JPH0334028B2

JPH0334028B2 -

Info

Publication number: JPH0334028B2
Application number: JP56162508A
Authority: JP
Inventors: Masao Kawai; Taichi Komachi; Mototaka Konishi; Noriaki Saito
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1981-10-12
Filing date: 1981-10-12
Publication date: 1991-05-21
Also published as: JPS5863867A

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源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、１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３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３に設けている抵抗５は出力
電流を安定化するフイードバツク制御用の出力電
流値を検出している。

一方、変換部２、出力部３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でなるフイ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つて
いるのは次の理由による。

まず、変換部２における容量値の電気信号への
変換は、パルス的な信号処理によつて行なわれる
もので、例えば、被測定容量の値に対応した時間
幅をもつたパルスを周期的に作り出し、このパル
スの時間幅に亘つてクロツクパルスを計数し、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信号処
理が行なわれると、CMOS−ICなどの消費電流
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。このノイズ防止のためには、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
電流によつてもノイズが発生するようになる。従
つて、パルス的な電流消費が行なれる変換部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イ
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
ことが安全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、出力電流のフイー
ドバツク制御により抑え込むことが可能である
が、このフイードバツク制御は、２線式４〜20ｍ
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
あつて、上回るような場合には瞬時的なノイズに
なつて現われる。それ故、２線化は困難であつ
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信号線ライン
をもつて行なえる所謂２線式を実現し、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目的とす
る。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示した回路ブロ
ツク図である。

まず構成を説明すると、１０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つて表わした
被測定容量１１と直列に、被測定容量１１を充電
するための可変抵抗１２が設けられ、被測定容量
１１と可変抵抗１２との接続点を電圧コンパレー
タ１３の一方に入力している。この電圧コンパレ
ータ１３の他方には、所定の基準電圧Vrを発生
する基準電圧源１４が接続されている。ここで、
被測定容量１１の端子電圧をV_c1とするとＶc1V_r
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V_c1が基準電圧V_r以下になると
Ｈレベル出力に切換わる。

２０は、変換部１０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
り出すための電圧設定回路であり、コンデンサを
もつて示した内蔵容量２１と直列に充電用の可変
抵抗２２を接続し、内蔵容量２１と可変抵抗２２
との接続点を電圧コンパレータ２３の一方に入力
し、電圧コンパレータ２３の他方には、変換部１
０における基準電圧源１４よりの基準電圧V_rを
入力している。この電圧設定回路２０における電
圧コンパレータ２３の作動も、変換部１０の電圧
コンパレータ１３と同様に内蔵容量２１の端子電
圧V_c2が基準電圧V_rを上回つているときにコンパ
レータ２３の出力はＬレベルとなり、端子電圧
V_c2が基準電圧V_r以下になるとＨレベル出力に切
換わる。

３０はスイツチ部であり、所定周波数のパルス
信号を発生するパルス発生器３１と、このパルス
発生器３１のパルス出力により閉じるスイツチ３
２，３３のそれぞれを、変換部１０、電圧設定回
路２０における被測定容量１１および内蔵容量２
１のそれぞれと並列接続しており、パルス発生器
３１よりのパルス信号によりスイツチ３２，３３
が閉じることにより、被測定容量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はフイルタ部であり、変換部１０、電
圧設定回路２０の各電圧コンパレータ１３，２３
の出力にローパスフイルタ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２１の各値に応じたパルス信号を直
流電圧に変換して出力する。６０は差動増幅部で
あり、ローパスフイルタ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６３，
６５および入力抵抗６２，６４で定まる所定の増
幅率をもつ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は出力部であり、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
うための可変抵抗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９０と共通端子９１間に流す出力電流を
制御する。またトランジスタ７２のエミツタ側に
は、電流検出用の抵抗７３が接続され、抵抗７８
で検出された出力電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、出力電流のフイードバツク制御を行なうよ
うにしている。更に８０は電源部であり、電源兼
用信号端子９０より供給される直流電圧を定電圧
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、抵抗８２およびコ
ンデンサ８３でなるフイルタ回路が設けられ、こ
のフイルタ回路を介して変換部１０，２０、スイ
ツチ部３０、フイルタ部４０、差動増幅部６０お
よび出力部７０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における被測定容量１１
の値に応じた時間幅を有するパルス信号の出力作
用を第３図のタイムチヤートを参照して説明す
る。

