Квазираспределенный RC датчик и способ измерения распределенных физических полей Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 G01R27/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области распределенных измерений физических величин, а именно к квазираспределенным датчикам и способам измерения параметров распределенных физических величин на основе таких датчиков.

Предшествующий уровень техники

Известен способ реализации квазираспределенных резистивных датчиков (Ó. Oballe-Peinado et al., "FPGA-Based Tactile Sensor Suite Electronics for Real-Time Embedded Processing," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 12, pp. 9657-9665, Dec. 2017, doi: 10.1109/TIE.2017.2714137), основанный на использовании резистивных чувствительных элементов и конденсаторов постоянной емкости. Суть данного способа заключается в использовании переходного процесса разряда конденсатора через сопротивление исследуемого резистивного чувствительного элемента. При этом для анализа переходного процесса не используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и время разряда конденсатора определяется по смене логического уровня на входе микросхемы программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). При этом, для исключения влияния погрешностей, связанных с непостоянством величины емкости конденсаторов и неодинаковым уровнем смены логического уровня на различных входах ПЛИС, в каждую измерительную цепь дополнительно вводят высокоточный резистор с постоянным сопротивлением.

Недостатком данного способа является использование только резистивных чувствительных элементов и измерение только поля одной распределенной физической величины.

Известен метод считывания показаний емкостного датчика, состоящего из множества емкостных чувствительных элементов (патент США №7755683B2, МПК H04N 5/335 (2006.01), H04N 3/14 (2006.01), опубл. 13.07.2010). Одиночные емкостные чувствительные элементы в данном случае соединены в матричную структуру, причем на пересечении одной линии строк и одной линии столбов находится только один емкостной чувствительный элемент. Способ измерения включает в себя: предварительный сброс выходного напряжения усилителя заряда; подключение всех линии строк и столбцов не сканируемых емкостных чувствительных элементов к опорному напряжению; подключение исследуемого емкостного чувствительного элемента и конденсатора обратной связи к инвертирующему входу усилителя; подачу ступенчатого напряжения на исследуемый емкостной чувствительный элемент, подключенный к инвертирующему входу усилителя; считывание напряжения в установившемся режиме.

Недостатком данного способа является использование только емкостных чувствительных элементов и измерение поля только одной распределенной физической величины. Также применение матричной структуры приводит к появлению перекрестных помех в процессе измерения и требует дополнительных технических решении для уменьшения влияния перекрестных помех на результаты измерения.

Известен распределенный датчик прикосновений и способ измерений (патент США №9024909B2, МПК G06F 3/045 (2006.01), G06F 3/044 (2006.01), G06F 3/041 (2006.01), опубл. 05.05.2015), в котором используются емкостные чувствительные элементы совместно с резистивными чувствительными элементами для получения большей измерительной информации по сравнению с использованием только емкостных чувствительных элементов. Данный распределенный датчик прикосновений состоит из множества чувствительных ячеек, объединенных в матричную структуру, состоящую из линии строк и столбцов. Причем на пересечении одной линии строк и одной линии строк находится только одна чувствительная ячейка. Чувствительная ячейка в свою очередь состоит из параллельно соединенных резистивного и емкостного чувствительных элементов. Процесс сканирования чувствительных элементов аналогичен тому, как это выполняется в резистивных матричных структурах, а именно выбирается исследуемая ячейка и с помощью мультиплексоров линии строк и столбцов обеспечивается доступ к исследуемой ячейке матрицы. В процессе измерений определяется полное электрическое сопротивление исследуемой чувствительной ячейки. При этом полное электрическое сопротивление может быть определено на различных частотах. Из полученной величины полного электрического сопротивления выделяют реальную и мнимую части и по заранее полученной калибровочной характеристики определяют сопротивление резистивного чувствительного элемента и емкость емкостного чувствительного элемента соответствующей ячейки.

