УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНЫХ И РЕЗИСТОРНЫХ СЕНСОРОВ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ
DEVICE FOR CONVERTING PARAMETERS OF CAPACITANCE AND RESISTOR SENSORS IN A TIME INTERVAL

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям параметров сенсоров в интервал времени и может использоваться в системах контроля и регулирования, применяющих резистивные и емкостные датчики для идентификации параметров контролируемой среды.
Известны преобразователи с частотно-зависимыми цепями, преобразующие параметры двух сенсорных элементов в частоту [1, 2]. Недостаток преобразователей - наличие дополнительного генератора сигнала для управления коммутатором, что усложняет схему и процесс измерения. Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности является устройство, описанное в [2]. Недостатком устройства является наличие управляющего коммутатора, которое сужает функциональные возможности устройства и усложняет процесс вычисления параметров сенсоров.
Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением является повышение надежности за счет упрощения процесса преобразования и расширение функциональных возможностей устройства.
1
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство преобразования параметров емкостных и резисторных сенсоров в интервал времени, содержащее резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, имеющий в своем составе двухступенчатый D-триггер, имеющий вход синхронизации С, информационный вход D, входы независимой установки S и сброса R, прямой Q и инверсный Q выходы, первую и вторую RC-цепи, каждая RC-цепь имеет последовательно соединенные резистор и конденсатор, каждый резистор шунтирован первым и вторым диодами, точка соединения катода первого диода и резистора первой RC-цепи соединена с прямым выходом триггера, точка соединения катода второго диода и резистора второй RC-цепи соединена с инверсным выходом триггера, входы D и С соединены с общей точкой схемы, введены дополнительно первый и второй умножители емкости и первый и второй логические инверторы, каждый умножитель емкости имеет в своем составе один емкостный или резисторный сенсорный элемент, выход первого умножителя соединен с выводом конденсатора первой RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода первого диода соединена с входом первого инвертора, выход первого инвертора соединен с входом R триггера, выход второго умножителя соединен с выводом конденсатора второй RC-цепи, точка соединения конденсатора, резистора и анода второго диода соединена с входом второго инвертора, выход второго инвертора соединен с входом S триггера, выходами устройства являются прямой и инверсный выходы D-триггера.
Сравнительный анализ заявляемого устройства с устройством, описанным в [2] и принятым за прототип, позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения «новизна».
Из патентной и научно-технической литературы не обнаружена предложенная совокупность отличительных признаков и соединений элементов заявляемого устройства. Таким образом, заявляемое устройство удовлетворяет критерию «изобретательский уровень». Предполагаемое техническое решение поясняется структурной схемой устройства, представленной на фиг. 1 и диаграммой сигналов, показанной на фиг. 2.
о1
1
у1
t1
у1
t1
1
2
у2
t2
о2
y2
t2
2
о1
t1
о2
t2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
2
у1
о1
На фиг. 1 показано: первый умножитель емкости конденсатора С, состоящий из операционного усилителя DA, умножающего резистора R, резистора R, выходом умножителя является точка соединения резисторов R и R, которая соединена с выводом конденсатора C (точка 1 фиг. 1). Второй умножитель емкости состоит из операционного усилителя DA, умножающего резистора R, резистора R и конденсатора С. Выходом второго умножителя служит точка соединения резисторов R и R, которая соединена с выводом конденсатора С (точка 3 фиг. 1). Сенсорными элементами могут быть конденсатор С или резистор R в схеме первого умножителя емкости, конденсатор С или резистор R в схеме второго умножителя. На фиг. 1 показано, что используются две частотообразующие цепи: первая в составе резистора R, конденсатора C, первого умножителя емкости, диода VD и инвертора DD. Вторая частотообразующая цепь состоит из резистора R, диода VD, конденсатора С, инвертора DD и второго умножителя емкости. Выходы схемы преобразователя обозначены F и F (фиг. 1). Обозначение входов и выходов D-триггера соответствует общепринятым. В точке 1 первый умножитель емкости создает емкость С, соответствующую умноженной емкости конденсатора С:
2
1
В точке U последовательно соединенные первый умножитель и конденсатор С создают первую эквивалентную емкость
у2
о2
Аналогично второй умножитель емкости создает в точке 3 емкость С, соответствующую умноженной емкости конденсатора С.