スイツチ部３０におけるパルス発生器３１より
のパルス信号によりスイツチ３２は一定周期毎に
オンしており、スイツチ３２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Ｅ
とし、基準電圧V_r＝aE（ａ＜１）とすると、スイ
ツチ３２が開いた時から可変抵抗１２を介して
V_c1＝aEに充電されるまでの時間t_Aは、（但し、R₁₂は抵抗１２の値、C₁₁は被測定容量の
値）であることから、 t_A＝R₁₂・C₁₁・l_o（１／１−ａ） ……(1) （但し、l_o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_Fと測定したいところ
の変化する容量C_Vの和であり、 C₁₁＝C_F＋C_V ……(2) となつている。この固定容量C_Fは測定対象によ
り測定容量C_Vの数分の一〜数倍の値をもつよう
になり、この固定容量C_Fを打ち消して、測定容
量C_Vのみを測定するための手段として電圧設定
回路２０における内蔵容量２１と可変抵抗２２を
直列接続し、スイツチ３２に同期して被測定容量
１１と同様にスイツチ３３のオフにより、内蔵容
量２１を充電させる回路を設けている。この電圧
設定回路２０における内蔵容量２１の端子電圧
V_c2＝aEとなるまでの充電時間t_Bは前記第(1)式と
同様に、 t_B＝R₂₂・C₂₁・l_o（１／１−ａ） ……(3) として与えられる。

このような変換部１０、電圧設定回路２０にお
ける被測定容量１１および内蔵容量２１の充電時
間t_A、t_Bのそれぞれの計測は、変換部１０を例に
とると、第３図のタイムチヤートに示すようにス
イツチ３２がオンからオフに切換わつた時に被測
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C₁₁に依存し
て定まり、被測定容量１１の端子電圧V_c1はこの
時定数に従つて上昇する。端子電圧V_c1が基準電
源１４による基準電圧V_r以下の時には、電圧コ
ンパレータ１３の出力はＨレベルにあり、端子電
圧V_c1が基準電圧V_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
スイツチ３２が投じると、それまで充電されてい
た被測定容量１１が放電リセツトされ、コンパレ
ータ１３の出力は、再びＨレベルにもどるように
なる。その結果第３図のタイムチヤートから明ら
かなようにＡで示すように、被測定容量１１の容
量C₁₁が小になるとコンパレータ１３のＬレベル
に立ち下つ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C₁₁が大になると
コンパレータ１３の出力のＬレベルに立ち下つて
いる時間が短くなり、その結果被測定容量１１の
容量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１３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電圧設定回路２０について
も同様である。

変換部１０、電圧設定回路２０において、被測
定容量１１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イルタ部４
０に設けているローパスフイルタ４１，５１のそ
れぞれで直流電圧に変換され、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
パスフイルタ４１，５１よりの直流電圧の差に基
づいた信号を出力する。すなわち、ローパスフイ
ルタ４１より出力される直流分電圧E_Aは、前記
第(1)、(2)式を用いて E_A＝ｋ・t_A＝ｋ・R₁₂・（C_F＋C_V
）・l_o（１／１−ａ）……(4) （但し、ｋは比例定数）となり、又ローパスフイ
ルタ５１より出力される直流分電圧E_Bは、前記
第(3)式を用いて E_B＝ｋ・t_B＝ｋ・R₂₂・C₂₁・l_o（１／１−ａ） ……(5) となる。ここで抵抗６２〜６５のそれぞれの値を
R₆₁〜R₆₅とし、且つR₆₂／R₆₄＝R₆₂／R₆₃とすると、差動増幅器６１の出力は E_B−E_A＝（CR₂₂・C₂₁−R₁₂・C_F−R₁₂・C_V）
・ｋ・l_o（１／１−ａ）……(6) となり、この（E_B−E_A）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C_F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
の状態において電圧設定回路２０における可変抵
抗２２の値を調整し、R₂₂・C₂₁＝R₁₂・C_Fとすれ
ば良い。このように変換部１０、電圧設定回路２
０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 E_B−E_A＝−R₁₂・C_V・ｋ・l_o（１／１−ａ） ……(7) となり、変化する容量C_V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６０においては、被
測定容量１１における固定容量C_Fを除いた変化
する容量C_Vにのみ対応した直流電圧が出力され、
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７３、帰還抵抗７５及び入力抵抗７４によるフ
イードバツク制御のもとに差動増幅部６０よりの
直流信号に比例した、例えば４〜20mmＡの出力電
流を電源兼用信号端子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、差動増幅部６０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７６により行なわれる。

