УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕНИСКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
APPARATUS FOR MEASURING MENISCUS OF FLUID MEDIUM

Область техники к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для измерения геометрии менисков текучих сред.
Кроме того, настоящее изобретение относится к катетеру, содержащему такое устройство.
Далее, настоящее изобретение относится к способу измерения геометрии текучей среды.
Уровень техники
В публикации WO 2006/035407 А1 раскрыта управляемая линзовая оптическая система. Упомянутая система содержит линзу, имеющую камеру, содержащую первую и вторую текучие среды, поверхность раздела между которыми определяет поверхность линзы. Эта система дополнительно содержит электродную конструкцию, содержащую первый электрод и второй электрод для электрического управления формой поверхности линзы, контур обратной связи для управления электродной конструкцией на основании сигнала, генерируемого емкостным чувствительным устройством, которое служит для измерения емкости между первым и вторым электродами.
Методика, раскрытая в публикации WO 2006/035407 А1, менее пригодна для получения специфических геометрических форм менисков текучих сред, например, плоских наклонных менисков или менисков симметричной вогнутой или выпуклой формы.
Публикация WO 2006/048187 описывает линзу с переменным фокусным расстоянием. Для определения мениска вокруг камеры текучей среды расположены четыре измерительных сегмента. Каждый сегмент соединен с соответствующим измерителем емкости. Отдельный набор сегментов используется для приложения асимметричного электрического поля для измерения формы мениска.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства в том виде, как оно описано в вводной части, для более точного измерения геометрии менисков текучих сред. Эта задача решается устройством в соответствии с настоящим изобретением, содержащим камеру текучей среды, содержащую первую текучую среду и вторую текучую среду, из которых первая текучая среда является электрически проводящей, и из которых вторая текучая среда является электрически изолирующей, и при этом первая и вторая текучие среды являются взаимно несмешивающимися и контактируют одна с другой по мениску текучих сред; главный электросмачиваемый электрод, расположенный в главной плоскости, и вспомогательные электросмачиваемые электроды, частично окружающие камеру текучей среды и расположенные во вспомогательной плоскости для управления геометрией менисков текучих сред; источник напряжения для подачи соответствующих электрических напряжений между главным электросмачиваемым электродом и множеством вспомогательных электросмачиваемых электродов; при этом эти электрические напряжения содержат соответствующие частоты или сигналы прямоугольной формы, и измерительную схему для раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и, по меньшей мере, двумя из вспомогательных электросмачиваемых электродов, причем измерительная схема содержит преобразователь для демодуляции сигнала, представляющего упомянутые емкости, посредством сигналов демодуляции, содержащих соответствующие частоты или сигналы прямоугольной формы, для разложения сигнала на соответствующие составляющие сигнала.
Обеспечением множества вспомогательных электросмачиваемых электродов и измерением емкостей между главным электросмачиваемым электродом и, по меньшей мере, двумя из вспомогательных электросмачиваемых электродов имеется благоприятная возможность более точного определения мениска текучей среды. Упомянутые вспомогательные электросмачиваемые электроды взаимно электрически соединены между собой посредством электрически проводящей первой текучей среды, содержащейся в первой камере текучей среды. Следовательно, в зависимости от характеристик первой текучей среды существует значительное взаимодействие между вспомогательными электросмачиваемыми электродами. Это взаимодействие между вспомогательными электродами затрудняет определение отдельной емкости. То есть из-за упомянутого взаимодействия сигнал, являющийся представлением емкостей между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, определяет общую характеристику. Чтобы противодействовать последствиям взаимодействия между вспомогательными электросмачиваемыми электродами устройство в соответствии с настоящим изобретением включает в себя преобразователь для демодуляции сигнала, представляющего емкости между главным электросмачиваемым электродом и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов. Более конкретно - упомянутый сигнал разлагается на составляющие, представляющие емкости, связанные с отдельными вспомогательными электросмачиваемыми электродами. Следовательно, емкости между главным электросмачиваемым электродом и, по меньшей мере, двумя из вспомогательных электросмачиваемых электродов доступны для раздельного измерения. То есть, при этом доступно больше информации, относящейся к действительной геометрии мениска текучей среды. В результате устройство в соответствии с настоящим изобретением получает возможность более точного измерения геометрии мениска текучей среды.
В предпочтительном варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением измерительная схема сконфигурирована для измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов. Преимущество этого состоит в том, что при этом будет доступно больше информации, относящейся к действительной геометрии мениска текучей среды.
В предпочтительном варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство содержит цепь управления напряжением для управления напряжением, приложенным между главным электросмачиваемым электродом и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов, на основании сигнала управления, сгенерированного измерительной схемой. Выгода от этого признака состоит в компенсации отклонений между реальной геометрией мениска текучей среды и требуемой геометрией мениска текучей среды. Упомянутые отклонения могут возникать в результате возможного наличия производственных допусков или в результате изменения текучих сред в месте работы устройства, например изменения температуры. Кроме того, отклонения вызываются вследствие изменения ориентации камеры текучей среды относительно гравитационного поля в том случае, когда плотность первой текучей среды отличается от плотности второй текучей среды. Цепь управления напряжением производит компенсацию вышеупомянутых отклонений сравнением сигнала, сгенерированного измерительной схемой, с введенной опорной величиной сигнала, которая представляет собой требуемую геометрию мениска текучей среды, с последующим приложением соответствующего напряжения между главным электросмачиваемым электродом и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов на основании возможной разности между сигналом, сгенерированным измерительной схемой, и сигналом опорной величины.
