УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНЫХ И РЕЗИСТОРНЫХ СЕНСОРОВ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ Российский патент 2020 года по МПК G01K7/16 H03H11/48 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям параметров сенсоров в интервал времени и может использоваться в системах контроля и регулирования, применяющих резистивные и емкостные датчики для идентификации параметров контролируемой среды.

Известны преобразователи с частотно-зависимыми цепями, преобразующие параметры двух сенсорных элементов в частоту [1, 2]. Недостаток преобразователей - наличие дополнительного генератора сигнала для управления коммутатором, что усложняет схему и процесс измерения. Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности является устройство, описанное в [2]. Недостатком устройства является наличие управляющего коммутатора, которое сужает функциональные возможности устройства и усложняет процесс вычисления параметров сенсоров.

Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением является повышение надежности за счет упрощения процесса преобразования и расширение функциональных возможностей устройства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство преобразования параметров емкостных и резисторных сенсоров в интервал времени, содержащее резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, имеющий в своем составе двухступенчатый D-триггер, имеющий вход синхронизации С, информационный вход D, входы независимой установки S и сброса R, прямой Q и инверсный Q₁ выходы, первую и вторую RC-цепи, каждая RC-цепь имеет последовательно соединенные резистор и конденсатор, каждый резистор шунтирован первым и вторым диодами, точка соединения катода первого диода и резистора первой RC-цепи соединена с прямым выходом триггера, точка соединения катода второго диода и резистора второй RC-цепи соединена с инверсным выходом триггера, входы D и С соединены с общей точкой схемы, введены дополнительно первый и второй умножители емкости и первый и второй логические инверторы, каждый умножитель емкости имеет в своем составе один емкостный или резисторный сенсорный элемент, выход первого умножителя соединен с выводом конденсатора первой RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода первого диода соединена с входом первого инвертора, выход первого инвертора соединен с входом R триггера, выход второго умножителя соединен с выводом конденсатора второй RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода второго диода соединена с входом второго инвертора, выход второго инвертора соединен с входом S триггера, выходами устройства являются прямой и инверсный выходы D-триггера.

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

Из патентной и научно-технической литературы не обнаружена предложенная совокупность отличительных признаков и соединений элементов заявляемого устройства. Таким образом, заявляемое устройство удовлетворяет критерию «изобретательский уровень». Предполагаемое техническое решение поясняется структурной схемой устройства, представленной на фиг. 1 и диаграммой сигналов, показанной на фиг. 2.

На фиг. 1 показано: первый умножитель емкости конденсатора С_о1, состоящий из операционного усилителя DA₁, умножающего резистора R_у1, резистора R_t1, выходом умножителя является точка соединения резисторов R_у1 и R_t1, которая соединена с выводом конденсатора C₁ (точка 1 фиг. 1). Второй умножитель емкости состоит из операционного усилителя DA₂, умножающего резистора R_у2, резистора R_t2 и конденсатора С_о2. Выходом второго умножителя служит точка соединения резисторов R_y2 и R_t2, которая соединена с выводом конденсатора С₂ (точка 3 фиг. 1). Сенсорными элементами могут быть конденсатор С_о1 или резистор R_t1 в схеме первого умножителя емкости, конденсатор С_о2 или резистор R_t2 в схеме второго умножителя. На фиг. 1 показано, что используются две частотообразующие цепи: первая в составе резистора R₁, конденсатора C₁, первого умножителя емкости, диода VD₁ и инвертора DD₁. Вторая частотообразующая цепь состоит из резистора R₂, диода VD₂, конденсатора С₂, инвертора DD₂ и второго умножителя емкости. Выходы схемы преобразователя обозначены F₁ и F₂ (фиг. 1). Обозначение входов и выходов D-триггера соответствует общепринятым. В точке 1 первый умножитель емкости создает емкость С_у1, соответствующую умноженной емкости конденсатора С_о1:

В точке U₂ последовательно соединенные первый умножитель и конденсатор С₁ создают первую эквивалентную емкость

Аналогично второй умножитель емкости создает в точке 3 емкость С_у2, соответствующую умноженной емкости конденсатора С_о2.

Соединенные последовательно конденсатор С₂ и второй умножитель в точке U₄ создают второй эквивалентный конденсатор, имеющий эквивалентную емкость С_э2:

Устройство работает следующим образом. После подачи питания в схему (момент 0 на фиг. 2) на одном из выходов D-триггера устанавливается высокий логический уровень, на другом - низкий логический уровень. Например, высокий уровень («логическая 1») установился на прямом выходе триггера (F₁ на фиг. 2). На инверсном выходе Q₁ (на фиг. 1) установится низкий уровень («логический 0») (F₂ на фиг. 2). Через резистор R₁ (фиг. 1) начинается заряд эквивалентной емкости С_э1. В точке U₂ (фиг. 1) будет увеличиваться напряжение до момента достижения уровня «1» (момент t₁ фиг. 2). В момент t₁ переключается первый инвертор DD₁, устанавливая на своем выходе логический нуль. Это приводит к появлению на прямом выходе триггера низкого логического уровня напряжения, а на инверсном выходе - уровня логической единицы. Происходит быстрый разряд первой эквивалентной емкости через диод VD₁. В результате на прямом выходе триггера был образован импульс длительностью T₁ (фиг. 2), соответствующий времени заряда первой эквивалентной емкости:

