Устройство для измерения емкости конденсаторного датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для счета событий кратковременно изменяющих емкость конденсаторного датчика. Устройство содержит два одновибратора, включенных по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих звена, подключенных к входам аналогового компаратора, соединенного с микроконтроллером, и цифровой индикатор. Выходы одновибраторов подключены соответственно к входам интегрирующих звеньев. Во времязадающую цепь первого одновибратора включен конденсаторный датчик и времязадающий резистор. Во времязадающую цепь второго одновибратора включен конденсатор образцовой емкости и времязадающий резистор. Изобретение позволяет не только измерять непрерывно изменяющуюся емкость датчика, но и подсчитывать частоту изменения емкости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для счета событий, кратковременно изменяющих емкость конденсаторного датчика, например частоты вращения вала, для счета изделий, движущихся мимо конденсаторного датчика, а также для измерения и контроля непрерывно изменяющихся неэлектрических величин конденсаторными датчиками.

Известно устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, два одновибратора, во времязадающую цепь одного одновибратора включена измеряемая емкость, во времязадающую цепь другого одновибратора - образцовая, три логических элемента, RS-триггер и блок индикации. Положительным перепадом прямоугольного импульса напряжения тактового генератора осуществляется одновременный запуск обоих одновибраторов. На выходе устройства формируется разница в длительности импульсов, поступающих от одновибраторов, пропорциональная измеряемой емкости. Результат измерения отражается блоком индикации в формах “Меньше”, “Больше” (см. авт.св. 1629877, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного устройства - узкие функциональные возможности.

Известно устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащее два одновибратора с перезапуском, генератор тактовых импульсов и индикатор, во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов включены конденсаторы соответственно измеряемой емкости и образцовой, первый выход первого одновибратора подключен к первому входу запуска второго одновибратора, первый выход которого подключен к первому входу запуска первого одновибратора, ко вторым входам запуска обоих одновибраторов подключен выход тактового генератора, между вторыми выходами одновибраторов включен блок индикации, содержащий два светодиода, включенных встречно - параллельно. Одновибраторы запускаются одновременно от импульсов тактового генератора. В зависимости от соотношения измеряемой и образцовой емкостей времязадающих конденсаторов светится один из двух светодиодов блока индикации, указывая на превышение одной емкости по отношению к другой. В случае, когда емкости равны, светодиоды погашены (см. пат. РФ №2099724, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного устройства - узкие функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенных по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих звена, подключенных к выходам соответствующих одновибраторов, индикатор, включенный между выходами интегрирующих звеньев, резисторы обратной связи, во времязадающую цепь одного одновибратора включен конденсатор измеряемой емкости, во времязадающую цепь другого одновибратора - конденсатор образцовой емкости. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, которое зависит от изменения измеряемой емкости и которое отражается индикатором (см. пат. РФ №2156472, кл. G 01 27/26).

Недостаток известного решения - узкие функциональные возможности.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения емкости конденсаторного датчика, содержащее первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, первое и второе интегрирующие звенья, во времязадающую цепь первого одновибратора включен конденсаторный датчик и первый времязадающий резистор, во времязадающую цепь второго одновибратора включен конденсатор образцовой емкости и второй времязадающий резистор, который первым выводом подключен к времязадающей цепи, выходы первого и второго одновибраторов подключены к входам первого и второго интегрирующих звеньев, введены аналоговый компаратор, микроконтроллер и цифровой индикатор, причем выходы первого и второго интегрирующих звеньев подключены соответственно к первому и второму входам аналогового компаратора, выход которого подключен к тестируемому входу микроконтроллера, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к второму выводу второго времязадающего резистора, цифровой индикатор подключен к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера. Тестируемый вход микроконтроллера является счетным входом счетчика микроконтроллера.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения емкости конденсаторного датчика. Устройство содержит одновибраторы 1 и 2, включенные по схеме кольцевого автогенератора, интегрирующие звенья 3 и 4, аналоговый компаратор 5, микроконтроллер 6 и цифровой индикатор 7. Во времязадающую цепь одновибратора 1 включен конденсаторный датчик Сх и времязадающий резистор R1, во времязадающую цепь одновибратора 2 включен конденсатор образцовой емкости Со и времязадающий резистор R2, первый вывод которого подключен к времязадающей цепи. Выходы одновибраторов 1 и 2 подключены соответственно к входам интегрирующих звеньев 3 и 4, выходы которых подключены к входам аналогового компаратора 5, выход которого подключен или к тестируемому входу микроконтроллера 6 или к счетному входу счетчика микроконтроллера 6, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к второму выводу времязадающего резистора R2, цифровой индикатор 7 подключен к выводам одного из портов микроконтроллера 6.