В следующем предпочтительном варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением измерительная схема содержит операционный усилитель для измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и, по меньшей мере, двумя из вспомогательных электросмачиваемых электродов. Операционный усилитель оснащен контуром обратной связи, при этом данный контур обратной связи содержит предопределенную измерительную емкость, и при этом данный операционный усилитель сконфигурирован для совместной работы со входом преобразователя. Преимущество измерительной схемы рассматриваемого варианта исполнения состоит в ее возможности противодействовать возмущающим эффектам, обусловленным возможными паразитными емкостями, и эти возможные паразитные емкости препятствуют точному измерению емкостей между главным электросмачиваемым электродом и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов.
Потенциальным источником такой паразитной емкости является коаксиальный измерительный кабель. Поэтому рассматриваемый вариант исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением является особенно предпочтительным для таких применений, в которых главный электросмачиваемый электрод и вспомогательные электросмачиваемые электроды расположены на удалении от измерительной схемы. В этом случае упомянутая конфигурация и упомянутая измерительная схема, предпочтительно, взаимно соединены посредством коаксиального кабеля. Примером такого применения является катетер, в котором упомянутая конфигурация установлена на вершине катетера для перенаправления ультразвука и/или лазерного луча во время сканирования. При относительно небольших размерах кончика катетера измерительная схема не может быть встроена в упомянутый кончик катетера. Следовательно, следующим преимуществом этого варианта исполнения является тот факт, что оно позволяет использовать это устройство в катетере.
В данном конкретном примере каждый из вспомогательных электросмачиваемых электродов сопровождается по меньшей мере одной паразитной емкостью. В дополнение к этому, эти паразитные емкости взаимосвязаны. То есть емкости между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами взаимно взаимодействуют посредством первой и второй текучих сред, содержащихся в камере текучей среды. В дополнение к этому паразитные емкости не постоянны вследствие изгибных перемещений коаксиального кабеля во время работы.
В следующем варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением измерительная схема содержит переключающую схему, содержащую первый измерительный конденсатор, имеющий предопределенную первую измерительную емкость, и второй измерительный конденсатор, имеющий предопределенную вторую измерительную емкость, при этом первая и вторая измерительные емкости взаимно различны, а переключающая схема дополнительно содержит переключатель для попеременного взаимно исключающего включения первого и второго измерительных конденсаторов, где переключающая схема сконфигурирована для совместной работы со входом преобразователя. Преимущество измерительной схемы данного варианта исполнения состоит в ее способности подавления возмущающих воздействий, обусловленных возможными паразитными емкостями, и эти возможные паразитные емкости препятствуют точному измерению емкостей между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами.
В предпочтительном варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением преобразователь является преобразователем частотной области, а источник напряжения сконфигурирован для генерации напряжения конкретных частот. Преобразователь частотной области демодулирует сигналы, представляющие емкости между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, используя сигналы демодуляции, каждый из которых имеет частотные составляющие, соответствующие частотам, на которых источником напряжения активизируются соответствующие вспомогательные электросмачиваемые электроды.
В практическом варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением преобразователь является преобразователем временной области. При этом преобразователь временной области демодулирует сигналы, представляющие емкости между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, используя сигналы демодуляции, где каждый сигнал демодуляции является сигналом прямоугольной формы, имеющим низкое значение и высокое значение. Источник напряжения содержит выключатели напряжения для попеременного отключения напряжения, соответствующего высокому уровню соответствующих значений демодуляции. В том случае, когда прямоугольный сигнал достигает своего низкого значения, соответствующее напряжение отключается соответствующим выключателем напряжения. Когда прямоугольный сигнал достигает своего высокого значения, соответствующее напряжение включается соответствующим выключателем напряжения.
В другом практическом варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением первая текучая среда имеет первую скорость звука, а вторая текучая среда имеет вторую скорость звука, при этом первая и вторая скорости звука взаимно различны. То есть скорость звука, распространяющегося через первую текучую среду, имеет первую величину, а скорость звука, распространяющегося через вторую текучую среду, имеет вторую величину, при этом эти первая и вторая скорости взаимно различны. В результате соответствующим управлением геометрии мениска текучей среды этот мениск текучей среды наделяется возможностью перенаправления звука. Возможным применением рассматриваемого варианта исполнения является управление ультразвуковым лучом.
В еще одном практическом варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением первая текучая среда имеет первый показатель преломления, а вторая текучая среда имеет второй показатель преломления, причем первый и второй показатели преломления взаимно различны. В результате соответствующим управлением геометрии мениска текучей среды этот мениск текучей среды наделяется возможностью перенаправления электромагнитного излучения, например луча лазера.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа измерения геометрии менисков текучих сред между электрически проводящей первой текучей средой и электрически изолирующей второй текучей средой, содержащимися в камере текучей среды, причем, текучих сред, являющихся взаимно несмешивающимися, содержащего этапы обеспечения соответствующих электрических напряжений между главным электросмачиваемым электродом, расположенным в главной плоскости, и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, частично окружающими камеру текучей среды и расположенными во вспомогательных плоскостях, причем эти электрические напряжения содержат соответствующие частоты или сигналы прямоугольной формы, и раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и по меньшей мере двумя вспомогательными электросмачиваемыми электродами измерительной схемой, содержащей преобразователь для демодуляции сигнала, представляющего упомянутые соответствующие емкости, посредством сигналов демодуляции, содержащих соответствующие частоты или сигналы прямоугольной формы, для разложения сигнала на соответствующие составляющие сигнала.