Недостаток данного решения связан с недостатком матричных структур, а именно с возникновением перекрестных помех в процессе измерения. Данная особенность уменьшает точность измерений и требует технических решений для уменьшения или исключения влияния перекрестных помех.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является квазираспределенный резистивный датчик с древовидной структурой (Денисов Е. С., Шафигуллин И. Д., Евдокимов Ю. К. Квазираспределённый резистивный датчик с древовидной структурой //Автометрия. – 2021. – Т. 57. – №. 2. – С. 117-121.). Данный квазираспределенный резистивный датчик может использоваться в системах, где для подключения измерительного оборудования доступны только внешние выводы датчика. Квазираспределенный резистивный датчик состоит из электрически соединенных в древовидную структуру резистивных чувствительных элементов. Применение древовидной структуры обеспечивается возможность измерения величин сопротивлений отдельных резистивных чувствительных элементов по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания тока для зондирующего и измерительного сигналов. Древовидная структура позволяет сделать квазираспределенный датчик однослойным. Способ измерения распределенных физических величин основан на коммутации источника зондирующего сигнала и измерителя напряжения. При этом пути протекания токов для зондирующего и измерительного сигнала разные.

Недостатком данного способа является использование только резистивных датчиков, за счёт которого имеется возможность проводить измерения поля только одной распределенной физической величины. В случае использования разнородных резистивных чувствительных элементов, чувствительных к различным физическим величинам, уменьшается разрешающая способность по площади квазираспределенного резистивного датчика для соответствующего поля физической величины.

Раскрытие изобретения

Известны конструкции и способы, позволяющие измерять поле распределенной физической величины на основе квазираспределенных резистивных или квазираспределенных емкостных датчиков. Однако они не позволяют проводить одновременное измерение полей нескольких распределенных физических величин.

Также известны резистивно-емкостные датчики, позволяющие одновременно измерять распределение поля нескольких физических величин. Однако такие датчики реализованы на основе матричных структур, в которых основным недостатком является возникновение перекрестных помех, влияющих на точность измерений.

Предложенное изобретение позволяет исключить указанные недостатки.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является обеспечение возможности одновременного измерения нескольких распределенных физических величин.

Технический результат достигается путем использования отдельных резистивных R и емкостных C чувствительных элементов, соединенных параллельно между собой и образующих отдельные чувствительные RC-элементы, при этом отдельные чувствительные RC-элементы соединены в древовидную структуру и образуют квазираспределенный RC датчик.

Квазираспределенный RC датчик включает в себя набор электрически соединенных резистивных и емкостных чувствительных элементов, чувствительных к определенным физическим величинам. Отдельные резистивный R и емкостной C чувствительные элементы соединены параллельно между собой и образуют чувствительный RC-элемент, при этом отдельные чувствительные RC-элементы соединены в древовидную структуру, обеспечивающую различные пути протекания токов зондирующего и измерительного сигналов, с возможностью измерения сопротивления отдельного чувствительного RC-элемента по методу «вольтметра-амперметра» в установившемся, после коммутации источника зондирующего сигнала, режиме и величины емкости отдельного чувствительного RC-элемента по постоянной времени разряда емкостного С чувствительного элемента через подключенный параллельно резистивный R чувствительный элемент, возникающего после отключения источника зондирующего сигнала.

В одной внутренней точке квазираспределенного RC датчика соединяются n чувствительных RC-элементов, где n – целое число больше 2. При этом отдельный чувствительный RC-элемент могут быть выполнены в едином конструктивном исполнении.

Способ измерения физических величин на основе квазираспределенного RC датчика включает в себя следующие этапы:

этап 1, на котором подключают источник зондирующего сигнала к двум терминалам квазираспределенного RC датчика таким образом, чтобы ток зондирующего сигнала, формируемого источником электрического зондирующего сигнала, протекал через измеряемый чувствительный RC-элемент;

этап 2, на котором подключают измеряемый чувствительный RC-элемент к измерителю напряжения с высоким входным сопротивлением через другие два терминала квазираспределенного RC датчика таким образом, чтобы ток измерительной цепи и ток зондирующего сигнала протекали только через один общий измеряемый чувствительный RC-элемент;

