Емкостной уровнемер

 

Сущность: устройство содержит усилитель , выполненный на КМОП-транзисторе, два резистора, генератор, емкостный датчик , выполненный в виде двух электродов, ключ, выполненный на КМОП-транзисторе, экранированную линию связи. 1 ил. 70 С

(я)з G 01 F 23/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4906895/10 (22) 01.02.91 (46) 07.09.93. Бюл,3Ф 33-36 (71) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) Свиридов А. И„Годнее А. Г„Свицын А, А., Митина А.И. (73) Научно-исследовательский институт измерительной техники (56) Карандеев К.Б. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М.: Энергия, 1966.

Патент США hk 3.901.079.

S.Ì.Huang ElectronIc transducers for

industrial measurement of Iow value

capacltances.1.Phys.Å.: 5с Instrum,21, 1988, р.242-280, Бонч-Бруевич А.М. Приложение электронных ламп в экспериментальной физике.

М., Гостехиэдат. 1956, с.654.

Гаврилюк M.À. Электронные измерители С, I . R. Львов: Высшая школа, 1979.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к емкостным уровнемерам. содержащим емкостные датчики, емкость которых соизмерима или много меньше-паразитных емкостей линии связи.

При емкостном методе измерения уровня большую погрешность может внести емкость линии связи Сл, а также паразитные емкости датчика. При наличии параэитной емкости С, шунтирующей датчик, основные составляющие погрешности простейшего уровнемера возрастают примерно в Сл/Ср раз, где Ср — рабочая емкость датчика. С учетом сказанного погрешность простейших емкостных уровнемеров в реальных ус, RU„„ 2000551 С (54) ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР (57) Сущность: устройство содержит усилитель, выполненный на КМОП-транзисторе, два резистора, генератор, емкостный датчик, выполненный в виде двух электродов, ключ, выполненный на КМОП-транзисторе, экранированную линию связи, 1 ил. ловиях может составлять десятки процентов. Кроме того, нестабильность емкости линии связи, например температурная, приводит к дополнительным погрешностям измерения уровня жидкости, Существует несколько способов компенсации паразитных емкостей линии связи и датчика, Например, в патенте США влияние емкости линии связи устраняется путем размещения ïðåобразователя непосредственно вблизи чувствительного элемента датчика так, что емкость линии связи много меньше емкости датчика, Другим устройством, позволяющим компенсировать емкость линии связи, является зарядочувствительный усилитель

2000551 (ЗЧУ). В ЗЧУ компенсация линия связи и па> азитных емкостей происходит за счет того, что параллельно емкости линии связи поgjêëþ tàoтся динамическая емкость

Сq< >i » Ся. 50льшаЯ ДинамическаЯ eMKocTI

ЗЧУ получается за счет отрицательной емкостной связи (эффект Миллера):

С = С.,-(1 К) (1)

Другим устройством для компенсации емкости линии связи является эквипотенциалы1ое экранирование или эквипоте>tциальная защита. Для этой цели на экран линии

c>I>Iç>t или электрод паразитной емкости через повторитель напряжения подается напряже>.ие, равное напряжени>о ц нтрального проводника, подкл оченного к

Входу повторителя. Ток " цс»трального проВод»ика на экран отсутствует, так как равны потенциалы центрального проводника и экОз>.а

Б а.c.135459 повышение то IllocTII измерения достигаатся за счет заряда — разряда е>1кости измерительного и компенсационIIoIo дат В1ков через кл очи. коммутируемые гснегратором. Компенсационный датчик устраняет влияние диэлектрической проницае-1ости > змеряемого продукта ttv результат

ИЗМЕР" >: 1Я, Р качестве ttåäoñòàòка этого гехttè >ес>.ого решения следует отметить, что такой уровне>лер работоспособен при емкостях изк;ерительного и компенсационного датчиков много больше емкости линии связи, т,е. линия связи и паразитные емкости оказыва от Влияние на функцию преобразования, Други>л его недостатком является трудность

coздаt t tt>I В микроэлектронно>1 исполнении стабильных емкостей, равных емкости датчика.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня за счст уменьшения Влияния линии связи и шумов усилителя.

