Устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур Российский патент 2021 года по МПК G01R27/26 G01N27/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике в частности, к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления.

Уровень техники

Известно устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее микроконтроллер, индикатор, первый и второй генераторы, во времязадающие цепи которых включены соответственно емкостный датчик и образцовый конденсатор, выходы генераторов подключены к входам микроконтроллера, индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности.

Известно микроконтроллерное устройство для измерения частоты вращения вала, содержащее микроконтроллер, индикатор, первый и второй резисторы, емкостный датчик и образцовый конденсатор, которые первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового компаратора микроконтроллера и к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых подключены к выходам микроконтроллера, индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера (см. пат. РФ №2378658, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, по причине несовершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также ограниченных вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем контроля и управления содержащее: микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, RC-фильтр и компьютер, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход третьего ШИМ, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер (см. пат. РФ №2698492, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, по причине ограниченного диапазона изменения сопротивлений в RC-цепях, образуемых первым резистором и емкостным датчиком, а также вторым резистором и образцовым конденсатором, что ограничивает диапазон изменения переходных токов в этих цепях, а следовательно, ограничивает диапазон изменения скорости поляризационных процессов в контролируемых материалах, помещаемых в емкостной датчик, например семян сельскохозяйственных культур, а это снижает возможности получения информации о диэлектрических свойствах контролируемых материалов, а следовательно и точность определения количества содержащейся в них влаги.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое решение с водится к расширению функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона сопротивлений, включенных последовательно с емкостным датчиком и таким образом более широкого диапазона изменения переходных токов в этих цепях благодаря введению в предлагаемое устройство новых элементов и связей, что в свою очередь приводит к повышению точности определения диэлектрических свойств контролируемых материалов, например, количества содержащейся влаги в семенах сельскохозяйственных культур.

Технический результат достигается тем, что в устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, RC-фильтр и компьютер, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход одноканального ШИМ, встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер, введены первая и вторая резистивные матрицы, причем общие точки соединения первых выводов резисторов первой и второй резистивных матриц подключены, соответственно к вторым обкладкам емкостного датчика и образцового конденсатора, вторые выводы резисторов первой резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам первых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер, вторые выводы резисторов второй резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам вторых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер, количество резисторов первой резистивной матрицы равно количеству резисторов второй резистивной матрицы и равно количеству встроенных в микроконтроллер двухканальных ШИМ.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема устройства измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур.

Осуществление изобретения

Устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур содержит (чертеж) микроконтроллер 1, компьютер 2, RC-фильтр 3, первую резистивную матрицу 4, содержащую R1…Rn резисторы, вторую резистивную матрицу 5, содержащую R1…Rn резисторы, емкостный датчик 6, образцовый конденсатор 7. Емкостный датчик 6 и образцовый конденсатор 7 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторая обкладка емкостного датчика 6 подключена к общей точке соединения первых выводов резисторов первой резистивной матрицы 4, вторые выводы каждого резистора которой подключены к соответствующим выходам первых каналов двухканальных ШИМ (на чертеже двухканальные ШИМ не показаны) встроенных в микроконтроллер 1, вторая обкладка образцового конденсатора 7 подключена к общей точке соединения первых выводов резисторов второй резистивной матрицы 5, вторые выводы каждого резистора которой подключены к соответствующим выходам вторых каналов двухканальных ШИМ встроенных в микроконтроллер 1, вторые обкладки емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 1 (на чертеже аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к инвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1 (на чертеже аналоговый компаратор, а также связь выхода аналогового мультиплексора со входом аналогового компаратора не показаны), микроконтроллер 1 подключен через цифровой последовательный интерфейс к компьютеру 2, выход одноканального ШИМ, встроенного в микроконтроллер 1, (на чертеже дноканальный ШИМ не показан) подключен к входу RC-фильтра 3, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора.

Устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур работает следующим образом.

