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JP6801414B2 - Moisture detector - Google Patents
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JP6801414B2 - Moisture detector - Google Patents

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Description

本発明は、水分量検出器に関する。 The present invention relates to a water content detector.

下記特許文献には、検出対象物の水分量を静電容量として検出する水分検出装置及び方法(MOISTURE DETECTION APPARATUS AND METHOD)が開示されている。すなわち、この水分検出装置及び方法は、検出対象物に接触する検出電極に抵抗器を介して所定周波数のクロック信号(基準信号)を入力し、水分量に依存して変化する検出対象物の静電容量の影響によって立上りが緩慢になった検出信号を上記検出電極から取得し、この検出信号と上記基準信号との位相差を検出することによって水分量を示す直流電圧(出力電圧)を生成するものである。 The following patent documents disclose a moisture detection device and method (MOISTURE DETECTION APPARATUS AND METHOD) for detecting the moisture content of a detection object as a capacitance. That is, in this moisture detection device and method, a clock signal (reference signal) having a predetermined frequency is input to a detection electrode in contact with the detection object via a resistor, and the static state of the detection object changes depending on the amount of moisture. A detection signal whose rise is slow due to the influence of electric capacity is acquired from the detection electrode, and a DC voltage (output voltage) indicating the amount of water is generated by detecting the phase difference between this detection signal and the reference signal. It is a thing.

米国特許第6904789号明細書U.S. Pat. No. 6,904,789

ところで、上記背景技術では、周囲温度の影響によって上記出力電圧が変動し易いという問題がある。すなわち、上記背景技術では、出力電圧の温度特性が必ずしも十分ではない、つまり同一の水分量を異なる周囲温度で検出した場合に出力電圧の一致度が十分ではないという問題がある。 By the way, the background technique has a problem that the output voltage is liable to fluctuate due to the influence of the ambient temperature. That is, in the above background technique, there is a problem that the temperature characteristics of the output voltage are not always sufficient, that is, the degree of agreement of the output voltages is not sufficient when the same amount of water is detected at different ambient temperatures.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、出力電圧の温度特性を従来よりも向上させることを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the temperature characteristics of the output voltage as compared with the conventional case.

上記目的を達成するために、本発明では、水分量検出器に係る第1の解決手段として、検出電極と、該検出電極に所定の抵抗器を介して検出用入力信号を供給する信号供給手段と、前記検出電極から得られる検出信号と前記検出用入力信号との位相差を検出し、当該位相差を示す直流電圧を検出電圧として出力する位相検出手段と、前記検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成する基準電圧生成手段と、前記検出電圧と前記内部基準電圧とを差動増幅する増幅手段とを備える、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first solution for a water content detector, a detection electrode and a signal supply means for supplying a detection input signal to the detection electrode via a predetermined resistor. The phase detection means that detects the phase difference between the detection signal obtained from the detection electrode and the detection input signal and outputs the DC voltage indicating the phase difference as the detection voltage, and the detection input signal. A means of including a reference voltage generating means for generating a DC voltage as an internal reference voltage and an amplification means for differentially amplifying the detected voltage and the internal reference voltage is adopted.

本発明では、水分量検出器に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を前記抵抗器に出力する駆動回路を備え、
前記位相検出手段の前段に前記駆動回路における遅延時間に相当する時間だけ前記検出用入力信号を遅延させる遅延回路をさらに備える、という手段を採用する。
In the present invention, as a second solution for the water content detector, in the first solution, the signal supply means includes a drive circuit that outputs the detection input signal to the resistor.
A means is adopted in which a delay circuit for delaying the detection input signal by a time corresponding to the delay time in the drive circuit is further provided in front of the phase detection means.

本発明では、水分量検出器に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を発生させる基準信号発生器と、該基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅して前記抵抗器に出力する第1の駆動回路とを備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a third solution relating to the water content detector, in the first or second solution, the signal supply means includes a reference signal generator that generates the detection input signal and the reference. A means is adopted that includes a first drive circuit that amplifies the current of the detection input signal input from the signal generator and outputs it to the resistor.

本発明では、水分量検出器に係る第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、前記基準電圧生成手段は、前記基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅する第2の駆動回路と、該第2の駆動回路から入力された前記検出用入力信号を直流電圧に変換する電圧変換回路を備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a fourth solution relating to the water content detector, in the third solution, the reference voltage generating means current-amplifies the detection input signal input from the reference signal generator. A means is adopted that includes a second drive circuit and a voltage conversion circuit that converts the detection input signal input from the second drive circuit into a DC voltage.

本発明では、水分量検出器に係る第5の解決手段として、上記第4の解決手段において、前記電圧変換回路はローパスフィルタである、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solution relating to the water content detector, in the fourth solution, the means that the voltage conversion circuit is a low-pass filter is adopted.

