Измерительное устройство для косвенного измерения диэлектрической проницаемости

Измерительное устройство для косвенного измерения диэлектрической проницаемости

Реферат

 

Изобретение относится к измерительным датчикам, конкретно к измерительным устройствам, в которых используется косвенное измерение диэлектрической проницаемости между двумя электропроводными телами, образующими измерительный и эталонный зонды. Измерительное устройство содержит два электропроводных тела, образующих соответственно измерительный зонд и эталонный зонд, средства электрического питания, способные выдавать постоянное электрическое напряжение контролируемой амплитуды, каскад интегрирующего измерительного устройства. Каскад интегрирующего измерительного устройства содержит систему коммутации коммутирующего конденсатора и средства управления для циклического определения с контролируемой частотой совокупности из двух последовательностей Т1 и Т2. Во время первой последовательности Т1 средства электрического питания связаны с измерительным зондом для приложения электрического поля между измерительным зондом и эталонным зондом и накопления электрических зарядов на измерительном зонде. Во время второй последовательности Т2 средства электрического питания отключены от измерительного зонда и измерительный зонд соединен с точкой суммирования каскада интегрирующего измерительного устройства для передачи электрических зарядов в этот каскад и получения на его выходе электрического сигнала, характеризующего диэлектрическую проницаемость между измерительным зондом и эталонным зондом. Технический результат состоит в создании средств обнаружения, имеющих высокую чувствительность датчика и адаптированных к многочисленным вариантам применения. 46 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к измерительным датчикам. Более конкретно, изобретение касается измерительного устройства, в котором используется косвенное измерение диэлектрической проницаемости между двумя электропроводными телами, образующими измерительный зонд и эталонный зонд.

Уже были предложены многочисленные варианты выполнения датчиков, основанных на измерении диэлектрической проницаемости, или датчиков емкостного типа.

В частности, было предложено множество устройств, в которых измерительный конденсатор связан с контуром генератора электрических колебаний таким образом, чтобы частота колебаний на выходе этого контура зависела от емкости измерительного конденсатора и обеспечивала возможность определения параметра, на который оказывает влияние диэлектрическая проницаемость этого конденсатора, например высоты уровня жидкости, содержащейся в резервуаре, в котором установлен данный измерительный конденсатор (см., например, документы WO-A-98/02718, DE-A-4312432 и DE-A-4434338).

Были предложены также различные устройства, содержащие измерительный конденсатор, связанный с входом каскада интегратора (см., например, документы DE-A-3413849 и Journal Physics E. Scientific Instruments, том 22, 2, 1989 г. ). Однако эти устройства до настоящего времени не дали удовлетворительных результатов и по этой причине не получили широкого промышленного распространения.

В документах FR-A-2205669, FR-A-2605731, FR-A-2447555, FR-A-2737297, ЕР-А-0378304 и ЕР-А-0644432 описаны различные варианты реализации устройства, использующего принцип измерения времени заряда или разряда измерительного конденсатора, на которое оказывает влияние подлежащий измерению параметр.

Другие измерительные устройства емкостного типа описаны в документах FR-A-2763124, FR-A-1152556 и US-A-3706980.

Задачей настоящего изобретения является создание новых средств обнаружения, имеющих очень высокую чувствительность датчика.

Другой задачей изобретения является создание средства обнаружения, которое может быть адаптировано к многочисленным вариантам применения.

Поставленные задачи решаются тем, что предложено измерительное устройство, содержащее два электропроводных тела, образующих соответственно измерительный зонд и эталонный зонд, средства электрического питания для формирования постоянного электрического напряжения контролируемой амплитуды, каскад интегрирующего измерительного устройства, содержащий систему коммутации электрической емкости и средства управления, для циклического определения с контролируемой частотой совокупности из двух последовательностей, первой последовательности, при которой средства электрического питания связаны с измерительным зондом для приложения электрического поля между измерительным зондом и эталонным зондом и накопления электрического заряда на измерительном зонде, и второй последовательности, при которой средства электрического питания отключены от измерительного зонда и соединены с точкой суммирования каскада интегрирующего измерительного устройства для передачи электрических зарядов в этот каскад и для получения на выходе этого каскада интегрирующего измерительного устройства сигнала, являющегося репрезентативным для диэлектрической проницаемости, существующей между измерительным зондом и эталонным зондом.