В предпочтительном варианте исполнения способа в соответствии с настоящим изобретением содержится этап управления напряжением, поданным на вспомогательные электросмачиваемые электроды, где упомянутое напряжение основано на сигнале, сгенерированном измерительной схемой.
Следующей задачей настоящего изобретения является обеспечение катетера для управления в реальном масштабе времени направлением звукового или электромагнитного излучения. Эта задача настоящего изобретения решается катетером в соответствии с настоящим изобретением, при этом данный катетер оснащен устройством по настоящему изобретению.
Дополнительно устройство относится к использованию устройства в соответствии с настоящим изобретением в катетере, в оптическом записывающем диске и в фотоаппарате, как это определено в пп.11-13.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1А условно в поперечном сечении показывает устройство, содержащее камеру текучей среды, главный электросмачиваемый электрод и вспомогательные электросмачиваемые электроды.
Фиг. 1В условно показывает вид снизу устройства, изображенного на фиг. 1А.
Фиг. 2 условно воспроизводит модель электрического поведения электросмачиваемой линзы вместе с коаксиальными кабелями и измерительной схемой, причем измерительная схема приложена к устройству по фиг. 1А и 1В.
Фиг. 3А условно в поперечном сечении показывает устройство, содержащее камеру текучей среды, главный электросмачиваемый электрод и вспомогательные электросмачиваемые электроды, при этом устройство дополнительно содержит измерительную схему, оснащенную преобразователем временной области.
Фиг. 3В условно показывает вид снизу устройства, изображенного на фиг. 3А.
Фиг. 4 условно воспроизводит модель электрического поведения электросмачиваемой линзы вместе с коаксиальными кабелями и измерительной схемой, где измерительная схема приложена к устройству по фиг. 3А и 3В.
Фиг. 5 показывает блок-схему, представляющую способ измерения геометрии менисков текучих сред.
Подробное описание чертежей
Первый вариант исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 1А, 1В и фиг. 2. Фиг. 1А показывает поперечное сечение и вид снизу устройства 102, а фиг. 1В показывает вид упомянутого устройства. Устройство 102 содержит камеру 104 текучей среды, а эта камера 104 текучей среды имеет дно 106 и стенку, имеющую части 108, 110, 112 и 114 (см. также фиг. 1В). Части 108, 110, 112 и 114 оснащены изолирующим слоем 116 для предотвращения коротких замыканий, - см. фиг. 1А. В альтернативных вариантах исполнения камера текучей среды может иметь коническую или цилиндрическую стенку, или любую другую подходящую стенку. Устройство 102 дополнительно содержит главный электросмачиваемый электрод 118, который в данном конкретном варианте исполнения прикреплен к дну 106, и вспомогательные электросмачиваемые электроды 120, 122, 124 и 126 - см. фиг. 1В, которые частично окружают камеру 104 текучей среды и прикреплены к частям 108, 110, 112 и 114, соответственно. В этом конкретном примере главная плоскость 119 и вспомогательные плоскости 121, 123, 125 и 127 между собой не совпадают.
Обратимся к фиг. 1А - там камера 104 текучей среды содержит первую текучую среду 128 и вторую текучую среду 130, при этом первая и вторая текучие среды являются взаимно не смешивающимися и определяют мениск 132 текучей среды, являющийся поверхностью раздела между текучими средами 128 и 130. Первая текучая среда 128 является электрически проводящей, а вторая текучая среда является электрически изолирующей. То есть первая текучая среда 128 имеет первую электрическую проводимость, а вторая текучая среда имеет вторую электрическую проводимость, при этом вторая электрическая проводимость значительно меньше по сравнению с первой электрической проводимостью. В идеальном случае вторая электрическая проводимость является ничтожной. Предпочтительно, плотность первой текучей среды и плотность второй текучей среды не имеют значительной взаимной разницы, что делает устройство 102 относительно не чувствительным к изменениям его ориентации относительно поля тяжести.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
1
2
Во время работы к соответствующим вспомогательным электросмачиваемым электродам 120, 122, 124 и 126 посредством источника напряжения 134 прилагаются напряжения V, V, V и V на частотах f, f, f и f, соответственно. Здесь поддерживается условие f≠f≠f≠f. При обеспечении подачи на вспомогательные электросмачиваемые электроды упомянутых напряжений посредством управления контактными углами φ и φ (см. фиг. 1А) производится управление геометрией мениска 132 текучей среды. Контактный угол φопределяется как угол между мениском 132 текучей среды и частью 108 стенки, а контактный угол φ,соответственно, определяется как угол между мениском 132 текучей среды и частью 112 стенки (см. фиг. 1В). В этом варианте исполнения целью является наклонный мениск текучей среды, как показано на фиг. 1А. Контактные углы управляются посредством использования эффекта электросмачивания. Контактные углы вычисляются посредством измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом 118 и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов 120, 122, 124 и 126. Более точно - вышеупомянутые емкости определяются размерами площадей 136 и 138 электросмачиваемых электродов, покрытых электрически проводящей первой текучей средой 128, где площади 136 и 138, покрытые электрически проводящей первой текучей средой 128 изменяются пропорционально упомянутым контактным углам. Контактные углы между мениском 132 текучей среды и частями 110 и 114 стены управляются одинаково.