этап 3, на котором ожидают промежуток времени, необходимый для завершения переходных процессов, связанных с зарядом емкостных C чувствительных элементов на пути протекания тока зондирующего сигнала;

этап 4, на котором определяют величину зондирующего тока;

этап 5, на котором определяют падение напряжения на исследуемом чувствительном RC-элементе посредством измерителя напряжения;

этап 6, на котором определяют величину сопротивления исследуемого чувствительного RC-элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока;

этап 7, на котором обеспечивают размыкание зондирующего тока для появления переходного процесса разряда емкостного C чувствительного элемента в исследуемом чувствительном RC-элементе;

этап 8, на котором измеряют переходной процесс на исследуемом чувствительном RC-элементе с помощью измерителя напряжения, при этом этапы 7 и 8 синхронизированы между собой и выполняются одновременно;

этап 9, на котором производят аппроксимацию полученного в этапе 8 переходного процесса функцией: (где – постоянная составляющая напряжения; – амплитудное значение напряжения; – постоянная времени RC-элемента) и определяют постоянную времени для данного RC-элемента;

этап 10, на котором определяют величину емкости исследуемого RC-элемента согласно формуле: , по известной величине постоянной времени , определенной на этапе 9, и рассчитанной на этапе 6 величине сопротивления ;

этап 11, на котором пересчитывают величину сопротивления и емкости измеряемого чувствительного RC-элемента в соответствующие физические величины;

этап 12, на котором повторяют этапы 1-11 для измерения величины сопротивления и емкости других чувствительных RC-элементов в структуре квазираспределенного RC датчика и пересчитывают их в соответствующие физические величины.

Заявляемый способ поясняется на фигурах

На фиг. 1 приведена реализация квазираспределенного RC датчика, состоящего из 7 чувствительных RC-элементов.

На фиг. 2 приведена иллюстративная схема квазираспределенного RC датчика, состоящего из 7 чувствительных RC-элементов, с указанием путей протекания токов формирователя зондирующего сигнала и измерительной цепи при проведений измерений сопротивления и емкости чувствительного RC-элемента RC2.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства для проведения измерений сопротивления и емкости чувствительных RC-элементов в структуре квазираспределенного RC датчика.

Сущность изобретения

Квазираспределенный RC датчик состоит из резистивных R и емкостных C чувствительных элементов. Отдельные резистивный R и емкостной C чувствительные элементы, соединенные параллельно между собой, образуют чувствительный RC-элемент. При этом отдельные чувствительные RC-элементы соединены в древовидную структуру, обеспечивающую различные пути протекания токов зондирующего и измерительного сигналов, с возможностью измерения сопротивления отдельного чувствительного RC-элемента по методу «вольтметра-амперметра» в установившемся, после коммутации источника зондирующего сигнала, режиме и величины емкости отдельного чувствительного RC-элемента по постоянной времени разряда емкостного С чувствительного элемента через подключенный параллельно резистивный R чувствительный элемент, возникающего после отключения источника зондирующего сигнала.

На фиг. 1 представлен один из возможных способов реализации квазираспределенного RC датчика, состоящего из 7 чувствительных RC-элементов. В каждой внутренней точке представленного квазираспределенного RC датчика соединяются 3 чувствительных RC-элемента, которые в свою очередь состоят из резистивного R и емкостного C чувствительных элементов. В других вариантах реализации квазираспределенного RC датчика количество чувствительных элементов может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от особенностей процесса и объекта измерений.

На фиг. 2 представлено распределение зондирующего тока и тока измерительной цепи при проведении измерений сопротивления и емкости исследуемого чувствительного RC-элемента RC2. При этом формирователь зондирующего сигнала подключен между выводами T1 и T2 и обеспечивает протекание зондирующего тока через чувствительные RC-элементы RC1, RC2 и RC4. Измеритель напряжения подключен между выводами T5 и T3, чтобы обеспечить тока измерительной цепи через исследуемый чувствительный RC-элемент RC2. В данном случае ток измерительной цепи протекает через чувствительные RC-элементы RC7, RC3, RC2 и RC5. При таких коммутациях формирователя зондирующего сигнала и измерителя напряжения получается измерительная схема аналогичная четырехпроводной схеме измерения, в котором влияние измерительных проводов и других чувствительных элементов на результаты измерения падения напряжения на исследуемом чувствительном RC-элементе сведено к минимуму.