尚、第２図の実施例におけるスイツチ３２，３
３をオフしているパルス発生器３０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
によつて端子電圧V_c1＝aEに充電されるまでの時
間t_A以上と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
イツチ部３０、変換部１０、電圧設定回路２０で
あるがスイツチ部３０におけるスイツチ３２，３
３として半導体スイツチを使用すれば、パルス発
生器３１の出力は極めてわずかな電力でよく、ス
イツチ部３０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、
電圧設定回路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の最小値で割つ
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１
１、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、電圧設定回路２０及
びスイツチ部３０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
による消費電流のパルス的な変化は生じない。そ
の為変換部１０、電圧設定回路２０およびスイツ
チ部３０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８３の容量を小さい
値に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８３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８３に流れ込む電流変化は小さく、
電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。更にパルス的に動作する回路部を変換部
１０、電圧設定回路２０及びスイツチ部３０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
層小さくできる。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６６の両端
に表われる測定すべき容量の変化に対応した直流
信号の分圧によつて調整し、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
６７の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
なく、スパン及びゼロ点調整は極めて容易に行な
うことができる。

更に又、変換部１０における被測定容量１１に
含まれる固定容量C_Fの影響を打ち消すために変
換部１０と同一回路構成を有する電圧設定回路２
０を設けて固定容量C_Fに対応した直流電圧をロ
ーパスフイルタ５１を介して作り出すようにして
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１３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
する電圧設定回路２０における電圧コンパレータ
２３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６０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、電圧設定回路２０及びフイルタ部５
０としては定電圧源とポテンシヨメータをもつて
構成し、被測定容量１１における固定容量C_Fに
対応した直流電圧を設定出力するようにしても良
い。

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
させるスイツチ手段と、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、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イルタと、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、上記ローパスフイルタと
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源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電流の変化が
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、本質的に防爆構
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せるようにし
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つて固定容量分の打
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つて、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、本発明の静電容量測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めしたブロツク
図、第２図は本発明の一実施例を示した回路ブロ
ツク図、第３図は第２図の変換部１０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ヤート図である。１０……変換部、１１……被測定容量、１２，
２２，６６，７６……可変抵抗、１３，２３……
電圧コンパレータ、１４，６７……基準電圧源、
２０……電圧設定回路、３０……スイツチ部、３
１……パルス発生器、３２，３３……スイツチ、
４０，５０……フイルタ部、４１，５１……ロー
パスフイルタ、６０……差動増幅部、６１……差
動増幅器、７０……出力部、７１……増幅器、７
２……トランジスタ、８０……電源部、８１……
定電圧回路、８３……コンデンサ、９０……電源
兼用信号端子、９１……共通端子、６２，６３，
６５，７４，７３，７５，８２……抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】１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ツチ手段と、上記被測定容量の端子電圧と基準電圧を比較
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
するローパスフイルタと、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、上記ローパスフイ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電圧をスパン調整用可変
抵抗及びゼロ点調整用可変抵抗によりスパン及び
ゼロ点調整した後にそのまま又は電流変換して電
源供給線を兼ねた２本の出力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
記スイツチ手段に同期して該コンデンサを放電さ
せる他のスイツチ手段と、前記コンデンサの端子
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イルタとでなる特
許請求の範囲第１項記載の静電容量測定装置。