способ определения параметров емкостного и резисторного сенсоров и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения параметров емкостного и резисторного сенсоров, при котором измеряют длительность разряда емкостного элемента через сопротивление резистора до заданного значения напряжения и по измеренной длительности определяют параметр цепи разряда, отличающийся тем, что емкостный сенсор заряжают до первого заданного значения напряжения через сопротивления резисторного сенсора и разрядного резистора, измеряют и запоминают длительность заряда, разряжают емкостный сенсор до второго заданного значения напряжения через сопротивление разрядного резистора, измеряют и запоминают длительность разряда, а параметры сенсоров вычисляют из условий заряда и разряда емкостного сенсора:

С_х =Т_р/K₁R; (R_x+R)=Т_з /К₂С_х,

где R_x, С_х - соответственно сопротивление резисторного сенсора и емкость емкостного сенсора;

Т_р, Т_з - соответственно время разряда и заряда емкостного сенсора;

R - заданное значение сопротивления разрядного резистора;

K₁ , К₂ - известные постоянные коэффициенты, определяемые выбранными уровнями напряжений заряда и разряда.

2. Устройство определения параметров емкостного и резисторного сенсоров, содержащее ключи заряда и разряда емкостного сенсора, первую схему сравнения уровней напряжения, первый источник опорного напряжения, первая схема сравнения имеет информационные вход, опорный вход и выход, выход первого источника опорного напряжения соединен с опорным входом первой схемы сравнения, RS-триггер, вычислительный блок, выход первой схемы сравнения соединен с входом сброса RS-триггера, выход RS-триггера соединен с входом вычислительного блока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены вторая схема сравнения, второй источник опорного напряжения, инвертор, разрядный резистор, зарядный и разрядный ключи снабжены управляющими входами, выход RS-триггера соединен с управляющим входом разрядного ключа и входом инвертора, выход инвертора соединен с управляющим входом зарядного ключа, резисторный сенсор, разрядный резистор и емкостный сенсор соединены последовательно, первый вывод резисторного сенсора соединен с выходом зарядного ключа, общая точка соединения второго вывода резисторного сенсора и первого вывода разрядного резистора соединена с входом разрядного ключа, общая точка соединения второго вывода разрядного резистора и первого вывода емкостного сенсора соединена с информационными входами первой и второй схем сравнения, выход второй схемы сравнения соединен с входом установки RS-тригтера, второй вывод емкостного сенсора соединен с выходом разрядного ключа, а опорный вход второй схемы сравнения соединен с выходом второго источника опорного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам определения параметров емкостных и резисторных сенсоров, используемых в качестве датчиков различных величин, например температуры, влажности, давления.

Известен способ определения параметров емкостных и резисторных элементов, при котором измеряют длительность разряда емкостного элемента от одного уровня напряжения до заданного второго уровня напряжения, по измеренной длительности разряда определяют один из параметров разрядной цепи, при этом второй из параметров должен быть известен (обычно в виде образцового элемента). Например, если определяется значение емкостного элемента, то образцовым должно быть сопротивление разрядного резистора. Если определяется значение резисторного элемента, то должно быть известно значение емкости емкостного элемента. Этот способ и устройство 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.

Недостаток известного способа состоит в том, что определяется только параметр одного из испытуемых элементов и для каждого измерения требуется свой эталон. Это усложняет процесс определения параметров и сужает функциональные возможности способа.

Например, такой способ практически невозможно использовать при дистанционном определении параметров двух сенсоров, удаленных от измерителя.