2
4
э2
Соединенные последовательно конденсатор С и второй умножитель в точке U создают второй эквивалентный конденсатор, имеющий эквивалентную емкость С:
1
1
2
1
э1
2
1
1
1
1
1
Устройство работает следующим образом. После подачи питания в схему (момент 0 на фиг. 2) на одном из выходов D-триггера устанавливается высокий логический уровень, на другом - низкий логический уровень. Например, высокий уровень («логическая 1») установился на прямом выходе триггера (F на фиг. 2). На инверсном выходе Q (на фиг. 1) установится низкий уровень («логический 0») (F на фиг. 2). Через резистор R (фиг. 1) начинается заряд эквивалентной емкости С. В точке U (фиг. 1) будет увеличиваться напряжение до момента достижения уровня «1» (момент t фиг. 2). В момент t переключается первый инвертор DD, устанавливая на своем выходе логический нуль. Это приводит к появлению на прямом выходе триггера низкого логического уровня напряжения, а на инверсном выходе - уровня логической единицы. Происходит быстрый разряд первой эквивалентной емкости через диод VD. В результате на прямом выходе триггера был образован импульс длительностью T (фиг. 2), соответствующий времени заряда первой эквивалентной емкости:
1
4
2
4
2
2
1
2
В момент t (фиг. 2) начинается заряд второй эквивалентной емкости, приводящий к росту напряжения в точке U (фиг. 1). Рост напряжения будет продолжаться до момента t (фиг. 2, диаграмма U), когда достигается логический уровень «1» на входе второго инвертора DD. После переключения инвертора DD на входе S триггера появляется низкий уровень, приводящий к восстановлению на прямом выходе триггера Q логической «1», на инверсном выходе Q появляется логический «0». Вновь начинается заряд первой эквивалентной емкости, процесс повторяется. В результате на инверсном выходе триггера будет образован импульс длительностью T, соответствующий времени заряда второй эквивалентной емкости:
1
2
Длительность периода колебаний на выходах D-триггера будет определяться суммой длительностей импульсов T и T:
1
2
T=T+T
о1
t1
y1
1
1
1
э1
Задача определения параметров сенсоров, входящих в состав умножителей емкости, решается в вычислителе (на схеме не показан), в который подаются сигналы F1 и F2, соответствующие длительностям импульсов Т1 и Т2. Например в качестве сенсора используется конденсатор С в схеме первого умножителя (фиг 1.) Требуется определить его емкость. Параметры умножителя R и R заданы, сопротивление резистора R и емкость конденсатора C известны, длительность импульса T измерена. По выражению (5) определяется первая эквивалентная емкость С:
о1
Учитывая выражения (1) и (2), емкость сенсорного элемента С определяется выражением (8):
у1
y1
t1
t1
о1
y1
1
1
где К=R/R - коэффициент умножения емкости первого умножителя. Если в качестве резисторного сенсора используется резистор R, то должны быть заданы параметры первого умножителя С, R при известных значениях емкости конденсатора C и сопротивления резистора R. Тогда значение сопротивления резисторного сенсора определится по выражению (9):
1
2
Таким образом, параметры сенсорных элементов определяются по ширине импульсов T и T, что обеспечивает надежность и быстродействие процесса преобразования, а так как схемное построение преобразователя позволяет контролировать значение параметров двух разнородных или однородных сенсоров одновременно в любом сочетании, то функциональные возможности устройства существенно расширяются.
Макет устройства испытан и исследован в лабораторных условиях, подтверждена работоспособность устройства и его эффективность. Устройство может быть использовано для построения мультисенсорных датчиков и устройств дистанционного контроля различных физических величин, параметры которых определяются с помощью емкостных и (или) резисторных сенсорных элементов. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критерию изобретения «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент России №2235980, МКИ 7 О1К7/16. Бюл. №25 10.09.2004.
2. Патент России №2362988, МПК O1 №27/02. Бюл. №21 27.07.2009.