Как показано на фиг. 1А, в данном конкретном примере устройство 102 с целью управления направлением ультразвукового пучка 142, создаваемого ультразвуковым преобразователем 144, установлено на вершине 140 катетера. Для этого в первой текучей среде создается первая скорость звука, а во второй текучей среде создается вторая скорость звука, причем первая скорость звука отличается от второй скорости звука. Прерывность условий для скоростей звука, имеющая место на мениске 132 текучей среды, будет перенаправлять ультразвуковой пучок. Следовательно, управлением угла наклона мениска текучей среды производится управление ультразвукового пучка 142 в направлении внутренней целевой области, например внутри тела человека. За более подробной информацией читатель отсылается к публикации WO 2006/035407 А1. Устройство 102 не ограничено его применением в катетерах; другими обещающими областями применениями его являются эндоскопия, иглы в биопсии, а также сканирующие микроскопы.
1
2
3
4
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5.
Из-за малых размеров конца катетера измерительная схема 144 и источник напряжения 134 не могут быть встроены в вершину 140 катетера. Следовательно, измерительная схема 144 и источник напряжения 134 удалены от вершины 140 катетера. Измерительная схема 144 сконфигурирована для раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом 118 и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 120, 122, 124 и 126 на основании сигнала 153. Сигнал 153 является индикативным для емкостей между главным электросмачиваемым электродом 118 и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов 120, 122, 124 и 126, которые (эти емкости) на иллюстрациях обозначены, соответственно, С, С, С и С (см. фиг. 1А и 1В). Следовательно, в этом конкретном примере измерительной цепочкой 144 "рассматривается" каждый из вспомогательных электросмачиваемых электродов 120, 122, 124 и 126. Измерительная схема 144 и источник напряжения 134 физически подсоединены к электросмачиваемой линзе посредством коаксиальных кабелей 146, 148, 150 и 152. Хотя упомянутые коаксиальные кабели экранированы таким образом, что никаких взаимных "завязок" между этими коаксиальными кабелями не существует, коаксиальные кабели 146, 148, 150 и 152 образуют значительные паразитные конденсаторы, имеющие паразитные емкости С, С, С, Си С Эти паразитные емкости не постоянны вследствие изгибных перемещений коаксиальных кабелей 146, 148, 150 и 152 во время использования устройства. Следует заметить, что кабели 146, 148, 150 и 151 могут быть выполнены как кабели с единой электрической изоляцией, между которыми могут возникать паразитные емкости.
1
2
3
4
meas
+
-
-
+
-
Р1
Р2
Р3
Р4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Р5
-
meas
V
Фиг. 2 показывает модель для электрического поведения устройства 102. Кроме того, на фиг. 2 более подробно показана измерительная схема 144, используемая в устройстве на фиг. 1А и 1В. В целях раздельного измерения емкостей С, С, С и С измерительная схема 202 содержит операционный усилитель 204, оснащенный контуром 206 обратной связи, при этом данный контур 206 обратной связи содержит измерительный конденсатор 208, имеющий измерительную емкость C. Положительный входной сигнал V операционного усилителя заземлен. Вследствие наличия контура отрицательной обратной связи отрицательный входной сигнал V операционного усилителя 201 заземлен "виртуально", то есть выдерживается равенство V=V. Последнее означает, что V= 0 [В]. Хотя через эти паразитные емкости С, С, С и С будут протекать токи, напряжения на емкостях С, С, С и С будут равны, соответственно V, V, V и V. Токи, текущие через емкости С, С, С и С, не будут протекать через емкость С, поскольку эта емкость соединена с отрицательным входом V операционного усилителя, который "сидит" на "виртуальной земле". Поэтому напряжение , характеризующее сигнал 210, представляющий емкости между главным электросмачиваемым электродом 118 и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 120, 122, 124, определяется из следующего уравнения:
jωС
V
i
i
i
i
i
jωС
V
jωС
V
jωС
V
jωС
V
meas
meas
1
k
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
4
k=4
=Σ =+++= +++[1],
ω
j
meas
meas
где соответствует мнимой части переменной Лапласа, а  обозначает мнимую единицу. Кроме того, V есть напряжение на конденсаторе C, измеренное посредством самого по себе известного вольтметра.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
meas1
meas2
meas3
meas4
1
2
3
4
Измерительная схема 202 содержит, далее, преобразователь 212, который в данном конкретном примере выполняет преобразование частотной области. В качестве альтернативы может быть использовано преобразование временной области. Операционный усилитель 204 связан со входом 211 преобразователя 212. Преобразователь 212 размножает сигнал 210, который представляет емкости С, С, С и С, во множество сигналов 214, 216, 218 и 220, каждый из которых представляет упомянутые емкости. Число таких размножений соответствует количеству вспомогательных электросмачиваемых электродов. После размножения сигналы 214, 216, 218 и 220 демодулируются с использованием сигналов демодуляции, имеющих, соответственно, частоты f, f, f и f. Частоты сигналов демодуляции идентичны частотам, на которых от источника питания 134 активизируются вспомогательные электросмачиваемые электроды 120, 122, 124 и 126 (см. фиг. 1В). Сигналы демодуляции могут быть синусоидальными. Альтернативно, сигналы демодуляции могут быть реализованы в виде напряжения прямоугольной или иной подходящей формы. Частоты f, f, f и f являются такими, что по окончании демодуляции в сигнал постоянного тока (то есть, с частотой в 0 Гц) преобразуется только одна частотная составляющая сигналов 214, 216, 218 и 220 (см. фиг. 2), хотя в демодулированных сигналах 222, 224, 226 и 228 возможно присутствие других частотных составляющих, находящихся достаточно далеко от 0 Гц, имеющих, например, по меньшей мере 100 Гц. Во время работы демодулированные сигналы 222, 224, 226 и 228 фильтруются прохождением, соответственно, через низкочастотные фильтры 230, 232, 234 и 236, имеющие такие частоты отсечки, при которых демодулированные компоненты постоянного тока сигналов не подвергаются никаким изменениям, в то время как высокочастотные составляющие эффективно подавляются. Отфильтрованные низкочастотные сигналы 238, 240, 242 и 244 характеризуются напряжениями V, V, V и V, и эти напряжения соотносятся, соответственно, с емкостями С, С, С и С в соответствии со следующим соотношением:
<i>jωС</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas</sub> =<i> jωС</i><sub>k</sub><i>V</i><sub>1</sub><i>,</i>
[2]
где k ∈ {1, 2, 3, 4}.