本発明では、水分量検出器に係る第6の解決手段として、上記第3〜第5のいずれかの解決手段において、前記位相検出手段は、前記基準信号発生器から入力される前記検出用入力信号と前記検出信号とを位相比較する位相検出器と、該位相検出器の出力から直流成分を抽出し、前記検出電圧として出力する第2のローパスフィルタとを備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a sixth solution relating to the water content detector, in any of the third to fifth solutions, the phase detection means is the detection input input from the reference signal generator. A means is adopted that includes a phase detector that compares the phase of the signal with the detection signal, and a second low-pass filter that extracts a DC component from the output of the phase detector and outputs it as the detection voltage.

本発明によれば、基準電圧生成手段が検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成するので、当該内部基準電圧の温度特性は検出用入力信号の温度特性と同一傾向を示すものとなる。すなわち、増幅手段が差動増幅する内部基準電圧と検出電圧とは何れも温度特性において同一の傾向を有するものとなる。したがって、本発明によれば、増幅手段から出力される出力電圧の温度特性を従来よりも向上させることができる。 According to the present invention, since the reference voltage generating means generates a DC voltage corresponding to the detection input signal as the internal reference voltage, the temperature characteristic of the internal reference voltage shows the same tendency as the temperature characteristic of the detection input signal. It becomes. That is, both the internal reference voltage and the detection voltage differentially amplified by the amplification means have the same tendency in temperature characteristics. Therefore, according to the present invention, the temperature characteristics of the output voltage output from the amplification means can be improved as compared with the conventional case.

本発明の一実施形態に係る水分量検出器の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the water content detector which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る水分量検出器の外観構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the appearance structure of the water content detector which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る水分量検出器の動作を示す波形図(a)及び出力特性を示すグラフ(b)である。It is a waveform diagram (a) which shows the operation of the water content detector which concerns on one Embodiment of this invention, and the graph (b) which shows the output characteristic.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る水分量検出器は、各種の検出対象物の水分量を検出する装置であり、図1に示すように基準信号発生器1、駆動回路2(第1の駆動回路)、抵抗器3、一対の検出電極4a,4b、遅延回路5、位相検出器6、ローパスフィルタ7(第2のローパスフィルタ)、バッファアンプ8、差動アンプ9、駆動回路10(第2の駆動回路)、ローパスフィルタ11(電圧変換回路)、バッファアンプ12、バッファアンプ13、5V電源回路14、3.3V電源回路15を備えている。なお、これら各構成要素のうち、一対の検出電極4a,4bを除く構成要素は主回路Aを構成している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The water content detector according to the present embodiment is a device that detects the water content of various detection objects, and as shown in FIG. 1, a reference signal generator 1, a drive circuit 2 (first drive circuit), and a resistor. Instrument 3, pair of detection electrodes 4a, 4b, delay circuit 5, phase detector 6, low-pass filter 7 (second low-pass filter), buffer amplifier 8, differential amplifier 9, drive circuit 10 (second drive circuit) , Low-pass filter 11 (voltage conversion circuit), buffer amplifier 12, buffer amplifier 13, 5V power supply circuit 14, 3.3V power supply circuit 15. Of these components, the components other than the pair of detection electrodes 4a and 4b constitute the main circuit A.

ここで、これら各構成要素のうち、基準信号発生器1、駆動回路2(第1の駆動回路)及び抵抗器3は本発明における信号供給手段を構成している。また、遅延回路5、位相検出器6及びローパスフィルタ7(第2のローパスフィルタ)は、本発明における位相検出手段を構成している。また、駆動回路10(第2の駆動回路)、ローパスフィルタ11及びバッファアンプ12は、本発明における基準電圧生成手段を構成している。さらに、バッファアンプ8、差動アンプ9及びバッファアンプ12は、本発明における増幅手段を構成している。 Here, among these components, the reference signal generator 1, the drive circuit 2 (first drive circuit), and the resistor 3 constitute the signal supply means in the present invention. Further, the delay circuit 5, the phase detector 6 and the low-pass filter 7 (second low-pass filter) constitute the phase detection means in the present invention. Further, the drive circuit 10 (second drive circuit), the low-pass filter 11 and the buffer amplifier 12 constitute the reference voltage generating means in the present invention. Further, the buffer amplifier 8, the differential amplifier 9, and the buffer amplifier 12 constitute the amplification means in the present invention.

