專利名稱：高度開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高度開關(guān)，該開關(guān)用來檢測(cè)裝在容器中的材料的表面是否已達(dá)到屬于該高度開關(guān)的控制檢測(cè)器的高度。
這類高度開關(guān)可用于例如糧倉(cāng)、儲(chǔ)存罐或水庫(kù)等可能被打開或關(guān)閉、暴露于大氣壓和變化或穩(wěn)定壓強(qiáng)之下的場(chǎng)合。包含在其中的物質(zhì)可以是多種多樣的液體、谷物或粉狀材料，它們可有不同的密度、粘滯性和附著性，可是純的或是與不同尺寸的剛性粒子相混合的，它們可以帶有氣泡、表面泡沫，可以是同質(zhì)的或異質(zhì)的，可以具有穩(wěn)定或變化的電性能。已知高度開關(guān)的適用范圍很小，且該開關(guān)必須根據(jù)裝在容器中的材料進(jìn)行調(diào)節(jié)。
高度檢測(cè)根據(jù)的原理是不同的。已知的有機(jī)械、電-機(jī)和流體靜力高度開關(guān)、超聲高度開關(guān)、電容和傳導(dǎo)高度開關(guān)、微波高度開關(guān)、光學(xué)和輻射度高度開關(guān)。
機(jī)械和電-機(jī)高度開關(guān)僅適用于液體。由于漂浮和傳動(dòng)桿，它們對(duì)淀積物、液體中的剛性顆粒、擾動(dòng)及液面上的泡沫都是敏感的。
在更普遍的程度上應(yīng)用的是一種電容高度開關(guān)。在檢測(cè)器內(nèi)測(cè)量電容的電容量根據(jù)包含于罐中材料因材料介電常數(shù)不等于1而出現(xiàn)的液面高度的位移而改變。
有一種電容檢測(cè)器，它帶有用于檢測(cè)盛有介電常數(shù)大于1.6的谷物狀材料(大至10mm的顆粒)的罐的填充高度的電路(FTC968，參見HandbuchfuerIngenieure;Sensoren，Messaufnehmer，NeueVerfahrenundProduktefuerdiePraxis，2ndEdition，第521至529頁，ExpertVerlag，EhningenbeiBoblingen(1988))。該檢測(cè)器能自動(dòng)消除粘性材料淀積造成的干擾。該檢測(cè)器由一端封閉的中空塑料筒制成的，其中測(cè)量電極裝在筒底并部分裝在筒壁上。另外，在檢測(cè)器筒壁的內(nèi)壁上裝有屏蔽電極和接地電極。在屏蔽電極上，恒定頻率為0.5kHz的電路多諧振蕩器建立了一個(gè)電勢(shì)，該電勢(shì)隨相對(duì)于測(cè)量電極電勢(shì)的相位延遲而變化。因而，在測(cè)量電極和終端環(huán)電極間建立起的電場(chǎng)線被屏蔽電極向外推出。因而電場(chǎng)線從粘在檢測(cè)器上的材料向外射出。但這種高度開關(guān)適用于干燥塊狀材料，而不適用于導(dǎo)電的潮濕塊狀材料。
另外，已知有一種電容高度開關(guān)(德國(guó)VEGA公司的model23和25)，它也適用于導(dǎo)電和強(qiáng)粘性材料。一完全絕緣的桿狀檢測(cè)器包括一防護(hù)屏蔽電極，它補(bǔ)償粘性材料層的作用。該防護(hù)屏蔽電極把流過該層的不需有的電流從檢測(cè)器端部分流到固定部分。
所有的已知電容高度開關(guān)都必須進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)裝在容器中的材料，且只要材料參數(shù)改變，其讀出便失去了意義。類似地，目前尚未見任何高度開關(guān)能在不作事先調(diào)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)從導(dǎo)電材料到非導(dǎo)電材料、從粘性材料到非粘性材料之類的轉(zhuǎn)變。因而用已知高度開關(guān)尚可解決檢測(cè)導(dǎo)電率低于0.1mS/cm且對(duì)高度開關(guān)檢測(cè)器不粘的少量材料的問題，而對(duì)粘性材料，則不論是用電容還是導(dǎo)電高度開關(guān)都無法做到這點(diǎn)。在這種極端情況下，可采用超聲或輻射度高度計(jì)，但這是昂貴而危險(xiǎn)的方法，并且也不是對(duì)所有設(shè)計(jì)都可行的。