k
Поэтому каждая из емкостей С между главным электросмачиваемым электродом 118 и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 120, 122, 124, определяется из следующего соотношения:
<i>С</i><sub>k </sub>= (<i>V</i><sub>meas k</sub><i>С</i><sub>meas</sub><i>)/ V</i><sub>k</sub>,
[3]
где k ∈ {1, 2, 3, 4}.
k
Следует заметить, что первый вариант исполнения в соответствии с настоящим изобретением не обязательно ограничен количеством 4 вспомогательных электросмачиваемых электродов, то есть допускается, что индекс  принимает любое целочисленное значение, при условии, что эта целая не менее 2.
1
2
3
4
set
set
1
2
3
4
set
set
set
1
2
3
4
set
measured
measured
1
2
3
4
set
measured
set
measured
1
2
3
4
φ
φ
φ
С
С
С
С
С
С
С
С
С
На фиг. 1А и 1В показана цепь 154 управления напряжением. Эта цепь 154 управления напряжением сконфигурирована для управления напряжениями V, V, V и V, подаваемыми, соответственно, на вспомогательные электросмачиваемые электроды 120, 122, 124 и 126, на основании сигнала 156 управления, генерируемого измерительной схемой 144, так чтобы реальная геометрия мениска 132 текучей среды соответствовала требуемой геометрии мениска 132 текучей среды. Требуемая геометрия мениска 132 текучей среды обозначена уставкой  введенной величины контактного угла. В данном конкретном варианте исполнения  представляет собой четырехмерный вектор, содержащий опорные значения для каждого из контактных углов φ, φ, φ (не показаны) и φ (не показан) между мениском 132 текучей среды и частями 108, 110, 112 и 114 стен, соответственно. Уставка  контактного угла посредством преобразовательной таблицы 158 преобразуется в уставку  емкости. Уставка  емкости представляет собой четырехмерный вектор, содержащий опорные значения для емкостей С, С, С и С, то есть для емкостей между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 120, 122, 124 и 126. Преобразовательная таблица 158, может быть, например, получена экспериментально. В четырехмерной суммирующей точке 160 уставка  емкости сравнивается с измеренной емкостью , где  представляет собой четырехмерный вектор, содержащий емкости С, С, С и С, как они определены измерительной схемой 144. Контроллер 162 подает на источник напряжения 134 четырехмерный сигнал 164 управляющего напряжения, который реагирует на разницу Δ между  и , то есть Δ =  - . Сигнал 164 управляющего напряжения подается также на измерительную схему 144, чтобы упомянутая измерительная схема могла производить вычисление в соответствии с уравнением [3]. Следовательно, источник напряжения 134 подает вышеупомянутые напряжения V, V, V и V, соответственно, на вспомогательные электросмачиваемые электроды 120, 122, 124 и 126. Следует заметить, что только ради данного конкретного варианта исполнения цепь 154 управления напряжением предназначена для управления четырьмя напряжениями. То есть нет никакого ограничения на количество напряжений, управляемых вышеупомянутой цепью управления напряжением, при условии, что это количество по меньшей мере равно двум.
Второй вариант исполнения настоящего изобретения изображен на фиг. 3А, фиг. 3В и фиг. 4. Фиг. 4А показывает поперечное сечение устройства 302, а фиг. 3В показывает вид снизу упомянутого устройства 302. Устройство 302 содержит камеру 304 текучей среды, при этом камера 304 текучей среды имеет верхнюю часть 306 и стенку, имеющую части 308, 310, 312 и 314 стены (см. фиг. 3В). Части 308, 310, 312 и 314 стенки покрыты изолирующим слоем 316 для предотвращения коротких замыканий (см. фиг. 3А). В альтернативных вариантах исполнения камера 304 текучей среды может иметь коническую или цилиндрическую стенку, или любую иную подходящую стенку. Устройство 302 содержит заземленный главный электросмачиваемый электрод 318, прикрепленный к верхней части 306. В данном конкретном примере устройство 302 содержит два вспомогательных электросмачиваемых электрода 320, 322, которые частично окружают камеру 304 текучей среды и которые прикреплены, соответственно, к частям 308 и 312 стены.