В соответствии с другим аспектом предлагаемого изобретения средства управления приспособлены для того, чтобы прикладывать ступенчатое электрическое напряжение к измерительному зонду.

В соответствии с еще одной характеристикой предлагаемого изобретения каскад интегрирующего измерительного устройства содержит операционный усилитель, первый конденсатор интегрирования большой емкости, установленный в цепи обратной связи этого усилителя, и второй конденсатор, установленный между выходом и входом операционного усилителя в ритме упомянутых последовательностей, формируемых средствами управления.

В соответствии с еще одной характеристикой изобретения устройство содержит средства для подачи нулевого среднего электрического напряжения к измерительному зонду.

В соответствии с еще одной характеристикой данного изобретения на второй вход операционного усилителя, противоположный входу, предназначенному для последовательного соединения с измерительным зондом, поступает электрическое напряжение, противоположное по знаку тому напряжению, которое приложено средствами электрического питания к измерительному зонду.

В соответствии с еще одной характеристикой изобретения электрическое напряжение, приложенное к второму входу операционного усилителя, имеет величину, равную pE, где Е - амплитуда напряжения, приложенного к измерительному зонду за время Т1, р - циклическое соотношение между двумя последовательностями Т1 и Т2, то есть Т1=рТ2.

Другие цели, характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает блок-схему измерительного устройства в соответствии с первым вариантом реализации изобретения; фиг.2 изображает блок-схему второго варианта реализации устройства, содержащего вспомогательный измерительный зонд, обеспечивающий коррекцию измерения диэлектрической проницаемости, согласно изобретению; фиг.3 изображает блок-схему еще одного предпочтительного варианта реализации устройства, содержащего средства, способные обеспечить приложение нулевого среднего электрического напряжения к измерительному зонду, согласно изобретению; фиг. 4 изображает блок-схему еще одного варианта реализации устройства, приспособленного для определения спектра данного продукта, согласно изобретению; фиг.5-13 изображают различные варианты выполнения устройства для определения уровня продукта, содержащегося в резервуаре, согласно изобретению; фиг. 14 изображает схему размещения предлагаемого устройства для определения наличия продукта в трубопроводе согласно изобретению; фиг. 15 изображает схему размещения предлагаемого устройства для определения факта интрузии согласно изобретению; фиг. 16 изображает схему размещения устройства для выявления факта присутствия и/или определения пространственного положения пользователя в кресле согласно изобретению; фиг. 17 изображает схему размещения предлагаемого устройства для выявления факта прохождения объекта через портальное устройство контроля согласно изобретению; фиг. 18 изображает схему размещения предлагаемого устройства для выявления наличия объектов, перемещающихся по транспортерной ленте, согласно изобретению; фиг.19 изображает схему размещения предлагаемого устройства для реализации тактильной клавиатуры согласно изобретению; фиг.20 изображает схему размещения предлагаемого устройства для реализации датчика давления согласно изобретению; фиг.21 изображает схему размещения предлагаемого устройства для реализации детектора давления в пневматической шине согласно изобретению.

Устройство (фиг.1) содержит измерительный зонд 100, эталонный зонд 200, средства 300 электрического питания, средства 400 управления, каскад 500 интегрирующего измерительного устройства.

Измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 представляют собой некоторое электропроводное тело. Зонды отстоят друг от друга на некоторое расстояние, чтобы разместить в пространстве между ними по меньшей мере одну диэлектрическую среду. Ниже изложены более подробно различные примеры практического применения зондов 100 и 200.

Средства 300 электрического питания формируют постоянное электрическое напряжение управляемой амплитуды. В последующем изложении амплитуда обозначена буквой Е.

