JPH0431331B2 - - Google Patents

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JPH0431331B2
JPH0431331B2 JP22393585A JP22393585A JPH0431331B2 JP H0431331 B2 JPH0431331 B2 JP H0431331B2 JP 22393585 A JP22393585 A JP 22393585A JP 22393585 A JP22393585 A JP 22393585A JP H0431331 B2 JPH0431331 B2 JP H0431331B2
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capacitance
microcomputer
gate
signal
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

<産業上の利用分野> 本発明は、圧力などの物理量の変化に基づく変
位を静電容量を介して電気信号に変換する容量式
差圧伝送器に係り、特にセンサの周辺に形成され
る分布容量の影響を排除した容量式差圧伝送器に
関する。 <従来技術> かかる容量式差圧伝送器は、各種のプロセスの
流量または圧力などを静電容量の変化として検出
し、これを電気信号に変換の上、遠方の受信部な
どへ伝送するときなどに用いられている。 この様な従来の容量式差圧伝送器の1例を第6
図に示し、これについて説明する。 移動電極10と対向して固定電極11,12が
配置され、センサ容量として機能する静電容量
C1,C2が形成されている。また、移動電極10
とケースとの間には分布容量Csが形成されてい
る。 静電容量C1とC2の接続点はインバータG1の入
力端に接続され、その出力端と入力端との間には
定値電流制限回路CC1が負帰還接続されている。
インバータG1の出力端がnビツトのカウンタ
CT1の入力端CLに接続され、その出力端Qoはナ
ンドゲートG2を介して静電容量C1の第1電極を
形成する固定電極11に接続され、同時にインバ
ータG3、ナンドゲートG4を介して静電容量C2
第2電極を形成する固定電極12に接続されてい
る。更に、ナンドゲートG2,G4の入力の他端は
インバータG1の出力端と接続されている。 この様な構成によりナンドゲートG2と静電容
量C1とでインバータG1への第1の正帰還ループ、
ナンドゲートG4と静電容量C2とでインバータG1
への第2の正帰還ループを形成し、これ等のルー
プをカウンタCT1の出力によりナンドゲートG2
G4を介して交互に切替えて発振を継続させてい
る。カウンタCT1の出力はフイルタ回路FC1によ
り平滑する。 いま、第7図Aに示す様にナンドゲートG2
出力Aをハイレベル“H”とし、ここに電圧+E
が生じているときは、その立上りにより静電容量
C1と分布容量Csと静電容量C2との合成容量Ct
直列に充電され、インバータG1の入力端は急激
に一定電圧に達し第7図Bの通り、ほぼ垂直に立
上る。従つて、インバータG1のスレツシユホー
ルドレベルVTHを基準とした分布容量Csの端子電
圧の変化e10は次式で示される。 e10=C1/C1+CtE (1) このときインバータG1の出力Cはローレベル
“L”になつているが、インバータG1の入出力端
間に定値電流制限回路CC1が接続されているの
で、分布容量Csおよび静電容量C2の充電電荷は
定値電流制限回路CC1およびインバータG1の出力
インピーダンスを介して直ちに放電を開始する。
しかし、この放電による放電電流iは定値電流制
限回路CC1により一定の電流値に規制されるの
で、第7図Bに示す様にインバータG1の入力端
の電圧は直線的に低下するスレツシユホールドレ
ベルVTHまで減少するに必要とされる放電時間t10
は次式から得られる。 it10=e10(C1+Ct) (2) (1)、(2)式から t10=C1E/i (3) となる。 インバータG1のスレツシユホールドレベルVTH
に電圧が低下すると、インバータG1の出力Cは
反転し、“H”レベルとなる(第7図C)結果、
ナンドゲートG2の出力Aは“L”レベルとなり、
インバータG1の入力端の電圧は(1)式と同値で逆
極性の値e′10となる。この後、定値電流制限回路
CC1により逆極性の放電が直線的に行なわれる。
この結果、インバータG1のスレツシユホールド
レベルVTHに達するとインバータG1の出力Cは第
7図Cに示すように反転する。この逆極性の放電
も一定値の電流iで行なわれるので、放電時間
t′10もt10と等しくなり t10=t′10 (4) となる。 これ等の関係は、カウンタCT1による所定値の
カウントの後、カウンタCT1の出力により静電容
量C2側に切替えられても同様であるので、次式
が成立する。 t20=C2E/i (5) 従つて、カウンタCT1の出力Qoから得られる
パルス信号の“H”期間は静電容量C1に、“L”
期間は静電容量C2に対応したものとなり、これ
をフイルタ回路FC1で平均化すれば、バルス信号
のデユテイ比に関連したC1/(C1+C2)の演算
結果となる。この演算結果は、移動電極10の変
位つまり差圧(PH−PL)に比例した値を与える。
しかも分布容量Csは除去されている。 <発明が解決しようとする問題点> しかしながら、移動電極10とケースとの間に
分布する分布容量Csは従来技術により除去するこ
とはできるが、移動電極10と変換回路との間に
形成される分布容量、例えば第6図に示すように
定値電流制限回路CC1の両端に分布容量Cs0が形
成されると誤差となる。分布容量Cs0が定値電流
制限回路CC1の両端に形成された場合には、(1)式
を考慮すると静電容量C1側に切替えた場合と静
電容量C2側に切替えた場合とで生ずるインバー
タG1の入力端の電圧変化e10とe20とが異なるた
め、定値電流制限回路CC1を分布容量Cs0でバイ
パスして流れる電流が静電容量C1側とC2側で異
なることになり誤差要因を形成する欠点がある。 <問題点を解決するための手段> この発明は、以上の問題点を解決し、更に静電
