Способ определения ёмкости ёмкостного сенсора и устройство для его осуществления

Авторы патента:

Рабочий Александр Александрович (RU)

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

G01R27/16 - для измерения полного сопротивления элемента или цепи, через которые проходит ток от другого источника, например сопротивления кабеля, линии электропередачи

Владельцы патента RU 2740102:

Рабочий Александр Александрович (RU)

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.

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.

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.

Изобретение относится к метрологии. Способ измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора заключается в измерении собственной добротности объемного металлического резонатора в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением, электромагнитно связанного с волноводом с прямоугольным поперечным сечением, по частотной зависимости резонансной кривой, в измерении добротности связи частотной зависимости кривой частоты связи электромагнитно связанных объемного металлического резонатора и открытого диэлектрического резонатора с низшим Н-видом колебания с резонансной частотой равной резонансной частоте объемного металлического резонатора, который расположен в объемном металлическом резонаторе, и расчете по измеренным добротностям собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, поперечное сечение объемного металлического резонатора выбирают тождественным поперечному сечению волновода и с длиной, равной длине волны λ в волноводе на резонансной частоте объемного металлического резонатора, устанавливают объемный металлический резонатор продольно на внешней поверхности широкой стенки волновода, а открытый диэлектрический резонатор располагают в точке максимума магнитного поля с электромагнитными колебаниями вида Н102, где индексы 1,0 и 2 равны числу вариаций напряженностей поля, соответственно, вдоль поперечных осей х.

Способ и устройство для определения параметров емкостного компонента // 2734493

Настоящее изобретение относится к области определения емкости и коэффициента потерь каждого из множества емкостных компонентов устройства электропитания. Техническим результатом является устранение влияния температуры на результаты измерений.

Способ и устройство для определения параметров емкостного компонента // 2734493

Способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков в ка- диапазоне // 2728250

Использование: для создания устройств бесконтактного измерения диэлектрической проницаемости жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков заключается в том, что исследуемую среду облучают по нормали плоской электромагнитной волной, в которой опускается плоская металлическая пластина, определяется зависимость интенсивности отраженного поля от ширины слоя исследуемой жидкости, при этом искомый параметр вычисляется по формуле, полученной из условий интерференции на диэлектрическом слое.

Устройство контроля диаграммы направленности и формы отражающей поверхности антенной системы // 2725514

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к устройствам получения информации о свойствах диаграммы направленности излучения антенн при отражении от рефлектора, и предназначено для использования в подвижных системах радиосвязи, радиолокации от УФ до ТГц диапазона, а также для изучения отражающей поверхности тел и может быть использовано в средствах радиотехнического и радиолокационного контроля элементов систем обнаружения и пеленгования источников электромагнитного излучения.

Преобразователь электрической емкости для емкостного датчика // 2724299

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может применяться в качестве преобразователя неэлектрических величин, например толщины материала и его диэлектрической проницаемости в электрическую величину.

Преобразователь электрической емкости для емкостного датчика // 2724299

Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления // 2723987

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности к способам и устройствам для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей.

Способ и устройство измерения емкостного тока электрической сети с плавнорегулируемым дугогасящим реактором // 2723898

Область использования относится к электротехнике, а именно: к устройствам, предназначенным для измерения емкостного тока замыкания на землю в электрических распределительных сетях 6-35 кВ.

Способ оперативной идентификации параметров четырехпроводной распределительной сети 0,4 кв // 2734723

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к автоматизированным информационно-измерительным системам коммерческого учета электроэнергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей АИИС КУЭ в части оперативной диагностики и контроля электрического состояния участков линий распределительной сети 0,4 кВ, а также мониторинга в ней коммерческих и технических потерь электроэнергии.