Средства 400 управления приспособлены для того, чтобы формировать циклически с управляемой частотой f серию последовательностей.

При формировании первой последовательности, имеющей продолжительность Т1, средства 300 электрического питания связаны с измерительным зондом 100, и электрическое поле приложено между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200, при этом происходит накапливание электрических зарядов на измерительном зонде 100. Электрическая емкость между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200 заряжается на протяжении очень короткого времени, определяемого соотношением = /, где представляет собой диэлектрическую проницаемость и представляет собой электрическую проводимость среды между двумя зондами 100 и 200.

При формировании второй последовательности, имеющей продолжительность Т2, средства 300 электрического питания отключаются от измерительного зонда 100 и соединяются со входом каскада 500 интегрирующего измерительного устройства.

Таким образом, средства 400 управления обеспечивают приложение между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200 слабого импульсного электрического поля с управляемой амплитудой и продолжительностью.

Такой способ дезактивации электрического поля, приложенного к измерительному зонду 100, т.е. резкое отключение в противоположность постепенному снижению напряжения, позволяет блокировать электрические заряды, накопленные на измерительном зонде 100.

Электрический заряд, присутствующий на измерительном зонде 100 в конце первой последовательности Т1, имеет величину, пропорциональную величине диэлектрической проницаемости среды, существующей между зондами 100 и 200. Этот электрический заряд передается в каскад 500 интегрирующего измерительного устройства, точнее в систему коммутации емкости, с некоторыми специфическими особенностями, (подробно описаны ниже). При этом на выходе каскада 500 получают сигнал, являющийся репрезентативным для диэлектрической проницаемости среды, существующей между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200.

В соответствии с описываемым вариантом реализации предлагаемого изобретения средства 400 управления содержат задающий тактовый генератор 410, выполненный в виде генератора электрических колебаний и двумя инвертирующими переключателями 420 и 430.

Переключатель 420, управляемый задающим тактовым генератором 410, предназначен для того, чтобы поочередно соединять измерительный зонд 100 со средствами 300 электрического питания при осуществлении последовательностей Т1, и со входом каскада 500 интегрирующего измерительного устройства при осуществлении последовательностей Т2.

При необходимости емкостной инжектор 110 зарядов может быть вставлен между измерительным зондом 100 и переключателем 420.

Кроме того, резистивный инжектор 120 зарядов может быть установлен между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200. Электрическое сопротивление инжектора 120 зарядов должно быть очень высоким, чтобы не создавать тока утечки, являющегося источником помех.

Каскад 500 интегрирующего измерительного устройства содержит операционный усилитель 510 и два конденсатора известной емкости. Конденсатор 520 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 510 и образует обратную связь усилителя, а первый электрод конденсатора 530 связан с тем же электрическим потенциалом, что и эталонный зонд 200 и неинвертирующий вход усилителя 510, или заземлен. Электрический потенциал второго электрода усилителя 510 управляется при помощи средств 400 управления таким образом, чтобы электрод поочередно был связан с инвертирующим входом усилителя 510 за время Т2 для передачи электрического заряда, накопленного на измерительном зонде 100, в конденсатор 530, а затем с выходом этого усилителя 510 за время Т1 для выдачи электрического сигнала, пропорционального электрическому заряду, накопленному на измерительном зонде 100.

Конденсатор 520, установленный в цепи обратной связи операционного усилителя 510, преобразует усилитель 510 в интегрирующее измерительное устройство, причем это измерительное устройство позволяет воспринимать постоянное электрическое напряжение, пропорциональное величине электрического заряда, накопленного на измерительном зонде 100, и освободиться от нежелательных паразитных электрических напряжений.

Интегрирующий конденсатор 520 имеет электрическую емкость, по меньшей мере в 1000 раз превышающую электрическую емкость коммутирующего конденсатора 530, что обеспечивает измерения аналогового типа, требующие высокой точности, например для измерения уровня.