Цель достигается тем, что в емкостный уроннемер, содержащий датчик, выполненный в Виде первого и второго электродов, генератор, подкл>оченный к первому входу ключа, первый выход которого соединен с прямым входом усилителя, инверсный вход которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов, введена клемма напряже>,ия смещения, соединенная с Вторым выходом ключа, выполненного на КМОП-транзисторах, второй вход которого подключен к второму электроду датчика, первый электрод которого соединен с выходом генератора, пэи этом Вторые выводы первого и вгорого резисторов подключены соответственно к общей шине и выходу усилителя, Выполненного на КМОП-транзисторах и с возможностью подкл>очения его прямого входа через экранированную л>1ни о связи поочередно к второму электроду датчика и к клемме напряжения смещения, Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что в данно>л техническом решении используется широко известное преобразование емкости В напряжение в емкост»ом делитеЛЕ СЛ, Cttx.yc. КОМПЕНСаЦИЯ ПаРаЗИтНОй ЕМКОсти линии связи и датчика осуществляется также известным методом эквипотенциального экранирования, Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы удалось устранить недостатки преобразования емкости в напряжение при помощи емкостного делителя и метода эквипотенциального экранирования, а также уменьшить шумы высокоомного делителя, задающего положение рабочей точки ВхОднОГО каскада.

Преобразование емкости В напряжение

В емкостном делителе Осуществляется по формуле

Сд И, Unux = (2)

С>>х уг, Сл

1+—

С»х.ус.

Передаточная характеристика такого преобразователя нелинейна и линеаризует30 ся лишь при Сл «С«ус Однако практически реализация такого ре>кима связана с трудностями, обусловленными резким падением чувствительности. Применение усилителя позволяет и О вь>сить чувствительность емкостного делителя и устранить этот недостаток.

Использование Во входном каскаде и ключе КМОП-транзисторов позволяет устранить основной l1едостаток метода эквипотенциального экранирования — исключить влияние емкости входного каскада на стабильность преобразования, поскольку емкости в биполярных схемах являются температурно зависимь>ми. Исследованная авторами нестабильность Входных емкостей КМОП-транзисторов в диапазоне температур от 20 С до 20 К не превышала 1 g,.

На чертеже изображена электрическая схема уровнемера. Уровнемер содержит усилитель 1, инBpðòèðóþùèé вход которого соединен с общей точкой делителя, состоящего из резистора 2 и 3, первый резистор соединен с общей шиной, а второй — c выходом усилителя, генератор 4 подключен к первому электроду емкостного датчика 5 и кл>очу б, первый выход которого через лини>о 7 связи соединен с вторым электродом емкостного датчика 5. а второй выход ключа подключен к напряжеHvlto смещения, 200055

10

Емкостный уровнемер работает следу-! ощим образом.

Сигнал с генератора 1 прямоугольных импульсов пîclóпает Hd емvîсTíûé датчик 5 уровня и через кл!оч 6, управляемый входными импульсами генератора, нэ инвертирующий вход усилителя 1. На входе усилителя 1 в соответствии с формулой (2) сигнал делителя на входной емкости и усиливается. Для усилителя с коэффициентом усиления К > 1 (при разомкнутой обратной связи), 2 + 1:3

UIfvx = Usx.yc

R2 (3)

Сигнал на инвертирующем входе усилителя 1 будет равен:

0нчх 2

UVffff = — — — — =- !-!!!Х.yC !

"1З + Йг (1)

Таким образом, в усилителе с коэ<ффициентом усиления (при разîMKíóòîé обратной связи) I(» 1 сигнал на неинвертирующем входе равен сигналу на инвертирующем входе. Если паразитные емкости линии связи, которые необходимо компенсировать, соединить с инвертирующим входом усилителя 1. то центральный проводник и экран линии 7 связи окажутся под одни л потенциалом и паразитная емкость линии связи не будет оказывать влияние уровнемера, Экспериментальные исследования данного уровнемера показыва!от, что он обладает более высокой точностью, рас!1!иренны л диагlазоном рабо II1x температур, вплоть до криоге!1 !ых, а также можст быть вь! Г!ол нен В ми кроэлектрон нс!Г1 испо, нен! !1. Кроме того, для данного уровнемера не требуется усилитель с высоким и стабильIIûì коэффициентом усиления. а достаточно

К = 1...5, что позволяет использовать КМГ10усил!!гели даже пр» криогенных температурах.

Формула изобретения

Емкостный уровнемер, содержац1ий дат !!1к, выполненный в виде первого ll fffoporo электродов. генератор, подключенный к первому входу ключа, первый выход которого соед! IHQH с прямыл1 входом усилителя, инверсный вход которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введена клел1ма напряжения смещения, соединена с вторым выходом кл!оча, выполненного на

КЛОП - транзисторе. второйвход которого подкл!очен к второму электроду датчика, первый электрод которого соединен с Bblx0 дом генератора, при этом вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к общей шине и выходу усилителя, выполненного íà К1ЛОП - транзисторе и с возможностью подключения его пря!лого входа через экранированную лини!о связи поочередно к второму электроду датчика и клемме напряжения смещения.

2000551

Редактор

Заказ 3076

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

1

1

l !

1

1

I

I

1

Составитель А. Свиридов

Техред М.Моргентал Корректор С. Лисина

Тираж Подписное

HllO "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5