Устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика

Устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения свойств и состава веществ конденсаторными датчиками.

Уровень техники

Для анализа состава вещества используют диэлькометрический метод, основанный на измерении относительной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. Контролируемое вещество (например, зерно) помещается в конденсаторный датчик.

При построении измерительных устройств часто используют параллельную схему замещения конденсатора с потерями, которая представляет собой параллельно включенные идеальный конденсатор и активное сопротивление, характеризующее потери в диэлектрике при воздействии на него электрического поля.

Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами интегрирующих звеньев, во времязадающие цепи одновибраторов включены конденсаторы, соответственно, образцовой и измеряемой емкостей. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, значение которого зависит от изменения измеряемой емкости и которое отражается блоком индикации (см. пат. РФ №2156472, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности. Устройство не позволяет измерять отдельно емкость и диэлектрические потери конденсаторного датчика.

Известно цифровое устройство для измерения емкости и ее отклонения от номинала, которое содержит первый и второй генераторы, во времязадающие цепи генераторов, включены конденсаторы, соответственно, измеряемой и образцовой емкостей, выходы генераторов соединены с устройством, формирующим импульсы с частотой повторения, равной разности частот указанных генераторов, импульсы разностной частоты поступают на ключ, который управляется делителем частоты импульсов, поступающих от первого генератора, импульсы с выхода ключа поступают на счетчик для формирования двоичного кода, пропорционального измеряемой емкости (см. авт. св. №331340, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности. Устройство не позволяет измерять отдельно емкость и диэлектрические потери конденсаторного датчика.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены, соответственно, конденсаторный датчик измеряемой емкости и конденсатор образцовой емкости, времязадающие резисторы включены по известным схемам, выходы генераторов подключены к счетным входам, соответственно, первого и второго счетчиков микроконтроллера, один из выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру. (см. пат. РФ №2214610, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности. Устройство не позволяет измерять отдельно емкость и диэлектрические потери конденсаторного датчика.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения сводится к расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор, первый и второй генераторы, времязадающие цепи, которых содержат, соответственно, конденсаторный датчик и первый времязадающий резистор, конденсатор образцовой емкости и второй времязадающий резистор, причем первый и второй времязадающие резисторы, сопротивления которых равны R1, первыми выводами, подключены к первым обкладкам, соответственно, конденсаторного датчика и конденсатора образцовой емкости, вторые обкладки, которых подключены к общему проводу, выходы первого и второго генераторов подключены к счетным входам, соответственно, первого и второго счетчиков микроконтроллера, вывод микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру, введены третий и четвертый времязадающие резисторы и четыре ключа, причем третий и четвертый времязадающие резисторы, сопротивления которых равны R2, первыми выводами подключены к первым обкладкам, соответственно, конденсаторного датчика и конденсатора образцовой емкости, вторыми выводами четыре времязадающих резистора подключены к первым выводам соответствующих ключей, вторые выводы которых подключены к плюсовой клемме источника питания, выводы управления ключами подключены к микроконтроллеру, причем при реализации устройства обязательным является выполнение соотношения R1≪R2, с учетом R1≪Rп≈R2, где Rп - активное сопротивление конденсаторного датчика.

Краткое описание чертежей

На фиг. дано устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика.

Осуществление изобретения

Устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика содержит (см. чертеж) генераторы 1, 2, микроконтроллер 3, цифровой индикатор 4, конденсаторный датчик 5, конденсатор 6 образцовой емкости, времязадающие резисторы 7, 8, 9, 10, ключи 11, 12, 13, 14, плюсовую клемму 15 источника питания. Выходы генераторов 1 и 2 подключены к счетным входам, соответственно, первого и второго счетчиков (не показаны) микроконтроллера 3, один вывод порта микроконтроллера 3 подключен к входам разрешения генерирования генераторов 1, 2. К порту микроконтроллера 3 подключен цифровой индикатор 4. Четыре вывода порта микроконтроллера 3 подключены к выводам для управления ключами 11, 12, 13, 14. Во времязадающую цепь генератора 1 включен конденсаторный датчик 5, обладающий емкостью С1 и активным сопротивлением потерь R_П, которые необходимо измерить, и первый, третий времязадающие резисторы 7, 9, соответственно. Во времязадающую цепь генератора 2 включен конденсатор 6 образцовой емкости, обладающий емкостью С2, и второй, четвертый времязадающие резисторы 8, 10, соответственно. Времязадающие резисторы 7, 9 и 8, 10 первыми выводами подключены к первым обкладкам, соответственно, конденсаторного датчика 5 и конденсатора 6 образцовой емкости, вторыми выводами подключены к первым выводам соответствующих ключей 11, 12, 13, 14, вторые выводы, которых подключены к плюсовой клемме 15 источника питания. Вторые выводы конденсаторного датчика 5 и конденсатора 6 образцовой емкости подключены к общему проводу. Времязадающие резисторы 7 и 8, сопротивлением R1, а времязадающие резисторы 9 и 10, сопротивлением R2, причем R1≪R2.

Устройство работает следующим образом.

