192019. lajstromszámú szabadalom • Kapacitiv mérőátalakító kapcsolási elrendezés, főleg színmérésre
1 192.019 2 A találmány tárgya olyan szintmérést megvalósító kapacitfv mérő átalakító kapcsolási elrendezés, mely alkalmas például robbanásveszélyes folyadékok tárolt mennyiségének nagypontosságú meghatározására. A szakirodalomból ismert, hogy a kapacitív mérőátalakítók általában az elektródák közötti tér kapacitásának megváltozását alakítják át időjellegű paraméterré, pl. ciklusidővé, frekvenciává vagy impulzusszámmá. Ezen az elven működik a kapacitív mérőátalakító egyik leggyakoribb változata, melyet a 2 645 716 lajstromszámú DE szabadalom mutat be. A szabadalom lényege, hogy egy inverterből . felépített oszcillátor időzítő kondenzátorát képezik ki mérőelektródaként. A legtöbb esetben az ilyen jellegű feladatokat megoldó áramköröknél a zavaró tényezők hatását is figyelembe kell venni. Ilyen zavaró tényező lehet például a hőmérsékletnek, a mérendő anyag dielektromos állandójának, a tápfesztültségnek, vagy az oszcillátor áramköri elemek jellemzőinek a megváltozása. A zavaró tényezők kiküszöbölésére igen sokszor alkalmaznak ún. kételemes mérőrendszert. Ilyen kételemes mérőrendszert mutat be a 2 870 491 lajstromszámú DE és a 4 235 106 lajstromszámú US szabadalom. Mindkettőnél a mérőelektródapár mellett egy referencia elektródapárt is használnak, és elektronikus úton korrigálnak. Az elektronikus korrekció szép kiviteli példáját mutatják be a 4 259 865 és a 4 262 531 lajstromszámú US szabadalmak. Az elektronikus korrekció biztosítására az előbbi szabadalomban analóg áramköröket, az utóbbiban pedig digitális számolóművet alkalmaznak. Üzemanyagmérésnél éppen a fokozott robbanásveszély miatt speciális követelményként lép fel a robbanásbíztos kivitel, melynek egyenes következménye a kis áramfelvétel biztosításának szüségessége. A légi járműveknél a fentieken kívül további követelmény még a kis súly, ami nemcsak a mérőátalakítóra, hanem a mérőátalakítót a feldolgozó egységgel összekötő vezetékekre is vonatkozik. Egy ilyen korszerű megoldást ír le a 4 289 028 lajstromszámú US szabadalom. Közismert tény, hogy a nagyobb távolságok vezetékekkel való áthidalásánál jelentős paraméternek minősül a vezetékszám is. A technika mai szintjét képviselő korszerű szabadalmak bemutatásából egyértelműen megállapítható, hogy a sokrétű követelmény egyidejű kielégítése rendkívül nehéz, és napjainkban a robbanásveszélyes folyadékok nagypontosságú és a zavaró tényezők hatásától független szintmérését kis súly, kis áramfelvétel és kis vezetékszám mellett megbízhatóan még mindig nem oldották meg. Az általunk kidolgozott találmány célja az ismertetett megoldások közös hiányosságai többségének a me^züntetése, azaz olyan precíziós mérőátalakító kidolgozása, amely megfelel a robbanásveszélyes környezet előírásainak azaz kis áramfelvételű, és alkalmas a robbanásveszélyes folyakékok tárolt mennyiségének nagypontosságú, a zavaró tényezők egy részének a hatásától független meghatározására négyvezetékes rendszerben. A találmány alapját az a felismerés képezi, hogy a hőfokfüggés és a tápfeszültségingadozások hatása jelentősen csökkenthető, ha azonos referenciával tápláljuk meg egy kapacitás-időintervallum átalakítóként működő, fűiészgenerátor alapú áramkör