已知的導(dǎo)電高度開關(guān)適用于導(dǎo)電率高于3μS/cm的材料且必須根據(jù)盛在容器中的材料進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用的有一種檢測(cè)器，它有彼此分開的、為盛在容器中的材料所包圍的電極，其中的一個(gè)電極連到頻率在3kHz到4kHz范圍內(nèi)的振蕩器。該振蕩器為一橋式電路提供信號(hào);該電路的一個(gè)臂與高度開關(guān)檢測(cè)器相連，另一個(gè)臂與根據(jù)容器所盛材料調(diào)節(jié)的電位計(jì)相連。橋式電路信號(hào)被傳到一比較器，然后經(jīng)過一壓抑干擾信號(hào)的濾波器傳到一個(gè)輸出放大器。檢測(cè)電極之間的材料的電阻可用包括在電路中的恒定電阻上的電壓降來表示，該電壓降又被傳到一比較器。在該比較器中必須設(shè)定開關(guān)的工作點(diǎn)。
有一種已知高度開關(guān)(德國(guó)VEGA的VEGATOR261A)，其獨(dú)特之處在于在所有這類高度開關(guān)中，當(dāng)容器所盛的材料改變時(shí)不用進(jìn)行調(diào)節(jié)。該檢測(cè)器設(shè)有三個(gè)相互隔開并有不同表面的環(huán)形電極，這些電極與具有4kHz恒定頻率的振蕩器相連。電極之間電阻的平衡，使得該高度開關(guān)能在1μS/cm至15μS/cm之間的低導(dǎo)電率材料中工作。但這種高度開關(guān)不適用于像蒸餾水那樣導(dǎo)電率極低的材料。
根據(jù)上述背景描述，本發(fā)明的目的是提供一種高度開關(guān)，它借助它的電路中產(chǎn)生的信號(hào)頻率值，來檢測(cè)屬于高度開關(guān)的檢測(cè)器之下的材料表面的下降，該材料可有非常不同的性質(zhì)，可是液體、顆?；蚍蹱?，可是導(dǎo)電或非導(dǎo)電的，也可是粘性或非粘性的;而且每次容器中的材料改變時(shí)不需每次都調(diào)節(jié)高度開關(guān)。
鑒于上述目的，根據(jù)本發(fā)明高度開關(guān)的四個(gè)實(shí)施例的特征在于其權(quán)利要求1-4的特征部分的內(nèi)容。
特別優(yōu)越地，本發(fā)明的高度開關(guān)，不用每次改變?nèi)萜髦胁牧蠒r(shí)都進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使這些材料的性質(zhì)差別很大;實(shí)際上，它們可以是導(dǎo)電或不導(dǎo)電的、粘性的或非粘性的、液態(tài)的、顆粒的、糊狀的或面團(tuán)狀的。本發(fā)明的高度開關(guān)的另一優(yōu)點(diǎn)是其電路簡(jiǎn)單且所用部件極少。
通過對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)附圖進(jìn)行的下列描述，本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將會(huì)變得明了。在附圖中

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)的第一實(shí)施例的傳導(dǎo)高度開關(guān);
圖2顯示了作為根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)的第二實(shí)施例的基本配置中的電容高度開關(guān);
圖3顯示了作為根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)的第三實(shí)施例的基本配置中的電容高度開關(guān);
圖4顯示了作為根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)的第四實(shí)施例的組合高度開關(guān)。