В момент t₁ (фиг. 2) начинается заряд второй эквивалентной емкости, приводящий к росту напряжения в точке U₄ (фиг. 1). Рост напряжения будет продолжаться до момента t₂ (фиг. 2, диаграмма U₄), когда достигается логический уровень «1» на входе второго инвертора DD₂. После переключения инвертора DD₂ на входе S триггера появляется низкий уровень, приводящий к восстановлению на прямом выходе триггера Q логической «1», на инверсном выходе Q₁ появляется логический «0». Вновь начинается заряд первой эквивалентной емкости, процесс повторяется. В результате на инверсном выходе триггера будет образован импульс длительностью T₂, соответствующий времени заряда второй эквивалентной емкости:

Длительность периода колебаний на выходах D-триггера будет определяться суммой длительностей импульсов T₁ и T₂:

T=T₁+T₂

Задача определения параметров сенсоров, входящих в состав умножителей емкости, решается в вычислителе (на схеме не показан), в который подаются сигналы F1 и F2, соответствующие длительностям импульсов Т1 и Т2. Например в качестве сенсора используется конденсатор С_о1 в схеме первого умножителя (фиг 1.) Требуется определить его емкость. Параметры умножителя R_t1 и R_y1 заданы, сопротивление резистора R₁ и емкость конденсатора C₁ известны, длительность импульса T₁ измерена. По выражению (5) определяется первая эквивалентная емкость С_э1:

Учитывая выражения (1) и (2), емкость сенсорного элемента С_о1 определяется выражением (8):

где К_у1=R_y1/R_t1 - коэффициент умножения емкости первого умножителя. Если в качестве резисторного сенсора используется резистор R_t1, то должны быть заданы параметры первого умножителя С_о1, R_y1 при известных значениях емкости конденсатора C₁ и сопротивления резистора R₁. Тогда значение сопротивления резисторного сенсора определится по выражению (9):

Таким образом, параметры сенсорных элементов определяются по ширине импульсов T₁ и T₂, что обеспечивает надежность и быстродействие процесса преобразования, а так как схемное построение преобразователя позволяет контролировать значение параметров двух разнородных или однородных сенсоров одновременно в любом сочетании, то функциональные возможности устройства существенно расширяются.

Макет устройства испытан и исследован в лабораторных условиях, подтверждена работоспособность устройства и его эффективность. Устройство может быть использовано для построения мультисенсорных датчиков и устройств дистанционного контроля различных физических величин, параметры которых определяются с помощью емкостных и (или) резисторных сенсорных элементов. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критерию изобретения «промышленная применимость».

Источники информации

1. Патент России №2235980, МКИ 7 О1К7/16. Бюл. №25 10.09.2004.

2. Патент России №2362988, МПК O1 №27/02. Бюл. №21 27.07.2009.

Изобретение относится к метрологии. Устройство преобразования параметров емкостных и резисторных сенсоров в интервал времени содержит резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, имеющий в своем составе двухступенчатый D-триггер, имеющий вход синхронизации С, информационный вход D, входы независимой установки S и сброса R, прямой Q и инверсный Q₁ выходы, первую и вторую RC-цепи, каждая RC-цепь имеет последовательно соединенные резистор и конденсатор, каждый резистор шунтирован первым и вторым диодами, точка соединения катода первого диода и резистора первой RC-цепи соединена с прямым выходом триггера, точка соединения катода второго диода и резистора второй RC-цепи соединена с инверсным выходом триггера, входы D и С соединены с общей точкой схемы. Устройство снабжено первым и вторым умножителями емкости и первым и вторым логическими инверторами, каждый умножитель емкости имеет в своем составе один емкостный или резисторный сенсорный элемент, первый умножитель соединен с первым инвертором, второй умножитель соединен со вторым инвертором. Выход первого инвертора соединен с входом R триггера. Выход второго инвертора соединен с входом S триггера, выходами устройства являются прямой и инверсный выходы D-триггера. Технический результат – повышение надежности за счет упрощения процесса преобразования и расширение функциональных возможностей устройства. 2 ил.

Устройство преобразования параметров емкостных и резисторных сенсоров в интервал времени, содержащее резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, имеющий в своем составе двухступенчатый D-триггер, имеющий вход синхронизации С, информационный вход D, входы независимой установки S и сброса R, прямой Q и инверсный Q₁ выходы, первую и вторую RC-цепи, каждая RC-цепь имеет последовательно соединенные резистор и конденсатор, каждый резистор шунтирован первым и вторым диодами, точка соединения катода первого диода и резистора первой RC-цепи соединена с прямым выходом триггера, точка соединения катода второго диода и резистора второй RC-цепи соединена с инверсным выходом триггера, входы D и С соединены с общей точкой схемы, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено первым и вторым умножителями емкости и первым и вторым логическими инверторами, каждый умножитель емкости имеет в своем составе один емкостный или резисторный сенсорный элемент, выход первого умножителя соединен с выводом конденсатора первой RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода первого диода соединена с входом первого инвертора, выход первого инвертора соединен с входом R триггера, выход второго умножителя соединен с выводом конденсатора второй RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода второго диода соединена с входом второго инвертора, выход второго инвертора соединен с входом S триггера, выходами устройства являются прямой и инверсный выходы D-триггера.