基準信号発生器1は、例えば所定周波数かつ所定デューティ比の方形波信号(クロック信号)を発生する発振器である。上記周波数は、例えば50MHzであるが、検出対象物に応じて最適値が適宜設定される。また上記デューティ比は、例えば50%であるが、これについても検出対象物に応じて最適値が適宜設定される。このような基準信号発生器1は、上記方形波信号を駆動回路2、遅延回路5及び駆動回路10に出力する。駆動回路2は、一種の電流増幅回路であり、上記方形波信号を電流増幅して抵抗器3に出力する。なお、基準信号発生器1は、3.3V電源回路15から供給される3.3V電源によって作動するので、方形波信号(クロック信号)の波高値(振幅)は3,3Vである。 The reference signal generator 1 is, for example, an oscillator that generates a square wave signal (clock signal) having a predetermined frequency and a predetermined duty ratio. The frequency is, for example, 50 MHz, but an optimum value is appropriately set according to the detection target. The duty ratio is, for example, 50%, but the optimum value is appropriately set according to the object to be detected. Such a reference signal generator 1 outputs the square wave signal to the drive circuit 2, the delay circuit 5, and the drive circuit 10. The drive circuit 2 is a kind of current amplification circuit, and the square wave signal is current-amplified and output to the resistor 3. Since the reference signal generator 1 is operated by the 3.3V power supply supplied from the 3.3V power supply circuit 15, the peak value (amplitude) of the square wave signal (clock signal) is 3.3V.

抵抗器3は、所定の抵抗値を有する2端子の電子素子であり、上記駆動回路2と一方の検出電極4aとの間に設けられている。すなわち、抵抗器3は、一端が駆動回路2の出力端に接続され、他端が一方の検出電極4aに接続されている。このような抵抗器3は、一対の検出電極4a,4bと共に上記駆動回路2に対する負荷を構成している。また、この抵抗器3は水分量検出器の検出ダイナミックレンジを支配する構成要素であり、上記抵抗値は、この検出ダイナミックレンジが最大となるよう最適設定されている。 The resistor 3 is a two-terminal electronic element having a predetermined resistance value, and is provided between the drive circuit 2 and one of the detection electrodes 4a. That is, one end of the resistor 3 is connected to the output end of the drive circuit 2, and the other end is connected to one of the detection electrodes 4a. Such a resistor 3 together with a pair of detection electrodes 4a and 4b constitutes a load on the drive circuit 2. Further, the resistor 3 is a component that controls the detection dynamic range of the water content detector, and the resistance value is optimally set so that the detection dynamic range is maximized.

一対の検出電極4a,4bは、図2にも示すように、土壌等の検出対象物に接触される導電性部材であり、所定距離を隔てて対向配置されている。ここで、検出対象物は、水分量に応じた大きさの静電容量を有する誘電体である。すなわち、一対の検出電極4a,4bは、検出対象物と共に上記静電容量を有するコンデンサ(電子素子)を構成する。 As shown in FIG. 2, the pair of detection electrodes 4a and 4b are conductive members that come into contact with a detection object such as soil, and are arranged so as to face each other at a predetermined distance. Here, the object to be detected is a dielectric having a capacitance having a size corresponding to the amount of water. That is, the pair of detection electrodes 4a and 4b together with the detection target form a capacitor (electronic element) having the above capacitance.

また、このような一対の検出電極4a,4bは、上記コンデンサとして回路的に機能するので、上述した抵抗器3と共に電子回路におけるCR回路J、つまりコンデンサの静電容量Cと抵抗器3の抵抗値Rとに基づく時定数τを有する受動回路を構成している。すなわち、上記CR回路Jにおける一方の検出電極4aと抵抗器3との接点Pの電圧波形は、検出用入力信号として駆動回路2から入力された方形波信号が上記時定数τに基づいて積分処理されたものとなる。このようなCR回路Jは、上記接点Pつまり一方の検出電極4aから検出用入力信号(方形波信号)が積分処理された信号を検出信号として位相検出器6に出力する。 Further, since such a pair of detection electrodes 4a and 4b function as the above-mentioned capacitor in a circuit, the CR circuit J in the electronic circuit together with the above-mentioned resistor 3, that is, the capacitance C of the capacitor and the resistance of the resistor 3 It constitutes a passive circuit having a time constant τ based on the value R. That is, the voltage waveform of the contact P between one of the detection electrodes 4a and the resistor 3 in the CR circuit J is integrated by the square wave signal input from the drive circuit 2 as the detection input signal based on the time constant τ. It will be the one that was done. Such a CR circuit J outputs a signal obtained by integrating the detection input signal (square wave signal) from the contact P, that is, one of the detection electrodes 4a, to the phase detector 6 as a detection signal.

遅延回路5は、位相検出器6の前段に設けられ、基準信号発生器1から入力される方形波信号を駆動回路2における方形波信号の遅延時間に相当する時間(遅延時間τ)だけ遅延させる回路であり、当該遅延時間τだけ遅延させた方形波信号を位相検出器6に出力する。この遅延回路5は、例えば駆動回路2と全く同様な回路構成を備える。 The delay circuit 5 is provided in front of the phase detector 6 and delays the square wave signal input from the reference signal generator 1 by a time (delay time τ) corresponding to the delay time of the square wave signal in the drive circuit 2. It is a circuit and outputs a square wave signal delayed by the delay time τ to the phase detector 6. The delay circuit 5 has exactly the same circuit configuration as, for example, the drive circuit 2.

位相検出器6は、このような遅延回路5から入力される方形波信号とCR回路Jから入力される検出信号との位相差を比較する位相比較器である。位相比較器には、周知のように各種形式の回路が存在するが、位相検出器6は、検出信号と方形波信号とをデジタル信号として位相比較処理するデジタル型比較器である。このような位相検出器6は、検出信号と方形波信号との位相差を示す信号(位相差信号)をローパスフィルタ7に出力する。 The phase detector 6 is a phase comparator that compares the phase difference between the square wave signal input from the delay circuit 5 and the detection signal input from the CR circuit J. As is well known, there are various types of circuits in a phase comparator, and the phase detector 6 is a digital comparator that performs phase comparison processing on a detection signal and a square wave signal as digital signals. Such a phase detector 6 outputs a signal (phase difference signal) indicating the phase difference between the detection signal and the square wave signal to the low-pass filter 7.

ローパスフィルタ7は、所定の遮断周波数を有する受動フィルタ回路であり、位相差信号から直流成分を抽出することにより検出信号と方形波信号との位相差を示す直流電圧(検出電圧)をバッファアンプ8に出力する。上記遮断周波数は、例えば16Hzである。バッファアンプ8は、一種のインピーダンス変換器であり、上記検出電圧を低インピーダンス化して差動アンプ9に出力する。 The low-pass filter 7 is a passive filter circuit having a predetermined cutoff frequency, and a DC voltage (detection voltage) indicating a phase difference between a detection signal and a square wave signal is obtained by extracting a DC component from a phase difference signal. Output to. The cutoff frequency is, for example, 16 Hz. The buffer amplifier 8 is a kind of impedance converter, and the detected voltage is reduced in impedance and output to the differential amplifier 9.

差動アンプ9は、バッファアンプ8から入力される検出電圧と後述するバッファアンプ12から入力される内部基準電圧とを所定の増幅度で差動増幅する差動増幅器である。上記検出電圧は、比較的低い電圧値、例えば数100mVオーダーなので、外部に出力するためには十分なS/N比を確保するために増幅する必要がある。この差動アンプ9は、このような検出電圧を内部基準電圧を用いて差動増幅し、当該差動増幅によって得られた信号(出力電圧)をバッファアンプ13に出力する。 The differential amplifier 9 is a differential amplifier that differentially amplifies the detection voltage input from the buffer amplifier 8 and the internal reference voltage input from the buffer amplifier 12 described later with a predetermined amplification degree. Since the detected voltage is a relatively low voltage value, for example, on the order of several hundred mV, it is necessary to amplify it in order to secure a sufficient S / N ratio in order to output it to the outside. The differential amplifier 9 differentially amplifies such a detected voltage using an internal reference voltage, and outputs a signal (output voltage) obtained by the differential amplification to the buffer amplifier 13.

一方、駆動回路10は、一種の電流増幅回路であり、基準信号発生器1から入力された方形波信号(クロック信号)を電流増幅してローパスフィルタ11に出力する。ローパスフィルタ11は、所定の遮断周波数を有する受動フィルタ回路であり、方形波信号を直流電圧である内部基準電圧に変換してバッファアンプ12に出力する。このローパスフィルタ11の遮断周波数は、例えば16Hzである。なお、方形波信号の波高値は3.3Vに設定されているので、上記内部基準電圧は、方形波信号の平均的な電圧(直流電圧)つまり1,65Vとなる。 On the other hand, the drive circuit 10 is a kind of current amplification circuit, and the square wave signal (clock signal) input from the reference signal generator 1 is current-amplified and output to the low-pass filter 11. The low-pass filter 11 is a passive filter circuit having a predetermined cutoff frequency, converts a square wave signal into an internal reference voltage which is a DC voltage, and outputs the square wave signal to the buffer amplifier 12. The cutoff frequency of the low-pass filter 11 is, for example, 16 Hz. Since the peak value of the square wave signal is set to 3.3V, the internal reference voltage is the average voltage (DC voltage) of the square wave signal, that is, 1,65V.