在所有四個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)由檢測(cè)器Sj(j＝1至4)和屬于其的電路(圖1、2、3和4)表示，一繼電器和/或報(bào)警系統(tǒng)(圖中未顯示)與該電路的輸出端相連。該檢測(cè)器Sj總是由柱形介電體db構(gòu)成，并設(shè)有環(huán)形相對(duì)的電極oe，該電極沿圓周方向圍繞著介電體db的一端并接地，或者，在實(shí)際應(yīng)用中，與盛有材料的容器相連。在高度開關(guān)的所有實(shí)施例中，運(yùn)算放大器1均設(shè)有分別由電阻21和電阻31實(shí)現(xiàn)的正和負(fù)反饋，并與檢測(cè)器Sj一起構(gòu)成振蕩器。振蕩頻率取決于檢測(cè)器Sj周圍的物理環(huán)境，但振蕩的輸出電壓則是恒定的并最好取成運(yùn)算放大器1的飽和電壓。運(yùn)算放大器1的饋入方式是常規(guī)的，其輸出端直接或間接地連到信號(hào)整形電路的輸入端，該電路的輸出端也是高度開關(guān)的輸出端O。該信號(hào)整形電路由低頻帶濾波器7、整流器8、壓抑剩余峰值的限幅器9、以及放大器10構(gòu)成;所有的部件都是串聯(lián)的，且限幅器主要由齊納(Eener-diode)二極管和電容器構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高度開關(guān)的構(gòu)成是一傳導(dǎo)高度開關(guān)(圖1)。檢測(cè)器S1的柱形介電體db的一個(gè)自由端的頂端為電極e。電極e的電極棒es沿軸向穿過介電體db并從介電體db的另一端伸出。電極棒es以及電極e，經(jīng)電阻23連到運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端，其倒相輸入端連到經(jīng)電容器32接地的高度開關(guān)。運(yùn)算放大器1的輸出端，經(jīng)過起高頻濾波器作用的電容器4，連到低頻帶通濾波器7的輸入端。
運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端的電壓取決于電極e和oe之間的電阻，因?yàn)檫\(yùn)算放大器1的非倒相輸入端經(jīng)電阻23、電極e、電極e和oe之間的材料、及電極oe接地。然而，該電壓影響著電容器32經(jīng)電阻31充電和放電的速率。因此，振蕩器的頻率由檢測(cè)器S1周圍的材料的分布及導(dǎo)電率所確定。
包含在振蕩器中的無源元件的參數(shù)，因而還有電極e和oe的表面及它們的相互距離，均得到適當(dāng)?shù)拇_定，以使交變信號(hào)的幅度在兩個(gè)半周期中均相等，這意味著必須壓抑流電(galvanic)現(xiàn)象的影響。現(xiàn)在，對(duì)于大約0.1S/cm的高導(dǎo)電率材料振蕩器頻率的值被設(shè)定在約為3kHz;而對(duì)于大約10μS/cm的低導(dǎo)電率材料該振蕩器的值則設(shè)定在約300Hz。這些關(guān)系是專家熟知的，并可用伴隨兩電極間的電流傳送的復(fù)雜現(xiàn)象(其中出現(xiàn)有電流對(duì)電壓的頻率相關(guān)相位延遲)來解釋。
由于這一原因，很容易確定電阻31和電容32，以在運(yùn)算放大器1的輸出端始終得到飽和電壓。對(duì)諸如具有10μS/cm至0.1S/cm之間的導(dǎo)電率的材料，已實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。通過改變振蕩器的無源元件，該導(dǎo)電率區(qū)間的下限可降至蒸餾水的導(dǎo)電率，即2μS/cm。在此情況下該區(qū)間的上限也被降至0.01S/cm。
