Устройство с емкостным датчиком

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использованно в устройствах охранной и противопожарной сигнализации, а также в устройствах для измерения линейных размеров и перемещений с емкостными датчиками. Задачей изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения экономичности и точности работы. Устройство содержит кварцевый генератор прямоугольных импульсов скважности-2, имеющий два противофазных выхода с одинаковыми, кроме фаз, выходными характеристиками, два блока реактивных элементов, выполненных в виде емкостных датчиков, сумматор и блок регистрации. 1 ил.

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.

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.

Известно устройство охранной сигнализации (см. журнал "Радиолюбитель". Минск. ISSN 0869-0510, 1992 год, N 8, стр. 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.

Недостатком устройства являются неудовлетворительная точность срабатывания и повышенное энергопотребление, требующее сетевого электропитания.

Известно емкостное реле (см. журнал "Радио". Москва. ISSN 0033-765X, 1992 год, N 9, стр. 48).

Устройство имеет аналогичную функциональную схему, но также не обладает необходимой точностью срабатывания и экономичностью и как предыдущее требует настройки двух LC-контуров.

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.

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.

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.

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.

Задачей изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения экономичности и точности работы.

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.

На чертеже приведена функциональная схема устройства с емкостным датчиком.

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.

Устройство работает следующим образом.

При включении кварцевый генератор 1 генерирует переменное напряжение прямоугольных импульсов скважности-2, частота которого определяется собственной частотой кварцевого резонатора.

Напряжение этого генератора с противофазных выходов A и прямого и инвертированного подается на емкостные датчики 2 и 3.

Сумматор 4 отрегулирован таким образом, что его выходное напряжение равно нулю и на выходе блока регистрации 5 присутствует сигнал логического нуля.

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.

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.

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.

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.

Чувствительность и стабильность предложенного устройства с рабочей частотой 32,768 кГц оказываются значительно выше, чем у устройства прототипа, работающего на частоте в несколько мегагерц.

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.

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.

Формула изобретения

Устройство с емкостным датчиком, содержащее кварцевый генератор прямоугольных импульсов скважности-2, блок реактивных элементов и блок регистрации, отличающееся тем, что устройство содержит второй блок реактивных элементов и сумматор, а кварцевый генератор прямоугольных импульсов скважности-2 содержит дополнительный противофазный выход, при этом блок реактивных элементов и второй блок реактивных элементов выполнены в виде емкостных датчиков, первые электроды которых подключены к противофазным выходам кварцевого генератора прямоугольных импульсов скважности-2, а вторые электроды емкостных датчиков подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1