УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО И РЕЗИСТОРНОГО СЕНСОРОВ В ЧАСТОТНЫЙ СИГНАЛ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/02 G01N27/22 

Описание патента на изобретение RU2362988C1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям параметров сенсоров в частотный сигнал, и может использоваться в системах дистанционного контроля и регулирования, использующих датчики разного рода для идентификации параметров контролируемой среды.

Известны преобразователи с частотно-зависимыми цепями, преобразующие, например, температуру в частоту, содержащие конденсаторы, терморезисторы, мостовые схемы и усилительные элементы [1]. Недостаток устройства - сложность схемы и малые функциональные возможности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, описанное в [2]. Недостатком устройства является возникновение погрешности в определении значения емкости емкостного сенсора и сопротивления резисторного сенсора из-за влияния конечного значения сопротивления замыкающего элемента управляемого коммутатора. Это сопротивление может изменяться в пределах от долей Ом до нескольких Ом, поэтому оказывает заметное влияние при небольших (десятки Ом) значениях сопротивления резисторного сенсора.

Технической задачей, решаемой изобретением, является уменьшение влияния сопротивления замыкающего элемента управляемого коммутатора на результат преобразования и увеличение точности преобразования.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство преобразования параметров емкостного и резисторного сенсоров в частотный сигнал, содержащее емкостный и резисторный сенсоры, умножитель емкости на основе первого операционного усилителя, резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний на основе второго операционного усилителя, управляемый коммутатор, коммутатор содержит управляющий вход и замыкающий элемент, выход умножителя емкости подключен к выводу частотообразующего резистора автогенератора вместо частотообразующего конденсатора, выход автогенератора соединен с первым выходом устройства, снабжено дополнительным конденсатором, генератором опорного сигнала и вторым выходом, замыкающий элемент коммутатора соединен последовательно с дополнительным конденсатором, цепь, образованная последовательно соединенными дополнительным конденсатором и замыкающим элементом коммутатора подключена параллельно емкостному сенсору к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а выход генератора опорного сигнала соединен с управляющим входом коммутатора и вторым выходом устройства.

Сравнительный анализ заявляемого устройства с устройством, описанным в [2] и принятым за прототип, позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения "новизна".

Предложенная совокупность отличительных признаков и соединений элементов заявляемого устройства позволяет сделать вывод, что устройство удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется структурной схемой, изображенной на фиг.1, и диаграммами выходных сигналов, показанными на фиг.2.

На фиг.1 обозначено: 1 - дополнительный конденсатор с известным значением емкости Cд; 2 - управляемый коммутатор с замыкающим элементом, условно показанным в виде замыкающего контакта; 3 - управляющий вход коммутатора; 4 - емкостный сенсор, имеющий емкость C0, соответствующую идентифицируемому параметру, например давлению, влажности и т.п.; 5 - первый операционный усилитель, на основе которого собран умножитель емкости конденсатора C0, подключенного к неинвертирующему входу этого усилителя (вход показан знаком "+"). В состав умножителя входят резисторы 6 и 7, имеющие соответственно сопротивления R1 и R2.

Умножитель емкости образует относительно общей точки схемы эквивалентную емкость в точке схемы 8, причем эта эквивалентная емкость является частотообразующей емкостью в цепи, образованной последовательно соединенными эквивалентной емкостью и резистором 9. Резистор 9 является резисторным сенсором, имеющим сопротивление R0, зависящее от второго идентифицируемого параметра, например температуры, деформации и т.п. Одновременно резистор 9 является частотообразующим элементом автогенератора, собранного на основе второго операционного усилителя 10, имеющего цепь положительной обратной связи, выполненную на резисторах 11, 12, имеющих сопротивления соответственно R3 и R4.

Первым выходом устройства (обозначен F1 на фиг.1) является выход второго операционного усилителя. 13 - генератор опорного сигнала, выход которого подключен ко второму выходу устройства (обозначен F2) и управляющему входу 3 коммутатора 2.