然而，當(dāng)粘性材料的表面高度降到傳導(dǎo)高度開關(guān)的檢測(cè)器S1的高度以下時(shí)，會(huì)有一薄層的材料粘在檢測(cè)器S1上。該層對(duì)電極e和oe間的交變電流的電阻和電感增大，而振蕩器頻率下降。現(xiàn)在電容器4只允許一弱電流通過，這極大地影響了輸出端O處的電壓。對(duì)粘性弱的材料，電容相同的電容器4均被用于強(qiáng)和弱導(dǎo)電材料。但對(duì)導(dǎo)電率在1mS/cm和100mS/cm之間的強(qiáng)導(dǎo)電材料，若材料的粘性很強(qiáng)，以致于在材料表面降到檢測(cè)器S1的高度以下時(shí)檢測(cè)器S1上仍粘有一厚層的材料，則電容器4的電容就必須降到使信號(hào)大大降低的程度。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高度開關(guān)在振蕩器輸出端有恒定電壓輻度的情況下工作，并在盛在容器中的材料的表面高度降到檢測(cè)器S1的高度以下時(shí)改變振蕩器頻率。這樣高度開關(guān)的況狀可借助電容器4的電容而方便地設(shè)定。用同一電路即可覆蓋導(dǎo)電率在10μS/cm和0.1S/cm之間的材料，即工業(yè)和技術(shù)上感興趣的所有材料。
本發(fā)明的高度開關(guān)的區(qū)別特點(diǎn)在于，它不用隨容器所盛的材料進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且可靠。該高度開關(guān)的優(yōu)異可靠性尤其表現(xiàn)在需要它來防止材料的完全排放或容器中所盛材料的短缺的時(shí)候。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的高度開關(guān)的基本構(gòu)造(圖2)是電容高度開關(guān)。在檢測(cè)器S2的介電體db靠近介電體db的自由端處，同軸地裝有一環(huán)形片rp;該環(huán)形片rp與運(yùn)算放大器1的反相輸入端相連。因而環(huán)形片rp通過介電體db的層與盛在容器中并包圍檢測(cè)器S2的材料相隔開。
在根據(jù)本發(fā)明的高度開關(guān)的第二以及第三、第四實(shí)施例中，接地電阻22與運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端的第二端相連，放大器1的輸出端與電容器5相連。
運(yùn)算放大器1的輸出電壓使一有效電容器C充電和放電;電容器C出現(xiàn)于環(huán)形片rp和相對(duì)電極oe之間并實(shí)際上與運(yùn)算放大器1的負(fù)反饋相連。電容器C的充電和放電速度自然取決于其電容量，即與在電力線在環(huán)形片rp和相對(duì)電極oe間通過的空間中包圍檢測(cè)器S2的介電體材料的介電常數(shù)、導(dǎo)電率和分布有關(guān)，并與運(yùn)算放大器1的倒相輸入端處的電壓有關(guān)。但該電壓可借助電阻21和22的適當(dāng)阻值比，相對(duì)運(yùn)算放大器1的輸出端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此在電容高度開關(guān)中的無源元件參數(shù)給定時(shí)，振蕩器頻率只取決于包圍檢測(cè)器S2的材料的性質(zhì)和分布。當(dāng)然，在實(shí)際安置檢測(cè)器S2時(shí)，振蕩器頻率決定于環(huán)形相對(duì)電極oe和環(huán)形片rp的表面積和直徑、它們相互間的縱向距離、及柱形介電體db的介電常數(shù)。
在電容高度開關(guān)中，交變電流在兩個(gè)半周中幅度相等的要求不象在傳導(dǎo)高度開關(guān)中那樣嚴(yán)格。無源振蕩元件的參數(shù)的確定，應(yīng)使運(yùn)算放大器1的輸出電壓幅度達(dá)到運(yùn)算放大器1的飽和點(diǎn)。
當(dāng)容器中盛有良導(dǎo)電材料時(shí)，具有這種基本設(shè)置的電容高度開關(guān)的運(yùn)行如下。由于強(qiáng)導(dǎo)電性，相對(duì)電極oe明顯地移向環(huán)形片rp，從而使電容器C的電容增大，即材料導(dǎo)電性越強(qiáng)，增大的輻度就越大，檢測(cè)器S2一被強(qiáng)導(dǎo)電材料包圍，振蕩器頻率就下降，導(dǎo)電率高(如0.1S/cm)時(shí)下降得較大，而導(dǎo)電率較低(如2μS/cm)時(shí)下降得較小。然而，若材料的表面高度降到了檢測(cè)器S2的高度以下，材料仍以薄層的形式粘在檢測(cè)器S2上。因而電容器C的電容下降而振蕩器頻率上升。而電容器5把運(yùn)算放大器1的輸出端處出現(xiàn)的高頻信號(hào)傳到地。因而電容器5起低頻濾波器的作用。在材料的導(dǎo)電性弱且粘性強(qiáng)的情況下，選用電容較大的電容器5。