容量C1,C2の相対的変化量をマイクロコンピユ
ータ内部の数値化されたデータとして取得するた
め、差圧に応じて変化する第1および第2センサ
容量と、このセンサ容量の各一端が接続された共
通接続点に入力端が接続され所定の閾値を越えた
入力電圧の変化に応答して出力レベルを変える検
出ゲート手段と、この検出ゲート手段の出力レベ
ルの変化に応答して共通接続点へ負帰還電流を供
給する負帰還手段と、検出ゲート手段の出力レベ
ルの変化を読み込むマイクロコンピユータと、こ
のマイクロコンピユータによつて一方が選択され
第1および第2センサ容量へ検出ゲート手段の出
力レベルの変化を伝達し第1および第2センサ容
量の各他端を励振する第1および第2励振ゲート
と、マイクロコンピユータからのデジタル信号を
電圧信号に変換し第1および第2励振ゲートへ電
圧信号を伝達して第1および第2センサ容量に対
する励振振幅に変調を加えるためのデジタル・ア
ナログ変換器と、マイクロコンピユータから外部
へ信号を発信するための伝送手段とを具備し、マ
イクロコンピユータは検出ゲート手段からの第1
および第2センサ容量の容量前に関連した第1お
よび第2の出力レベルの変化を読み込みこれ等の
読込値が一致するようにデジタル・アナログ変換
器へのデジタル信号を操作して対応するデジタル
信号を伝送手段に供給する構成としたものであ
る。 <実施例> 以下、本発明の実施例について図面に基づき説
明する。 第1図は本発明の一実施例を示す全体のブロツ
ク図である。移動電極10は検出ゲート手段とし
てのバツフアゲートG5の入力端に接続されてお
り、その出力端はインバータG6と定値電流制限
回路CC1を介してバツフアゲートG5の入力端に負
帰還接続されている。 また、バツフアゲートG5の出力端はマイクロ
コンピユータμCOMの入力端にライン13を介し
て接続されている。マイクロコンピユータμCOM
からはライン14,15が引き出され、それぞれ
励振ゲートとして機能するアンドゲートG7,G8
の入力の一端に接続されている。 アンドゲートG7,G8の入力の他端はそれぞれ
バツフアゲートG5の出力端と接続されている。
アンドゲートG7,G8の各出力端はそれぞれ固定
電極11,12と接続され、第1のループ(バツ
フアゲートG5−アンドゲートG7−静電容量C1
バツフアゲートG5)で第1の正帰還回路が形成
され、第2のループ(バツフアゲートG5−アン
ドゲートG8−静電容量C2−バツフアゲートG5
で第2の正帰還回路が形成される。これ等のルー
プはマイクロコンピユータμCOMからのライン1
4,15を介してアンドゲートG7,G8の入力の
一端に与えられるループ切換信号LS1,LS2によ
りいずれかに切換えられる。 マイクロコンピユータμCOMはライン13を介
して与えられる静電容量C1およびC2の容量値に
関連したバツフアゲートG5の出力レベルの変化
を読み込みこれ等の読込値が一致するデジタル・
アナログ変換器DACへデジタル信号を送出する。
デジタル・アナログ変換器DACはデジタル信号
を対応するアナログの可変電圧Vに変換しアンド
ゲートG7,G8を付勢する。 アンドゲートG7,G8は例えばC−MOSデバイ
スが使用され、その論理出力レベルは付勢電圧値
+EとV、あるいはV、−Eで提供される。可変
電圧Vは付勢される固定の電圧±Eの範囲の中に
ある値である。 また、マイクロコンピユータμCOMは前記のデ
ジタル信号に対応する値を出力回路OCに出厘し
ライン16を介して遠方に例えば4〜20mAの電
流として電流伝送する。 更に、移動電極10とバツフアゲートG5の出
力端あるいはインバータG6の出力端との間には、
それぞれ分布容量Cs1,Cs2が一般に形成されてい
る。 なお、バツフアゲートG5、ナンドゲートG6
C−MOSデバイスで構成され、±Eの固定の電圧
で付勢されている。 第2図は第1図におけるマイクロコンピユータ
μCOMの内部の構成を示したブロツク図である。 ライン13には静電容量C1を選択した周波数
信号と静電容量C2を選択した周波数信号とが選
択的に発生するが、これ等の周波数信号は内部ク
ロツクへ同期させて伝達するための同期化回路
SYCに入力され内部クロツクCLK2との同期がと
られ、積算カウンタCT2で計数されてバスBUS
へ送出される。 積算カウンタCT2は、100KHz以下の周波数信
号を積算して1ミリ秒毎に読込む場合には、その
ビツトサイズを8ビツトとすれば良い。 ROMはプログラムメモリ、RAMはデータメ
モリであり、マイクロプロセツサCPUはデータ
メモリRAMに格納されたデータなどを用いてプ
ログラムメモリROMにしたがつて必要な演算を
行なう。 クロツク発生器CLGより発生するクロツク信
号CLK1はマイクロプロセツサCPUに入力され、
これによりマイクロプロセツサCPUが歩進され
る。また、クロツク信号CLK1をリングカウンタ
RCTによりステツプダウンして内部クロツク
CLK2とされ、これを入出力操作のクロツク信号
として使用する。更に、リングカウンタRCTの
任意の出力端よりクロツク信号CLK3がマイクロ
プロセツサCPUに入力され、これによりマイク
ロプロセツサCPUの入出力サービスのリアルタ
イム割込のタイミングを与える。ライン13から
の周波数信号が30〜100KHz程度の場合は、
CLK1,CLK2,CLK3としてそれぞれ1MHz、
200KHz、1KHzなどの値が選定される。 マイクロコンピユータCPUはライン13から
の静電容量C1,C2に各々対応した周波数信号f1
f2を入力し、これ等の周波数信号f1,f2が一致す
る可変電圧Vを出力するように信号処理をしてバ
スBUSを介して出力ポートOPへ出力する。出力
ポートOPはマイクロコンピユータからのデータ
を単にラツチするだけである。 出力ポートOPからのデータを受けて可変電圧
Vを出力するデジタル・アナログ変換器DACは
レートマルチプライヤRM、インバータG9、アン
ドゲートG10、オアゲートG11、平滑回路FC2で構
成されている。 出力ポートOPからのデータDSETは例えばD1
D2〜D12の12ビツト構成とされ、このうちD1、D2