На фиг. 3 представлена структурная схема устройства для измерения распределенных физических полей на основе квазираспределенного RC датчика с древовидной структурой. Данная схема включает в себя: 1 – Формирователь зондирующего сигнала; 2 – Измеритель величины зондирующего тока; 3 – Коммутатор зондирующего сигнала; 4 – Квазираспределенный RC датчик с древовидной структурой; 5 – Коммутатор измерителя напряжения; 6 – Измеритель напряжения; 7 – Блок управления и обработки данных.

Иллюстрации на фиг.1 – фиг.3 представлены исключительно в целях понимания сущности изобретения и никак не ограничивают объема данного изобретения.

Процесс измерения распределенных физических полей на основе квазираспределенного RC датчика с древовидной структурой состоит из следующих этапов:

этап 1, на котором подключают формирователь зондирующего сигнала 1 к двум терминалам квазираспределенного RC датчика с помощью коммутатора зондирующего сигнала 3 таким образом, чтобы ток зондирующего сигнала, формируемого формирователем зондирующего сигнала 1, протекал через измеряемый чувствительный RC-элемент квазираспределенного RC датчика 4 с древовидной структурой. При этом настройка формирователя зондирующего сигнала 1 и коммутатора зондирующего сигнала 3 проводится с помощью блока управления и обработки данных 7;

этап 2, на котором подключают измеряемый чувствительный RC-элемент квазираспределенного RC датчика 4 к измерителю напряжения 6, с высоким входным сопротивлением, за счет соответствующих коммутации внешних выводов квазираспределенного RC датчика 4 и входов измерителя напряжения 6 между собой с помощью коммутатора измерителя напряжения 5. Настройка коммутатора измерителя напряжения 5 проводится с помощью блока управления и обработки данных 7. При этом подключение измерителя напряжения 6 к внешним выводам квазираспределенного RC датчика 4 происходит таким образом, чтобы ток измерительной цепи и ток зондирующего сигнала протекали только через один общий измеряемый чувствительный RC-элемент;

этап 3, на котором ожидают промежуток времени, необходимый для завершения переходных процессов, связанных с зарядом емкостных C чувствительных элементов на пути протекания тока зондирующего сигнала;

этап 4, на котором, с помощью измерителя величины зондирующего тока 2, определяют величину зондирующего тока, протекающего через исследуемый чувствительный RC-элемент квазираспределенного RC датчика 4. После чего величина зондирующего тока передается в блок управления и обработки данных 7;

этап 5, на котором определяют падение напряжения на исследуемом чувствительном RC-элементе посредством измерителя напряжения 6. После чего величина падения напряжения на исследуемом чувствительном RC-элементе передается в блок управления и обработки данных 7;

этап 6, на котором, с помощью блока управления и обработки данных 7, рассчитывают величину сопротивления исследуемого чувствительного RC-элемента путем деления показания измерителя напряжения 6 на показания измерителя величины зондирующего тока 2;

этап 7, на котором, с помощью коммутатора зондирующего сигнала 3, обеспечивают размыкание зондирующего тока для появления переходного процесса разряда емкостного C чувствительного элемента в исследуемом чувствительном RC-элементе. При этом управление коммутатором зондирующего сигнала 3 происходит с помощью блока управления и обработки данных 7;

этап 8, на котором измеряют переходной процесс на исследуемом чувствительном RC-элементе с помощью измерителя напряжения 6. Далее полученные данные с измерителя напряжения передаются в блок управления и обработки данных. При этом этапы 7 и 8 синхронизированы между собой и выполняются одновременно;

этап 9, на котором, с помощью блока управления и обработки данных 7, производят аппроксимацию полученного в этапе 8 переходного процесса функцией: (где – постоянная составляющая напряжения; – амплитудное значение напряжения; – постоянная времени RC-элемента) и определяют постоянную времени для данного RC-элемента;

