Задачей изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения экономичности и точности работы. The objective of the invention is to expand the scope of the device by improving efficiency and accuracy.

Поставленная задача решается тем, что кварцевый генератор прямоугольных импульсов скважности-2 содержит дополнительный противофазный выход импульсной последовательности скважности-2 с одинаковыми (кроме фаз) выходными характеристиками, что и первый выход, кроме того, устройство в качестве блока реактивных элементов содержит емкостный датчик, дополнительно второй емкостный датчик (идентичный первому) или подстроечный конденсатор и сумматор. The problem is solved in that the quartz oscillator of rectangular pulses of duty cycle-2 contains an additional antiphase output of the pulse sequence of duty cycle-2 with the same (except for phases) output characteristics as the first output, in addition, the device as a block of reactive elements contains a capacitive sensor, additionally a second capacitive sensor (identical to the first) or a tuning capacitor and adder.

На чертеже приведена функциональная схема устройства с емкостным датчиком. The drawing shows a functional diagram of a device with a capacitive sensor.

Устройство содержит кварцевый генератор 1 прямоугольных импульсов скважности-2, имеющий дополнительно выход

, инвертированный (противофазный) выходу A, емкостный датчик 2, подключенный первым электродом к выходу A генератора, второй емкостный датчик (или конденсатор) 3, подключенный первым электродом к выходу A генератора, сумматор 4, подключенный выходами к вторым электродам емкостных датчиков 2 и 3, а выходом подключенный к блоку 5 регистрации.The device comprises a crystal oscillator 1 of rectangular pulses of duty cycle-2, having an additional output

inverted (out of phase) to output A, capacitive sensor 2, connected by the first electrode to output A of the generator, second capacitive sensor (or capacitor) 3, connected by first electrode to output A of generator, adder 4, connected by outputs to second electrodes of capacitive sensors 2 and 3 , and the output is connected to the registration unit 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При включении кварцевый генератор 1 генерирует переменное напряжение прямоугольных импульсов скважности-2, частота которого определяется собственной частотой кварцевого резонатора. When turned on, the crystal oscillator 1 generates an alternating voltage of rectangular pulses of duty cycle-2, the frequency of which is determined by the natural frequency of the crystal resonator.

Напряжение этого генератора с противофазных выходов A и

прямого и инвертированного подается на емкостные датчики 2 и 3.The voltage of this generator with antiphase outputs A and

direct and inverted is supplied to capacitive sensors 2 and 3.

Сумматор 4 отрегулирован таким образом, что его выходное напряжение равно нулю и на выходе блока регистрации 5 присутствует сигнал логического нуля. The adder 4 is adjusted so that its output voltage is zero and a logic zero signal is present at the output of the registration unit 5.

При приближении к одному из датчиков контролируемого объекта его емкость изменится, напряжение на выходе сумматора станет отличным от нуля и на выходе блока регистрации 5 возникнет сигнал логической единицы. Посторонние дестабилизирующие воздействия, например изменение температуры в зоне контроля, в равной степени изменяют параметры датчиков и не вызывают дополнительных погрешностей. В случае возникновения градиента температур, например при пожароопасности, изменение емкостей датчиков будет неодинаковым и устройство срабатывает как противопожарная сигнализация. When approaching one of the sensors of the controlled object, its capacity will change, the voltage at the output of the adder will become non-zero, and a signal of a logical unit will appear at the output of the registration unit 5. Extraneous destabilizing effects, for example, a change in temperature in the control zone, equally change the parameters of the sensors and do not cause additional errors. In the event of a temperature gradient, for example during a fire hazard, the change in the capacitance of the sensors will not be the same and the device will act as a fire alarm.

Генератор прямоугольных импульсов скважности-2 имеет кварцевую стабилизацию частоты и, будучи выполнен на микросхеме КМОП структуры, имеет токопотребление менее 20-ти микроампер, что в 1000 раз меньше, чем у устройства аналога (КМ1025КП1-2). Токопотребление блока регистрации в режиме слежения не меньше. The duty cycle-2 square-wave generator has quartz frequency stabilization and, being implemented on the CMOS chip, has a current consumption of less than 20 microamps, which is 1000 times less than that of the analog device (KM1025KP1-2). The current consumption of the registration unit in the tracking mode is not less.

Таким образом, область применения устройства значительно расширяется, так как становится возможным использование в нем автономных источников питания (батарей или аккумуляторов небольшой емкости), при этом ресурс работы устройства в режиме слежения составит 1 - 2 года в сравнении с двумя - тремя сутками для аналога. Thus, the scope of the device is expanding significantly, since it becomes possible to use autonomous power sources (batteries or small capacity batteries) in it, while the service life of the device in the tracking mode will be 1 - 2 years compared to two to three days for an analogue.

Повышение точности работы устройства достигается за счет низкого уровня фазовых шумов генератора с кварцевой стабилизацией частоты, идентичности характеристик противофазных прямоугольных импульсов, а также возможности дифференциального включения емкостных датчиков. Improving the accuracy of the device is achieved due to the low level of phase noise of the generator with quartz frequency stabilization, the identity of the characteristics of the out-of-phase rectangular pulses, as well as the possibility of differential inclusion of capacitive sensors.

Чувствительность и стабильность предложенного устройства с рабочей частотой 32,768 кГц оказываются значительно выше, чем у устройства прототипа, работающего на частоте в несколько мегагерц. The sensitivity and stability of the proposed device with an operating frequency of 32.768 kHz are significantly higher than that of the prototype device operating at a frequency of several megahertz.

Кроме того, очевидным достоинством предлагаемого устройства являются его простота, отсутствие катушек индуктивности и минимальное количество "навесных" элементов, что обеспечивает его высокую надежность, особенно при микросхемном использовании. In addition, the obvious advantage of the proposed device is its simplicity, the absence of inductance coils and the minimum number of "mounted" elements, which ensures its high reliability, especially with microcircuit use.

Сверхсуммарный эффект, определяющий избирательский уровень технического решения, характеризуется еще и тем, что устройство становится универсальным, в том числе пригодным для прецизионного измерения линейных размеров и перемещений, при использовании в нем дифференциальных емкостных датчиков. В этом случае блок 5 регистрации должен содержать линейный усилитель и фазочувствительный детектор. The total effect determining the electoral level of a technical solution is also characterized by the fact that the device becomes universal, including suitable for precision measurement of linear dimensions and displacements, when using differential capacitive sensors in it. In this case, the registration unit 5 should include a linear amplifier and a phase-sensitive detector.

Claims

A device with a capacitive sensor containing a quartz oscillator of rectangular pulses of duty cycle-2, a block of reactive elements and a registration unit, characterized in that the device contains a second block of reactive elements and an adder, and a quartz generator of rectangular pulses of duty factor-2 contains an additional antiphase output, while the block reactive elements and the second block of reactive elements are made in the form of capacitive sensors, the first electrodes of which are connected to the out-of-phase outputs of a direct crystal oscillator There are 2 pulses of duty cycle-2, and the second electrodes of capacitive sensors are connected to the inputs of the adder, the output of which is connected to the input of the registration unit.