〜D11の11ビツトがレートマルチプライヤRMに
セツトされる。レートマルチプライヤRMはその
入力端inに内部クロツクCLK2を受けこれにセツ
トされたデータD1,D2〜D11で与えられるデジタ
ル値/211を乗算して出力端OUTに出力する。レ
ートマルチプライヤRMは入出力の位相が反転す
る形式のもの、例えばTC4527BP(東芝)などの
市販のCMOSデバイスを用いることができる。 出力ポートOPからのデータDSETのうちデータ
D12はインバータG9を介してアンドゲートG10
入力の一端に印加され、その入力の他端には内部
クロツクCLK2が印加されている。オアゲート
G11の入力の一端はアンドゲートG10の出力端と
接続され、その入力の他端はレートマルチプライ
ヤRMの出力端と接続されている。オアゲート
G11の出力はフイルタ回路FC2に印加されデータ
DSETに対応したアナログの可変電圧Vを出力す
る。なお、オアゲートG11、アンドゲートG10
インバータG9などは電圧±Eで付勢されている。 マイクロプロセツサCPUは出力ポートQPを介
して2ビツトのループ切換信号LS1,LS2をライ
ン14,15に送出し、これにより正帰還回路の
選択を行なう。 次に、以上の如く構成された第1図および第2
図に示す実施例の動作について説明する。 先ず、第1図に示す全体の構成にもとづく動作
を第3図に示す波形図を用いて説明する。 マイクロコンピユータμCOMからのループ切換
信号LS1,LS2(第3図ホ,ヘ)によりアンドゲー
トG7あるいはG8が相補的に開閉され、静電容量
C1側あるいはC2側のいずれかのループが選択さ
れてアンドゲートG7,G8の出力端には第3図ハ,
ニに示すような電圧が出力される。 この正帰還のループのいずれかが選択された状
態で、バツフアゲートG5の出力レベルが第3図
ロの如く変化すると、アンドゲートG7あるいは
G8を介してバツフアゲートG5の入力端には正あ
るいは負の電圧変化e1(=e′1)、e2(=e′2)が第3
図イに示すように生ずる。この場合に生ずる電圧
変化e1、e2はバツフアゲートG5の入力端への各容
量を介しての電荷移動を考慮すると次式の如くな
る。 e1=C1(E−V)+Cs1・2E−Cs2・2E/C1+C2
Cs+Cs1+Cs2(6) e2=C2(E+V)+Cs1・2E−Cs2・2E/C1+C2
Cs+Cs1+Cs2(7) この電圧変化e1、e2は、インバータG6と定値電
流制限回路CC1を介してバツフアゲートG5の入力
端に定電流iにより第3図イに示す様に一定の傾
斜で時間t1(=t′1)、t2(=t′2)を要して負帰還さ
れ、バツフアゲートG5のスレシヨルドレベルへ
引き戻される。この場合の時間t1、t2は、以上の
説明から次式の如くなる。 t1=e1(C1+C2+Cs+Cs1+Cs2)/i (8) t2=e2(C1+C2+Cs+Cs1+Cs2)/i (9) ここで、ライン13上に生ずる各静電容量C1
C2に対応する周波数信号f1,f2が一致するように
可変電圧VをアンドゲートG7,G8に印加するよ
うにマイクロコンピユータμCOMが制御するが、
これはt1=t2になるようにすることを意味するの
で、式(6)〜(9)とt1=t2なる条件を用いて次式を得
る。 V=C1−C2/C1+C2E (10) ここで、静電容量C1,C2はC0を差圧ΔPがゼロ
のときの静電容量とするとK1を定数として次式
で示される。 C1=C01/1−K1ΔP (11) C2=C01/1−K1ΔP (12) これ等の式を(10)式に代入すると、 V=K1E・ΔP (13) となり、可変電圧Vは差圧ΔPに比例する。しか
もこの(13)式には移動電極10と変換回路との間の
分布容量Cs1,Cs2が含まれておらず、これ等の分
布容量の影響が除去されている。 なお、第3図ロはバツフアゲートの出力波形、
第3図トはインバータG6の出力波形をそれぞれ
示している。 次に第2図に示すマイクロコンピユータμCOM
およびその周辺の動作を第4図と第5図に示す波
形図を用いて説明する。 ループ切換信号LS1あるいはLS2により静電容
量C1側あるいはC2側のいずれかの正帰還回路が
選択されて周波数信号f1あるいはf2(第4図イ)
が同期化回路SYCに入力され内部クロツクCLK2
(第4図ロ)との同期がとられ、積算カウンタ
CT2の入力端CLへ入力される(第4図ハ)。積算
カウンタCT2の各ビツトの出力端Q1,Q2〜Q8
はCL入力に対応して第4図ニ〜トに示す各出力
が生ずる。この様にして積算カウンタCT2の出力
端Q1,Q2〜Q8に生じた各出力はマイクロプロセ
ツサCPUが第4図チで示すクロツク信号CLK3
示すタイミングで読込む。この読込みは周波数信
号f1あるいはf2に対して各々20回の繰り返しで行
なえば、信号周波数100KHzを数値2000として扱
うことにより、充分な分解能が得られる。 読込まれた周波数信号f1,f2に対してこれ等の
値が一致する可変電圧Vをアナログ・デジタル変
換器DACより出力するマイクロプロセツサCPU
は演算して出力ポートOPを介してデジタルのデ
ータDSETをインバータG9およびレートマルチプラ
イヤRMへ出力する。 第5図はアナログ・デジタル変換器DACの各
部の波形を示している。特に、この場合はD11
D1のデータが全ビツト1の状態において、デー
タD12が0から1へ変化したときの各部の波形を
示している。D12はデジタルのデータDSETの正負
を決める。第5図ロに示すようにデータD12がゼ
ロの状態ではアンドゲートG10の出力端にはクロ
ツク信号CLK2がそのまま出力され(第5図ハ)、
レートマルチプライヤRMの出力端OUTには第
5図ニに示すようにクロツク信号CLK2の位相を
反転した出力が得られる。従つて、オアゲート
G11の各入力端にはクロツク信号CLK2とこれを
反転したクロツク信号が印加されるので、その出
力端には+Eの電圧が生ずる。データD12が1レ
ベルの状態に反転すると、アンドゲートG10の出
力は0レベルに維持され(第5図ハ)、オアゲー
トG11の出力にはレートマルチプライヤRMの出
力(第5図ニ)がそのまま発生する(第5図ホ)。
従つて+Eと−Eの電圧が交互に発生し、その平
均値はほぼゼロになる。 以上の点を踏まえてデータD12〜D1の値の2進
表示とオアゲートG11の出力の平均電圧Vとの関
係を示せば次の様になる。
<Industrial Application Field> The present invention relates to a capacitive differential pressure transmitter that converts displacement based on a change in a physical quantity such as pressure into an electrical signal via capacitance, and particularly relates to a capacitive differential pressure transmitter that converts displacement based on a change in a physical quantity such as pressure into an electrical signal, and in particular, This invention relates to a capacitive differential pressure transmitter that eliminates the influence of capacitance. <Prior art> Such a capacitive differential pressure transmitter detects the flow rate or pressure of various processes as a change in capacitance, converts it into an electrical signal, and transmits it to a distant receiving section, etc. It is used in An example of such a conventional capacitive differential pressure transmitter is shown in the sixth example.
It is shown in the figure and will be explained. Fixed electrodes 11 and 12 are arranged facing the moving electrode 10, and have a capacitance that functions as a sensor capacitance.
C 1 and C 2 are formed. In addition, the moving electrode 10
A distributed capacitance C s is formed between and the case. The connection point between the capacitances C 1 and C 2 is connected to the input end of the inverter G 1 , and a constant value current limiting circuit CC 1 is connected in negative feedback between the output end and the input end of the inverter G 1 .
The output end of inverter G1 is an n-bit counter.
It is connected to the input terminal CL of CT 1 , and its output terminal Q o is connected via a NAND gate G 2 to a fixed electrode 11 forming the first electrode of capacitance C 1 , and at the same time connects an inverter G 3 and a NAND gate G 4 . It is connected via a fixed electrode 12 forming a second electrode of capacitance C 2 . Furthermore, the other input ends of the NAND gates G 2 and G 4 are connected to the output end of the inverter G 1 . With this configuration, the first positive feedback loop to the inverter G1 is formed by the NAND gate G2 and the capacitance C1 ,
Inverter G 1 with NAND gate G 4 and capacitance C 2
These loops are connected to the NAND gates G 2 and 2 by the output of the counter CT 1 .
The oscillation is continued by switching alternately via G4 . The output of the counter CT1 is smoothed by a filter circuit FC1 . Now, as shown in Figure 7A, the output A of NAND gate G2 is set to high level "H", and the voltage +E is applied here.
When this occurs, the capacitance increases due to its rise.