Микроконтроллер 1 настраивает выводы первого и второго каналов, допустим первого двухканального ШИМ на выход, остальные выводы двухканальных ШИМ переводит в высокоомное состояние. Затем настраивает первый ШИМ на заданную частоту генерирования широтно-импульсных сигналов (ШИМ-сигналов) с заданными коэффициентами заполнения и запускает этот ШИМ, оба канала данного ШИМ работают синхронно. Сопротивления резисторов первой и второй резистивных матриц, а также емкости емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 подобраны так, чтобы на заданной частоте ШИМ-сигналов переходные процессы в RC-цепях, образованных этими элементами длились от одной до трех постоянных времени этих RC-цепей. На вторых обкладках емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 напряжения будут изменяться по экспоненте от минимального значения до максимального, по известным законам (заряд-разряд). Коэффициенты заполнения ШИМ-сигналов пропорциональны двоичным кодам, которые загружаются программой в специальные регистры двухканальных ШИМ.

Микроконтроллер 1 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом следующим образом.

Шаг 1. Микроконтроллер 1 подключает первый вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка емкостного датчика 6 к инвертирующему входу аналогового компаратора.

Шаг 2. Микроконтроллер 1 формирует на выходе одноканального ШИМ сигнал с начальным минимальным коэффициентом заполнения. Этот сигнал приложен к входу RC-фильтра 3. При этом, изменяющееся на емкостном датчике 6 напряжение, контролируемое инвертирующим входом аналогового компаратора будет выше уровня напряжения формируемого на неинвертирующем входе аналогового компаратора RC-фильтром 3. На выходе аналогового компаратора будет логический 0.

Шаг 3. Микроконтроллер 1 начинает увеличивать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала одноканального ШИМ, при этом напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно возрастает. Как только напряжение на выходе RC-фильтра 3 превысит изменяющееся напряжение на емкостном датчике 6, то на выходе аналогового компаратора будет сформирована кратковременно логическая 1. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому микроконтроллер 1 прейдет к процедуре обработки данного прерывания. Эта процедура заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 6 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае, можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент минимального значения напряжения на емкостном датчике 6.

Шаг 4. Микроконтроллер 1 формирует на входе одноканального ШИМ сигнал с начальным максимальным коэффициентом заполнения. При этом изменяющееся на емкостном датчике 6 напряжение, контролируемое инвертирующим входом аналогового компаратора будет ниже уровня напряжения формируемого на неинвертирующем входе аналогового компаратора RC-фильтром 3 и на выходе аналогового компаратора будет логическая 1.

Шаг 5. Микроконтроллер 1 начинает уменьшать коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, напряжение на выходе RC-фильтра 3 плавно уменьшается. Как только, напряжение на выходе RC-фильтра 3 будет ниже изменяющегося напряжения на емкостном датчике 6, то на выходе аналогового компаратора будет кратковременно сформирован логический 0. Система прерываний микроконтроллера 1 сформирует сигнал, по которому он прейдет к процедуре обработки этого прерывания, которая заключается в том, чтобы сохранить двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения ШИМ-сигнала одноканального ШИМ, при котором было обнаружено равенство напряжений на емкостном датчике 6 и на выходе RC-фильтра 3. В этом случае можно считать, что сохраненный двоичный код есть эквивалент максимального значения напряжения на емкостном датчике 6.

Шаг 6. Микроконтроллер 1 вычисляет разницу между максимальным значением кода и минимальным, а затем сохраняет эту разницу в памяти. Таким образом, микроконтроллер 1 определяет размах изменения напряжения на емкостном датчике 6. При возрастании емкости датчика 6 размах напряжения на нем уменьшается, а при уменьшении емкости датчика 6 размах напряжения на нем возрастает.

Шаг 7. Микроконтроллер 1 подключает второй вход аналогового мультиплексора, к которому подключена вторая обкладка образцового конденсатора 7 к инвертирующему входу аналогового компаратора и выполняет тот же алгоритм, что и при выполнении шагов 2-6, при этом он определяет размах изменения напряжения на образцовом конденсаторе 7 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 8. Микроконтроллер 1 определяет разницу между размахом напряжений на образцовом конденсаторе 7 и емкостном датчике 6, эта разница зависит от измеряемой емкости конденсаторного датчика 6.

Шаг 9. Микроконтроллер 1 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 2, который выводит этот результат на монитор и выполняет другие действия определяемые его программой.