バッファアンプ12は、一種のインピーダンス変換器であり、上記内部基準電圧を低インピーダンス化して差動アンプ9に出力する。バッファアンプ13は、一種の電流増幅回路であり、差動アンプ9から入力された出力電圧を電流増幅して外部に出力する。5V電源回路14は、外部から供給された外部電源(例えば12V電源)を5V電源に電圧変換してバッファアンプ8、12、13及び差動アンプ9、また3.3V電源回路15に供給する。3.3V電源回路15は、5V電源回路14から入力された5V電源を3,3V電源に電圧変換して基準信号発生器1、駆動回路2、10及び位相検出器5に供給する。 The buffer amplifier 12 is a kind of impedance converter, and outputs the internal reference voltage to the differential amplifier 9 by lowering the impedance. The buffer amplifier 13 is a kind of current amplifier circuit, which amplifies the output voltage input from the differential amplifier 9 and outputs it to the outside. The 5V power supply circuit 14 converts an external power supply (for example, a 12V power supply) supplied from the outside into a 5V power supply and supplies the voltage to the buffer amplifiers 8, 12, 13 and the differential amplifier 9 and the 3.3V power supply circuit 15. The 3.3V power supply circuit 15 converts the 5V power supply input from the 5V power supply circuit 14 into a 3,3V power supply and supplies it to the reference signal generator 1, the drive circuits 2, 10 and the phase detector 5.

このような電気的構成を備える水分量検出器は、図2に示すような機械的構成を備える。すなわち、この水分量検出器は、プリント基板B、接続ケーブルD及び樹脂モールドEを備える。プリント基板Bは、図示するように並行対峙する2本の櫛歯部b1、b2を有する形状であり、当該櫛歯部b1、b2のうち、一方の櫛歯部b1の表面には上述した一方の検出電極4aが配線パターンの一部として形成され、他方の検出電極4bの表面には他方の検出電極4bが形成されている。また、上述した主回路Aは、プリント基板Bにおいて櫛歯部b1、b2以外の領域、つまりボディ部b3に形成されている。 A water content detector having such an electrical configuration has a mechanical configuration as shown in FIG. That is, this water content detector includes a printed circuit board B, a connection cable D, and a resin mold E. As shown in the drawing, the printed circuit board B has a shape having two comb tooth portions b1 and b2 facing each other in parallel, and one of the comb tooth portions b1 and b2 described above is on the surface of one of the comb tooth portions b1. The detection electrode 4a of the above is formed as a part of the wiring pattern, and the other detection electrode 4b is formed on the surface of the other detection electrode 4b. Further, the above-mentioned main circuit A is formed on the printed circuit board B in a region other than the comb teeth portions b1 and b2, that is, in the body portion b3.

接続ケーブルDは、上述した外部電源及び出力電圧を伝送するための電線であり、複数の芯線と当該芯線を覆うシース(被覆部材)から構成されている。このような接続ケーブルDは、半田付け等によってプリント基板Bに接続されている。この水分量検出器は、人がボディ部b3を把持して一対の櫛歯部b1、b2を土壌等の検出対象物内に挿入することにより使用される。樹脂モールドEは、主回路Aが形成されたボディ部b3を電気的かつ機械的に保護するためにボディ部b3に被覆された絶縁性の樹脂材料である。 The connection cable D is an electric wire for transmitting the above-mentioned external power supply and output voltage, and is composed of a plurality of core wires and a sheath (covering member) covering the core wires. Such a connection cable D is connected to the printed circuit board B by soldering or the like. This water content detector is used by a person grasping the body portion b3 and inserting the pair of comb tooth portions b1 and b2 into a detection object such as soil. The resin mold E is an insulating resin material coated on the body portion b3 in order to electrically and mechanically protect the body portion b3 on which the main circuit A is formed.

次に、このように構成された水分量検出器の動作について、図3をも参照して詳しく説明する。 Next, the operation of the water content detector configured in this way will be described in detail with reference to FIG.

この水分量検出器では、一対の櫛歯部b1、b2が土壌等の検出対象物内に挿入されることにより、一対の櫛歯部b1、b2に形成された一対の検出電極4a、4bが土壌等の検出対象物に接触する。この結果、一対の検出電極4a、4bは、検出対象物の水分量に応じた静電容量Cを有するコンデンサとして機能する。そして、このような一対の検出電極4a、4bと抵抗値Rを有する抵抗器3は、静電容量Cと抵抗値Rとによって規定される時定数τを有するCR回路Jを形成する。 In this water content detector, the pair of comb tooth portions b1 and b2 are inserted into a detection object such as soil, so that the pair of detection electrodes 4a and 4b formed on the pair of comb tooth portions b1 and b2 are formed. Contact the detection target such as soil. As a result, the pair of detection electrodes 4a and 4b function as capacitors having a capacitance C corresponding to the amount of water in the object to be detected. Then, the resistor 3 having such a pair of detection electrodes 4a and 4b and the resistance value R forms a CR circuit J having a time constant τ defined by the capacitance C and the resistance value R.