The combined capacitance C t of C 1 , distributed capacitance C s , and electrostatic capacitance C 2 is charged in series, and the input terminal of inverter G 1 suddenly reaches a constant voltage and rises almost vertically as shown in Figure 7B. . Therefore, the change e 10 in the terminal voltage of the distributed capacitance C s with respect to the threshold level V TH of the inverter G 1 is expressed by the following equation. e 10 = C 1 / C 1 + C t E (1) At this time, the output C of the inverter G 1 is at the low level “L”, but the constant value current limiting circuit CC 1 is connected between the input and output terminals of the inverter G 1 . Since they are connected, the charges in the distributed capacitance C s and the capacitance C 2 immediately start discharging via the constant value current limiting circuit CC 1 and the output impedance of the inverter G 1 .
However, since the discharge current i caused by this discharge is regulated to a constant current value by the constant value current limiter circuit CC1 , the voltage at the input terminal of the inverter G1 has a threshold value that decreases linearly, as shown in FIG. 7B. Discharge time required to decrease to hold level V TH 10
is obtained from the following equation. it 10 = e 10 (C 1 + C t ) (2) From equations (1) and (2), t 10 = C 1 E/i (3). Threshold level V TH of inverter G 1
When the voltage drops to
Output A of NAND gate G2 becomes “L” level,
The voltage at the input terminal of inverter G 1 has the same value as equation (1) and has the opposite polarity e′ 10 . After this, constant value current limit circuit
CC 1 causes a discharge of opposite polarity to occur linearly.
As a result, when the threshold level VTH of inverter G1 is reached, the output C of inverter G1 is inverted as shown in FIG. 7C. This reverse polarity discharge is also carried out with a constant value of current i, so the discharge time
t' 10 is also equal to t 10 , so t 10 = t' 10 (4). These relationships are the same even when the output of the counter CT 1 is switched to the capacitance C 2 side after the counter CT 1 has counted a predetermined value, so the following equation holds true. t 20 = C 2 E/i (5) Therefore, during the “H” period of the pulse signal obtained from the output Q o of the counter CT 1 , the capacitance C 1 is “L”
The period corresponds to the capacitance C 2 , and if this is averaged by the filter circuit FC 1 , the calculation result of C 1 /(C 1 +C 2 ) related to the duty ratio of the pulse signal is obtained. This calculation result provides a value proportional to the displacement of the moving electrode 10, that is, the differential pressure (P H - P L ).
Furthermore, the distributed capacitance C s has been removed. <Problems to be Solved by the Invention> However, although the distributed capacitance C s distributed between the moving electrode 10 and the case can be removed by conventional techniques, the distributed capacitance C s that is formed between the moving electrode 10 and the conversion circuit If a distributed capacitance such as, for example, a distributed capacitance C s0 is formed at both ends of the constant value current limiting circuit CC 1 as shown in FIG. 6, an error will occur. When the distributed capacitance C s0 is formed across the constant value current limiting circuit CC 1 , considering equation (1), there are two cases: switching to the capacitance C 1 side and switching to the capacitance C 2 side. Since the voltage changes e 10 and e 20 at the input end of inverter G 1 that occur in This has the disadvantage of being different and creating an error factor. <Means for Solving the Problems> The present invention solves the above problems and further provides a method for obtaining the relative change amount of the capacitances C 1 and C 2 as numerical data inside the microcomputer. , first and second sensor capacitances that change according to the differential pressure, and an input end connected to a common connection point to which each end of the sensor capacitance is connected, and in response to a change in input voltage exceeding a predetermined threshold. A detection gate means for changing an output level, a negative feedback means for supplying a negative feedback current to a common connection point in response to a change in the output level of the detection gate means, and a microcomputer for reading a change in the output level of the detection gate means. , first and second excitations, one of which is selected by the microcomputer, transmits a change in the output level of the detection gate means to the first and second sensor capacitors, and excites the other ends of the first and second sensor capacitors. a gate, and a digital-to-analog converter for converting the digital signal from the microcomputer into a voltage signal and transmitting the voltage signal to the first and second excitation gates to modulate the excitation amplitude for the first and second sensor capacitances. and a transmission means for transmitting a signal from the microcomputer to the outside, and the microcomputer includes a first signal from the detection gate means.
and reading the changes in the first and second output levels associated with the capacitance of the second sensor capacitor and manipulating the digital signals to the digital-to-analog converter such that these readings match the corresponding digital signals. The configuration is such that the information is supplied to the transmission means. <Example> Hereinafter, an example of the present invention will be described based on the drawings. FIG. 1 is an overall block diagram showing one embodiment of the present invention. The moving electrode 10 is connected to the input end of a buffer gate G5 serving as a detection gate means, and its output end is connected in negative feedback to the input end of the buffer gate G5 via an inverter G6 and a constant current limiting circuit CC1 . There is. Further, the output terminal of the buffer gate G5 is connected to the input terminal of the microcomputer μCOM via a line 13. Microcomputer μCOM
Lines 14 and 15 are drawn out from AND gates G 7 and G 8 which function as excitation gates, respectively.
connected to one end of the input. The other input ends of AND gates G 7 and G 8 are respectively connected to the output end of buffer gate G 5 .
The output terminals of the AND gates G 7 and G 8 are connected to the fixed electrodes 11 and 12, respectively, and the first loop (buffer gate G 5 −AND gate G 7 −capacitance C 1
A first positive feedback circuit is formed with buffer gate G 5 ), and a second loop (buffer gate G 5 -AND gate G 8 -capacitance C 2 -buffer gate G 5 ) is formed.