然而，上述的電容高度開關(guān)也很適用于非導(dǎo)電材料。由于材料的介電常數(shù)總是大于1，若與材料表面降到檢測(cè)器S2的高度以下的情況相比，材料的存在可僅由電容器C的電容增大即振蕩器頻率的下降來反映。
具有本發(fā)明基本設(shè)置的電容高度開關(guān)特別適用于導(dǎo)電率范圍在0.2μS/cm至1mS/cm之間的非粘性材料。
與已知電容高度開關(guān)相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)導(dǎo)電率或介電常數(shù)不同的材料交換時(shí)，振蕩器頻率可同時(shí)得到調(diào)節(jié)，而不需借助一電位計(jì)把高度開關(guān)調(diào)節(jié)到適于新材料的狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的高度開關(guān)，是電容高度開關(guān)的另一種設(shè)置(圖3)。與圖2的高度開關(guān)相比，這里的檢測(cè)器S3和其所帶電路以下列方式構(gòu)成。在檢測(cè)器S3的介電體db的周邊上，在相對(duì)電極oe和環(huán)形片rp之間裝有一屏蔽電極se。該屏蔽電極se經(jīng)電容器6連到運(yùn)算放大器1的輸出端。
我們從根據(jù)圖2的高度開關(guān)的運(yùn)算，來開始對(duì)高度開關(guān)的第三實(shí)施例的運(yùn)行的描述。先考慮強(qiáng)導(dǎo)電和粘性材料這一困難情況。當(dāng)材料表面降到檢測(cè)器S3的高度以下時(shí)，粘在相對(duì)電極oe和屏蔽電極se之間的介電體db上的材料層，可能使從運(yùn)算放大器1經(jīng)起低頻濾波器作用的電容器6再經(jīng)屏蔽電極se并經(jīng)相對(duì)電極oe至地的電接觸仍舊得以維持，從而降低運(yùn)算放大器1的輸出端的電壓幅度。另外，屏蔽電極se實(shí)際上移向環(huán)形片rp，且在它們之間形成了一有效電容器C′;其電容量很小，因?yàn)槠溆行Х秶抻诎鼑鷻z測(cè)器S3的材料層。因此振蕩器頻率很高;因而振蕩器電容器C′的一個(gè)極板，即屏蔽電極se，被電容器6帶到運(yùn)算放大器1的輸出端。另外，電容器C′的環(huán)形片rp經(jīng)電阻31連到運(yùn)算放大器1的輸出端?？傊?，電容器C′的電容量很小。因而振蕩器頻率很高，且該高頻信號(hào)經(jīng)電容器5被傳到電路的地。到達(dá)高度開關(guān)的輸出端O的信號(hào)很弱，這與材料表面高于檢測(cè)器S3的高度的情況的信號(hào)不同。在此情況下，由于電容器C′在材料內(nèi)的有效范圍較大，其電容較大，故振蕩器頻率較低。
借助屏蔽電極se，圖3的高度開關(guān)的電容量與圖2的所示高度開關(guān)相比要大，因?yàn)樗策m用于強(qiáng)導(dǎo)電的并且對(duì)檢測(cè)器S3的介電體db有強(qiáng)粘性的材料。本發(fā)明的第三實(shí)施例的高度開關(guān)在其適用材料的廣泛性上超過了至此已知的所有高度開關(guān)。
本發(fā)明的第四實(shí)施例的高度開關(guān)是傳導(dǎo)電容組合高度開關(guān)(圖4)。檢測(cè)器S4包括電極e、相對(duì)電極oe、屏蔽電極se和環(huán)形片rp，所有這些都裝在柱形介電體db上。另外，環(huán)形相對(duì)電極oe圍繞著介電體db的一端，而環(huán)形片rp在靠近其另一端處同軸地裝在介電體db中;該介電體的終端為電極e。在介電體db的周邊上，在相對(duì)電極oe和環(huán)形片pr之間，裝有屏蔽電極se。電極e的金屬棒es沿軸向穿過介電體db并從介電體db的另一端伸出。
