Измерительное устройство для косвенного измерения диэлектрической проницаемости

 

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 p•E, где Е - амплитуда напряжения, приложенного к измерительному зонду за время Т1, р - циклическое соотношение между двумя последовательностями Т1 и Т2, то есть Т1=р•Т2.

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 τ = ε/γ, где ε представляет собой диэлектрическую проницаемость и γ 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=-Е•Сs; 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:
-E•Cs=V_s2•520, 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_s2•C520/(C520+С530)=
=QC530/C530=QC520/C520, или
QC530=[V_s2•C520/(C520+С530)]•С530=
=[V_s2/(1+С530/С520)•С530,
или при условии, что емкость конденсатора С520=n530 емкостей конденсатора, т.е. >> С530, QC530≈V_s2•530.

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 уравновешенное•530=-E•Cs.

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: Сs≈C530.

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=р•Т2, 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 применительно к реализации клавиатуры.

Ниже описана серия различных применений устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, касающихся определения уровня, что показано на фиг.5-13.

На фиг.5 схематически представлен способ применения предлагаемого устройства, в соответствии с которым эталонный зонд 200 образован резервуаром 10, обладающим электрической проводимостью, например металлическим резервуаром, содержащим жидкий или порошкообразный продукт, обладающий электрической проводимостью или являющийся электрическим изолятором, уровень которого в этом резервуаре требуется измерить.

В этом случае измерительный зонд 100 образован электропроводным телом, расположенным в резервуаре 200, например стержнем круглого поперечного сечения, предпочтительно в вертикальном положении погруженным в подлежащую контролю среду. В предпочтительном варианте реализации измерительный зонд 100 имеет постоянное поперечное сечение по всей высоте.

Измерительный зонд 100 должен быть отделен и должен находиться на некотором расстоянии от эталонного зонда 200, в данном случае образованного самим резервуаром. В случае, когда контролируемый продукт, содержащийся в резервуаре 200, обладает электрической проводимостью, измерительный зонд и/или эталонный зонд 200 должны содержать электроизоляционное покрытие.

Измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 связаны со средствами обработки и анализа типа уже описанных выше при помощи любых подходящих в данном случае средств 20, 22.

В качестве не являющегося ограничительным примера для измерительного зонда 100 цилиндрической формы электрическое напряжение, получаемое на выходе каскада интегрирующего измерительного устройства 500 будет определяться соотношением:

где η= 0,5= Т2/(Т1+T2) - циклическое соотношение, нейтрализующее реманентный или остаточный гистерезис электрических зарядов;εm - диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости; εc - диэлектрическая проницаемость изолирующего покрытия зонда; G - коэффициент усиления системы; R - радиус поперечного сечения измерительного зонда 100; е - толщина изолирующего покрытия на поверхности измерительного зонда 100; Н - высота уровня свободной поверхности электропроводной жидкости или электропроводного порошкообразного продукта; Е - величина напряженности приложенного электрического поля.

На фиг.6 показан вариант выполнения, в соответствии с которым эталонный зонд 200 образован не баком или резервуаром 10, в котором размещается подлежащая контролю жидкость, а специальным цилиндром из электропроводного материала, охватывающим измерительный зонд 100 и содержащим множество отверстий, чтобы обеспечить возможность свободного и непосредственного жидкостного сообщения между внутренним объемом резервуара 10 и внутренним объемом эталонного зонда 200, в котором находится измерительный зонд 100.

В том случае, когда подлежащая контролю жидкость обладает собственной электрической проводимостью, по меньшей мере один из двух упомянутых зондов, измерительный зонд 100 или эталонный зонд 200, должен иметь электроизоляционное покрытие, не являющееся пористым по отношению к данной жидкости.

На фиг.7 показан еще один вариант выполнения предлагаемого устройства, в соответствии с которым эталонный зонд 200 образован специальным электропроводным телом, располагающимся в резервуаре 10 по существу параллельно измерительному зонду 100.

На фиг.8 показан вариант выполнения, аналогичный контуру обработки, показанному на фиг.2.

Измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 объединены с двумя электродами 150, 250, размещенными в непосредственной близости от дна резервуара, содержащего подлежащую контролю жидкость, погружены в эту жидкость и соединены с каскадом 550 интегрирующего измерительного устройства при помощи соответствующих электрически изолированных связей.