A second positive feedback circuit is formed. These loops are line 1 from the microcomputer μCOM.
It is switched to either one by loop switching signals LS 1 and LS 2 applied to one end of the input of AND gates G 7 and G 8 via terminals 4 and 15. The microcomputer μCOM reads the changes in the output level of the buffer gate G 5 in relation to the capacitance values of the capacitors C 1 and C 2 provided via the line 13 and outputs a digital signal with which these readings coincide.
Sends a digital signal to the analog converter DAC.
The digital-to-analog converter DAC converts the digital signal into a corresponding analog variable voltage V and energizes the AND gates G 7 and G 8 . For example, C-MOS devices are used for the AND gates G7 and G8 , and the logic output level thereof is provided by the energizing voltage values +E and V, or V and -E. The variable voltage V is a value within the range of the fixed energized voltage ±E. Further, the microcomputer μCOM outputs a value corresponding to the digital signal to the output circuit OC, and transmits a current of, for example, 4 to 20 mA to a distant place via the line 16. Furthermore, between the moving electrode 10 and the output end of the buffer gate G5 or the output end of the inverter G6 ,
Distributed capacitances C s1 and C s2 are generally formed, respectively. Note that the buffer gate G 5 and the NAND gate G 6 are composed of C-MOS devices, and are energized with a fixed voltage of ±E. FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the microcomputer μCOM in FIG. 1. A frequency signal that selects capacitance C 1 and a frequency signal that selects capacitance C 2 are selectively generated on line 13, but these frequency signals are transmitted in synchronization with the internal clock. synchronization circuit
It is input to SYC, synchronized with internal clock CLK 2 , counted by integration counter CT 2 , and sent to bus BUS.
sent to. When the integration counter CT2 integrates frequency signals of 100 KHz or less and reads them every 1 millisecond, its bit size may be set to 8 bits. ROM is a program memory, RAM is a data memory, and the microprocessor CPU uses data stored in the data memory RAM to perform necessary operations according to the program memory ROM. The clock signal CLK 1 generated by the clock generator CLG is input to the microprocessor CPU,
This advances the microprocessor CPU. Also, the clock signal CLK 1 is used as a ring counter.
Step-down by RCT to internal clock
CLK 2 and is used as a clock signal for input/output operations. Further, a clock signal CLK3 is inputted to the microprocessor CPU from an arbitrary output terminal of the ring counter RCT, thereby providing timing for real-time interrupts of input/output services of the microprocessor CPU. If the frequency signal from line 13 is about 30-100KHz,
1MHz each as CLK 1 , CLK 2 , CLK 3 ,
Values such as 200KHz and 1KHz are selected. The microcomputer CPU receives frequency signals f 1 , corresponding to the capacitances C 1 and C 2 from line 13, respectively.
f 2 is input, signal processing is performed so that a variable voltage V that matches these frequency signals f 1 and f 2 is outputted, and the signal is outputted to the output port OP via the bus BUS. The output port OP simply latches data from the microcomputer. The digital-to-analog converter DAC which receives data from the output port OP and outputs a variable voltage V is composed of a rate multiplier RM, an inverter G9 , an AND gate G10 , an OR gate G11 , and a smoothing circuit FC2 . The data D SET from the output port OP is, for example, D 1 ,
It has a 12-bit configuration of D 2 to D 12 , of which D 1 and D 2
The 11 bits of ~ D11 are set to the rate multiplier RM. The rate multiplier RM receives an internal clock CLK 2 at its input terminal IN, multiplies it by a digital value / 211 given by the set data D 1 , D 2 to D 11 , and outputs the result to its output terminal OUT. As the rate multiplier RM, a type in which input and output phases are inverted, for example, a commercially available CMOS device such as TC4527BP (Toshiba) can be used. Data from output port OP Data out of D SET
D12 is applied via an inverter G9 to one input of an AND gate G10 , the other input of which is applied with an internal clock CLK2 . or gate
One end of the input of G11 is connected to the output end of AND gate G10 , and the other end of its input is connected to the output end of rate multiplier RM. or gate
The output of G 11 is applied to the filter circuit FC 2 and the data
Outputs analog variable voltage V corresponding to D SET . In addition, ORGATE G 11 , ANDGATE G 10 ,
Inverter G9 etc. are energized with voltage ±E. The microprocessor CPU sends 2-bit loop switching signals LS 1 and LS 2 to lines 14 and 15 via output port QP, thereby selecting the positive feedback circuit. Next, FIGS. 1 and 2 configured as described above will be explained.
The operation of the embodiment shown in the figure will be explained. First, the operation based on the overall configuration shown in FIG. 1 will be explained using the waveform diagram shown in FIG. 3. The loop switching signals LS 1 and LS 2 (Fig. 3 E and F) from the microcomputer μCOM open and close the AND gate G 7 or G 8 in a complementary manner, and the capacitance increases.