在本發(fā)明的高度開關(guān)的第四實(shí)施例的電路中，運(yùn)算放大器1的倒相輸入端帶有分別由電阻21和31構(gòu)成的正和負(fù)反饋，且該輸入端連到檢測(cè)器S4的環(huán)形片rp，而運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端經(jīng)串聯(lián)的電阻23和24連到電極e的電極棒es的自由端。屏蔽電極se經(jīng)電容器6連到運(yùn)算放大器1的輸出端。運(yùn)算放大器1的輸出端經(jīng)由可調(diào)電阻251分流的電阻25而連到電阻23和24的公共端。接地電阻22連到運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端，放大器1的輸出端經(jīng)電容器5接地。運(yùn)算放大器1的輸出端經(jīng)串聯(lián)的低頻帶通濾波器7、整流器8、限幅器9和放大器10連到高度開關(guān)的輸出端。
對(duì)于導(dǎo)電率在0.1S/cm至1S/cm甚至更高的強(qiáng)導(dǎo)電材料而言，為防止檢測(cè)器S4上的電壓幅度失真，環(huán)形相對(duì)電極oe被連到電網(wǎng)絡(luò)的地ec并且經(jīng)濾波器11連到高度開關(guān)的地;濾波器11由并聯(lián)的電阻111和電容器112組成。
借助可調(diào)電阻251，帶有不同大小的檢測(cè)器S4的高度開關(guān)被調(diào)到相同的響應(yīng)靈敏度。
屏蔽電極se對(duì)組合高度開關(guān)的傳導(dǎo)及電容部分均有影響，而這兩種作用以復(fù)雜的方式交織在一起。在傳導(dǎo)部分中，一個(gè)與材料的導(dǎo)電率相關(guān)的正反饋，從運(yùn)算放大器1的輸出端，經(jīng)電容器6及屏蔽電極se和電極e之間的材料，回到運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端。通過包圍檢測(cè)器S4的材料，屏蔽電極se也起著相對(duì)電極oe和電極e之間的分壓器的作用，并由此而對(duì)運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端的電壓施加影響。而在電容部分，屏蔽電極se影響著有效電容器C″的形成;電容器C″的極板為環(huán)形片rp和相對(duì)電極oe。由于連到運(yùn)算放大器1的輸出端的屏蔽電極se，電容器C″的電容減小。因而避免了過低的振蕩器頻率，尤其是對(duì)導(dǎo)電性很強(qiáng)的材料。而電容器C″的電容量還以相同的方式受相對(duì)電極oe的影響。一方面，相對(duì)電極oe連到運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端，而另一方面，它經(jīng)強(qiáng)導(dǎo)電性材料與屏蔽電極se相接觸。
基于這些考慮，我們現(xiàn)在來描述根據(jù)本發(fā)明的組合高度開關(guān)的運(yùn)行。先假設(shè)檢測(cè)器S4浸沒在對(duì)檢測(cè)器S4粘性很強(qiáng)且導(dǎo)電性良好的材料(如鹽糊)中。高度開關(guān)的電路中的振蕩器對(duì)該材料的反應(yīng)如下。導(dǎo)電性良好的材料使形成有效電容器C″的環(huán)形片rp和相對(duì)電極明顯地靠近。電容器C″連到運(yùn)算放大器1的倒相輸入端，而放大器1的非倒相輸入端經(jīng)電極e和相對(duì)電極oe之間的材料接地。電極e還從環(huán)形片rp接到運(yùn)算放大器1的另一輸入端，從而減小了電容器C″的電容量。一方面，屏蔽電極se起著附加的反饋?zhàn)饔?，另一方面，它根?jù)導(dǎo)電率起著分壓器的作用并影響著運(yùn)算放大器1的非倒相輸入端處的電壓。振蕩器頻率取決于已提到、因材料的存在而產(chǎn)生的調(diào)節(jié)影響。然而，當(dāng)材料表面降到檢測(cè)器S4的高度以下時(shí)，本發(fā)明的高度開關(guān)的響應(yīng)與導(dǎo)電性良好的材料是否在一定程度上粘留在檢測(cè)器S4上無關(guān)。