Можно иметь емкость конденсатора 520 того же порядка, что и емкость конденсатора 530, т. е. может иметь место соотношение емкость С конденсатора 520=2 (двум) или 3 (трем) емкостям С конденсатора 530 для быстрых измерений. В этом случае измерение не является точным, но оно позволяет отследить быстрые изменения контролируемых параметров.

Факт переключения измерительного зонда 100 на точку S суммирования операционного усилителя 510 предоставляет два преимущества. Измерительный зонд 100 полностью разряжается за время Т2, освобождаясь от накопленного заряда и принимая таким образом нулевой потенциал для нового измерения за время Т1. Это связано с тем обстоятельством, что точка S суммирования операционного усилителя 510 имеет нулевое виртуальное полное электрическое сопротивление. С другой стороны, весь электрический заряд полностью передается в систему коммутации конденсаторов 520, 530 и без потерь, что делает произведенное измерение вполне линейным.

Работа каскада 500 интегрирующего измерительного устройства осуществляется следующим образом.

Предположим, что в исходном состоянии конденсатор 520 интегрирования, коммутирующий конденсатор 530 и конденсатор Cs, сформированный между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200 полностью разряжены, то есть выполняются соотношения: Q520=0; Q530=0; QCs=0.

За время первой последовательности Т1 конденсатор Cs заряжается под действием напряжения электрического питания, формируемого средством 300, которое в данном случае предполагается равным Е.

В конце этой последовательности Т1 имеют место соотношения: QCs=-ЕСs; Q520= 0; Q530=0, где Q520 и Q530 - заряды конденсаторов 520 и 530 соответственно.

Во время последовательности Т2 электрические заряды переходят от конденсатора Cs к конденсатору 520. При этом электрические заряды, накопленные в конденсаторах Cs и 530, связываются с инвертирующим входом операционного усилителя 510, который обладает нулевым полным виртуальным электрическим сопротивлением: -ECs=V_s2520, где V_s2 - выходное электрическое напряжение операционного усилителя 510 за время Т2.

Во время следующей последовательности Т1 оба конденсатора 520 и 530 включаются параллельно друг другу. При этом обеспечивается выполнение следующих соотношений: Vs=V_s2C520/(C520+С530)= =QC530/C530=QC520/C520, или QC530=[V_s2C520/(C520+С530)]С530= =[V_s2/(1+С530/С520)С530, или при условии, что емкость конденсатора С520=n530 емкостей конденсатора, т.е. >> С530, QC530V_s2530.

Во время следующей последовательности Т2 электрические заряды, накопленные в конденсаторе 530, противоположны электрическому заряду на конденсаторе Cs. Оставшаяся часть электрических зарядов на конденсаторе Cs передается на конденсатор 520, и т.д.

Выходное электрическое напряжение Vs на выходе операционного усилителя 510 постепенно возрастает до величины, составляющей: Vs уравновешенное=Q530/530 в том случае, когда Q530=Vs уравновешенное530=-ECs.

Таким образом, после осуществления x итераций данное устройство достигает режима равновесия в точке суммирования. При этом электрические заряды Q530 конденсатора 530 компенсируют электрический заряд зонда Сs.

При выявлении изменения электрической емкости конденсатора Сs дополнительный электрический заряд (или потеря электрического заряда) на этом конденсаторе Сs вызывает заряд или разряд конденсатора 520.

Таким образом, в установившемся режиме емкость конденсатора 530 коммутации стремится уравновесить изменения электрического заряда зонда Сs.

При описании работы предполагается, что переключатели/коммутаторы 420, 430 будут работать абсолютно синхронно. Это означает, что в начале последовательностей Т2 конденсатор коммутации 530 и измерительный зонд Сs одновременно будут связаны с точкой суммирования операционного усилителя 510.

В рамках предлагаемого изобретения всегда следует следить за тем, чтобы коммутирующий конденсатор 530 имел емкость того же порядка величины, что и емкость Сs, определяемая между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200. Это означает, что в предпочтительном варианте реализации должно соблюдаться соотношение: 0,1Сs<С530<10Сs, которое в еще более предпочтительном варианте реализации принимает вид: 0,5Cs<C530<5Cs, а в самом предпочтительном варианте имеет вид: СsC530.

В соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения задающий тактовый генератор 410 вырабатывает фиксированную частоту f с циклическим соотношением 50%, выдающую два периода Т1 и Т2, строго идентичных друг другу, то есть Т1=Т2, при том, что f=1/(Т1+Т2).

Принимая во внимание то обстоятельство, что периоды времени T1 и Т2 являются строго идентичными, уход частоты f, вырабатываемой тактовым генератором 410, не оказывает влияния на точность выполняемых измерений.

Частота f повторения измерений обычно имеет величину в диапазоне от 5 до 50 КГц.

Сигнал, появляющийся на выходе каскада 500 интегрирующего измерительного устройства, может быть использован различными способами.

Теперь более подробно будет описана структура выходного каскада 600 (фиг.1).

В соответствии со специфическим способом реализации выход операционного усилителя 510 связан посредством резистора 602 с неинвертирующим входом операционного усилителя 604. Операционный усилитель 604 смонтирован в каскаде следящего устройства. Для этого инвертирующий вход этого операционного усилителя 604 заземлен через резистор 608.

Коэффициент усиления операционного усилителя 604 может быть настроен посредством переменного сопротивления или потенциометра 606, чтобы скорректировать выходное напряжение каскада 600 во всем выбранном диапазоне.

В то же время на неинвертирующий вход операционного усилителя 604 подается регулируемое обратное напряжение, обеспечивающее возможность регулировки нуля.

Обратное напряжение формируется на основе эталонного напряжения V_ref, в предпочтительном варианте реализации идентичного напряжению, формируемому на выходе средств 300 электрического питания. Напряжение V_ref прикладывается к клеммам потенциометра 610, выходная регулируемая точка которого соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя 612.

Инвертирующий вход операционного усилителя связан с его выходом. И этот выход связан также с неинвертирующим входом операционного усилителя 604 посредством резистора 614, который имеет то же электрическое сопротивление, что и резистор 602. Таким образом, на неинвертирующий вход операционного усилителя 604, имеющий очень высокое полное сопротивление, поступает напряжение обратной связи, знак которого противоположен знаку угла наклона траектории измерения, чтобы обеспечить возможность регулировки нуля путем изменения положения движка потенциометра 610.

Следует отметить, что формирование напряжения обратной связи на основе эталонного напряжения V_ref, приложенного к измерительному зонду 100, позволяет освободиться от любого возможного отклонения эталонного напряжения. В том случае, если эталонное напряжение V_ref отклоняется от нормы, напряжение обратной связи, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя 604, изменяется в том же самом направлении, устраняя таким образом любую возможность дрейфа нуля.

Выход операционного усилителя 604 может быть соединен с соответствующим эксплуатационным контуром 620, например с токовым контуром 4-20 мА или с каскадом обработки выходного сигнала, позволяющим, например, сформировать спектр, характеризующий этот сигнал, чтобы обеспечить возможность распознавания анализируемого продукта.

Пример выполнения средств обработки, формирующих такой спектр, описан ниже.

Устройство во втором варианте выполнения (фиг.2) содержит измерительный зонд 100, эталонный зонд 200, средства 300 электрического питания, средства 400 управления и каскад 500 интегрирующего измерительного устройства.

Данное устройство приспособлено для того, чтобы учитывать возможное изменение диэлектрической проницаемости среды, разделяющей измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200, например, в случае измерения в резервуаре, в котором последовательно могут располагаться различные продукты.

Для этого устройство содержит вспомогательный измерительный зонд 150, вспомогательный эталонный зонд 250, вспомогательные средства 450 управления и вспомогательный каскад 550 интегрирующего измерительного устройства.

Этот вспомогательный измерительный зонд 150 и вспомогательный эталонный зонд 250 выполнены таким образом, чтобы они могли быть установлены в той же самой среде, что и измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200. Вспомогательный измерительный зонд 150 и вспомогательный эталонный зонд 250 образуют зонды компенсации.

