JPH04150521A - インピーダンス二値化回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、インピーダンス二値化回路に関する。

本発明のインピーダンス二値化回路はたとえば、レベル
センサ、タッチセンサ、断線センサなどのアナログ信号
電圧を二値化するのに用いることができる。

［従来の技術］ 従来のインピーダンス二値化回路は、一般にオペアンプ
を用い、その参照電圧入力端に一定の参照電圧を印加し
、その信号電圧入力端に信号電圧を入れて二値化してい
る。したがって、インピーダンス変化は信号電圧変化に
変換した後、このインピーダンス二値化回路により二値
化される例えば、従来のレベルセンサにより液位を検出
する場合、一対の電極棒間の抵抗（インピーダンス）を
電圧変換し、この電圧値（アナログ信号電圧）を１個の
コンパレータで一定の参照電圧と比較して、二値化して
いる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記した従来のインピーダンス二値化回路
では、たとえば液面が電極棒の下端すれすれの状態であ
る場合などにおいて、液面が波動したりして出力がふら
ついたり誤動作する場合がある。

特に、この問題は検出感度を向上すればするほど、頻繁
に発生する。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、
検出感度を低下することなく、安定動作が可能なインピ
ーダンス二値化回路を提供することをその目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段］ 本発明のインピーダンス二値化回路は、二値化すべきイ
ンピーダンスに対応する信号電圧と所定の第１参照電圧
とを比較して増幅する第１比較増幅部と、該第１比較増
幅部の出力電圧を遅延するローパスフィルタと、該ロー
パスフィルタの出力電圧と所定の第２参照電圧とを比較
して増幅する第２比較増幅部と、前記第１比較増幅部の
出力電圧変化に追従して前記第２参照電圧を推移させる
入力電圧推移部とを備えることを特徴としている。

［作用及び発明の効果コ 本発明のインピーダンス二値化回路では、ローパスフィ
ルタが第１比較増幅部からの出力電圧を遅延し、かつ、
その高域成分を減衰させ、第２比較増幅部の信号入力端
に遅延信号電圧を送る。入力電圧推移部は第１比較増幅
部の第２参照電圧を第１比較増幅部からの出力電圧変化
に追従して変化させる。

このようにすると、被検出インピーダンスが短時間だけ
変化して第１比較増幅部の出力が短時間だけ反転しても
、ローパスフィルタの高域遮断遅延出力はこの短時間の
間に第２比較増幅部を反転させるだけ変化し得ず、結局
、被検出インピーダンスの短時間変化、例えばレベルセ
ンサにおける液面のゆれなどによる比較出力のふらつき
（ハンチング）を防止することができる。

［実施例］ （第１実施例） 本発明のインピーダンス二値化回路の一実施例を、図面
により説明する。

このインピーダンス二値化回路は、被測定槽１００内の
水（導電性液体）の高低レベル検出に応用され、この被
測定槽１００に下垂された一対の電極棒２００．３００
の一方は接地され、他方は第１比較増幅部１の信号入力
端（同相入力端）である十入力端に接続される。

このインピーダンス二値化回路は、電極棒２゜Ｏから入
力する信号電圧ｖ１と所定の第１参照電圧Ｖｒｌとを比
較し増幅する第１比較増幅部１と、自己の入力端電位の
変化に追従する電位変化を第１比較増幅部１の両入力端
に加える第１入力端子推移部５と、第１比較増幅部１の
出力電圧Ｖｍの低域成分を遅延して出力するローパスフ
ィルタ２と、ローパスフィルタ２の出力電圧ｖｎと所定
の第２参照電圧Ｖｒ２とを比較して増幅する第２比較増
幅部３と、第１比較増幅部１の出力電圧のハイレベルか
らローレベルへの電圧変化に追従する推移電圧ＶＣを発
生し、第２比較増幅部２の参照電圧入力端及び第１入力
端子推移部５の入力端に加える第２入力端子推移部４と
を備えている。

まず、第１入力端子推移部５について説明する。

エミッタ抵抗ｒ１、ＰＮＰトランジスタＴ１、コレクタ
抵抗ｒ６からなる回路が設けられており、そのエミッタ
は分圧抵抗ｒ２、ｒ３を通じて第１比較増幅部１の十入
力端に接続され、そのベースは直接にその一入力端に接
続される。また、ベースは抵抗ｒ４を介して抵抗ｒ２、
ｒ３の接続節点Ｐに接続される。帰還部４の出力端は、
トランジスタＴ１のコレクタに接続されるとともに、抵
抗ｒ５を介して第１比較増幅部１の一入力端に接続され
る。