如上所述，導(dǎo)電性良好的材料的粘層有助于有效電容器C″的形成，其電容量被電極e和相對(duì)電極oe大大減小了。即從空間上講，屏蔽電極se位于環(huán)形片rp和相對(duì)電極oe之間，而電極e和屏蔽電極se分別連到帶反饋的運(yùn)算放大器1的輸入和輸出端。特別地，檢測(cè)器S4上的材料層的厚度是非常有限的，而電容器C″的出現(xiàn)僅限于厚度超過一最小值的層中。當(dāng)電容器C″消失時(shí)，振蕩器停止振蕩，這被與運(yùn)算放大器1的輸出端相連的整形電路所檢測(cè)并被表示在根據(jù)本發(fā)明的組合高度開關(guān)的輸出信號(hào)中。然而，若材料層的厚度大得足以形成電容器C″，其電容量很小，因而振蕩器頻率很高，約20kHz左右。該信號(hào)經(jīng)電容器6、屏蔽電極se、及屏蔽電極se和相對(duì)電極oe之間的材料層而被傳到地。
如上所述，為使本發(fā)明的組合高度開關(guān)在任何條件下均能良好地運(yùn)行，必須對(duì)電路元件和檢測(cè)順S4進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算。因此必須仔細(xì)確定電極oe、se、e和環(huán)形片rp的相互間距及環(huán)形片的直徑，以使屏蔽電極se不致阻礙電容器C″的出現(xiàn)。另外的制作介電體db的電介質(zhì)的質(zhì)量是非常重要的。棒es的直徑影響著至環(huán)形片rp的寄生電容量。已發(fā)出當(dāng)材料表面高于檢測(cè)器S4的高度且材料的導(dǎo)電性在10pS/cm和1s/cm之間時(shí)，振蕩器頻率在1kHz至20kHz之間;因此該組合高度開關(guān)對(duì)弱導(dǎo)電和強(qiáng)導(dǎo)電材料都能可靠地工作。
本發(fā)明第四實(shí)施例的高度開關(guān)適用于任何場(chǎng)合。只要檢測(cè)器S4浸沒在導(dǎo)電率從極小的值到1S/cm的材料中，高度開關(guān)電路中的振蕩器就能振蕩，而不論材料是否粘在檢測(cè)器S4上;而材料可以是液態(tài)、粉狀或糊狀的。因而該組合高度開關(guān)在傳統(tǒng)的電容高度開關(guān)無法工作的場(chǎng)合(如對(duì)潮濕因而導(dǎo)電的粉料)，也能良好地工作。
因而，本發(fā)明所有實(shí)施例中的高度開關(guān)都能在振蕩器輸出端的電壓幅度保持恒定的情況下運(yùn)行;而在盛在容器中的材料的表面降到檢測(cè)器Sj(j＝1，2，3或4)的高度以下時(shí)，改變的是振蕩器頻率。該高度開關(guān)的響應(yīng)靈敏度是在其生產(chǎn)時(shí)由電容器4或5的電容量設(shè)定的;電容器4或5起頻率濾波器的作用，并把運(yùn)算放大器1的輸入端連到低頻帶通濾波器7的輸出端。只用本發(fā)明的一種高度開關(guān)，即電路和檢測(cè)器，就可覆蓋工業(yè)或其他領(lǐng)域中感興趣的所有材料的需要。
權(quán)利要求
1.一種高度開關(guān)，其特征在于帶有分別由電阻(21)和電阻(31)構(gòu)成的正和負(fù)反饋的運(yùn)算放大器(1)的非倒相輸入端，經(jīng)電阻(23)連到檢測(cè)器(S1)上的電極(e)的電極棒(es)，且運(yùn)算放大器(1)的倒相輸入端經(jīng)電容器(32)接地；一接地環(huán)形相對(duì)電極(oe)圍繞著檢測(cè)器(S1)的柱形介電體(db)的一端，而介電體(db)的另一端的頂端為電極(e)，電極(e)的電極棒沿軸向穿過介電體(db)；運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)串聯(lián)的電容器(4)、低頻帶通濾波器(7)、整流器(8)、限幅器(9)和放大器(10)連到高度開關(guān)的輸出端。