Вспомогательный измерительный зонд 150 (фиг.8) и вспомогательный эталонный зонд 250 могут быть расположены в нижней части резервуара, предназначенного для размещения продукта, уровень которого в этом резервуаре желательно измерить.

Вспомогательный эталонный зонд 250 имеет тот же электрический потенциал массы, что и эталонный зонд 200.

Вспомогательные средства 450 управления содержат два инвертирующих переключателя 452, 453, управляемых соответственно в том же ритме, что и инвертирующие переключатели 420, 430 при помощи задающего тактового генератора 410.

Инвертирующий переключатель 452 во время последовательности Т1 связывает выход средств 300 электрического питания с вспомогательным измерительным зондом 150, в случае необходимости посредством емкостного эжектора 160 зарядов, и связывает этот вспомогательный измерительный зонд 150 с инвертирующим входом операционного усилителя 560, принадлежащего каскаду 550 интегрирующего измерительного устройства, во время Т2.

При необходимости резистивный инжектор 162 зарядов может быть размещен между вспомогательным измерительным зондом 150 и вспомогательным эталонным зондом 250 по аналогии с описанным выше резистивным инжектором зарядов 120.

Упомянутый каскад 550 интегрирующего измерительного устройства содержит два конденсатора: конденсатор 562 аналогичен конденсатору 520, соединен с инвертирующим входом и с выходом операционного усилителя 560, и конденсатор 564, одна из клемм которого заземлена, а другая клемма соединена посредством инвертирующего переключателя 453 с выходом операционного усилителя 560 во время Т1 и с инвертирующим входом операционного усилителя 560 во время Т2.

При этом неинвертирующий вход операционного усилителя 560 заземлен.

Таким образом, на выходе каскада 550 интегрирующего измерительного устройства 550 или на выходе операционного усилителя 560 получают эталонное напряжение VS2, пропорциональное диэлектрической проницаемости анализируемой среды.

Этот сигнал может быть сформирован в выходном каскаде 650, принимающем обратное напряжение регулировки нуля, поступающее из каскада 652, причем эти каскады эквивалентны средствам 604, 610 для каскада 600.

Выход каскада 650 используется для управления каскадом 660 следящей системы, принимающим сигнал с выхода каскада 600 формирования, связанного с основными зондами 100 и 200, чтобы изменить коэффициент усиления каскада 660 следящей системы и сделать измерение нечувствительным к изменениям диэлектрической проницаемости анализируемой среды.

Выход каскада 660 может быть подключен к любому контуру 620, например, как это было указано ранее для фиг.1, к контуру тока 4-20 мА или к контуру обработки, способному генерировать спектр, характеризующий анализируемый продукт.

Далее описан предпочтительный вариант реализации устройства, проиллюстрированный на фиг.3, содержащего измерительный зонд 100, эталонный зонд 200, средства 300 электрического питания, средства 400 управления и каскад 500 интегрирующего измерительного устройства в соответствии с техническими решениями, описанными выше со ссылками на фиг.1.

Контур приспособлен для того, чтобы нейтрализовать возможный эффект гистерезиса электрических зарядов, накопленных на измерительном зонде 100, и освободить этот зонд от зарядов в каждом цикле, организуемом средствами 400 управления.

Для этого неинвертирующий вход операционного усилителя 510 соединен не с электрическим потенциалом эталонного зонда 200, т.е. не заземлен, а с электрическим потенциалом противоположного знака по отношению к потенциалу эталонного зонда 200, относительно знака потенциала, приложенного средствами 300 к измерительному зонду 100.

Например, для величины циклического соотношения 1, то есть для случая, когда Т1=Т2, средства 300 электрического питания могут обеспечить приложение импульсного электрического напряжения с амплитудой (-Е) к измерительному зонду 100, тогда как неинвертирующий вход операционного усилителя 510 связан с напряжением (+Е) такой же амплитуды, но противоположного знака по отношению к упомянутому выше напряжению (-Е).

