Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем

Авторы патента:

G01R27/26 - для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных

Владельцы патента RU 2697715:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" (RU)

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. Технический результат заключается в повышении точности преобразования и расширении функциональных возможностей устройства благодаря возможности использования более совершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также увеличению вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства путем введения компьютера. Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит резистор 1, емкостный датчик 2, резистор 3, образцовый конденсатор 4, микроконтроллер 5 и компьютер 6. Емкостный датчик 1 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика 1 и образцового конденсатора 4 подключены соответственно к первым выводам резисторов 1 и 3, вторые выводы резисторов 1 и 3 подключены к выходам соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер 5 (на чертеже ШИМ не показаны), вторые обкладки емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 5 (на чертеже аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер 5 (на чертеже АЦП не показан), компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5. 1 ил.

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 электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов включены конденсаторы, соответственно измеряемой емкости и образцовой, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, индикатор, включенный между выходами интегрирующих звеньев. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, которое зависит от изменения измеряемой емкости и отражается индикатором (см. пат. РФ №2156472, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограниченные функциональные возможности.

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 - ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является 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 - низкая точность преобразований и ограниченные функциональные возможности, по причине несовершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также ограниченных вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем, обладающего повышенной точностью преобразования и расширенными функциональными возможностями за счет использования более совершенного алгоритма преобразования емкости в двоичный код, а также увеличению вычислительных и инфокоммуникационных возможностей устройства, путем введения компьютера.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, 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, введен компьютер, причем вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, 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.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного устройства емкости для встраиваемых вычислительных систем.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем содержит (фиг.) резистор 1, емкостный датчик 2, резистор 3, образцовый конденсатор 4, микроконтроллер 5 и компьютер 6. Емкостный датчик 1 и образцовый конденсатор 4 первыми обкладками подключены к общему проводу, вторые обкладки емкостного датчика 1 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно, к первым выводам резисторов 1 и 3, вторые выводы резисторов 1 и 3 подключены к выходам, соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), встроенных в микроконтроллер 5 (на фиг. ШИМ не показаны), вторые обкладки емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подключены, соответственно к первому и второму входам аналогового мультиплексора, встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. аналоговый мультиплексор не показан), выход аналогового мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер 5 (на фиг. АЦП не показан), компьютер 6 подключен через цифровой последовательный интерфейс к микроконтроллеру 5.

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем работает следующим образом.

Микроконтроллер 5, в соответствии с программой, настраивает первый и второй ШИМы на заданную частоту генерирования широтно-импульсных сигналов (ШИМ-сигналов) с заданными коэффициентами заполнения и запускает оба ШИМа, которые работают синхронно. Сопротивления резисторов 1 и 3, а также емкости емкостного датчика 2 и образцового конденсатора 4 подобраны так, чтобы на заданной частоте ШИМ-сигналов, переходные процессы в RC-цепях, образованных этими элементами длились от одного до трех постоянных времени RC-цепей. Микроконтроллер 5 выполняет алгоритм последовательно шаг за шагом:

Шаг 1. Микроконтроллер 5 подключает с помощью аналогового мультиплексора первый вход, к которому подключена первая обкладка емкостного датчика 2 к входу АЦП и выполняет несколько сотен преобразований, результаты которых сохраняет в оперативной памяти.

Шаг 2. Микроконтроллер 5 обрабатывает результаты преобразований АЦП и находит наименьшее и наибольшее значения, затем вычисляет разницу этих значений, таким образом, микроконтроллер 5 определяет размах изменения напряжения на емкостном датчике 2 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 3. Микроконтроллер 5 подключает с помощью аналогового мультиплексора второй вход, к которому подключена первая обкладка образцового конденсатора 4 к входу АЦП и выполняет столько же преобразований, сколько он выполнил при шаге 1, результаты преобразований сохраняет в оперативной памяти.

Шаг 4. Микроконтроллер 5 выполняет такие же действия, как и при реализации шага 2 с той разницей, что определяет размах изменения напряжения на образцовом конденсаторе 4 и сохраняет это значение в памяти.

Шаг 5. Микроконтроллер 5 определяет разницу между размахом напряжений на образцовом конденсаторе 4 и емкостном датчике 2, эта разница зависит от измеряемой емкости конденсаторного датчика 2. При возрастании емкости датчика 2 размах напряжения на нем уменьшается, а при уменьшении емкости датчика размах напряжения на нем возрастает.

Шаг 6. Микроконтроллер 5 отправляет результат преобразования через цифровой последовательный интерфейс на компьютер 6, который выводит этот результат на монитор.

Шаг 7. Микроконтроллер 5 осуществляет переход к выполнению шага 1.