第１比較増幅部１及び第２比較増幅部３は、通常のオペ
アンプからなり、抵抗Ｒ乙は第１比較増幅部１の負荷抵
抗である。

第２入力端子推移部４は、ダイオードＤ１と抵抗ｒ７の
直列接続回路からなり、ダイオードＤ１のカソードは第
１比較増幅部１の出力節点ｍに接続されている。

ローパスフィルタ２は、直列接続された抵抗ｒ８、ｒ９
と、両者の接続節点及び高電位電源ＶＣＣを接続するコ
ンデンサＣとからなるローパスフィルタであって、更に
抵抗ｒ８と並列に接続されたダイオードＤ２を有してい
る。

以下、この装置の動作を第２図を参照して説明する。

時点ｔ１において、両電極棒２００．３００は水に浸漬
されておらず、画電極棒間の抵抗ＲＸは極めて大きいと
する。この状態では、抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ４、ｒ５、ｒ
６にだけ電流が流れ、Ｐ点の電圧はＶｉにほぼ等しい。

ここでは、説明を簡単とするためにｒ２＝ｒ４くもちろ
ん、他の設定も可能である）とする。

本実施例では、各抵抗値を設定して、エミッタ電圧Ｖｅ
＝１４．６Ｖ、Ｐ点ｔｉＪＩＶＤ＝１４．３Ｖ、ベース
電圧＝参照電圧Ｖｒｌ＝１４．ＯＶとなるようにする。

トランジスタＴ１のエミッタ／ベース間の順バイアス電
圧は０．６Ｖであり、エミッタにはエミッタ電流がコレ
クタにはコレクタ電流が流れている。すなわち、ｒ２、
ｒ４にはそれぞれ０．３Ｖがかかり、Ｖｉ−ｖｒｉ＝ｏ
、３Ｖとなり、信号電圧ｖ；＝１４．３Ｖ、第１比較増
幅部１の出力電圧■ｍはハイレベル（ここでは、２０Ｖ
）になり、ダイオードＤ１はカットオフする。

Ｖｍがハイレベルであるので、ダイオードＤ２はカット
オフし、ハイレベルな出力電圧ｖｍはコンデンサＣ１を
充電し、第２比較増幅部３の信号入力端（十入力端）の
電位ｙｎはハイレベルとなっている。

次に、時点ｔ２において、両電極棒２００．３００間は
水に浸漬され、抵抗ＲＸがある一定値に減少した瞬間を
説明する。

この状態において、入力電圧推移部５は大きな信号電圧
Ｖｉ　（１４，３Ｖ）８両電極棒２００．３００間に印
加しており、大きな信号電流Ｉｂ（＝Ｖｐ／ＲＸ）が流
れ、そのために抵抗ｒ２、ｒ４よりも相対的に高抵抗で
ある抵抗ｒ３の電圧降下ΔＶ＝ＩｂＸｒ３は大きな値と
なる。

その結果、第１比較増幅部１の十入力端に加わる信号電
圧Ｖｉは、大体ΔＶだけ低下する。

同時に、この実施例では抵抗ｒ２から抵抗ｒ４に流れて
いた電流が抵抗ｒ３に吸収されるために、その分、抵抗
ｒ４の電圧降下が減り、その結果として第１比較増幅部
１の一入力端の参照電圧Ｖｒ１が上昇する。このｖｉ低
下時におけるＶｒｌの上昇は、第１比較増幅部１の出力
反転を急激化し、この切替を素早し、切替わりの瞬間に
おける出力ハンチングを防止する。

更に、Ｖｉ＜Ｖｒｌとなると、第１比較増幅部１の出力
電圧■ｍはローレベルとなり、その結果、Ｄｌが導通し
、Ｖｃは大幅に低下する（正確には、Ｄｌの導通電流を
Ｉｄとすれば、ＶＣ＝■ｍ＋■ｄｘｒ７＋ｏ、６Ｖ　（
ダイオードの電圧降下）となる。このＶｃの低下により
Ｖｒｌが低下するが、Ｖｒｌに連動してＶｉも低下する
。