Таким образом, за время Т2 измерительный зонд принимает посредством инвертирующего переключателя 420 и операционного усилителя 510 напряжение, инвертированное по отношению к тому напряжению, которое приложено к нему во время Т1, и способное нейтрализовать эффект гистерезиса.

В более общем случае и для циклического соотношения р, определяемого задающим тактовым генератором 410, или при выполнении условия Т1=рТ2, предпочтительно будет выбираться потенциал +Е2, приложенный к неинвертирующему входу операционного усилителя 510 и в р раз превышающий по абсолютной величине амплитуду напряжения питания -Е1, выдаваемую средством 300 на измерительный зонд 100. Благодаря этому средняя величина электрического напряжения, приложенного к измерительному зонду 100, является нулевой.

Следует отметить, что сформированный таким образом контур естественным образом поляризует вход операционного усилителя 510 при помощи тока, постоянно циркулирующего по отношению к потенциалу +Е виртуальной массы, и позволяет электрическим зарядам, отобранным емкостью 530 коммутации, вычитаться из этого постоянного тока, что дает возможность измерить предельно малые величины зарядов и позволяет обеспечить аналоговый сигнал, соответствующий подсчету электрических зарядов, результирующих интегрирование сигнала без необходимости использования блокирующего дискретизатора на выходе.

В соответствии с еще одним возможным вариантом реализации предлагаемого изобретения неинвертирующий вход операционного усилителя 510 может быть связан с потенциалом эталонного зонда 200 во время Т1 и с потенциалом +Е посредством адаптированного переключателя, управляемого задающим тактовым генератором 410, только во время Т2.

Ниже описан модуль распознавания спектра при помощи обработки сигнала, поступающего из каскада 500 (фиг. 4) интегрирующего измерительного устройства, предназначенного для идентификации анализируемой среды, находящейся между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200.

Дополнительно к измерительному зонду 100 и эталонному зонду 200 имеются средства 300 электрического питания, средства 400 управления и каскад 500 интегрирующего измерительного устройства.

Сигнал, получаемый на выходе каскада 500 интегрирующего измерительного устройства, может быть сформирован в выходном каскаде 600, принимающем эталонное напряжение или напряжение регулировки нуля, поступающее из каскада 610.

Основная функция дополнительных средств 700 обработки сигнала состоит в том, чтобы существенно усилить сигнал, поступающий из предстоящего каскада 600, чтобы выявить изменения или флюктуацию этого сигнала, а затем преобразовать этот сигнал в цифровую форму и, наконец, рассчитать его спектр.

Дополнительные средства содержат каскад 710, который обеспечивает преобразование дискретного сигнала, поступающего из средств 600, в прямоугольные сигналы, амплитуда которых пропорциональна диэлектрической проницаемости анализируемого продукта.

Выход каскада 710 соединен с входом высокочастотного усилителя 712 с большим коэффициентом усиления. Усиленный таким образом сигнал подается на синхронный детектор 714, предназначенный для восстановления информации по отношению к эталонному потенциалу модуля (электрическая масса).

Затем этот сигнал поступает в интегрирующее измерительное устройство 716, постоянная времени которого является весьма большой по сравнению с периодом дискретизации. Контур 718 обратной связи соединяет выход интегрирующего измерительного устройства 716 с входом каскада 710.

Таким образом, на выходе интегрирующего измерительного устройства 716 получают значительно усиленный и флюктуирующий сигнал.

Выход каскада интегрирующего измерительного устройства 716 соединен с каскадом 720 обработки сигнала.

Каскад обработки 720 содержит: аналого-цифровой преобразователь, выдающий цифровые значения аналогового сигнала, поступающего из каскада интегрирующего измерительного устройства 716; блок управления для управления средствами запоминания, сохраняющими цифровые значения сигнала; вычислительные средства, образованные, например, DSP, микроконтроллером или микропроцессором.