この水分量検出器では、基準信号発生器1で発振した方形波信号が駆動回路2を介してCR回路Jに印加される。すなわち、CR回路Jにおいて、方形波信号は、抵抗器3を介して一方の検出電極4aに検出用入力信号として入力される。そして、CR回路Jは、図3(a)に示すように、自身の時定数τ(つまり静電容量C)に応じて方形波信号の立ち上がりを遅延させた検出信号を位相検出器5に出力する。この検出信号の方形波信号に対する遅延時間、つまり方形波信号と検出信号との位相差θは、検出対象物の水分量を示している。 In this water content detector, the square wave signal oscillated by the reference signal generator 1 is applied to the CR circuit J via the drive circuit 2. That is, in the CR circuit J, the square wave signal is input to one of the detection electrodes 4a as a detection input signal via the resistor 3. Then, as shown in FIG. 3A, the CR circuit J outputs a detection signal whose rise of the square wave signal is delayed according to its own time constant τ (that is, capacitance C) to the phase detector 5. To do. The delay time of the detection signal with respect to the square wave signal, that is, the phase difference θ between the square wave signal and the detection signal indicates the water content of the detection object.

位相検出器6では、このようなCR回路J(つまり一方の検出電極4a)から入力された検出信号と遅延回路5から入力された方形波信号との位相差θに応じた位相差信号が生成される。この位相差信号は、デューティ比が位相差θに応じて変化するパルス信号である。このような位相差信号は、ローパスフィルタ7によって高周波成分が除去されることにより、検出対象物の水分量を示す検出電圧(直流電圧)としてバッファアンプ8に入力される。そして、この検出電圧は、バッファアンプ8によって低インピーダンス化されて差動アンプ9の−入力端(反転入力端)に入力される。 In the phase detector 6, a phase difference signal corresponding to the phase difference θ between the detection signal input from the CR circuit J (that is, one of the detection electrodes 4a) and the square wave signal input from the delay circuit 5 is generated. Will be done. This phase difference signal is a pulse signal whose duty ratio changes according to the phase difference θ. Such a phase difference signal is input to the buffer amplifier 8 as a detection voltage (DC voltage) indicating the amount of water in the detection target by removing the high frequency component by the low-pass filter 7. Then, this detection voltage is lowered in impedance by the buffer amplifier 8 and input to the − input end (inverting input end) of the differential amplifier 9.

この差動アンプ9で検出電圧を正常に増幅するためには、差動アンプ9の+入力端(非反転入力端)に差動増幅の動作点を規定する内部基準電圧を入力する必要があるが、この水分量検出器では、基準信号発生器1から入力された方形波信号を駆動回路10及びローパスフィルタ7で信号処理することによって上記内部基準電圧が生成される。 In order to normally amplify the detection voltage with this differential amplifier 9, it is necessary to input an internal reference voltage that defines the operating point of differential amplification to the + input end (non-inverting input end) of the differential amplifier 9. However, in this water content detector, the internal reference voltage is generated by processing the square wave signal input from the reference signal generator 1 with the drive circuit 10 and the low pass filter 7.

すなわち、内部基準電圧は、方形波信号が駆動回路10で電流増幅された後にローパスフィルタ7で高周波成分が除去されることにより、方形波信号の波高値(3.3V)の平均直流電圧(1.65V)として生成される。そして、このようにして生成された内部基準電圧は、電圧調整した後、バッファアンプ12によって低インピーダンス化されて差動アンプ9の+入力端(非反転入力端)に入力される。 That is, the internal reference voltage is the average DC voltage (1) of the peak value (3.3 V) of the square wave signal by removing the high frequency component by the low-pass filter 7 after the square wave signal is current-amplified by the drive circuit 10. It is generated as .65V). Then, the internal reference voltage generated in this way is reduced in impedance by the buffer amplifier 12 after voltage adjustment, and is input to the + input end (non-inverting input end) of the differential amplifier 9.

ここで、差動アンプ9に入力される検出電圧及び内部基準電圧は何れも基準信号発生器1が出力する方形波信号に基づいて生成された直流電圧であり、よって温度特性として同一傾向を有する。すなわち、検出電圧及び内部基準電圧は、周囲温度の変化に対して同一傾向の変化を呈する。例えば、検出電圧が周囲温度が上昇すると上昇する温度特性を有している場合、内部基準電圧も、周囲温度が上昇すると上昇する温度特性を有する。 Here, the detection voltage and the internal reference voltage input to the differential amplifier 9 are both DC voltages generated based on the square wave signal output by the reference signal generator 1, and therefore have the same tendency as the temperature characteristics. .. That is, the detected voltage and the internal reference voltage show the same tendency with respect to the change in ambient temperature. For example, if the detected voltage has a temperature characteristic that rises as the ambient temperature rises, the internal reference voltage also has a temperature characteristic that rises as the ambient temperature rises.

