СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЁМКОСТИ ЁМКОСТНОГО СЕНСОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01R27/16 G01R27/26 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам определения емкости емкостного сенсора, удаленного от вычислительного терминала на некоторое расстояние и соединенного с терминалом длинной линией связи. Известны способы определения параметров емкостных и резисторных сенсорных элементов, в которых измеряют и запоминают длительности заряда и разряда емкостных элементов и по результатам измерений вычисляют нужные параметры. Такие способы и устройства описаны в книге «Автоматизация измерений и контроля электрических и неэлектрических величин» под ред. А.А. Сазонова, М., Из-во стандартов, 1987 г., с. 191, рис. 7.7 и в описании патента RU 2289824 С1, опубликованного 20.12.2006, Бюл. №35.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и принятым за прототип, является способ и устройство, описанные в патенте RU 2289824 С1, МПК G01R 27/16, G01R 27/26.

Недостатком известных способов является сложность и невозможность их использования для определения параметров сенсоров, удаленных от измерителя на некоторое расстояние. Это обусловлено тем, что при наличии соединительной линии между сенсорными элементами и терминалом в результатах измерений будут присутствовать параметры соединительной линии (емкость и активное сопротивление проводников), значения которых не определены. Поэтому погрешность определения параметров сенсоров может быть слишком большой.

Задача, решаемая в предполагаемом изобретении, состоит в упрощении процесса определения емкости емкостного сенсора, соединенного с вычислительным терминалом длинной соединительной линией, и повышении точности определения емкости этого сенсора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения емкости емкостного сенсора, установленного на конце двухпроводной соединительной линии, двухпроводная линия является частью частото-образующей цепи мультивибратора, входящего в состав вычислительного терминала, емкостный сенсор отключают от линии, активируют мультивибратор, измеряют и запоминают период (частоту) колебаний на выходе мультивибратора при отключенном от линии емкостном сенсоре, дезактивируют мультивибратор, подключают емкостный сенсор к концу соединительной линии, вновь активируют мультивибратор, измеряют и запоминают период (частоту) колебаний на выходе мультивибратора при подключенном к концу соединительной линии емкостном сенсоре, а емкость сенсора определяют по результатам двух измерений согласно выражению

С=(Т₂-Т₁)/K*R, где

С - контролируемая (определяемая) емкость сенсора;

T₁ - период колебаний на выходе мультивибратора при отключенном от линии емкостном сенсоре;

Т₂ - период колебаний на выходе мультивибратора при подключенном к концу линии сенсоре;

K - известный коэффициент, зависящий от вида мультивибратора;

R - частотообразующий резистор, сопротивление которого известно.

В устройство определения емкости емкостного сенсора, содержащее мультивибратор, частотообразующую RC - цепь, емкостный сенсор, запоминающее и вычислительное устройства, дополнительно введены измеритель частоты, шунтирующий конденсатор, длинная двухпроводная линия и двухцепный коммутатор, двухпроводная линия является частью частотообразующей RC - цепи мультивибратора, на конце линии включены параллельно шунтирующий конденсатор и входные зажимы двухцепного коммутатора, к выходным зажимам двухцепного коммутатора подключены входные зажимы емкостного сенсора, выход мультивибратора подключен к входу измерителя частоты, выход измерителя частоты подключен к входу запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен с входом вычислительного устройства, выход вычислительного устройства является выходом устройства определения емкости емкостного сенсора.

Заявляемый способ определения емкости емкостного сенсора отличается от известного, принятого за прототип, тем, что емкость сенсора определяется по результатам двух измерений периода колебаний на выходе мультивибратора для двух состояний частотообразующей RC - цепи, в состав которой входит соединительная двухпроводная линия. Первое измерение делается при отключенном от линии емкостном сенсоре. При этом период колебаний на выходе мультивибратора будет определяться только параметрами соединительной линии и емкостью шунтирующего конденсатора. Второе измерение делается при подключенном к концу линии емкостном сенсоре, при этом период колебаний на выходе мультивибратора будет определяться суммарной емкостью соединительной линии, шунтирующего конденсатора и емкостного сенсора. Разность периодов позволяет определить емкость сенсора, так как устраняет влияние емкостей линии и шунтирующего конденсатора на результат определения этой емкости.

Устройство для реализации способа отличается от известного, принятого за прототип, тем, что содержит измеритель частоты, мультивибратор с частотообразующей RC - цепью, в состав которой входит соединительная двухпроводная линия, шунтирующий конденсатор, двухцепный коммутатор и емкостный сенсор, на конце линии включены параллельно шунтирующий конденсатор и входные зажимы двухцепного коммутатора, к выходным зажимам коммутатора подключены входные зажимы емкостного сенсора, выход мультивибратора подключен к входу измерителя частоты, выход измерителя частоты подключен к входу запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен с входом вычислительного устройства, выход вычислительного устройства является выходом устройства определения емкости емкостного сенсора.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию изобретения «новизна».

Из патентной и технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в их совокупности. Таким образом, заявленные способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемые способ и устройство для его осуществления могут быть использованы в системах дистанционного контроля физических величин с помощью емкостных сенсоров, изменение емкости которых отражает изменение значений контролируемой физической величины. Таким образом, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию изобретения «промышленная применимость».