Вычислительные средства выполнены таким образом, чтобы: осуществлять операции рекурсивной цифровой фильтрации; рассчитывать преобразования Фурье и спектральные плотности в реальном времени или с задержкой по времени с достаточным числом точек и достаточным разрешением в соответствии с классическими технологиями вывода на экран элементов изображения (прямоугольное, Hamming, и т.д.) или перекрытия; обеспечивать возможность расчета перекрещивающихся спектров в реальном времени или с некоторым запаздыванием на скользящих интервалах времени; обеспечивать возможность расчета скользящих средних арифметических значений во временной области и в частотной области; обеспечивать возможность расчета функций корреляции и взаимной корреляции во временной области или в частотной области и осуществлять, при необходимости, поиск в запомненной базе данных характерных сигнатур.

На основе рассчитанных преобразований Фурье в реальном времени с временными интервалами, выбранными в функции частотного разрешения, и выбранными временными интервалами ответа (число точек, частота дискретизации), каскад 720 осуществляет поиск частотного диапазона, для которого энергетическая спектральная плотность (DSE) является наиболее высокой.

На последовательных номерах точек, определяемых каскадом 720, рассчитывается скользящее среднее арифметическое значение величины DSE. И в реальном времени производится сравнение величины DSE в одном заданном частотном диапазоне по отношению к другому частотному диапазону.

После того как обеспечивается достижение соотношения К, устраняется неоднозначность. При этом значение номера, величина соотношения К и выбранные частотные диапазоны представляют собой функцию различных анализируемых в данном случае материалов.

В случае необходимости и для повышения точности измерений можно использовать тот же расчет, но вместо непосредственной обработки преобразований Фурье можно обрабатывать перекрещивающиеся спектры, рассчитанные на двух последовательных преобразованиях Фурье (Sc=(Sn-1)*(Sn*)).

После получения спектра каскад 720 рассчитывает и определяет корреляции по отношению к цифровым спектрам, хранящимся в базе данных. Этот каскад 720 может устранить неоднозначность на основе величины корреляции, определяющей приемлемую степень доверия к результату.

Измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 могут быть связаны со средствами 500 обработки при помощи двухпроводного кабеля, предпочтительно снабженного экраном, или посредством коаксиального кабеля, центральная жила которого связана с измерительным зондом 100, а наружная оплетка связана с эталонным зондом 200.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может найти применение в многочисленных областях техники.

Можно упомянуть следующие области: - измерение уровня, например, электропроводных или электроизоляционных жидкостей или порошкообразных материалов; нефтепродуктов, таких, например, как сжиженный попутный газ (GPL); при выполнении упомянутого выше детектирования в виде непрерывного измерения уровня или в виде простого определения заданных значений уровня в качестве детектора верхнего уровня и нижнего уровня, независимо от характера материала, из которого изготовлен данный резервуар, например металлического или пластмассового; - аналоговое распознавание изделий или продуктов, например, в автомобильном транспорте для определения качества и/или степени загрязненности моторного масла; при производстве и использовании различных нефтепродуктов; в пищевой промышленности для контроля качества продуктов и их дозирования; в любой другой области, например в области детектирования типа продукта, находящегося в трубопроводе, например выявления различия между водой и газом в трубе, изготовленной из пластического материала, в частности из полихлорвинила (PVC); - выявление наличия или интрузии продукта, в частности выявление интрузии или прорыва защитной оболочки объектов любого типа; выявление интрузии или прорыва применительно, в частности, к защите художественных произведений; выявление интрузии или прорыва применительно к защите витрин в магазинах; выявление присутствия человека в автомобильном кресле для идентификации его положения для разумного управления различными органами автомобиля, например надувными подушками безопасности, положением рулевой колонки, высотой размещения рулевого колеса или ориентацией зеркал заднего вида; выявление присутствия или интрузии применительно к людям, например для подачи сигнала тревоги при несанкционированном вторжении или для подсчета прошедших людей; выявление присутствия применительно к подсчету тех или иных объектов; выявление присутствия примените