УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН КОНДЕНСАТОРНЫМИ ДАТЧИКАМИ Российский патент 2003 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, емкость которых изменяется в зависимости от измеряемой величины по нелинейным законам.

Принцип действия емкостных датчиков основан на изменении емкости этих датчиков при воздействии входной преобразуемой величины на один из его конструктивных параметров в соответствии с формулой:
C=EEoS/d,
где Е - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
Ео= 8,85•10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; S - площадь перекрытия пластин, м²; d - толщина диэлектрика между пластинами, м.

В некоторых случаях, например при изменении влажности контролируемого диэлектрика (семян различных сельскохояйственных культур), помещенного между пластинами конденсаторного датчика, емкость последнего будет изменятся по различным нелинейным законам, так как относительная диэлектрическая проницаемость Е этих семян изменяется в зависимости от их влажности по нелинейным законам. По значению измеряемой емкости конденсаторного датчика можно оценить значение контролируемой неэлектрической величины, если иметь при этом градуировочные характеристики, выражающие зависимость изменения емкости конденсаторного датчика от изменения контролируемой величины (например, влажности семян подсолнечника).

Известно устройство для измерения емкости, содержащее генератор тактовых импульсов, два одновибратора, во времязадающую цепь одного одновибратора включена измеряемая емкость, во времязадающую цепь другого одновибратора - образцовая, три логических элемента, RS-триггер и блок индикации. Положительным перепадом прямоугольного импульса напряжения тактового генератора осуществляется одновременный запуск обоих одновибраторов. На выходе устройства формируется разница в длительности импульсов, поступающих от одновибраторов, пропорциональная измеряемой емкости (см. авт. св. 1629877, кл. G 01 R 27/26).

Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами интегрирующих звеньев, резисторы обратной связи, во времязадающую цепь одного одновибратора включен конденсатор образцовой емкости, во времязадающую цепь другого одновибратора - конденсатор измеряемой емкости. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, значение которого зависит от изменения измеряемой емкости и которое отражается блоком индикации (см. пат. РФ 2156472, кл. G 01 R 27/26).

Недостатки, указанных известных решений - ограничены функциональные возможности - оба устройства не позволяют измерять непосредственно значение контролируемой величины с помощью датчика, емкость которого изменяется по нелинейным законам в зависимости от изменения измеряемой величины.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является цифровое устройство для измерения емкости и ее отклонения от номинала, которое содержит первый и второй генераторы, во времязадающую цепь первого генератора включен конденсатор измеряемой емкости, во времязадающую цепь второго генератора - конденсатор образцовой емкости, выходы генераторов соединены с устройством, формирующим импульсы с частотой повторения, равной разности частот указанных генераторов, импульсы разностной частоты поступают на ключ, который управляется делителем частоты импульсов, поступающих от первого генератора, импульсы с выхода ключа поступают на счетчик для формирования двоичного кода, пропорционального измеряемой емкости (см. авт. св. 3313440, кл. G 01 R 27/26).

Недостатки известного решения - ограничены функциональные возможности и низкая чувствительность. Функциональные возможности ограничены тем, что устройство не позволяет измерять непосредственно значение контролируемой величины с помощью датчика, емкость которого изменяется по нелинейным законам в зависимости от изменения измеряемой величины. Низкая чувствительность обусловлена методической погрешностью, которая возникает вследствие того, что в начале каждого цикла измерения сигналы, поступающие от обоих генераторов, несинхронные. Максимальное значение абсолютной погрешности будет пропорционально одному периоду генератора, во времязадающую цепь которого включен конденсатор измеряемой емкости.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение чувствительности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее два генератора и цифровой индикатор, во времязадающую цепь первого генератора включен конденсаторный датчик измеряемой емкости, во времязадающую цепь второго генератора - конденсатор образцовой емкости, введен микроконтроллер, причем выходы первого и второго генераторов подключены к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков микроконтроллера, один из выводов порта ввода-вывода микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера.

Устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками содержит (чертеж) генераторы 1 и 2, микроконтроллер 3 и цифровой индикатор 4. Выходы генераторов 1 и 2 подключены к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков микроконтроллера 3, один из выводов порта ввода-вывода микроконтроллера 3 подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов. К одному из портов ввода-вывода микроконтроллера 3 подключен цифровой индикатор 4. Во времязадающую цепь генератора 1 включен конденсаторный датчик (например, для измерения влажности семян сельскохозяйственных культур), емкость Сх которого необходимо измерить, во времязадающую цепь генератора 2 включен конденсатор образцовой емкости С.

Устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 3 в начале каждого цикла измерения устанавливает на разрешающих входах обоих генераторов логический уровень напряжения, разрешающий генерирование. Генераторы 1, 2 одновременно начинают генерировать последовательности прямоугольных импульсов напряжения, периоды следования которых определяются выражениями:
для генератора 1 Т1=кСх;
для генератора 2 Т2=кС,
где к - коэффициент, характеризующий свойства конкретной схемы генератора и имеющий размерность сопротивления; Сх - контролируемая емкость конденсаторного датчика; С - образцовая емкость конденсатора, включенного во времязадающую цепь генератора 2, равная начальной емкости конденсаторного датчика.

Частоты следования прямоугольных импульсов генераторов определяются соответственно
F1=1/T1=1/кСх;
F2=1/Т2=1/кС.

Микропроцессор микроконтроллера 3 запускает сброшенные в ноль счетчики и через определенный интервал времени останавливает их, вычисляет разницу показаний счетчиков, которая определяется выражением
ΔF=F2-F1,
и по ее значению находит в памяти микроконтроллера 3 значение измеряемой величины в форме двоично-десятичного кода, которое выводит на цифровой индикатор 4. В памяти микроконтроллера должна находиться градуировочная характеристика для измеряемой величины, например влажности семян подсолнечника. Для повышения точности измерений генераторы 1 и 2 выполнены на одном полупроводниковом кристалле в интегральной микросхеме.

Использование: в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин конденсаторными датчиками, емкость которых изменяется в зависимости от измеряемой величины по нелинейным законам. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении чувствительности устройства. Устройство содержит два генератора, микроконтроллер и цифровой индикатор. Выходы генераторов подключены к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков микроконтроллера, один из выводов порта ввода-вывода микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов. К одному из портов ввода-вывода микроконтроллера подключен цифровой индикатор. Во времязадающую цепь первого генератора включен конденсаторный датчик, емкость Сх которого необходимо измерить, во времязадающую цепь второго генератора включен конденсатор образцовой емкости С. 1 ил.

Устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее два генератора и цифровой индикатор, во времязадающую цепь первого генератора включен конденсаторный датчик измеряемой емкости, во времязадающую цепь второго генератора - конденсатор образцовой емкости, отличающееся тем, что в него введен микроконтроллер, причем выходы первого и второго генераторов подключены к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков микроконтроллера, один из выводов порта ввода-вывода микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера.