СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ЕМКОСТНОГО КОМПОНЕНТА
METHOD AND DEVICE TO MEASURE CAPACITANCE OF CAPACITOR

Настоящее изобретение касается способа для измерения емкости емкостной составляющей и предназначенного для этого устройства.
Более конкретно, настоящее изобретение касается способа и устройства для точного определения емкости емкостного компонента, причем емкость является функцией физического параметра, такого как количество жидкости в резервуаре. Последующее описание является только примером, не ограничивающим изобретение.
Как известно, в некоторых электронных устройствах, используемых для определения количества жидкости в резервуаре или используемых для определения, нажата ли кнопка, используется емкостный компонент, емкость которого зависит от измеряемого количества, кроме того, используется измерительное устройство, соединенное с емкостным составляющим и предназначенное для измерения емкости и численно показывающее величину физического параметра, изменение которого приводит к изменению емкости.
Некоторые измерительные устройства, используемые для упомянутых выше целей, имеют архитектуру цифровой схемы, в которой мультивибраторный каскад соединен с емкостным компонентом и предназначен для генерации последовательности импульсов, по частоте связанных с емкостью емкостного компонента. Мультивибраторный каскад также соединен со считающим каскадом, который подсчитывает импульсы, сгенерированные мультивибраторным каскадом, и вырабатывает сигнал прерывания, когда подсчитанное число импульсов, начиная с момента получения сигнала возврата в начальное положение, достигает заранее заданный порог.
Сигнал возврата в начальное положение и сигнал прерывания вырабатываются/принимаются микропроцессором с внутренним генератором тактовых импульсов с целью измерения временного интервала между моментом выработки сигнала возврата в начальное положение и моментом получения сигнала прерывания, на основе чего определяют емкость емкостного компонента.
GND
В качестве примера, не ограничивающего изобретение, на фиг.1 показано измерительное устройство 1, которое имеет описанную выше цифровую архитектуру и которое предназначено для измерения емкости емкостного компонента 4, представляющей собой, например, конденсатор. Конденсатор содержит первую пластину, вторую пластину, имеющую потенциал V земли; первая и вторая пластины представляют собой измерительный электрод 4а и контрольный электрод 4b соответственно измерительного устройства 1, указанные пластины обычно расположены в резервуаре с целью измерения уровня жидкости.
Более конкретно, измерительное устройство 1, по существу, содержит микропроцессорный блок 2 обработки данных, который генерирует сигнал R возврата в начальное положение, синхронизированный с моментом активации внутреннего генератора 2а тактовых импульсов и который принимает сигнал I прерывания, предназначенный для остановки внутреннего генератора тактовых импульсов; и содержит схему 3 генерирования импульсов, который в свою очередь содержит мультивибраторный каскад 5 и каскад 6 счетчика.
Более конкретно, мультивибраторный каскад 5 содержит вход 5а, предназначенный для приема сигнала R возврата в начальное положение, вход 5b, соединенный с измерительным электродом 4а; вход 5с, соединенный с контрольным электродом 4b; и выход 5d, который генерирует сигнал В переключения, представляющий собой последовательность прямоугольных импульсов D, частота которых зависит от емкости емкостного компонента 4, как показано на фиг.2.
Более конкретно, мультивибраторный каскад 5 обычно представляет собой триггер Шмидта, а считающий каскад 6 содержит вход 6а, на который поступает сигнал R возврата в начальное положение, для начала отсчета импульсов D; вход 6b, на который поступает последовательность импульсов D; и выход 6с, на котором генерируется сигнал I прерывания, когда количество импульсов D достигает заранее заданный триггерный порог Th.
Как показано на фиг.2, емкость конденсатора 4 определяют измерительным устройством 1 с заданными интервалами TI времени, каждый из которых начинается сгенерированным микропроцессором сигналом R возврата в начальное положение.
В течение каждого интервала TI времени микропроцессор 2 активирует генератор тактовых импульсов и, в то же самое время, подает сигнал R возврата в начальное положение на мультивибраторный каскад 5 и считающий каскад 6.
Более конкретно, мультивибраторный каскад 5 принимает сигнал R возврата в начальное положение в качестве запускающего импульса, при этом мультивибраторный каскад 5 переключается из исходного положения в положение генерации колебаний (точка Р на фиг.2), в котором мультивибраторный каскад 5 генерирует импульсы D, частота которых пропорциональна емкости емкостного компонента 4.
Сигнал R возврата в начальное положение также является началом подсчета импульсов D, который осуществляется считающим каскадом 6.