На фиг.2 обозначения сигналов F1, F2 соответствуют обозначению соответствующих выходов на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. Эквивалентная емкость, образуемая в точке 8 схемы (фиг.1), определяется соотношением

Cэкв=C0·R1/R2.

Это значение емкости будет образовываться умножителем емкости, если замыкающий элемент коммутатора 2 находится в разомкнутом состоянии. В этом случае автогенератор, собранный на операционном усилителе 10, будет генерировать на выходе F1 двухполярные импульсы, частота которых определяется соотношением

где K1=ln[(1+d)/(1-d)] - коэффициент обратной связи второго операционного усилителя 10; d=R3/(R3+R4) - коэффициент деления делителя напряжения положительной обратной связи усилителя 10, образованного резисторами 11, 12 (фиг.1).

Если замыкающий элемент коммутатора 2 находится в замкнутом состоянии, эквивалентная емкость, образуемая умножителем емкости, будет иметь другое значение

Cэкв1=(C0+Cд)·R1/R2.

Автогенератор будет генерировать на своем выходе импульсы, частота которых определяется соотношением

Значения частот, образованные при разных состояниях замыкающего элемента коммутатора 2, с выхода F1 (фиг.1) передаются в вычислительный терминал для дальнейшей обработки (на схеме не показан). Для различения того, какая из двух частот на выходе F1 соответствует тому или иному состоянию замыкающего элемента коммутатора 2, вместе с сигналом F1 формируется сигнал F2 генератора опорного сигнала 13. Диаграммы, изображенные на фиг.2, иллюстрируют процесс образования сигналов на выходах F2 и F1. В промежутке времени (0-t1) генератор 13 выдает высокий уровень опорного сигнала F2 на соответствующий выход и на управляющий вход 3 коммутатора 2.

Замыкающий элемент коммутатора подключает параллельно конденсатору 4 дополнительный конденсатор 1, эквивалентная емкость увеличивается, частота определяется выражением (2). В промежутке времени (t1-t2) опорный сигнал имеет низкий уровень, замыкающий элемент коммутатора отключается, частота выходного сигнала F1 определяется выражением (1).

Таким образом, генератор опорного сигнала 13 обеспечивает возможность вычислительному терминалу использовать два уравнения для определения двух неизвестных - емкости C0 сенсора 4 и сопротивления R0 сенсора 9.

Решая совместно (1) и (2), можно определить:

C0=CдF11/(F1-F11); R0=Kд(1/F11-1/F1)/Сд, где Kд=R2/(2K1·R1)

Из полученных выражений видно, что сопротивление замыкающего элемента не может влиять на значения активных сопротивлений, участвующих в образовании частот, а его влияние на емкость дополнительного конденсатора ничтожно. Таким образом, влияние сопротивления замыкающего элемента на результат преобразования уменьшается, а точность преобразования повышается.

Макет устройства исследован и испытан в лабораторных условиях, подтверждена работоспособность устройства и его эффективность. Устройство может быть использовано для построения мультисенсорных интеллектуальных датчиков, устройств дистанционного контроля параметров, от которых зависят значения параметров емкостных и резисторных сенсоров. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критерию изобретения "промышленная применимость".

Источники информации

1. Пустыльников В.М. Измерительные преобразователи с частотно-зависимыми цепями. - М.: Энергоиздат, 1986 г., с.34, рис 3.1.

2. Патент России № 2235980, МКИ 7 G01K 7/16. Бюл. № 25, 10.09.2004.