Either the loop on the C 1 side or the C 2 side is selected, and the output terminals of the AND gates G 7 and G 8 are
The voltage shown in D is output. With either of these positive feedback loops selected, when the output level of buffer gate G5 changes as shown in Figure 3B, AND gate G7 or
Positive or negative voltage changes e 1 (=e′ 1 ) and e 2 (=e′ 2 ) are applied to the input terminal of the buffer gate G 5 via G 8 as the third
This occurs as shown in Figure A. The voltage changes e 1 and e 2 that occur in this case are as shown in the following equation when considering charge transfer to the input terminal of the buffer gate G 5 via each capacitor. e 1 = C 1 (EV) + C s1・2E−C s2・2E/C 1 +C 2 +
C s +C s1 +C s2 (6) e 2 =C 2 (E+V) +C s1・2E−C s2・2E/C 1 +C 2 +
C s +C s1 +C s2 (7) These voltage changes e 1 and e 2 are applied to the input terminal of buffer gate G 5 via inverter G 6 and constant current limiter CC 1 by constant current i as shown in Fig. 3A. Negative feedback takes time t 1 (=t' 1 ) and t 2 (=t' 2 ) at a constant slope and is pulled back to the threshold level of buffer gate G 5 . From the above explanation, the times t 1 and t 2 in this case are as shown in the following equation. t 1 = e 1 (C 1 + C 2 + C s + C s1 + C s2 )/i (8) t 2 = e 2 (C 1 + C 2 + C s + C s1 + C s2 )/i (9) Here, on line 13 Each capacitance C 1 generated in
The microcomputer μCOM controls to apply the variable voltage V to the AND gates G7 and G8 so that the frequency signals f1 and f2 corresponding to C2 match.
This means that t 1 = t 2 , so the following equation is obtained using equations (6) to (9) and the condition that t 1 = t 2 . V = C 1 - C 2 / C 1 + C 2 E (10) Here, the capacitances C 1 and C 2 are as follows, with C 0 as the capacitance when the differential pressure ΔP is zero, and K 1 as a constant. It is shown by the formula. C 1 = C 0 1/1-K 1 ΔP (11) C 2 = C 0 1/1-K 1 ΔP (12) Substituting these equations into equation (10), V=K 1 E・ΔP (13) The variable voltage V is proportional to the differential pressure ΔP. Moreover, this equation (13) does not include the distributed capacitances C s1 and C s2 between the moving electrode 10 and the conversion circuit, and the influence of these distributed capacitances is removed. In addition, Figure 3 (b) shows the output waveform of the buffer gate.
FIG. 3 shows the output waveforms of inverter G6 . Next, the microcomputer μCOM shown in Figure 2
and its surrounding operations will be explained using waveform diagrams shown in FIGS. 4 and 5. Either the positive feedback circuit on the capacitance C 1 side or C 2 side is selected by the loop switching signal LS 1 or LS 2 , and the frequency signal f 1 or f 2 (Figure 4 A) is selected.
is input to the synchronization circuit SYC and the internal clock CLK 2
(Figure 4 B) is synchronized with the integration counter.
It is input to the input terminal CL of CT 2 (Fig. 4 C). The respective outputs shown in FIG. 4 are generated at the output terminals Q 1 , Q 2 -Q 8 of each bit of the integration counter CT 2 in response to the CL input. The respective outputs generated at the output terminals Q 1 , Q 2 -Q 8 of the integration counter CT 2 in this manner are read by the microprocessor CPU at the timing indicated by the clock signal CLK 3 shown in FIG. If this reading is repeated 20 times for each frequency signal f 1 or f 2 , sufficient resolution can be obtained by treating the signal frequency of 100 KHz as a numerical value of 2000. A microprocessor CPU that outputs a variable voltage V whose values match the read frequency signals f 1 and f 2 from an analog-to-digital converter DAC.
calculates and outputs digital data D SET to inverter G 9 and rate multiplier RM via output port OP. FIG. 5 shows waveforms at various parts of the analog-to-digital converter DAC. In particular, in this case D 11 ~
The waveforms of various parts are shown when data D12 changes from 0 to 1 in a state where all bits of D1 are 1. D12 determines the sign of digital data DSET . As shown in FIG. 5B, when the data D12 is zero, the clock signal CLK2 is output as is to the output terminal of the AND gate G10 (FIG. 5C).
At the output terminal OUT of the rate multiplier RM, an output obtained by inverting the phase of the clock signal CLK2 is obtained as shown in FIG. 5D. Therefore, orgate
Since the clock signal CLK2 and its inverted clock signal are applied to each input terminal of G11 , a voltage of +E is generated at its output terminal. When data D 12 is inverted to 1 level, the output of AND gate G 10 is maintained at 0 level (Figure 5 C), and the output of OR gate G 11 is the output of rate multiplier RM (Figure 5 D). occurs as is (Fig. 5, E).
Therefore, +E and -E voltages are generated alternately, and their average value is approximately zero. Based on the above points, the relationship between the binary representation of the values of data D 12 to D 1 and the average voltage V of the output of OR gate G 11 is as follows.

【表】 すなわち、可変電圧VはD12〜D1のデジタルデ
ータに付勢電圧値Eを乗じた値に比例しており、
K2を定数(=1/211)とすれば、 V=DSET・E・K2 (14) となる。(13)、(14)式から DSET=K1/K2ΔP (15) となり、差圧ΔPはデジタルのデータとしてマイ
クロコンピユータμCOM内に得られる。このデー
タDSETは出力回路OCを介してライン16に出力
される。 <発明の効果> 以上、実施例とともに具体的に説明したように
本発明によれば、移動電極と変換回路との間に形
成される分布容量を除去すると共に差圧の変化に
比例した出力をデジタル化して出力することがで
き、精度の高い容差式差圧伝送器が実現できる。
[Table] In other words, the variable voltage V is proportional to the value obtained by multiplying the digital data of D 12 to D 1 by the energizing voltage value E.