Пока подсчитанное число импульсов D не превосходит заранее заданный триггерный порог Th, сигнал I прерывания находится на первом, например, высоком, логическом уровне. Наоборот, когда подсчитанное число импульсов D равно заранее заданному триггерному порогу Th (точка Е на фиг.2), сигнал I прерывания переключается на второй - в этом случае низкий логический уровень с целью остановки подсчета импульсов. В этой точке микропроцессор 2 определяет временной интервал ТА между началом и концом подсчета импульсов D и соответственно вычисляет значение емкости.
Измерительные устройства описанного выше типа особенно хорошо работают при измерении больших изменений емкости, но не так хорошо - в случае небольших изменений.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство и способ измерения емкости емкостного компонента, при этом измерения осуществляются с большей точностью по сравнению с существующими устройствами.
Согласно настоящему изобретению, предложено устройство и способ измерения емкости емкостного компонента, как описано в прилагаемой формуле изобретения.
Не ограничивающий изобретение вариант осуществления настоящего изобретения будет описан на примере со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг 1 - блок-схема известного устройства измерения емкости емкостного компонента;
фиг.2 - график временной зависимости сигналов, сгенерированных устройством по фиг.1, которое предназначено для измерения емкости;
фиг.3 - блок-схема устройства измерения емкости емкостного компонента, которое соответствует настоящему изобретению;
фиг.4 - график временной зависимости сигналов, сгенерированных устройством по фиг.3, которое предназначено для измерения емкости;
фиг.5 - вид, схематически показывающий один возможный вариант применения измерительного устройства по фиг.3 в устройстве измерения количества жидкости в резервуаре.
Настоящее изобретение, по существу, основано на следующем принципе:
- вырабатывают с помощью цифрового моста с двумя измерительными плечами первый сигнал, определяемый последовательностью импульсов, частота которых зависит от неизвестной измеряемой емкости, и второй сигнал, определяемый последовательностью импульсов, частота которых зависит от опорной емкости известной величины;
- вычисляют разность между временными интервалами, которые потребовались двум измерительным плечам цифрового моста для того, чтобы сгенерировать равное количество импульсов;
- определяют разность между неизвестной емкостью и опорной емкостью в виде функции от указанной разности между временными интервалами, которые потребовались двум измерительным плечам цифрового моста для того, чтобы сгенерировать равное количество импульсов; и
- вычисляют неизвестную емкость на основе опорной емкости и вычисленной ранее разности.
На фиг.3 показана блок-схема измерительного устройства 20, которое предназначено для измерения емкости емкостного компонента в соответствии с настоящим изобретением.
GND
REF
REF
REF
Более конкретно, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, емкостный компонент 21 содержит первую пластину и вторую пластину, имеющую некоторый опорный потенциал, предпочтительно, но не обязательно, равный потенциалу V земли; и первая и вторая пластины представляют собой соответственно измерительный электрод 21а и опорный электрод 21b измерительного устройства 20. Измерительное устройство 20, по существу, содержит схему 23 генерирования импульсов, к которой присоединен емкостный компонент 21, емкость которого требуется измерить; схему 24 генерирования импульсов, к которой присоединен опорный емкостной компонент 25, например, конденсатор, имеющий известную постоянную опорную емкость C; логическую схему 26, генерирующую логический сигнал, который имеет некоторый логический уровень в течение промежутка времени, связанного, в частности пропорционального, разности ΔС между опорной емкостью C и измеряемой неизвестной емкостью, как подробно описано ниже; и блок 22 обработки данных, выполненный с возможностью определения измеряемой неизвестной емкости в виде зависимости от разности ΔС и значения опорной емкости C.
Более конкретно, в примере, показанном на фиг.3, обе схемы 23 и 24 генерирования импульсов имеют такую же цифровую архитектуру, как и схема 3 генерирования импульсов на фиг.1, то есть каждая схема содержит мультивибраторный каскад и считающий каскад.
1
1
Более конкретно, схема 23 генерирования импульсов содержит мультивибраторный каскад 23а, который предпочтительно, но не обязательно, представляет собой триггер Шмидта или любую другую аналогичную мультивибраторную схему, например, мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями, указанный мультивибраторный каскад содержит вход 27, на который поступает сигнал R возврата в начальное положение; первый и второй входы 28, 29, соединенные соответственно с измерительным электродом 21а и опорным электродом 21b емкостного компонента 21; и выход 30, с которого подается сигнал B переключения, представляющий собой последовательность измерительных импульсов М, частота f которых зависит от емкости емкостного компонента 21.
1
1
Схема 23 генерирования импульсов также содержит считающий каскад 23b, который, в свою очередь, содержит вход 31, на который поступает сигнал R возврата в начальное положение, указанный сигнал также запускает подсчет измерительных импульсов М, выполняемый считающим каскадом 23b; вход 32, на который поступает сигнал B переключения; и выход 33, с которого подается сигнал I прерывания.