したがって、この水分量検出器によれば、検出電圧の温度特性と内部基準電圧の温度特性とが同一傾向を示すので、差動アンプ9による検出電圧の増幅処理において、従来よりも温度特性を改善することが出来る。 Therefore, according to this water content detector, the temperature characteristic of the detected voltage and the temperature characteristic of the internal reference voltage show the same tendency, so that the temperature characteristic is improved in the amplification process of the detected voltage by the differential amplifier 9 as compared with the conventional case. Can be done.

そして、上記検出電圧は、内部基準電圧を用いて差動アンプ9で電圧増幅され、さらにバッファアンプ13で電流増幅され、水分量検出器の出力電圧として外部に出力される。この出力電圧は、図3(b)に示すように、検出対象物の水分量(体積含水率)の変化に対して直線的に変化する特性を有する。なお、このような検出電圧は、上述した接続ケーブルDによって後段の処理装置に入力され、水分量(体積含水率)に換算される。 Then, the detection voltage is voltage-amplified by the differential amplifier 9 using the internal reference voltage, further current-amplified by the buffer amplifier 13, and output to the outside as the output voltage of the water content detector. As shown in FIG. 3B, this output voltage has a characteristic of linearly changing with respect to a change in the water content (volume water content) of the object to be detected. Such a detection voltage is input to the processing device in the subsequent stage by the connection cable D described above, and is converted into a water content (volume water content).

また、この水分量検出器では、遅延回路5が設けられているので、位相検出器6における位相比較の誤差要因を解消することが可能である。すなわち、遅延回路5が設けられていない場合、位相検出器6に入力される方形波信号と検出信号とは駆動回路2が本来的に有する遅延時間だけズレた時間関係になるが、遅延回路5が設けられている場合には上記時間関係のズレが解消されるので、方形波信号と検出信号とをより精度よく位相比較することが可能となる。したがって、このような水分量検出器によれば、水分量をより精度よく検出することが可能である。 Further, since the delay circuit 5 is provided in this water content detector, it is possible to eliminate the error factor of the phase comparison in the phase detector 6. That is, when the delay circuit 5 is not provided, the square wave signal input to the phase detector 6 and the detection signal have a time relationship that is deviated by the delay time originally possessed by the drive circuit 2, but the delay circuit 5 When is provided, the time-related deviation is eliminated, so that the square wave signal and the detection signal can be phase-compared more accurately. Therefore, according to such a water content detector, it is possible to detect the water content more accurately.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、プリント基板Bに形成された櫛歯部b1、b2の表面に検出電極4a、4bを配線パターンとして形成したが、これは一対の検出電極4a、4bの間隔を固定化(安定化)するためのものである。すなわち、検出対象物の水分量によって変化する静電容量Cは、一対の検出電極4a、4bの間隔にも依存して変化するので、水分量をより正確に検出するためには、一対の検出電極4a、4bの間隔が固定されていることが重要である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and for example, the following modifications can be considered.
(1) In the above embodiment, the detection electrodes 4a and 4b are formed as a wiring pattern on the surfaces of the comb tooth portions b1 and b2 formed on the printed circuit board B, but this fixes the distance between the pair of detection electrodes 4a and 4b. It is for stabilization (stabilization). That is, since the capacitance C, which changes depending on the water content of the object to be detected, also changes depending on the distance between the pair of detection electrodes 4a and 4b, in order to detect the water content more accurately, the pair of detections It is important that the distance between the electrodes 4a and 4b is fixed.

しかしながら、本発明は、プリント基板Bに一対の検出電極4a、4bを一体的に設けることに限定されない。例えば、プリント基板Bとは別体として設けられ、かつプリント基板Bに電線等を用いて電気的に接続された一対の導電性部材を検出電極4a、4bとしてもよい。ただし、この場合には、絶縁性のサポート部材によって上記一対の導電性部材の間隔を固定する必要がある。 However, the present invention is not limited to integrally providing the pair of detection electrodes 4a and 4b on the printed circuit board B. For example, a pair of conductive members provided separately from the printed circuit board B and electrically connected to the printed circuit board B using an electric wire or the like may be the detection electrodes 4a and 4b. However, in this case, it is necessary to fix the distance between the pair of conductive members with an insulating support member.

(2)上記実施形態では、基準信号発生器1、駆動回路2、位相検出器5及び駆動回路10を3.3V電源回路15が生成した3.3V電源で駆動し、バッファアンプ8、差動アンプ9、バッファアンプ12及びバッファアンプ13を5V電源回路14が生成した5V電源で駆動したが、本発明はこれに限定されない。消費電力の低減を考慮する必要がない場合には、全ての回路を5V電源で駆動してもよい。また、外部に出力する出力電圧のダイナミックレンジを多少犠牲にしても良いのであれば、全ての回路を3.3V電源で駆動してもよい。 (2) In the above embodiment, the reference signal generator 1, the drive circuit 2, the phase detector 5, and the drive circuit 10 are driven by the 3.3 V power supply generated by the 3.3 V power supply circuit 15, and the buffer amplifier 8 and the differential are differential. The amplifier 9, the buffer amplifier 12, and the buffer amplifier 13 are driven by a 5V power supply generated by the 5V power supply circuit 14, but the present invention is not limited thereto. If it is not necessary to consider the reduction of power consumption, all the circuits may be driven by a 5V power supply. Further, if the dynamic range of the output voltage output to the outside may be sacrificed to some extent, all the circuits may be driven by a 3.3 V power supply.