Устройство работает следующим образом.

Одновибраторы 1 и 2 запускаются по очереди, перепадами напряжения друг от друга. На выходах обоих одновибраторов формируются импульсы напряжения прямоугольной формы, которые поступают на входы соответствующих интегрирующих звеньев. На выходе интегрирующего звена 3 формируется постоянное напряжение U1, на выходе интегрирующего звена 4 формируется постоянное напряжение U2. Микроконтроллер с помощью встроенного широтно-импульсного модулятора путем изменения коэффициента заполнения управляет длительностью импульсов одновибратора 2 и таким образом управляет напряжениями U1 и U2, которые подводятся соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам аналогового компаратора 5.

Допустим, предлагаемое устройство предназначено для измерения частоты вращения вала электродвигателя. В этом случае выход аналогового компаратора 5 должен быть подключен к счетному входу счетчика микроконтроллера 6, напряжение U2 в исходном состоянии должно быть меньше напряжения U1. На вал электродвигателя напрессована, например, шестерня, которая является первой обкладкой конденсаторного датчика Сх. Зубья шестерни при вращении вала электродвигателя перемещаются относительно неподвижно закрепленной второй обкладки датчика Сх. При приближении зуба шестерни ко второй обкладке датчика емкость последнего возрастает, что приводит к возрастанию U1 и уменьшению U2. Аналоговый компаратор 5 переключает выходное напряжение из низкого логического уровня в высокий логический уровень. При удалении зуба шестерни от неподвижной обкладки датчика емкость последнего уменьшается, что приводит к снижению U1 и повышению U2. Аналоговый компаратор 5 переключает выходное напряжение из высокого логического уровня в низкий. Таким образом, на выходе аналогового компаратора 5 формируются прямоугольные импульсы, которые поступают на счетный вход счетчика микроконтроллера 6. Микроконтроллер 6 вычисляет частоту следования прямоугольных импульсов и переводит ее в частоту вращения вала, значение которой выводит на цифровой индикатор 7.

Если предлагаемое устройство использовать для измерения непрерывно изменяющейся неэлектрической величины, изменение которой приводит к изменению емкости Сх датчика, то в этом случае выход аналогового компаратора 5 должен быть подключен к тестируемому входу микроконтроллера 6. Допустим, емкость Сх датчика возросла, это приведет к возрастанию U1, на выходе аналогового компаратора 5 появится высокий логический уровень напряжения, что зарегистрирует микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 с помощью широтно-импульсного модулятора снижает напряжение U2, аналоговый компаратор 5 переключает выход в низкий логический уровень напряжения, и т.д. Таким образом, микроконтроллер 6 следит за напряжением U1, а следовательно, и за изменением емкости Сх. По значению коэффициента заполнения широтно-импульсного модулятора, при котором U1=U2, микроконтроллер 6 определяет значение измеряемой емкости Сх, которое выводит на цифровой индикатор 7.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими указанными техническими решениями имеет преимущества: реализует, кроме функции измерения непрерывно изменяющейся емкости датчика еще и функцию подсчета частоты изменения емкости конденсаторного датчика, например конденсаторного датчика частоты вращения вала двигателя. Экспериментальные исследования показали, что предлагаемое устройство способно регистрировать частоту вращения вала 12000 оборотов в минуту и это не предел.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения емкости конденсаторного датчика, содержащее первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, первое и второе интегрирующие звенья, во времязадающую цепь первого одновибратора включен конденсаторный датчик и первый времязадающий резистор, во времязадающую цепь второго одновибратора включен конденсатор образцовой емкости и второй времязадающий резистор, который первым выводом подключен к времязадающей цепи, выходы первого и второго одновибраторов подключены к входам первого и второго интегрирующих звеньев, отличающееся тем, что в него введены аналоговый компаратор, микроконтроллер и цифровой индикатор, причем выходы первого и второго интегрирующих звеньев подключены соответственно к первому и второму входам аналогового компаратора, выход которого подключен к тестируемому входу микроконтроллера, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера подключен к второму выводу второго времязадающего резистора, цифровой индикатор подключен к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тестируемый вход микроконтроллера является счетным входом счетчика микроконтроллера.

РИСУНКИ

Рисунок 1