áramgenerátorát és komparátorát. A kimenő jel hazárdmentessége pedig úgy biztosítható igen egyszerűen, ha ugyanezen áramkör komparátorának a kimenetét egyúttal a referencia vezérlésére is alkalmazzuk. A találmány tárgya kapacitfv mérőátalakító elrendezés, főleg szintmérésre, melyben szintérzékeld elektródapár egyik bemenete földre, a másik bemeneté pedig egyrészt áramgenerátoron keresztül vezérelt referencia egyik kimenetére, másrészt komparátor fázisfordító bemenetére, harmadrészt kapcsolón keresztül fölre van kötve. Nullázó generátor vezédőkimenete a kapcsoló és a vezérelt referencia bemenetére csatlakozik. A vezérelt referencia egy ki- és egy bemenete a komparátorral van összekötve, és a mérőátalakító kimenő jelét a komparátor kimenete szolgáltatja. A találmány egy előnyös kiviteli alakjában a vezé- > relt referenciát kéttagú osztó valamint sönt-tranzisztor alkotja úgy, hogy felső tag a referenciafeszültségre valamint az áramgenerátor bemenetére csatlakozik, a két ellenállás közös pontjára van kötve a sönt-tranzisztor egyik csatorna-kimenete és a komparátor fizástartó bemenete és a komparátor egyik kimenete, a sönt-tranzisztor másik csatorna-kimenete és a második ellenállás másik vége a földre.csatlakozik, a sönt-tranzisztor vezérlő elektróda-bemenete pedig a vezérelt referencia további bemenete. A találmány tárgyát részletesebben rajz segítségével ismertetjük, melyen a mérőátalakító tömbvázlatán kívül a rész-egységek egy-egy kiviteli példáját és a működés megértését segítő idődiagramot tüntettük fel. Az 1. ábra mutatja a tömbvázlatot és a rész-egységek egy-egy kiviteli példáját. A 2. ábra az idődigramot ábrázolja. Az 1. ábrán a tömbvázlat elemeit szaggatott vonallal ábrázoltuk. Az 1. ábra szerint a főleg szintmérésre alkalmas kapacitív mérőátalakító kapcsolási elrendezésben 1 szintérzékelő elektródapár egyik bemenete földre, a másik bemenete pedig egyrészt 2 áramgenerátoron keresztül 3 vezérelt referencia egyik kimenetére, másrészt 4 komparátor fázisfordító bemenetére, harmadrészt 5 kapcsolón keresztül a földre van kötve, míg 6 nullázó generátor V vezérlő kimenete az 5 kapcsoló és a 3 vezérelt referencia bemenetére csatlakozik. A 3 vezérelt referencia egy ki- és egy bemenete a 4 komparátorral van összekötve, és a márőátalakító U^ kimenő jelét a 4 komparátor kimenete szolgáltatja. Az 1. ábra szerint a 3 vezérelt referenciát RÍ és R2 ellen állást tartalmazó osztó és TI sönt-tranzisztor alkotja úgy, hogy RÍ ellenállás Uref referenciafeszültségre valamint 2 áramgenerátor bemenetére csatlakozik, RÍ és R2 ellenállás közös pontjára van kötve TI sönt-tranzisztor egyik csatorna-kimenete és 4 komparátor fázistartó bemenete és a 4 komparátor egyik kimenete, a TI sönt-tranzisztor másik csatoma-kimenete és R2 ellenállás másik vége a földre csatlakozik, TI sönt-tranzisztor vezérlő elektródája pedig a 3 vezérelt referencia bemenete. Az 1. ábrán feltüntettük még a 2 áramgenerátort, a 4 komparátor és az 5 kapcsoló egy-egy lehetséges kiviteli példáját egyszerűsített formában. A 2 áramgenerátor bemutatott kiviteli példája E2 műveleti erősítőre és T3 MOSFET tranzisztorra, továbbá R4-R6 ellenállásokra épül, A 2 áramgenerátor aktív elemei Uj tápfeszültségről működnek, mely 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