Задача, решаемая в изобретении, состоит в упрощении процесса определения параметров сенсоров и расширении функциональных возможностей способа. Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения параметров емкостного и резисторного сенсоров, при котором измеряют длительность разряда емкостного элемента через сопротивление резистора до заданного значения напряжения и по измеренной длительности определяют параметр цепи разряда, емкостный сенсор заряжают до первого заданного значения напряжения через сопротивления резисторного сенсора и разрядного резистора, измеряют и запоминают длительность заряда, разряжают емкостный сенсор до второго заданного значения напряжения через сопротивление разрядного резистора, измеряют и запоминают длительность разряда, а параметры сенсоров вычисляют из условий заряда и разряда емкостного сенсора:

Т_з=К ₂С_х(R_x+R); T_p=K₁ C_xR,

где R_x, С_х - определяемые параметры - сопротивление резисторного сенсора и емкость емкостного сенсора;

Т_р, Т_з - соответственно время разряда и заряда емкостного сенсора;

R - заданное (образцовое) значение сопротивления разрядного резистора;

K₁, K₂ - известные постоянные коэффициенты, соответствующие выбранным уровням напряжений заряда и разряда.

В устройство определения параметров емкостного и резисторного сенсоров, содержащее ключи заряда и разряда емкостного сенсора, первую схему сравнения уровней напряжения, первый источник опорного напряжения, RS-триггер, вычислительный блок, первая схема сравнения имеет информационные вход, выход и опорный вход, выход первого источника опорного напряжения соединен с опорным входом первой схемы сравнения, выход первой схемы сравнения соединен с входом сброса RS-триггера, выход RS-триггера соединен с входом вычислительного блока, согласно изобретению, дополнительно введены вторая схема сравнения, второй источник опорного напряжения, инвертор, разрядный резистор, зарядный и разрядный ключи снабжены управляющими входами, выход RS-триггера соединен с управляющим входом разрядного ключа и входом инвертора, выход инвертора соединен с управляющим входом зарядного ключа, резисторный сенсор, разрядный резистор и емкостный сенсор соединены последовательно, первый вывод резисторного сенсора соединен с выходом зарядного ключа, общая точка соединения второго вывода резисторного сенсора и первого вывода разрядного резистора соединена с входом разрядного ключа, общая точка соединения второго вывода разрядного резистора и первого вывода емкостного сенсора соединена с информационными входами первой и второй схем сравнения, выход второй схемы сравнения соединен с входом установки RS-триггера, второй вывод емкостного сенсора соединен с выходом разрядного ключа, а опорный вход второй схемы сравнения соединен с выходом второго источника опорного напряжения.

Заявляемый способ определения параметров емкостного и резисторного сенсоров отличается от известного, принятого за прототип, тем, что параметры двух сенсоров определяют при наличии только одного образцового (разрядного) резистора. При этом используется процесс заряда и разряда емкостного элемента с разными постоянными времени заряда и разряда. Это дает возможность сделать процесс циклическим без замены образцового элемента. Измерение времени заряда и разряда с определенными уровнями напряжений при заряде и разряде дает возможность получения двух уравнений с двумя неизвестными, поэтому вычисление двух неизвестных параметров становится возможным в вычислительном устройстве. Таким образом процесс определения параметров упрощается, так как используется лишь один образцовый элемент, а функциональные возможности расширяются, так как определяются параметры двух сенсоров за один цикл измерений. Устройство для реализации способа отличается от известного, принятого за прототип, тем, что содержит дополнительно вторую схему сравнения напряжений, второй источник опорного напряжения, дополнительный разрядный резистор, инвертор (логический элемент НЕ), зарядный и разрядный ключи снабжены управляющими входами, причем выход RS-триггера соединен с управляющим входом разрядного ключа, входом инвертора и входом вычислительного блока, выход инвертора соединен с управляющим входом зарядного ключа, резисторный сенсор, разрядный резистор и емкостный сенсор соединены последовательно, общая точка соединений резисторного сенсора и разрядного резистора соединена с входом разрядного ключа, общая точка соединения разрядного резистора и первого вывода емкостного сенсора соединена с информационными входами обеих схем сравнения, выход второй схемы сравнения соединен с установочным входом RS-триггера, опорный (установочный) вход второй схемы сравнения соединен с выходом второго источника опорного напряжения.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию изобретения "новизна".

Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в их совокупности. Таким образом, заявляемые способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть использованы в системах дистанционного контроля физических величин с помощью резисторных и емкостных сенсоров, отражающих значения контролируемых величин путем изменения собственных параметров в соответствии с изменением этих величин. Таким образом, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "промышленная применимость".