(3)上記実施形態では、基準信号発生器1で方形波信号を発生させたが、本発明はこれに限定されない。方形波信号に変えて、例えば台形波信号を発生させても良い。 (3) In the above embodiment, the reference signal generator 1 generates a square wave signal, but the present invention is not limited to this. For example, a trapezoidal wave signal may be generated instead of the square wave signal.

1 基準信号発生器
2 駆動回路(第1の駆動回路)
3 抵抗器
4a,4b 検出電極
5 遅延回路
6 位相検出器
7 ローパスフィルタ(第2のローパスフィルタ)
8 バッファアンプ
9 差動アンプ
10 駆動回路(第2の駆動回路)
11 ローパスフィルタ(電圧変換回路)
12 バッファアンプ
13 バッファアンプ
14 5V電源回路
15 3.3V電源回路
A 主回路
B プリント基板
b1、b2 櫛歯部
b3 ボディ部
D 接続ケーブル
E 樹脂モールド

1 Reference signal generator 2 Drive circuit (1st drive circuit)
3 Resistor 4a, 4b Detection electrode 5 Delay circuit 6 Phase detector 7 Low-pass filter (second low-pass filter)
8 Buffer amplifier 9 Differential amplifier 10 Drive circuit (second drive circuit)
11 Low-pass filter (voltage conversion circuit)
12 Buffer amplifier 13 Buffer amplifier 14 5V power supply circuit 15 3.3V power supply circuit A Main circuit B Printed circuit board b1, b2 Comb tooth part b3 Body part D Connection cable E Resin mold

Claims (5)

検出電極と、
該検出電極に所定の抵抗器を介して検出用入力信号を供給する信号供給手段と、
前記検出電極から得られる検出信号と前記検出用入力信号との位相差を検出電圧として検出する位相検出手段と、
前記検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成する基準電圧生成手段と、
前記検出電圧と前記内部基準電圧とを差動増幅する増幅手段とを備え
前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を前記抵抗器に出力する駆動回路を備え、
前記位相検出手段の前段に前記駆動回路における遅延時間に相当する時間だけ前記検出用入力信号を遅延させる遅延回路をさらに備えることを特徴とする水分量検出器。
With the detection electrode
A signal supply means for supplying a detection input signal to the detection electrode via a predetermined resistor, and
A phase detecting means for detecting the phase difference between the detection signal obtained from the detection electrode and the detection input signal as a detection voltage , and
A reference voltage generating means that generates a DC voltage corresponding to the detection input signal as an internal reference voltage,
It is provided with an amplification means for differentially amplifying the detection voltage and the internal reference voltage .
The signal supply means includes a drive circuit that outputs the detection input signal to the resistor.
A water content detector further provided with a delay circuit for delaying the detection input signal by a time corresponding to a delay time in the drive circuit in front of the phase detection means .
前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を発生させる基準信号発生器と、該基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅して前記抵抗器に出力する第1の駆動回路とを備えることを特徴とする請求項1に記載の水分量検出器。 The signal supply means includes a reference signal generator that generates the detection input signal, and a first drive circuit that amplifies the detection input signal input from the reference signal generator and outputs the current to the resistor. water content detector according to claim 1, characterized in that it comprises and. 前記基準電圧生成手段は、前記基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅する第2の駆動回路と、該第2の駆動回路から入力された前記検出用入力信号を直流電圧に変換する電圧変換回路を備えることを特徴とする請求項2に記載の水分量検出器。 The reference voltage generating means has a second drive circuit that amplifies the detection input signal input from the reference signal generator and a DC voltage of the detection input signal input from the second drive circuit. The water content detector according to claim 2 , further comprising a voltage conversion circuit for converting to . 前記電圧変換回路は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項3に記載の水分量検出器。 The water content detector according to claim 3, wherein the voltage conversion circuit is a low-pass filter . 前記位相検出手段は、前記基準信号発生器から入力される前記検出用入力信号と前記検出信号とを位相比較する位相検出器と、該位相検出器の出力から直流成分を抽出し、前記検出電圧として出力する第2のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の水分量検出器。 The phase detection means extracts a DC component from a phase detector that compares the phase of the detection input signal input from the reference signal generator with the detection signal, and the output of the phase detector, and extracts the detection voltage. The water content detector according to any one of claims 2 to 4, further comprising a second low-pass filter that outputs as .
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