1
1
1
1
Пока подсчитанное число измерительных импульсов М не превосходит заранее заданный первый триггерный порог Th, считающий каскад 23b переключает сигнал I прерывания на первый, например, высокий, логический уровень. Наоборот, когда подсчитанное число измерительных импульсов М равно заранее заданному триггерному порогу Th (точка F на фиг.4), считающий каскад 23b переключает сигнал I прерывания на второй - в этом случае низкий логический уровень с целью остановки подсчета измерительных импульсов М.
2
REF
Схема 24 генерирования импульсов содержит мультивибраторный каскад 24а, который предпочтительно, но не обязательно, представляет собой триггер Шмидта или любую другую аналогичную мультивибраторную схему, например, мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями, указанный мультивибраторный каскад содержит вход 35, на который поступает сигнал R возврата в начальное положение; первый и второй входы 36, 37, соединенные соответственно с первым и вторым входами опорного емкостного компонента 25; и выход 38, с которого подается сигнал В2 переключения, представляющий собой последовательность опорных импульсов L, частота f которых зависит от опорной емкости C опорного емкостного компонента 25.
2
2
Схема 24 генерирования импульсов также содержит считающий каскад 24b, который, в свою очередь, содержит вход 39, на который поступает сигнал R возврата в начальное положение, указанный сигнал также запускает подсчет опорных импульсов L, выполняемый считающим каскадом 23b; вход 40, на который поступает сигнал В переключения; и выход 41, с которого подается сигнал I прерывания.
2
1
2
2
2
2
Пока подсчитанное число контрольных импульсов L не превосходит заранее заданный второй триггерный порог Th (например, Th=Th), считающий каскад 24b переключает сигнал I прерывания на первый, например, высокий, логический уровень. Наоборот, когда подсчитанное число опорных импульсов L равно заранее заданному триггерному порогу Тh (точка U на фиг.4), считающий каскад 24b переключает сигнал I прерывания на второй - в этом случае низкий логический уровень с целью остановки подсчета опорных импульсов L.
1
2
1
2
1
2
Логическая схема 26 содержит первый и второй входы 42, 43, на которые поступают сигналы I, I прерывания соответственно; и выход 44, формирующий логический сигнал ST, который находится на первом, например низком, логическом уровне в случае, когда оба сигнала I, I прерывания находятся на одном и том же логическом уровне и, наоборот, находится на втором, например высоком, логическом уровне, когда сигналы I, I прерывания находятся на разных логических уровнях.
Более конкретно, логическая схема 26 может содержать логическую схему «исключающее ИЛИ» или любую другую аналогичную схему.
Блок 22 обработки данных представляет собой, например, микропроцессор и на выходе генерирует сигнал R возврата в начальное положение, предназначенный для синхронизации генерации колебаний и подсчета импульсов двух схем 23 и 24 генерирования импульсов, и на входе получает логический сигнал ST.
1
2
Из продолжительности логического уровня сигнала ST блок 22 обработки данных способен определить разность ΔT времен T и Т, требующихся для того, чтобы две схемы 23 и 24 генерации импульсов измерительного устройства 20 сгенерировали одинаковое количество импульсов.
REF
На основе разности ΔT времен блок 22 обработки данных также способен определить разность ΔС между опорным емкостным компонентом 25 и емкостным компонентом 21 и также вычислить емкость емкостного компонента 21 как функцию разности ΔС емкостей и опорной емкости C.
1
2
REF
2
1
Далее со ссылкой на фиг.4 описан способ функционирования измерительного устройства 20, при этом полагается, что триггерные пороги Th и Th равны числу n импульсов - 256 импульсов, а опорная емкость C отличается от измеряемой неизвестной емкости и такова, что частота f опорных импульсов L, генерируемых схемой 24 генерирования импульсов, по существу, равна частоте f измерительных импульсов М, генерируемых схемой 23 генерирования импульсов.
Во-первых, блок 22 обработки данных генерирует сигнал R возврата в начальное положение, который, с одной стороны, служит в качестве триггера для активации колебаний мультивибраторных каскадов 23а и 24а и, с другой стороны, начинает подсчет импульсов считающими каскадами 23b и 24b.
1
1
2
2
Более конкретно, мультивибраторный каскад 23а генерирует импульсный сигнал B содержащий последовательность измерительных импульсов М с частотой f и, в то же самое время, мультивибратор 24а генерирует импульсный сигнал В, содержащий последовательность опорных импульсов L с частотой f.
На этом этапе считающие каскады 23b и 24b осуществляют подсчет соответственно измерительных импульсов М и опорных импульсов L.
1
1
2
2
Когда подсчитанное число измерительных импульсов М достигает триггерного порога Th, считающий каскад 23b переключает сигнал I прерывания с высокого на низкий логический уровень и, в то же самое время, когда подсчитанное число опорных импульсов L достигает триггерного порога Тh, считающий каскад 24b переключает сигнал I прерывания с высокого на низкий логический уровень.