If K 2 is a constant (=1/2 11 ), then V=D SET・E・K 2 (14). From equations (13) and (14), D SET =K 1 /K 2 ΔP (15), and the differential pressure ΔP is obtained in the microcomputer μCOM as digital data. This data D SET is output on line 16 via the output circuit OC. <Effects of the Invention> As described above in detail with the embodiments, according to the present invention, the distributed capacitance formed between the moving electrode and the conversion circuit can be removed, and the output proportional to the change in differential pressure can be generated. It can be digitized and output, making it possible to create a highly accurate capacitive differential pressure transmitter.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す全体構成図、
第2図は第1図におけるマイクロコンピユータお
よびその周辺の構成を示すブロツク図、第3図は
第1図に示す実施例の各部の波形を示す波形図、
第4図は第2図における入力部の波形を示す波形
図、第5図は第2図におけるアナログ・デジタル
変換器の各部の波形を示す波形図、第6図は従来
の容量式差圧伝送器の構成を示すブロツク図、第
7図は第6図における各部の波形を示す波形図で
ある。 10……移動電極、11,12……固定電極、
G5……バツフアゲート、G6……インバータ、G7
G8……アンドゲート、CC1……定値電流制限回
路、C1,C2……静電容量、Cs,Cs1,Cs2……分布
容量、μCOM……マイクロコンピユータ、DAC
……デジタル・アナログ変換器、OC……出力回
路。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram showing the configuration of the microcomputer and its surroundings in FIG. 1; FIG. 3 is a waveform diagram showing waveforms of various parts of the embodiment shown in FIG. 1;
Figure 4 is a waveform diagram showing waveforms at the input section in Figure 2, Figure 5 is a waveform diagram showing waveforms at various parts of the analog-to-digital converter in Figure 2, and Figure 6 is a conventional capacitive differential pressure transmission. FIG. 7 is a waveform diagram showing the waveforms of each part in FIG. 6. 10... Moving electrode, 11, 12... Fixed electrode,
G 5 ... Buffer gate, G 6 ... Inverter, G 7 ,
G 8 ...AND gate, CC 1 ... Constant value current limit circuit, C 1 , C 2 ... Capacitance, C s , C s1 , C s2 ... Distributed capacitance, μCOM ... Microcomputer, DAC
...Digital-to-analog converter, OC...Output circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 差圧に応じて変化する第1および第2センサ
容量と、このセンサ容量の各一端が接続された共
通接続点に入力端が接続され所定の閾値を越えた
入力電圧の変化に応答して出力レベルを変える検
出ゲート手段と、この検出ゲート手段の出力レベ
ルの変化に応答して前記共通接続点へ負帰還電流
を供給する負帰還手段と、前記検出ゲート手段の
出力レベルの変化を読み込むマイクロコンピユー
タと、このマイクロコンピユータによつて一方が
選択され前記第1および第2センサ容量へ前記検
出ゲート手段の出力レベルの変化を伝達し前記第
1および第2センサ容量の各他端を励振する第1
および第2励振ゲートと、前記マイクロコンピユ
ータからのデジタル信号を電圧信号に変換し前記
第1および第2励振ゲートへ電圧信号を伝達して
前記第1および第2センサ容量に対する励振振幅
に変調を加えるためのデジタル・アナログ変換器
と、前記マイクロコンピユータから外部へ信号を
発信するための伝送手段とを具備し、前記マイク
ロコンピユータは前記検出ゲート手段からの前記
第1および第2センサ容量の容量値に関連した第
1および第2の前記出力レベルの変化を読み込み
これ等の読込値が一致するように前記デジタル・
アナログ変換器への前記デジタル信号を操作して
対応するデジタル信号を前記伝送手段に供給する
ことを特徴とする容量式差圧伝送器。
1. First and second sensor capacitors that change according to the differential pressure, and an input end connected to a common connection point to which each end of the sensor capacitors are connected, and in response to a change in input voltage that exceeds a predetermined threshold. detection gate means for changing the output level; negative feedback means for supplying a negative feedback current to the common connection point in response to changes in the output level of the detection gate means; and a microcontroller for reading changes in the output level of the detection gate means. a computer, one of which is selected by the microcomputer, transmits a change in the output level of the detection gate means to the first and second sensor capacitors, and excites the other end of each of the first and second sensor capacitors; 1
and a second excitation gate, which converts the digital signal from the microcomputer into a voltage signal, transmits the voltage signal to the first and second excitation gates, and modulates the excitation amplitude for the first and second sensor capacitors. and a transmission means for transmitting a signal from the microcomputer to the outside; Changes in the related first and second output levels are read and the digital output level is adjusted so that these read values match.
A capacitive differential pressure transmitter, characterized in that the digital signal to the analog converter is manipulated to supply a corresponding digital signal to the transmission means.
JP22393585A 1985-10-08 1985-10-08 Capacity type differential pressure transmitter Granted JPS6282322A (en)

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