Похожие патенты RU2362988C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ИНФОРМАЦИОННЫЙ СИГНАЛ 2003
  • Рабочий А.А.
RU2235980C1
УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНЫХ И РЕЗИСТОРНЫХ СЕНСОРОВ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ 2019
  • Рабочий Александр Александрович
RU2722469C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЁМКОСТИ ЁМКОСТНОГО СЕНСОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2020
  • Рабочий Александр Александрович
RU2740102C1
СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 2018
  • Ильиных Андрей Викторович
RU2684510C1
Автогенераторный многопараметрический измеритель 1983
  • Арш Эмануэль Израилевич
  • Данилевский Александр Сергеевич
  • Певзнер Марк Гдалевич
  • Сивцов Дмитрий Павлович
  • Флоров Александр Константинович
SU1132259A1
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОМПЛЕКСА КОРАБЕЛЬНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ 1998
  • Кудрявцев В.И.
  • Пикулин Г.Е.
  • Давидчук Н.И.
RU2124260C1
Система диагностики заболеваний 1983
  • Бардаченко Виталий Феодосьевич
  • Зайцев Станислав Германович
  • Митасов Иван Исаевич
  • Нестер Владимир Войцехович
  • Ясинский Цезарь Владимирович
  • Стеценко Григорий Семенович
SU1140132A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЫХЛОСТИ ЭПИТЕЛИАЛЬНОЙ ТКАНИ КИШЕЧНО-ЖЕЛУДОЧНОГО ТРАКТА 1991
  • Петляков Сергей Иванович
RU2026004C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА 1991
  • Кеннет Остин[Gb]
RU2104601C1
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО КАЛИБРОВКИ 2006
  • Агрич Юрий Владимирович
RU2335844C2

Реферат патента 2009 года УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО И РЕЗИСТОРНОГО СЕНСОРОВ В ЧАСТОТНЫЙ СИГНАЛ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям параметров сенсоров в частотный информационный сигнал. Устройство содержит емкостный и резисторный сенсоры, умножитель емкости, резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, управляемый коммутатор, коммутатор содержит управляющий вход и замыкающий элемент, выход умножителя емкости подключен к автогенератору вместо частотообразующего конденсатора, выход автогенератора соединен с первым выходом устройства. Устройство снабжено дополнительным конденсатором, генератором опорного сигнала и вторым выходом, замыкающий элемент коммутатора соединен последовательно с дополнительным конденсатором, цепь, образованная последовательно соединенными дополнительным конденсатором и замыкающим элементом коммутатора подключена параллельно емкостному сенсору к неинвертирующему входу операционного усилителя, а выход генератора опорного сигнала соединен с управляющим входом коммутатора и вторым выходом устройства. Изобретение позволяет повысить точность преобразования и может использоваться для построения мультисенсорных интеллектуальных датчиков и устройств дистанционного контроля и регулирования параметров контролируемой среды. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 362 988 C1

Устройство преобразования параметров емкостного и резисторного сенсоров в частотный сигнал, содержащее емкостный и резисторный сенсоры, умножитель емкости на основе первого операционного усилителя, резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний на основе второго операционного усилителя, управляемый коммутатор, коммутатор содержит управляющий вход и замыкающий элемент, выход умножителя емкости подключен к выводу частотообразующего резистора автогенератора вместо частотообразующего конденсатора, выход автогенератора соединен с первым выходом устройства, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным конденсатором, генератором опорного сигнала и вторым выходом, замыкающий элемент коммутатора соединен последовательно с дополнительным конденсатором, цепь, образованная последовательно соединенными дополнительным конденсатором и замыкающим элементом коммутатора подключена параллельно емкостному сенсору к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а выход генератора опорного сигнала соединен с управляющим входом коммутатора и вторым выходом устройства.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2362988C1

УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ИНФОРМАЦИОННЫЙ СИГНАЛ 2003
  • Рабочий А.А.
RU2235980C1
Двухсторонний телефонный усилитель для неуравновешенных цепей 1929
  • Булат А.Ф.
SU28245A1
Преобразователь параметров емкостного датчика 1989
  • Бурбело Михаил Иосипович
  • Голоцуков Владимир Михайлович
  • Мартинец Олег Илларионович
  • Чорноус Виктор Николаевич
SU1651186A1
JP 32002340836 A, 27.11.2002.

RU 2 362 988 C1

Авторы

Рабочий Александр Александрович

Даты

2009-07-27Публикация

2008-04-22Подача