1
2
Так как неизвестная емкость отличается от опорной емкости, то сигналы I и I прерывания переключаются в различные моменты времени.
1
2
1
2
2
Более конкретно, в примере, показанном на фиг.4, сигнал I прерывания переключается до сигнала I прерывания. Следовательно, в интервале между двумя переключениями, сигналы I и I прерывания находятся на различных логических уровнях, так что логическая схема 26 переключает сигнал ST с низкого на высокий логический уровень и на протяжении всего временного интервала ΔT это состояние сохраняется и заканчивается в момент переключения сигнала I прерывания.
1
2
REF
Следовательно, временной интервал ΔТ представляет собой разность времени T, которое пропорционально значению неизвестной емкости, и времени Т, которое пропорционально значению опорной емкости C·
Следовательно, сигнал ST содержит прямоугольный импульс, продолжительность которого соответствует временному интервалу ΔT и который подают на блок 22 обработки данных.
REF
Таким образом, блок 22 обработки данных определяет разность ΔС между опорной емкостью C и измеряемой неизвестной емкостью, в зависимости от временного интервала ΔT в соответствии с уравнением:
ΔС=f(ΔT)=ΔT/(R*K),
где R - сопротивление резистора в триггере Шмидта, К - константа.
REF
Следовательно, блок 22 обработки данных определяет неизвестную емкость емкостного компонента 21 на основе значения опорной емкости C и разности ΔС емкостей.
Как показано на фиг.3, чтобы сделать измерительное устройство 20 нечувствительным к внешнему электромагнитному шуму, к входу 36 мультивибраторного каскада 24а может быть присоединен компенсирующий электрод 45, который подает на мультивибраторный каскад 24а электромагнитный шум, аналогичный электромагнитному шуму, поступающему на мультивибраторный каскад 23а от измерительного электрода 21а.
1
2
Таким образом, любые изменения сигналов I и I прерывания, происходящие из-за внешнего электромагнитного шума, являются идентичными, поскольку две схемы 23, 24 генерации импульсов имеют одинаковую конфигурацию и на них поступают одинаковые шумовые сигналы.
1
2
Более конкретно, идентичные изменения, вызванные шумом, абсолютно не влияют на измерение емкости и фактически удаляются логической схемой 26, измеряющей разность между моментами переключения сигналов I и I прерывания.
Также следует отметить, что с целью эффективной компенсации шума, схема мультивибраторного каскада 24а должна быть идентична электронной схеме мультивибраторного каскада 23а и, в то же самое время, схема считающего каскада 23b должна быть идентична электронной схеме считающего каскада 24b.
В связи со сказанным выше, следует отметить, что в показанном варианте осуществления изобретения, измерительное устройство 20 через коммутационную схему (например, мультиплексор) может быть подключено к ряду емкостных компонентов для проведения измерений. Таким образом, при надлежащей синхронизации переключения коммутационной схемы измерительное устройство 20 может проводить измерение емкостей большого числа емкостных компонентов 21.
На фиг.5 показано одно возможное применение измерительного устройства 20 в устройстве 50 измерения количества жидкости L в резервуаре 51.
Более конкретно, в примере, показанном на фиг.5, емкостный компонент 21, емкость которого измеряют, содержит измерительный электрод 21а и опорный электрод 21b, которые расположены внутри или снаружи резервуара 51. Например, измерительный электрод 21а и опорный электрод 21b могут быть обращены друг к другу и расположены параллельно внутренним или внешним стенкам резервуара 51 и могут быть присоединены к резервуару 51 или являться его частью.
Предпочтительно, чтобы измерительное устройство 50 также содержало компенсирующий электрод 45, присоединенный к резервуару 51, рядом с измерительным электродом 21а, так чтобы на него подавались аналогичные шумовые сигналы и от него эти сигналы передавались на схему 24 генерации импульсов, присоединенную к компенсирующему электроду 45.
Изменение количества жидкости L в резервуаре 51 порождает соответствующее изменение емкости емкостного компонента 21, которое измеряют измерительным устройством 20, и блок 22 обработки данных в зависимости от измерения емкости, определяет соответствующее количество жидкости L в резервуаре 51.
Кроме простоты и дешевизны в изготовлении, основное достоинство описанного выше измерительного устройства 20 заключается в точном измерении как больших, так и малых изменений емкости.
Более того, благодаря использованию компенсирующего электрода 45, измерительное устройство 20 компенсирует любой входной шум, в частности на измерительном электроде, и, следовательно, указанное устройство защищено от влияния электромагнитного шума.
Ясно, что описанные устройство и способ могут быть изменены, не выходя, тем не менее, за рамки объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.