Ｖｃの低下によりＶＣに等しい第２比較増幅部３の参照
電圧Ｖｒ２が低下する。

一方、Ｖｍの低下により、ダイオードＤ２はｍ点に放電
し、その結果、電位Ｖｎはローレベルに変化する。

次に、時点ｔ４において、再び両電極棒２００．３００
より水位が低下した瞬間を説明する。

抵抗ＲＸの急増により信号電流Ｉｂ（＝Ｖｐ／Ｒｘ）が
減少し、そのために信号電圧Ｖｉ＝Ｖｐ−）ｂＸｒ３が
増加する。また、信号電流Ｉｂの減少により、抵抗ｒ４
を流れる電流が増加し、そのために第１比較増幅部１の
一入力端の参照電圧Ｖｒ１が低下する。

これらの結果、短時間でＶｉｔｆｉＶｒｌより大きくな
り、第１比較増幅部１の出力電圧ｖｍはハイレベルにな
る。Ｖｍがハイレベルとなると、ダイオードＤ１がカッ
トオフし、このカットオフによりトランジスタＴ１及び
抵抗ｒ５から抵抗ｒ６からの電流は抵抗ｒ７を通じて吸
収されずに、全て抵抗ｒ６に流れ、その結果、コレクタ
電位、ベース電位が上昇する。この上昇により、第１比
較増幅部１の入出力状態は時点ｔ１の状態に復帰する。

また、ＶＣの上昇によりＶＣに等しい第２比較増幅部３
の参照電圧Ｖｒ２が直ちに上昇する。

一方、ｖｍの上昇により、ダイオードＤ２はカットオフ
し、コンデンサＣは抵抗ｒ８を通じてＶｍにより充電さ
れる。その結果、電位ｖｎは緩かにハイレベルに変化す
る。

ここで重要なことは、ｖｎの上昇に先立って■ｒ２が先
行して上昇するので、この過渡状態において、実質的な
両者の電位差が大きくされていることである。

このようにすると、この過渡時において液面の変動など
で短時間の間だけＶｍが反転しても（すなわち、Ｖｍが
ローレベルからハイレベルに反転して直ぐにまたローレ
ベルに再び反転しても〉、ローパスフィルタ２により遅
延されかつ高域遮断された信号電圧ｖｎは、上昇したＶ
ｒ２を越えるに至らず、この短期間の出力反転を無視す
ることができる。

ｖｍが短期間だけ出力反転した場合の電圧変化を第５図
に示す。

なおｙｍが再びローレベルとなる期間におけるＶｎの電
位低下が早いのは、ダイオードＤ２が存在するためでお
り、この急速なりｎの電位低下により、ｖｎが■より高
くなって第２比較増幅部３が出力反転する危険が防止さ
れる。

また更に本実施例では、電極棒２００．３００間が遮断
されている場合に電極間に高い信号電圧ｖ１を印加し、
電極棒２００．３００間が導通する時に信号電圧Ｖｉを
低下させているので、次の効果を奏することができる。

すなわち、遮断から導通に変化する瞬間に、電極棒２０
０に大電圧が印加されているので大きな信号電流１ｂが
流れ、その結果、信号電圧Ｖｉの変化分■ｂｘｒ３が大
きくなり、検出感度が高くなる。

そして、いったん導通が完全になされ、第１比較増幅部
１が反転した後は、電極棒２００に小電圧が印加されて
いるので小信号電流Ｉｂが流れ、その結果、信号電圧ｖ
ｉの変化分ＩｂＸｒ３が小さくなり、検出感度が抑制さ
れ、外部ノイズにより第１比較増幅部１が反転（ハンチ
ング〉しにくくなっている。

また、この実施例では、常に第１比較増幅部１の入力電
圧差を例えば０．６Ｖ　Ｃトランジスタの順方向エミッ
タ／ベース電圧）以下に維持できるので、すなわち、感
度調節のための信号電圧Ｖの上記レベル変化に合わせて
参照電圧Ｖｒｌの電位変化を連動させているので、第１
比較増幅部１の論理反転が素早いという効果も奏するこ
とができる。

ちなみに上記実施例において例えば、ｒｌは３３にオー
ム、ｒ２は１にオーム、ｒ３は１に〜１Ｍオーム、ｒ４
は３３〜１に〜オーム、ｒ５は１にオーム、ｒ６は６．
８にオーム、ｒｌは６．８にオームｒ８、ｒ９は１０に
オーム、Ｃは１μＦとすることができる。

（第２実施例） 本発明の他の実施例を第３図により説明する。

このインピーダンス二値化回路は、油（絶縁性液体）の
高低レベル検出回路に応用されている。

このインピーダンス二値化回路は、電極棒２００に所定
の周波数及び所定振幅の矩形波電圧を印加する矩形波発
振回路６と、第１比較増幅部１と、第１入力端子推移部
５と、第１比較増幅部１の出力電圧を検波する検波部７
と、検波部７から出力される検波電圧からキャリヤ周波
数を含む＾酸成分をカットするとともに検波電圧ＶＺを
遅延するローパスフィルタ８と、ローパスフィルタ８の
出力電圧ｖｎと所定の第２参照電圧Ｖｒ２とを比較して
増幅する第２比較増幅部３と、検波電圧ＶＺのハイレベ
ルからローレベルへの電圧変化に追従する推移電圧ＶＣ
を発生して第２比較増幅部２の参照電圧入力端及び第１
入力端子推移部５の入力端に加える第２入力端子推移部
４とを備えている。

この実施例は、一対の電極棒２００．３００間に交流電
圧を印加して、両電極間の交流インピーダンスの変化を
二値化するもので、矩形波発振回路６、検波部７、ロー
パスフィルタ８とを実施例１に付加した点に特徴がある
。

ここで、矩形波発振回路６の回路及び内部動作について
は、本発明の要部ではないので説明を省略する。

検波部２は、−個のダイオードで構成されている。

ローパスフィルタ８は、その入力端とＶＣＣを接続する
コンデンサＣと、その入出力端を接続する抵抗ｒ９と、
その出力端とＶＣＣを接続する抵抗ｒ１０とからなる。

以下、この回路の動作を第３図を参照して説明する。

時点ｔ１において、両電極棒２００．３００は油に浸漬
されておらず、画電極棒間のインピーダンスＺｘは極め
て大きいとする。この状態では、抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ４
、ｒ５、ｒ６にだけ電流が流れ、Ｐ点の電圧は■１にほ
ぼ等しい。

したがって、この状態は実施例１の時点１の状態と全く
同じである。

すなわち、信号電圧ｖ＊＝１４．３Ｖ、第１比較増幅部
１の出力電圧■ｍはハイレベル（ここでは、２０Ｖ）に
なり、ダイオードＤ２はカットオフする。

この時、ローパスフィルタ８内部の節点Ｚは抵抗ｒ９、
ｒｌｏを通じて充電され、出力電圧Ｖｎはハイレベルに
なる。

次に、時点ｔ２において、両電極棒２００．３００間は
油に浸漬され、交流インピーダンスＺＸ＝１／ｊωＣが
ある一定値に減少した瞬間を説明する。

この状態において、矩形波発振回路６の交流出力電圧は
ＺＸ及び第１入力端子推移部５に分圧され、第１比較増
幅部１の十入力端には交流電圧成分が乗る。すると、交
流電圧の負の半サイクルにおいて十入力端に印加される
信号電圧Ｖｉが低下し、実施例１と同じ理由で第１比較
増幅部１の出力電圧ｖｍはローレベルになる。一方、交
流電圧の正の半サイクルにおいて十入力端に印加される
信号電圧ｖｉが上昇し、実施例１と同じ理由で第１比較
増幅部１の出力電圧ｖｍはハイレベルになる。

結局、第１比較増幅部１の出力電圧は、両電極棒２００
．３００が油に浸漬されると、第４図に示すように大振
幅の交流電圧となる。

この場合でも、ｖｍがローレベルになれば、ダイオード
Ｄ２が導通して、コンデンサＣを高速に放電させるとと
もに、第２入力端子推移部４、第１入力端子推移部５を
通じてＶｉ、Ｖｒｉをローレベルに引下げ、実施例１と
同様の効果がある。

時点ｔ３において、第１比較増幅部１の出力電圧ｖｍは
検波回路２により検波され、コンデンサＣはＶｍがロー
レベルの場合にダイオードＤ１を通じて放電、ｖｍがハ
イレベルの場合に抵抗ｒ９、ｒｌｏを通じて充電され、
キャリア信号（５ｋＨ２）をカットし、二値出力電圧Ｖ
ｎとなる。

次に、時点ｔ４において、再び両電極棒２００．３００
より水位が低下した瞬間を説明する。

インピーダンスＺＸの急増により交流信号電流Ｉ　ｂ　
（＝Ｖｐ／ＲＸ　）が減少し、そのために信号電圧Ｖｉ
−ｖｐ−１ｂｘｒ３が増加す６゜マタ、信号電流Ｉｂの
減少により、抵抗ｒ４を流れる電流が増加し、そのため
に第１比較増幅部１の一人カ端の参照電圧Ｖｒ１が低下
する。

これらの結果、短時間でＶｉがＶｒｌより大きくなり、
第１比較増幅部１の出力電圧ｖｍはハイレベルになる。

Ｖｍがハイレベルとなると、ダイオードＤ２がカットオ
フし、このカットオフにより実施例１と同様に第１比較
増幅部１の入出力状態は時点ｔ１の状態に復帰する。

また、ＶＣの上昇によりＶＣに等しい第２比較増幅部３
の参照電圧Ｖｒ２が直ちに上昇する。

一方、ダイオードＤ２のカットオフにより、コンデンサ
Ｃは抵抗ｒ９、ｒｌｏを介して所定の時定数で充電され
る。その結果、電位ｖｎは緩かにハイレベルに変化する
。

ここで重要なことは、ｖｎの上昇に先立ってＶｒ２＝Ｖ
Ｃが先行して上昇するので、この過渡状態において、実
質的な両者の電位差が大きくされていることである。

このようにすると、この過渡時において液面の変動など
で短時間の間だけｖｍが反転しても（すなわち、Ｖｍが
ローレベルからハイレベルに反転して直ぐにまたローレ
ベルに再び反転しても）、ローパスフィルタ２により遅
延されかつ高域遮断された信号電圧Ｖｎは、上昇したＶ
ｍ２を越えるに至らず、この短期間の出力反転を無視す
ることができる。

更にこの実施例では、キャリア周波数を扱くためのロー
パスフィルタ８により、上記したＶｍの遅延、高域周波
数遮断を行うので、回路を簡単にできる。

なお、入力電圧推移部５において、ブリーダ抵抗ｒ８を
トランジスタＴ１のエミッタ／ベース間に接続してもよ
い。このようにすれば、Ｉｂが増加し、ｖｌが低下した
場合において、抵抗ｒ２を流れる電流の増大によりＶｂ
ｅが増加してもエミッタ抵抗ｒ１を流れる電流の変化率
すなわちエミッタ電位の変化率を減少するという効果を
奏することができる。

以上、本実施例の交流インピーダンス二値化回路は交流
インピーダンス変化の二値化に用いることができる。

ちなみに上記実施例において例えば、ｒ］は３゜３にオ
ーム、ｒ２は１にオーム、ｒ３は４．７に〜１００にオ
ーム、ｒ４は３３〜１に〜オーム、ｒ５は１に〜１Ｍオ
ーム、ｒ６は６．８にオーム、ｒ７は６．８にオーム、
ｒ８は１．５にオーム、ｒ９は２．２にオーム、ｒｌｏ
は１０にオーム、Ｃは６．８μＦとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す等価回路図、第２図は
その信号波形図、第３図は本発明の他の実施例を示す等
価回路図、第４図は第３図の回路の信号波形図、第５図
は第２図の一部を拡大した信号波形図でおる。 １・・・第１比較増幅部 ２・・・ローパスフィルタ２ ３・・・第１比較増幅部 ４・・・第２入力端子推移部 ５・・・第１入力端子推移部 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）二値化すべきインピーダンスに対応する信号電圧
   と所定の第１参照電圧とを比較して増幅する第１比較増
   幅部と、 該第１比較増幅部の出力電圧を遅延するローパスフィル
   タと、 該ローパスフィルタの出力電圧と所定の第２参照電圧と
   を比較して増幅する第２比較増幅部と、前記第１比較増
   幅部の出力電圧変化に追従して前記第２参照電圧を推移
   させる入力電圧推移部と、を備えることを特徴とするイ
   ンピーダンス二値化回路。
2. （２）前記第１比較増幅部と前記ローパスフィルタとの
   間に設けられ、前記第１比較増幅部の交流出力電圧を検
   波して前記ローパスフィルタに入力する検波部を備える
   請求項１記載のインピーダンス二値化回路。
3. （３）請求項１記載のインピーダンス二値化回路を有す
   る液位検出回路。