Заявляемый способ и устройство поясняются структурной схемой устройства, представленной на рисунке (фиг. 1), где обозначено:

1 - вычислительный терминал;

2 - мультивибратор;

3 - выход мультивибратора;

4 - измеритель частоты;

5 - запоминающее устройство;

6 - вычислительное устройство;

7 - выход вычислительного устройства;

8 - входные зажимы мультивибратора;

9 - частотообразующий резистор;

10 - зажимы присоединения проводов двухпроводной линии к терминалу. На конце двухпроводной соединительной линии 11 включены шунтирующий конденсатор 12 и входные зажимы двухцепного коммутатора 13, к выходным зажимам которого подключается емкостный сенсор 14.

Предлагаемые способ и устройство работают следующим образом. Ввод устройства в действие осуществляется в два этапа. На первом этапе коммутатор 13 устанавливается в положение «Отключено» (см. рисунок), при этом емкостный сенсор 14 отключается от проводников линии 11. К входным зажимам 8 мультивибратора 2 остаются подключенными резистор 9, зажимы 10, соединительная линия 11, конденсатор 12, входные зажимы коммутатора 13. После инициализации устройства (средства инициализации на рисунке не показаны) на выходе 3 мультивибратора 2 появляется частотный сигнал, параметры которого (частота и период) определяются параметрами элементов 9, 11, 12, 13, входящих в состав частотообразующей цепи. Измеритель частоты 4 определяет, а запоминающее устройство 5 фиксирует период (частоту) колебаний на выходе 3 мультивибратора 2. На этом заканчивается первый этап ввода устройства в действие. На втором этапе с помощью коммутатора 13 к проводникам линии 11 подключают емкостный сенсор 14 параллельно шунтирующему конденсатору 12. После этого при инициализации устройства на выходе 3 мультивибратора 2 будет присутствовать частотный сигнал, параметры которого зависят не только от параметров элементов, перечисленных выше, но и от емкости емкостного сенсора 14. Этот сигнал также запоминается в запоминающем устройстве 5, затем оба сигнала передаются в вычислительное устройство 6, где происходит вычисление емкости сенсора 14.

Согласно заявленному способу на первом этапе ввода устройства в действие определяется период (частота) колебаний на выходе 3 мультивибратора 2 в соответствии с выражением T₁=K*R*C₁, где С1=Сл+Ск,

Сл - емкость двухцепной соединительной линии 11 (см. рисунок);

Ск - емкость шунтирующего конденсатора 12, назначение которого -оптимизация общей емкости частотообразующей цепи; После включения емкостного сенсора 14 с помощью коммутатора 13 в состав частотообразующей цепи период колебаний на выходе 3 мультивибратора 2 будет определяться соотношением Т₂=K*R*С₂, где С₂=C₁+С,

С - емкость сенсора 14 (см. рисунок). В вычислительном устройстве 6 вычисляется емкость С сенсора 14 по соотношению С=(Т₂-Т₁)/K*R.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в упрощении процесса определения емкости емкостного сенсора, соединенного с терминалом длинной двухпроводной линией, и повышении точности определения емкости сенсора за счет уменьшения влияния емкости соединительной линии на результат определения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам определения емкости емкостных сенсоров, удаленных от терминала на некоторое расстояние и используемых в качестве датчиков различных физических величин, например давления, влажности, механического перемещения. Технический результат: упрощение процесса определения емкости емкостного сенсора и повышение точности определения. Сущность: способ определения емкости емкостного сенсора заключается в том, что сначала сенсор отключают от соединительной линии на ее конце, измеряют и запоминают значение периода колебаний на выходе мультивибратора, в частотообразующую цепь которого включена линия. После подключения сенсора к линии вновь измеряют и запоминают значение периода колебаний на выходе мультивибратора. Значение емкости сенсора определяют по разности периодов колебаний. Устройство определения емкости емкостного сенсора содержит мультивибратор, измеритель частоты, запоминающее и вычислительное устройства, соединительную линию, коммутатор, шунтирующий конденсатор и емкостный сенсор, соединенные между собой определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения емкости емкостного сенсора, установленного на конце двухпроводной соединительной линии, являющейся частью частотообразующей RC - цепи мультивибратора, отличающийся тем, что емкостный сенсор отключают от линии, активируют мультивибратор, измеряют и запоминают период (частоту) колебаний на выходе мультивибратора при отключенном от линии емкостном сенсоре, дезактивируют мультивибратор, подключают емкостный сенсор к концу соединительной линии, вновь активируют мультивибратор, измеряют и запоминают период (частоту) колебаний на выходе мультивибратора при подключенном к концу соединительной линии емкостном сенсоре, а емкость сенсора определяют по результатам двух измерений согласно выражению

С=(Т₂-Т₁)/K*R, где

С - контролируемая (определяемая) емкость сенсора;

T₁ - период колебаний на выходе мультивибратора при отключенном от линии емкостном сенсоре;

Т₂ - период колебаний на выходе мультивибратора при подключенном к концу линии сенсоре;

K - известный коэффициент, зависящий от вида мультивибратора;

R - частотообразующий резистор, сопротивление которого известно.

2. Устройство определения емкости емкостного сенсора, содержащее мультивибратор, частотообразующую RC - цепь, емкостный сенсор, запоминающее и вычислительное устройства, выход запоминающего устройства подключен к входу вычислительного устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены измеритель частоты, двухпроводная соединительная линия, шунтирующий конденсатор и двухцепный коммутатор, выход мультивибратора подключен к входу измерителя частоты, выход измерителя частоты подключен к входу запоминающего устройства, двухпроводная соединительная линия соединена с частотообразующей цепью мультивибратора, на конце соединительной линии включены параллельно шунтирующий конденсатор и входные зажимы двухцепного коммутатора, к выходным зажимам которого подключены входные зажимы емкостного сенсора, выходом устройства определения емкости емкостного сенсора является выход вычислительного устройства.