Как показано на фиг. 3А, камера 304 текучей среды содержит первую текучую среду 324 и вторую текучую среду 326, при этом первая текучая среда 324 и вторая текучая среда 326 являются взаимно несмешивающимися и находятся в контакте одна с другой, образуя мениск 328 текучей среды. Первая текучая среда 324 является электрически проводящей, а вторая текучая среда 326 является электрически изолирующей. То есть первая текучая среда 324 имеет первую электропроводность, а вторая текучая среда 326 имеет вторую электропроводность, причем первая электропроводность значительно мала по сравнению со второй электропроводностью. В идеальном случае вторая электропроводность пренебрежимо мала.
1
2
1
2
1
2,
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
2
1
1
2
Во время работы посредством источника питания 330 к вспомогательным электросмачиваемым электродам 320 и 322 прикладываются напряжения V и V. Посредством приложения к вспомогательным электросмачиваемым электродам 320 и 322 упомянутых напряжений управления контактными углами φ и φпроизводится управление геометрией мениска 328 текучей среды. Контактный угол φ определяется как угол между мениском 328 текучей среды и частью 308 стенки, а контактный угол φсоответственно, определяется как угол между мениском 328 текучей среды и частью 312 стенки (см. фиг. 1В). В этом примере целью является создание "направленной вверх" геометрии мениска 328 текучей среды, то есть, если смотреть со стороны дна камеры 304 текучей среды. Упомянутые контактные углы управляются посредством использования эффекта электросмачивания. Контактные углы φ и φподсчитываются через измерение емкостей между главным электросмачиваемым электродом 318 и каждым из вспомогательных электросмачиваемых электродов 320 и 322. То есть вышеупомянутые емкости определяются размерами областей 332 и 334 электросмачиваемых электродов, покрытых электропроводящей первой текучей средой 324, в то время как эти области 332 и 334, покрытые электропроводящей первой текучей средой 324, изменяются пропорционально контактным углам φ и φ. Напряжения V и V посредством, соответственно, первого выключателя 331 напряжения и второго выключателя 333 напряжения попеременно коммутируются. В течение периода времени t напряжение V подключено, в то время как напряжение V отключено. В течение периода времени t подключено напряжение V, а напряжение V отключено. Следовательно, в каждый момент времени запитывается один из вспомогательных электросмачиваемых электродов 320 и 322, то есть временные периоды tи t все время повторяются.
1
2
В данном варианте исполнения устройство 302 установлено в оптическом записывающем диске с целью управления в реальном масштабе времени направлением лазерного луча 338, генерированного лазером 340 (см. фиг. 3А). С этой целью первая текучая среда 324 имеет первый показатель преломления, а вторая текучая среда 326 имеет второй показатель преломления, при этом первый и второй показатели преломления взаимно различны. Прерывность показателей преломления, имеющая место на мениске 328 текучей среды будет перенаправлять созданный лазером 340 лазерный луч 338. Следовательно, посредством управления контактными углами φ и φ лазерный луч 338 фокусируется в целевой области, например на оптическом записывающем диске.
1
2
Р1
Р2
Р3
Как показано на фиг. 3А и 3В, измерительная схема 342 и источник напряжения 330 расположены на удалении от электросмачиваемой линзы 302. Измерительная схема 342 сконфигурирована для раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом 318 и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 320 и 322, которые обозначены соответственно С и С. Измерительная схема 342 и источник напряжения 330 физически подсоединены к устройству 302, предпочтительно, посредством коаксиальных кабелей 344, 346 и 348. Хотя коаксиальные кабели 344, 346 и 348 заэкранированы таким образом, что между этими коаксиальными кабелями не возникает никаких взаимных завязок, эти коаксиальные кабели создают значительные паразитные конденсаторы, имеющие паразитные емкости С, С и С. Упомянутые паразитные емкости не постоянны вследствие изгибных перемещений коаксиальных кабелей 344, 346 и 348 во время использования устройства.
1
2
meas
meas
1
2
хС
х
Фиг. 4 показывает модель для электрического поведения устройства 302. Кроме того, на фиг. 4 более подробно показана измерительная схема 342, используемая в устройстве на фиг. 3А и 3В. С целью раздельного измерения емкостей С и С измерительная схема 202 содержит переключающую схему 404. Эта переключающая схема 404 содержит первый измерительный конденсатор 406, имеющий известную емкость C, и второй измерительный конденсатор 408, имеющий известную емкость , где ≠ 1. Переключающая схема 404 дополнительно содержит переключатель 410 емкости для попеременного включения первого и второго конденсаторов 406 и 408 взаимно исключающим образом. Посредством первого переключателя 407 напряжения и второго переключателя 409 напряжения выполняется, соответственно, попеременная коммутация напряжений V и V.
1
2
1
1
1
meas1
1
1
2
V
В течение периода времени t напряжение V удерживается отключенным. Во время первой части периода времени t переключатель 410 емкости включает первый измерительный конденсатор 406, а во время второй части периода времени t переключатель 410 емкости включает второй измерительный конденсатор 408. Поэтому во время первой части периода времени t напряжение , которое представляет собой сигнал 412 во время первой части периода времени t, при этом сам сигнал 412 представляет емкости С и С, дается следующим уравнением:
<i>jωС</i><sub>1</sub><i>(V</i><sub>1</sub>-<i>V</i><sub>meas1</sub><i>)</i> =<i> jω(С</i><sub>P3</sub>+<i>С</i><sub>R2</sub><i>) V</i><sub>meas1</sub>+<i>jωС</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas1,</sub>
[4]
R2
Р2
2
где С обозначает результирующую емкость, обусловленную емкостями С и С, причем эта результирующая емкость определяется в соответствии со следующим уравнением:
<i>С</i><sub>R2</sub><i>= С</i><sub>2</sub><i>С</i><sub>Р2</sub><i>/(С</i><sub>2</sub><i>+С</i><sub>Р2</sub><i>)</i>,
[5]
V
meas2
1
Подобным же образом, в случае, когда включен второй измерительный конденсатор 408, для напряжения , то есть напряжения, которое представляет собой сигнал 412 во время второй части периода времени t, получается следующее выражение:
<i>jωС</i><sub>1</sub><i>(V</i><sub>1</sub>-<i>V</i><sub>meas2</sub><i>)</i> =<i> jω(С</i><sub>P3</sub>+<i>С</i><sub>R2</sub><i>) V</i><sub>meas2 </sub>+<i>jωхС</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas2</sub>.