Заявляемый способ и устройство поясняются чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ, а на фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие процессы, характеризующие способ. На фиг.1 обозначено: U_з - зарядное напряжение; U_c - напряжение на емкостном сенсоре; U₁, U₂ - соответственно заданные уровни напряжения разряда и заряда; U_т - напряжение на выходе RS-триггера; 1 - управляемый зарядный ключ; 2 - резисторный сенсор, имеющий сопротивление R_х; 3 - разрядный (образцовый) резистор, имеющий сопротивление R; 4 - емкостный сенсор, имеющий емкость С_х; 5 - первая схема сравнения (элемент сравнения), на опорный вход которой подано напряжение U₁ от первого источника опорного напряжения (на схеме не показан); 6 - вторая схема сравнения напряжений (элемент сравнения), на опорный вход которой подано напряжение U₂ от второго источника опорного напряжения (на схеме не показан); 7 - RS-триггер, имеющий входы: установочный - S и вход сброса - R. На выходе триггера образуется напряжение (сигнал) U_т, принимающее одно из двух значений (логические 1 или 0); 8 - вычислительное устройство; 9 - управляемый разрядный ключ (управляющий вход изображен стрелкой); 10 - инвертор (логический элемент НЕ). На фиг.2 обозначено: Т_з - продолжительность заряда емкостного сенсора от уровня напряжений U₁ до уровня напряжения U₂; T_р - продолжительность разряда емкостного сенсора от уровня U₂ до уровня U₁; Т - текущее время.

Предлагаемый способ и устройство работают следующим образом. После инициализации схемы, показанной на фиг.1, на выходе RS-триггера напряжение U_т принимает, например, значение "0". При этом управляющий сигнал на управляющем входе разрядного ключа 9 также имеет уровень "0", а сигнал на управляющем входе зарядного ключа имеет уровень "1". Зарядный ключ замыкает цепь заряда, заряд осуществляется по цепи U_з-1-2-3-4-"Земля" от источника зарядного тока (на схеме не показан). При достижении напряжением U_с уровня U₂ (момент T ₁ фиг.2) на выходе элемента 6 образуется импульс, воздействующий на вход S RS-триггера и вызывающий появление сигнала U_т на выходе RS-триггера. Ключ 1 размыкается, ключ 9 замыкается. Начинается разряд емкостного элемента С_х по цепи С _х-R-ключ 9-"Земля"-С_х. Емкостный элемент разряжается в течение времени разряда T_р до уровня напряжения U₁ (момент T₂ фиг.2). При спаде напряжения U_с на емкостном сенсоре до уровня U ₁ схема сравнения 5 выдает сигнал на вход сброса R триггера 7, ключ 9 разрывает цепь разряда и включается цепь заряда, процесс повторяется.

В каждом цикле заряд - разряд на выходе RS-триггера образуются прямоугольные импульсы, скважность которых будет определяться продолжительностью заряда и разряда емкостного сенсора. При этом время заряда определяется постоянной времени заряда, которая будет иметь значение:

_з=(R_x+R)C_x

Постоянная времени разряда будет обусловлена параметрами цепи разряда

_p=C_xR

Продолжительность времени заряда и разряда будет обусловлена выбранными (заданными) значениями опорных напряжений.

При заряде: U₂=U₁ ехр(Т_з/ _з);

при разряде: U₁=U₂ ехр(-T_р/ _p), если входы схем сравнения обладают достаточно высоким входным сопротивлением. В этом случае продолжительности времени заряда и разряда могут быть вычислены из следующих выражений:

Т_з= _зln(U₂/U₁).

Т _р= _р|ln(U₁/U₂)|

Функция вычислительного блока 8 заключается в том, чтобы измерить Т _з, запомнить его, измерить Т_р, запомнить это значение и произвести соответствующие вычисления.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в упрощении процесса определения параметров двух сенсоров и расширении функциональных возможностей способа, например, при дистанционном определении параметров.