Шаг 10. Микроконтроллер 1 настраивает выводы первого и второго каналов, следующего, т.е. второго двухканального ШИМ на выход, остальные выводы двухканальных ШИМ переводит в высокоомное состояние. Затем настраивает этот ШИМ на заданную частоту генерирования ШИМ-сигналов с заданными коэффициентами заполнения и запускает этот ШИМ.

Шаг 11. Микроконтроллер 1 проверяет количество двухканальных ШИМ и если их всего два, то переходит к выполнению Шага 12, если двухканальных ШИМ больше двух то настраивает очередной двухканальный ШИМ аналогично алгоритмам Шага 1 и Шага 10 и переходит к выполнению Шага 12.

Шаг 12. Микроконтроллер 1 осуществляет переход к выполнению Шага 1, т.е реализует новый цикл измерения.

Компьютер 2 может сохранять, полученные от микроконтроллера 1 результаты измерений в памяти для их последующего анализа, а также может передавать по инфокоммуникационным сетям в любую географическую точку земли, в которой второй компьютер настроен на прием данной информации. Компьютер 2 позволяет оперативно записывать в программную память микроконтроллера 1 новые модифицированные программы. В качестве компьютера может быть использован микрокомпьютер типа Raspberry Pi.

Иногда требуется проводить измерения на нескольких частотах, особенно при измерении диэлектрической проницаемости материала расположенного между обкладками емкостного датчика, например, при измерении влажности семян сельскохозяйственных культур. Известно, что диэлектрическая проницаемость этих материалов зависит от частоты электрического поля между обкладками конденсатора.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом: расширены функциональные возможности, благодаря введению новых элементов и связей, реализован более совершенный алгоритм управления значением переходных токов в измерительной и опорной RC-цепях, что в свою очередь приводит к повышению точности определения диэлектрических свойств контролируемых материалов, например, количества содержащейся влаги в семенах сельскохозяйственных культур.

Изобретение относится к измерению физических величин емкостными датчиками и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления. Технический результат: расширение функциональных возможностей, повышение точности определения диэлектрических свойств контролируемых материалов, например количества содержащейся влаги в семенах сельскохозяйственных культур. Сущность: устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур содержит микроконтроллер 1, компьютер 2, RC-фильтр 3, первую резистивную матрицу 4, содержащую R1…Rn резисторы, вторую резистивную матрицу 5, содержащую R1…Rn резисторы, емкостный датчик 6, образцовый конденсатор 7. Емкостный датчик 6 и образцовый конденсатор 7 первыми обкладками подключены к общему проводу. Вторая обкладка емкостного датчика 6 подключена к общей точке соединения первых выводов резисторов первой резистивной матрицы 4, вторые выводы каждого резистора которой подключены к соответствующим выходам первых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер 1. Вторая обкладка образцового конденсатора 7 подключена к общей точке соединения первых выводов резисторов второй резистивной матрицы 5, вторые выводы каждого резистора которой подключены к соответствующим выходам вторых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер 1. Вторые обкладки емкостного датчика 6 и образцового конденсатора 7 подключены соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 1. Выход аналогового мультиплексора подключен к инвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1. Микроконтроллер 1 подключен через цифровой последовательный интерфейс к компьютеру 2. Выход одноканального ШИМ, встроенного в микроконтроллер 1, подключен к входу RC-фильтра 3, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство измерения емкости для диэлькометрических влагомеров семян сельскохозяйственных культур, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, RC-фильтр и компьютер, причем емкостный датчик и образцовый конденсатор первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика и образцового конденсатора подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер, компьютер подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру, выход одноканального широтно-импульсного модулятора (ШИМ), встроенного в микроконтроллер, подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к неинвертирующему входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер, отличающееся тем, что дополнительно введены первая и вторая резистивные матрицы, причем общие точки соединения первых выводов резисторов первой и второй резистивных матриц подключены, соответственно, к вторым обкладкам емкостного датчика и образцового конденсатора, вторые выводы резисторов первой резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам первых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер, вторые выводы резисторов второй резистивной матрицы подключены, соответственно, к выходам вторых каналов двухканальных ШИМ, встроенных в микроконтроллер.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество резисторов первой резистивной матрицы равно количеству резисторов второй матрицы и равно количеству встроенных в микроконтроллер двухканальных ШИМ.