Компьютер 6 может сохранять, полученные от микроконтроллера 5 результаты преобразований 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 6 позволяет оперативно записывать в программную память микроконтроллера 5 новые модифицированные программы, что также расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Микроконтроллер 5 способен изменять, в соответствии с программой, частоту следования ШИМ-сигналов и их коэффициенты заполнения, что необходимо для правильного согласования параметров RC-цепей (например, постоянной времени RC-цепей) и параметров ШИМ-сигналов.

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: благодаря введению новых связей реализован более совершенный алгоритм преобразования емкости в двоичный код, что повышает точность устройства; путем введения компьютера увеличены вычислительные и инфокоммуникационные возможности, что расширяет функционал устройства.

Микроконтроллерное измерительное устройство емкости для встраиваемых вычислительных систем, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, образцовый конденсатор, первый и второй резисторы, 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, отличающееся тем, что дополнительно введен компьютер, причем вторые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, 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.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения неэлектрических величин резистивными датчиками.

Способ бесконтактного измерения комплексной диэлектрической проницаемости полупроводящих жидкостей // 2688825

Использование: для создания устройств бесконтактного измерения комплексной диэлектрической проницаемости. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей заключается в том, что материал облучают электромагнитной волной по нормали к поверхности, измеряют интенсивность отраженной волны, при этом в исследуемую полупроводящую среду погружается плоская металлическая пластина, определяется зависимость интенсивности отраженного поля от глубины погружения, при этом искомый параметр определяется подбором до максимального совпадения положений максимумов и минимумов измеренной интерференционной зависимости с рассчитанной.

Способ определения сверхвысокочастотных параметров материала в полосе частот и устройство для его осуществления // 2688588

Использование: для определения сверхвысокочастотных параметров материала. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает измерение мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами без образца материала, установку образца материала на вращающую подставку в центре полигона между передающей и приемной антеннами, измерение мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами с образцом материала, вычисление мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами с расположенным между ними образцом материала и без него, расчет мощности и фазы комплексных сверхвысокочастотных параметров материала, при этом в полосе частот измеряют угловые зависимости мощности и фазы прошедшей и отраженной волн при повороте образца материала между передающей и приемной антеннами в двух перпендикулярных плоскостях поляризации, по измеренным угловым зависимостям мощности и фазы отраженной волны определяют углы Брюстера, а комплексные величины сверхвысокочастотных параметров рассчитывают по мощностям и фазам поля прошедшего через образец материала при нормальном падении и повернутого под углом Брюстера, причем, если не определяется угол, соответствующий углу Брюстера для поляризации с вектором электрического поля, перпендикулярным плоскости падения падающей волны, то для этой поляризации используется величина угла Брюстера для поляризации с вектором электрического поля в плоскости падения падающей волны.

Способ и устройство для бесконтактного определения удельного электросопротивления металлов в области высоких температур // 2687504

Изобретение относится к области физики, а именно к анализу материалов путем бесконтактного определения удельного электросопротивления нагреваемого в индукторе высокочастотного индукционного генератора металлического образца цилиндрической формы в диапазоне температур 1000-2500 К.

Способ мониторинга в режиме реального времени рабочего состояния емкостного датчика // 2686522

Изобретение относится к способу мониторинга в режиме реального времени рабочего состояния емкостного датчика. Оно находит свое применение, представляющее особый интерес, но не единственное, в измерении хода лопаток в ротационной машине или в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета или, например, турбина электрогенератора.

Способ мониторинга в режиме реального времени рабочего состояния емкостного датчика // 2686522

Устройство для измерения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток двухобмоточного трансформатора // 2685571

Изобретение относится к электрическим измерениям. Сущность изобретения заключается в том, что в последовательную цепь устройства для измерения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток двухобмоточного трансформатора дополнительно включена обмотка вспомогательного двухобмоточного трансформатора с переменным коэффициентом трансформации, а свободные обмотки исследуемого и вспомогательного трансформаторов соединены последовательно встречно, причем коэффициент трансформации вспомогательного трансформатора подобран равным коэффициенту трансформации измеряемого трансформатора.

Устройство для измерения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток двухобмоточного трансформатора // 2685571

Устройство для измерения емкости диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по эдс самоиндукции с функцией мегомметра // 2684955

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Устройство обнаружения недозволенных предметов или материалов, спрятанных в обуви // 2681662

Использование: для обнаружения недозволенных предметов или веществ. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обнаружения недозволенных предметов или веществ содержит опорное основание, выполненное с возможностью приема по меньшей мере одной обутой в обувь ноги человека, подлежащего проверке, при этом оно также содержит средство измерения электрической емкости, создаваемой подошвой обуви, расположенной на опорном основании.