2.一種高度開關(guān)，其特征在于帶有分別由電阻(21)和電阻(31)構(gòu)成的正和負(fù)反饋的運(yùn)算放大器(1)的倒相輸入端連到檢測(cè)器(S2)的環(huán)形片(rp)，且運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)電容器(5)接地;一接地環(huán)形相對(duì)電極(oe)圍繞著檢測(cè)器(S2)的柱形介電體(db)的一端，且一在介電體(db)的另一端附近的環(huán)形片(rp)同軸地裝在介電體(db)中;運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)串聯(lián)的低頻帶通濾波器(7)、整流器(8)、限幅器(9)和放大器(10)連到高度開關(guān)的輸出端(0)。
3.一種高度開關(guān)，其特征在于帶有分別由電阻(21)和電阻(31)構(gòu)成的正和負(fù)反饋的運(yùn)算放大器(1)的倒相輸入端連到檢測(cè)器(S3)的環(huán)形片(rp)，且運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)電容器(5)接地;一接地環(huán)形相對(duì)電極(oe)圍繞著檢測(cè)器(S3)的柱形介電體(db)的一端，且在介電體(db)的另一端附近的一環(huán)形片(rp)同軸地被裝在介電體(db)內(nèi)，且一裝在介電體(db)的周邊上并在相對(duì)電極(oe)和環(huán)形片(rp)之間的屏蔽電極(se)經(jīng)一電容器(6)連到運(yùn)算放大器(1)的輸出端;運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)串聯(lián)的低頻帶通濾波器(7)、整流器(8)、限幅器(9)和放大器(10)連到高度開關(guān)的輸出端(0)。
4.一種高度開關(guān)，其特征在于帶有分別由電阻(21)和電阻(31)構(gòu)成的正和負(fù)反饋的運(yùn)算放大器(1)的倒相輸入端連到檢測(cè)器(S4)的環(huán)形片(rp)，且運(yùn)算放大器(1)的非倒相輸入端經(jīng)串聯(lián)的電阻(23，24)連到檢測(cè)器(S4)上的電極(e)的電極棒(es)，且運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)一電容器(5)接地;連到電網(wǎng)絡(luò)的地(ec)并經(jīng)由與電容器(112)并聯(lián)的電阻(111)構(gòu)成的濾波器(11)連到高度開關(guān)的地的環(huán)形相對(duì)電極(oe)圍繞著檢測(cè)器(S4)的柱形介電體(db)的一端，且在柱形介電體(db)的另一端附近的環(huán)形片(rp)被同軸地設(shè)在介電體(db)內(nèi)，且設(shè)在介電體(db)的周邊上并在相對(duì)電極(oe)和環(huán)形片(rp)之間的屏蔽電極(se)經(jīng)一電容器(6)連到運(yùn)算放大器(1)的輸出端，且介電體(db)的另一端的頂端為電極(e)，電極(e)的電極棒(es)沿軸向穿過介電體(db);運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)串聯(lián)的低頻帶通濾波器(7)、整流器(8)、限幅器(9)和放大器(10)連到高度開關(guān)的輸出端(0)。
5.如權(quán)利要求4所述的高度開關(guān)，其特征在于運(yùn)算放大器(1)的輸出端經(jīng)與可調(diào)電阻(251)并聯(lián)的電阻(25)連到電阻(23，24)的公共端。
6.如權(quán)利要求2、3、4或5所述的高度開關(guān)，其特征在于運(yùn)算放大器(1)的非倒相輸入端連到一接地電阻(22)。
全文摘要
在高度開關(guān)中，帶有正和負(fù)反饋的運(yùn)算放大器1的倒相輸入端連到一環(huán)形片rp，非倒相輸入端連到電極e，輸出端經(jīng)一電容器5接地。一接地相對(duì)電極oe圍繞著檢測(cè)器S
文檔編號(hào)G01F23/24GK1080395SQ93105020
公開日1994年1月5日 申請(qǐng)日期1993年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月6日
發(fā)明者安德里奇·扎特萊爾, 弗朗克·埃弗爾 申請(qǐng)人:安德里奇·扎特萊爾, 弗朗克·埃弗爾