192321. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés kapacitív érzékelők célszerűen folyadékszint jelzésére használt kapacitív érzékelők jelének a feldolgozására
1 192.321 2 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés, célszerűen folyadékok, oorok granulátumok szintjének jelzésére ka pacit ív érzékelőkhöz. Kapacitív érzékelővel működő folyadékszint érzékelők és kapcsolók régóta ismertek, és széles körben elterjedtek. Ilyen jellegű berendezéseket és készülékeket gyárt például a DE Endress-Hauser cég, a Vega cég valamint hazai viszonylatban ilyen készülékeket gyárt a Puskás Tivadar Műszer- és Gépipari Szövetkezet. Az ismert készüléknél olyan rúdszonda vagy kötélszonda érzékelőket alkalmaznak, amelyek a folyadékkal érintkeznek, és a készülék a szonda és a tartályfal közötti kapacitásváltozást érzékeli. Ezt a fajta érzékelőt abban az esetben alkalmazzák, ha a folyadék, por vagy granulátum fém tartályban van. A műszerek egy másik csoportját azok a készülékek képezik, ahol folyadékkor vagy - granulátum műanyag tartályban van. Ekkor a készülék érzékelő elektródjának egyik fegyverzetét a készülék házában elhelyezett fémlemez képezi. Mindkét típusú érzékelésnek hátránya, hogy az érzékelő jelét feldolgozó elektronikus jelfeldolgozó egység a fémlemezre kapacitív úton jutó "brummal van vezérelve, így ezek az érzékelők rendelkeznek a térerővel történő vezérlés összes hátrányával, nevezetesen nagy a zavarójel érzékenységük, erősáramú kábelek környezetében nem telepíthetők stb. Az SE Sensor cég által gyártott készülék szintén hasonló elven működik. Ennek a készüléknek még egy további hátránya, hogy a kapcsolási frekvenciája viszonylag alacsony, továbbá a kapcsolásnak igen nagy a hőmérsékletfüggése. Az ismert készülékek kapacitív érzékelői olyan oszcillátorhoz vannak csatlakoztatva, amelyek egy adott kapacitás hatására elkezdenek oszcillálni, vagy olyanok, amelyek egy tranzisztoros erősítő bázisára az érzékelőn keresztül jutó "brummfeszültséget” erősítik fel. A találmánnyal célul tűztük ki egy olyan kapcsolási elrendezés kialakítását-, amely a kapacitív érzékelő jelét zavarmentesen dolgozza fel, a kapcsolás nem érzékeny környezeti hőmérsékletváltozásra, továbbá független mérést tesz lehetővé és az alkalmazott oszcillátor állandóan rezeg. A találmányunk azon a felismerésen alapul, hogy ha kapcitív érzékelőjelének feldolgozását, illetőleg az érzékelést független úton tudjuk megvalósítani, akkor a zavaró tényezők hatása is kiküszöbölhető, A találmány kapcsolási elrendezés, célszerűen folyadékszint jelzésére, kapacitív érzékelőkhöz, amely, kapcsolási elrendezés erősítőt, az erősítő kimenetére csatlakoztatott komparátort, és a komparátor kimenetére csatlakoztatott kapcsoló tartalmaz. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés úgy van kialakítva, hogy a kapacitív érzékelő egy relaxiációs oszcillátor frekvenciaállító elemét képezi, amely relaxációs oszcillátor kimenete egyenirányítón keresztül van az erősítő bemenetére csatlakoztatva. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés egyik előnyös kiviteli alakját az jellemzi, hogy a relaxiácós oszcillátor planár technológiával kiképezett egyrétegű tranzisztorral van kialakítva. Ugyancsak előnyös, ha a találmány szerinti kapcsolási elrendezésnél az egyenirányító egyúttal feszültségkétszerező is mert Így nagyobb érzékenységű jelfeldolgozás valósítható meg. Még egy további előnyös kiviteli alakot az jellemez, hogy az erősítő sorosan kapcsolt ellenállásból, J ET tranzisztorból és állító elemből, célszerűen potenciométerből áll, továbbá a kapcsolási elrendezés iöldfüggetlen tápegységgel van ellátva. A találmány szerinti kapcsolási elrendezést a továbbiakban példaként! kiviteli alakja segítségével, a neilékelt ábrákon ismertetjük részletesebben. Az 1. ábrán látható a találmány szerinti felismerés illusztráló U = f(Cp) függvény különböző tfpusú tranzisztorokra, a 2. ábrán látható a találmány szerinti kapcsolási elrendezés blokkvázlata, a 3. ábrán pedig egy példaként! kiviteli alak részletesebb rajza. Az 1. ábrán látható az általunk alkalmazni kívánt planár technológiával kiképezett egyrétegű tranzisztor Ug emitter-fesztültségének változása a Cg érzékelőkapacitás függvényében, Az ábrán jól látható, hogy a CUBE vagy BAR technológiával gyártott egyrétegű tranzisztoroknál a frekvenciaváltozás, illetőleg az Ug emitter feszültség függvénye meglehetősen meredek, azaz igen nagy kapacitásváltozásra van szükség érzékelhető jel előállításához. A planár technológiával készült egyrétegű tranzisztorok esetében már igen kis kapacításváitozás érzékelhető jelet eredményez, sőt egy elég széles szakasz jó közelítéssel-lineárisnak is tekinthető. Természetesen más félvezető elem is alkalmazható, amely adott esetben hasonló karakterisz ikát mutat. Jelenleg azonban csak ezt ismertetjük, A 2. ábrán látható a találmány szerinti kapcsolási elrendezés blokkvázlata, a 3. ábrán pedig egy példaként! kiviteli alakjának kapcsolási rajza. A kapacitív 1 érzékelő tehát egy olyan 2 relaxációs oszcillátor egyik elemét képezi, .amely földfüggetlen, és amely a kapacitásváltozás hatására Up emitterfeszültséget hoz létre. A 2 relaxiácós oszcillátor kimenete 3 egyenirányítón keresztül van egy 4 erősítő bemenetére csatlakoztatva, amely 4 erősítő 5 komparátoron, 6 meghajtó fokozaton keresztül van 7 kapcsolóra csatlakoztatva, amely 7 kapcsoló célszerűen egy relé, amelynek segítségével ki lehet jelezni, hogy a folyadékszint egy meghatározott érték alatt vagy fölött van. A 3. ábrán látható a találmány szerinti kapcsolási elrendezés egy részletesebb példaként! kiviteli alakjának a rajza. Az 1 érzékelő, amelynek Cp érzékelő kapacitása van, egy egyrétegű TI tranzisztor emitterkörében van elhelyezve, amely emitterhez még egy további RÍ ellenállás is van csatlakoztatva. A 2 relaxációs oszcillátor állandóan rezeg, és a rezgési frekvencia az adott egyrétegű TI tranzisztornál pontosan meghatározható, és meglehetősen széles hőmérséklettartományban stabilnak tekinthető. Tekintettel arra, hogy földfüggetlen kapacitásérzékelésről van szó, igen kis kapacitásváltozásnak is már értékelhetőnek kell lennie. Ez az 1. ábrán is látható, ahol már lpF kapacitásváltozás is értékelhető a planár egyrétegű tranzisztorokkal felépített relaxáicós oszcillátoroknál. A TI tranzisztor két bázisra R2 és R3 ellenállások vannak csatlakoztatva, és a hasznos jelet az R2 ellenállásról vesszük le. Ez egy 3 egyenirányítóra vezetjük, amely a 3. ábrán Cl és C2 kondenzátorokat és Dl D2 diódákat tartalmazza. Ez a 3 egyenirányító egyúttal feszültségkétszerező is. Az így nyert egyenfeszültség lesz tehát arányos a Cp érzékelő kapacitás változásával. A C2 kondenzátor és D2 dióda közös pontja, amely a 3 egyenirányító kimenetét képezi, 4 erősítőre van csatlakoztatva. Az erősítőt a T2 tranzisztorból R4 ellenállásból és P potenciométerből álló soros kapcsolás képezi. A T2 tranzisztor cél-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