этап 10, на котором, с помощью блока управления и обработки данных 7, определяют величину емкости исследуемого RC-элемента согласно формуле: , по известной величине постоянной времени , определенной на этапе 9, и рассчитанной на этапе 6 величине сопротивления ;

этап 11, на котором, с помощью блока управления и обработки данных 7, пересчитывают величину сопротивления и емкости измеряемого чувствительного RC-элемента в соответствующие физические величины;

этап 12, на котором повторяют этапы 1-11 для измерения величины сопротивления и емкости других чувствительных RC-элементов в структуре квазираспределенного RC датчика и пересчитывают их в соответствующие физические величины.

Использование: для измерения сопротивления и емкости на основе квазираспределенного RC датчика. Сущность изобретения заключается в том, что для измерения сопротивления и емкости используют отдельные резистивные R и емкостные C чувствительные элементы, соединенные параллельно между собой и образующие отдельные чувствительные RC-элементы, при этом отдельные чувствительные RC-элементы соединены в древовидную структуру и образуют квазираспределенный RC датчик. Технический результат: обеспечение возможности одновременного измерения нескольких распределенных физических величин. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Квазираспределенный RC датчик включает в себя набор электрически соединенных резистивных и емкостных чувствительных элементов, чувствительных к определенным физическим величинам, отдельные резистивный R и емкостной C чувствительные элементы соединены параллельно между собой и образуют чувствительный RC-элемент, при этом отдельные чувствительные RC-элементы соединены в древовидную структуру, обеспечивающую различные пути протекания токов зондирующего и измерительного сигналов, с возможностью измерения сопротивления отдельного чувствительного RC-элемента по методу «вольтметра-амперметра» в установившемся, после коммутации источника зондирующего сигнала, режиме и величины емкости отдельного чувствительного RC-элемента по постоянной времени разряда емкостного С чувствительного элемента через подключенный параллельно резистивный R чувствительный элемент, возникающего после отключения источника зондирующего сигнала.

2. Способ измерения сопротивления и емкости на основе квазираспределенного RC датчика заключается в подключении источника зондирующего сигнала к двум терминалам квазираспределенного RC датчика таким образом, чтобы ток зондирующего сигнала, формируемого источником электрического зондирующего сигнала, протекал через измеряемый чувствительный RC-элемент, подключении измеряемого чувствительного RC-элемента к измерителю напряжения с высоким входным сопротивлением через другие два терминала квазираспределенного RC датчика таким образом, чтобы ток измерительной цепи и ток зондирующего сигнала протекали только через один общий измеряемый чувствительный RC-элемент; определении величины зондирующего тока, определении падения напряжения на исследуемом чувствительном RC-элементе посредством измерителя напряжения, определении величины сопротивления исследуемого чувствительного RC-элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока, обеспечивании размыкания зондирующего тока для появления переходного процесса разряда емкостного C чувствительного элемента в исследуемом чувствительном RC-элементе, измерении переходного процесса на исследуемом чувствительном RC-элементе с помощью измерителя напряжения, при этом этап на котором обеспечивают размыкание зондирующего тока для появления переходного процесса разряда емкостного C чувствительного элемента в исследуемом чувствительном RC-элементе и этап на котором измеряют переходной процесс на исследуемом чувствительном RC-элементе с помощью измерителя напряжения синхронизированы между собой и выполняются одновременно, аппроксимации переходного процесса функцией: (где – постоянная составляющая напряжения; – амплитудное значение напряжения; – постоянная времени RC-элемента) и определении постоянной времени для данного RC-элемента, определении величины емкости исследуемого RC-элемента согласно формуле: , по известной величине постоянной времени и рассчитанной величине сопротивления , пересчитывании величины сопротивления и емкости измеряемого чувствительного RC-элемента в соответствующие физические величины, повторении предыдущих этапов для измерения величины сопротивления и емкости других чувствительных RC-элементов в структуре квазираспределенного RC датчика и пересчитывании их в соответствующие физические величины.