[6]
R2
1
1
1
2
1
Р3
1
Рассматривая уравнения [4] и [6], полагаем, что результирующая емкость С в течение периода времени t остается постоянной. Период времени t связан с задающей частотой, обычно равной от 1 кГц до 1МГц, при этом данная частота значительно выше, чем полоса пропускания первой и второй текучих сред 324 и 326, содержащихся в камере 304 текучей среды. Следовательно, последнее допущение справедливо и, следовательно, оно не уменьшает точность, связанную с измерением емкостей С и С. Объединением уравнений [4] и [6] получается система двух линейных уравнений. Эта последняя система включает в себя два неизвестных, то есть, емкость С и паразитную емкость С. Указанная система линейных уравнений может быть решена относительно неизвестной емкости С, и это решение дается следующим уравнением:
<i>С</i><sub>1 </sub><i>= (x-1) С</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas1</sub><i>V</i><sub>meas2</sub><i>/V</i><sub>1</sub><i>(V</i><sub>meas1</sub>-<i>V</i><sub>meas2</sub>).
[7]
2
2
2
1
2
meas3
2
V
В течение первой части периода времени t переключатель 410 емкости включает первый измерительный конденсатор 406, а в течение второй части периода времени t переключатель 410 емкости включает второй измерительный конденсатор 408. В течение периода времени t напряжение V удерживается отключенным. Поэтому в течение первой части периода времени t напряжение , которое представляет собой сигнал 412 во время первой части периода времени t, дается следующим уравнением:
<i>jωС</i><sub>2</sub><i>(V</i><sub>2</sub>-<i>V</i><sub>meas3</sub><i>)</i> =<i> jω(С</i><sub>P3</sub>+<i>С</i><sub>R1</sub><i>) V</i><sub>meas3</sub>+<i>jωС</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas3</sub>.
[8]
R1
Р1
1
где С обозначает результирующую емкость, обусловленную емкостями С и С, причем эта результирующая емкость определяется в соответствии со следующим уравнением:
<i>С</i><sub>R1</sub><i>= С</i><sub>1</sub><i>С</i><sub>Р1</sub><i>/(С</i><sub>1</sub><i>+С</i><sub>Р1</sub><i>)</i>.
[9]
V
meas4
1
Подобным же образом, в случае, когда включен второй измерительный конденсатор 408, для напряжения , напряжение, которое представляет собой сигнал 412 во время второй части периода времени t, получается следующее выражение:
<i>jωС</i><sub>2</sub><i>(V</i><sub>2</sub>-<i>V</i><sub>meas4</sub><i>)</i> =<i> jω(С</i><sub>P3</sub>+<i>С</i><sub>R1</sub><i>) V</i><sub>meas4</sub>+<i>jωхС</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas4</sub>.
[10]
R2
2
2
1
1
2
2
Р3
2
Рассматривая уравнения [8] и [10], полагаем, что результирующая емкость С в течение периода времени t остается постоянной. Подобно периоду времени t период времени tсвязан с задающей частотой, обычно равной от 1 кГц до 1 МГц, при этом данная частота значительно выше, чем полоса пропускания первой и второй текучих сред 324 и 326, содержащихся в камере 304 текучей среды. Следовательно, последнее допущение справедливо и, следовательно, оно не уменьшает точность, связанную с измерением емкостей С и С. Объединением уравнений [8] и [10] получается система двух линейных уравнений, и эта система включает в себя два неизвестных, а именно: емкость С и паразитную емкость С. Последняя система линейных уравнений может быть решена относительно неизвестной емкости С, решение для которой дается следующим уравнением:
<i>С</i><sub>2 </sub><i>= (x-1) С</i><sub>meas</sub><i>V</i><sub>meas3</sub><i>V</i><sub>meas4</sub><i>/V</i><sub>2</sub><i>(V</i><sub>meas3</sub>-<i>V</i><sub>meas4</sub>).
[11]
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Измерительная схема 402 дополнительно содержит преобразователь 414, который использует преобразование временной области. Со входом 413 преобразователя 414 связана переключающая цепочка 404. Преобразователь 414 размножает сигнал 412, который представляет емкости С и С, во множество сигналов 416 и 418, каждый из которых представляет эти емкости С и С. Число таких размножений соответствует количеству вспомогательных электросмачиваемых электродов. После размножения сигналы 416 и 418 демодулируются соответственно фильтрами 420 и 422 с использованием сигналов демодуляции. На фильтры 420 и 422 подаются сигналы демодуляции, и в данном конкретном случае демодулирующие сигналы представляет собой сигналы прямоугольной формы. Здесь сигналом прямоугольной формы считается сигнал, который может иметь два значения - низкого уровня и высокого уровня. В этом конкретном примере низкий уровень установлен равным нулю. Первый прямоугольный сигнал, подаваемый на фильтр 420, достигает высокого уровня в течение временного периода t, а второй прямоугольный сигнал, подаваемый на фильтр 422, достигает высокого уровня в течение временного периода t. Следовательно, первый прямоугольный сигнал доходит до своего высокого уровня, когда включено напряжение V, а второй прямоугольный сигнал доходит до своего высокого уровня, когда включено напряжение V. В результате демодулированные сигналы 242 и 246 могут быть приложены только, соответственно, к емкостям С и С.