Устройство работает в двух режимах. В первом режиме производится измерение емкости С1 конденсаторного датчика 5. Во втором режиме - измерение активного сопротивления Rп конденсаторного датчика 5. Конденсатор 6 образцовой емкости, обладающий емкостью С2, в обоих режимах остается неизменным. Микроконтроллер 3, в начале каждого цикла измерений, которые производятся в каждом режиме, устанавливает на разрешающих входах генераторов 1, 2 логические уровни напряжения, разрешающие генерирование, и запускает сброшенные в нуль счетчики. Генераторы 1, 2 одновременно начинают генерировать последовательности прямоугольных импульсов напряжения.

Рассмотрим каждый режим отдельно.

Первый режим. Микроконтроллер 3 переводит ключи 11, 12 в состояние «замкнуто», а ключи 13, 14 в состояние «разомкнуто», в этом случае, в качестве времязадающих резисторов включены резисторы 7, 8, сопротивления которых равны R1. Так как R1≪Rп, то сопротивлением Rп можно пренебречь и считать, что заполненный контролируемым материалом конденсаторный датчик в этом случае не обладает потерями. Периоды следования прямоугольных импульсов генераторов 1, 2 пропорционально зависят от постоянной времени времязадающих элементов (условимся считать, что период следования прямоугольных импульсов равен постоянной времени времязадающих элементов), в общем случае, определяются: для генератора 1, T11=R1C1; для генератора 2, Т12=R1C2. Для случая когда С1=С2, т.е. датчик 5 пуст, Т11=Т12.

При заполнении конденсаторного датчика материалом его емкость возрастает на значение ΔС. Тогда, R1(C1+ΔС)=R1C1+R1ΔС=Т11+ΔТ1, откуда -

Микроконтроллер 3 определяет ΔС и сохраняет в памяти.

Второй режим. Микроконтроллер 3, переводит ключи 11, 12 в состояние «разомкнуто», а ключи 13, 14 в состояние «замкнуто», в этом случае в качестве времязадающих резисторов включены резисторы 9, 10, сопротивления которых равны R2. Периоды следования прямоугольных импульсов: для генератора 1, Т21=R2C1; для генератора 2, Т22=R2С2. Для случая когда С1=С2, т.е. датчик 5 пуст, Т21=Т22.

При заполнении конденсаторного датчика материалом его емкость возрастает на значение ΔС и образуются потери в виде сопротивления Rп, которое соизмеримо с R2. Постоянная времени переходного процесса определяется согласно известному выражению для четырехполюсника:

Т21+ΔТ2=(С1+ΔC)R2Rп/(R2+Rп),

ΔТ2=ΔCR2Rп/(R2+Rп),

ΔC - известно из выражения (1), ΔТ2=(Т21+ΔТ2)-Т22 - определяет микроконтроллер, тогда

Микроконтроллер 3 определяет Rп и сохраняет в памяти.

Для повышения чувствительности устройства необходимо использовать встроенные в микроконтроллер 3 счетчики в качестве делителей частоты, которые позволяют просуммировать разницу нескольких периодов согласно выражению ΔTxN=Tx1N-Tx2N, где x - индекс режима; N - коэффициент счета счетчиков микроконтроллера 3.

Выражение ΔTxN можно представить как интервал времени (разницу во времени) между появлением одинаковых событий (перепадов напряжения) на старших разрядах счетчиков. Данный интервал времени заполняется тактовыми импульсами от генератора тактовых импульсов микроконтроллера 3. Количество тактовых импульсов, ограниченное интервалом характеризует приращение измеряемой величины, в данном случае значение ΔС или Rп.

С учетом последующих преобразований, микроконтроллер 3 выводит значения измеренных величин емкости ΔС и диэлектрических потерь Rп конденсаторного датчика 5 на цифровой индикатор 4.

Работа устройства осуществляется при наличии напряжения между общим проводом и плюсовой клеммой 15 источника питания.

В качестве ключей 11, 12, 13, 14 могут быть использованы встроенные в микроконтроллер 3 буферные устройства, позволяющие программно переводить линии ввода-вывода порта в три состояния, в т.ч. и в состояние «отключено».

Предлагаемое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества: позволяет измерять отдельно емкость и диэлектрические потери конденсаторного датчика.

Устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор, первый и второй генераторы, времязадающие цепи которых содержат, соответственно, конденсаторный датчик и первый времязадающий резистор, конденсатор образцовой емкости и второй времязадающий резистор, причем первый и второй времязадающие резисторы, сопротивления которых равны R1, первыми выводами подключены к первым обкладкам, соответственно, конденсаторного датчика и конденсатора образцовой емкости, вторые обкладки которых подключены к счетным входам, соответственно, первого и второго счетчиков микроконтроллера, вывод микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый времязадающие резисторы и четыре ключа, причем третий и четвертый времязадающие резисторы, сопротивления которых равны R2, первыми выводами подключены к первым обкладкам, соответственно, конденсаторного датчика и конденсатора образцовой емкости, вторыми выводами четыре времязадающих резистора подключены к первым выводам соответствующих ключей, вторые выводы которых подключены к плюсовой клемме источника питания, выводы управления ключами подключены к микроконтроллеру, причем при реализации устройства обязательным является выполнение соотношения R1≪R2 с учетом R1≪R_П, где R_П - активное сопротивление конденсаторного датчика.