Следует заметить, что переключающая схема 404 не обязательно содержит два измерительных конденсатора, то есть приемлемыми являются два измерительных резистора, имеющих два известных и взаимно различных сопротивления, или две измерительные катушки индуктивности, имеющие две известные и взаимно различные индуктивности. В более общем смысле, приемлемыми могут быть два линейных электронных измерительных элемента. Здесь линейный электронный измерительный элемент определяется как пассивный электронный элемент, то есть электронный элемент, имеющий линейное соотношение между током и напряжением, между током и производной по времени напряжения или между производными по времени тока и напряжения. При этом уравнения [4]-[11] будут иными.
1
2
Обратимся к фиг. 3А и 3В, на которых показана схема 350 управления. Схема 350 управления напряжением сконфигурирована для управления напряжениями Vи V, подаваемыми, соответственно, на вспомогательные электросмачиваемые электроды 320 и 322 на основании сигнала управления 343, генерируемого измерительной схемой 342 таким образом, чтобы действительная геометрия мениска 328 текучей среды соответствовала требуемой геометрии мениска 328 текучей среды (см. фиг. 3А).
φ
φ
φ
С
С
С
С
С
С
С
С
С
set
set
1
2
set
set
set
1
4
set
measured
measured
1
2
set
measured
set
measured
1
2
Требуемая геометрия для геометрии мениска 328 текучей среды, обозначена уставкой  введенной величины контактного угла, где  в данном конкретном варианте исполнения представляет собой двухмерный вектор, содержащий опорные значения для каждого из контактных углов φ и φ между мениском 132 текучей среды и частями 308 и 312 стен соответственно. Уставка  контактного угла посредством преобразовательной таблицы 352 преобразуется в уставку  емкости. В данном конкретном варианте исполнения уставка  емкости представляет собой двухмерный вектор, содержащий опорные значения для емкостями С и С, то есть для емкостей между главным электросмачиваемым электродом 318 и вспомогательными электросмачиваемыми электродами 320 и 322. Преобразовательная таблица 352 может быть, например, получена экспериментально. В двухмерной суммирующей точке 354 уставка  емкости сравнивается с измеренной емкостью , где  представляет собой двухмерный вектор, содержащий емкости С и С, как они определены измерительной схемой 342. Контроллер 356 подает на источник напряжения 330 двухмерный сигнал 358 управляющего напряжения, который реагирует на разницу Δ между  и , то есть Δ=-. Следовательно, источник напряжения 330 обеспечивает вышеупомянутые напряжения V и V соответственно на вспомогательные электросмачиваемые электроды 320 и 322. Сигнал 358 управляющего напряжения подается также на измерительную схему 342, чтобы упомянутая измерительная схема могла производить вычисление в соответствии с уравнениями [7] и [11].
Фиг. 5 условно в виде блок-схемы показывает вариант исполнения способа в соответствии с настоящим изобретением. Этот способ сконфигурирован для измерения геометрии мениска текучей среды между электрически проводящей первой текучей средой и электрически изолирующей второй текучей среды, которые содержатся в камере текучей среды, и где эти текучие среды являются взаимно несмешивающимися.
Данный способ содержит этап 502 подачи напряжения между главным электросмачиваемым электродом, расположенным в главной плоскости, и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, частично окружающими камеру текучей среды и расположенными во вспомогательной плоскости, не являющейся главной плоскостью. Способ далее содержит этап 504 раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и по меньшей мере двумя вспомогательными электросмачиваемыми электродами посредством измерительной схемы, содержащей преобразователь. Способ содержит этап 506 управления напряжением, приложенным между вспомогательными электросмачиваемыми электродами, на основании сигнала, выработанного измерительной схемой.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и подробно описано как на чертежах, так и на вышеприведенном описании, эти иллюстрации и это описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничивающие. Настоящее изобретение не сводится к раскрытым вариантам исполнения. Например, ни устройство, ни способ по настоящему изобретению не накладывают никаких ограничений на количество вспомогательных электросмачиваемых электродов, при условии, что это количество не менее двух. Кроме того, скорость звука в первой текучей среде, а также показатель преломления первой текучей среды могут быть отличны, соответственно, от скорости звука в первой текучей среде, а также от показателя преломления первой текучей среды. Помимо этого, измерение, содержащее операционный усилитель, освещенный контуром отрицательной обратной связи, которая обеспечивается измерительной емкостью, где операционный усилитель сконфигурирован для совместной работы со входом преобразователя, может производиться вместе с преобразованием временной области. Следует заметить, что устройство по настоящему изобретению и все его компоненты могут быть выполнены с использованием уже известных процессов и материалов. В наборе пунктов формулы изобретения и в описании слово "содержащий" не исключает другие элементы, а признаки единственного числа не исключают множественности. Какие бы то ни было ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. Кроме того, заметим, что все возможные комбинации признаков в том виде, как они определены в наборе пунктов формулы изобретения, являются частью настоящего изобретения.