На фиг.9 показан вариант выполнения, по типу "все или ничего" для выявления заданного верхнего или заданного нижнего уровня контролируемой жидкости.

Эталонный зонд 200 связан с резервуаром 10, изготовленным из электропроводного материала, но может быть образованным и другим элементом, отличным от резервуара и размещенным внутри резервуара, и два измерительных зонда 100, 100', располагающихся соответственно на заданном верхнем уровне и на заданном нижнем уровне, которые следует определить.

Каждый из измерительных зондов 100, 100' связан со средствами электрического питания и с каскадами 500 интегрирующих измерительных устройств посредством инвертирующих переключателей 420, соединенных, как указано выше для фиг.1.

Таким образом, получают изменение электрического напряжения на выходе каскада 500 интегрирующего измерительного устройства, возникающее в том случае, когда контролируемая жидкость преодолевает вследствие избытка или недостатка уровень расположения измерительных зондов 100 или 100'.

Для этого достаточно выполнить сравнение между выходным сигналом каскадов 500 интегрирующего измерительного устройства и эталонным сигналом, чтобы выявить факт преодоления верхнего или нижнего уровня в данном резервуаре.

В качестве варианта реализации можно предусмотреть использование только одного измерительного зонда, показывающего преодоление только верхнего уровня или преодоление только нижнего уровня, или же предусмотреть наличие более двух измерительных зондов, распределенных по высоте данного резервуара и предназначенных для выявления преодоления соответствующих значимых в данном случае уровней.

На фиг. 10 показан вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащего два измерительных зонда 100, расположенных в резервуаре 10 соответственно на верхнем уровне и на нижнем уровне, и один эталонный зонд 200, размещенный в том же резервуаре в непосредственной близости от его дна.

На фиг.11 показан вариант выполнения, используемый для идентификации анализируемого продукта, например для определения качества автомобильного моторного масла или для определения качества пищевых продуктов или качества нефтепродуктов.

Измерительный зонд 100 содержит вертикальный стержень 102, изготовленный из электропроводного материала, который завершается в основании круглым диском 103. Измерительный зонд 100 перекрыт на уровне вертикального стержня 102 электроизоляционным материалом 104, который в свою очередь перекрыт по периферийной части эталонным зондом 200.

То же самое осуществлено на уровне диска 103. Однако следует отметить, что на уровне нижнего диска 103 эталонный зонд 200 отделен от электроизоляционного материала 104 (или измерительный зонд 100 отделен от электроизоляционного материала 104) на расстояние d, чтобы контролируемая жидкость могла проникать в сформированное таким образом пространство между этим электроизоляционным материалом 104 и эталонным зондом 200 или измерительным зондом 100.

Таким образом, только нижние части измерительного зонда 103 и эталонного зонда 200 являются активными для выявления подлежащего контролю продукта.

Устройство выявления типа того, которое схематически проиллюстрировано на фиг.5, может быть использовано не только для определения уровня, но и для идентификации контролируемого продукта путем непосредственного использования полученного сигнала, являющегося репрезентативным для диэлектрической проницаемости среды, располагающейся между двумя зондами 100 и 200.

На фиг.12 показан другой возможный вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, подобный вариантам, показанным на фиг.9 и 10, и предназначенный для определения уровня. В данном случае измерительные зонды 100 располагаются с наружной стороны резервуара 10. Этот вариант реализации обычно применяется для резервуаров, изготовленных из электроизоляционного материала.

На фиг.13 показан еще один возможный вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащего датчик 480 температуры, предназначенный для термической компенсации выполняемого измерения.

Устройство содержит измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 типа тех, которые были показаны на фиг.6. Однако предлагаемое изобретение не ограничивается этим вариантом реализации. Это изобретение может быть применено для любой другой геометрии и к любому другому конструктивному решению зондов.

Температурный зонд размещен на измерительном зонде 100. В качестве варианта выполнения этот температурный зонд 480 может быть размещен в любом другом месте.

Выходной сигнал температурного зонда 480 используется для коррекции величины электрического напряжения (-Е), приложенного к измерительному зонду 100 во время Т1, и для определения электрического напряжения коррекции, приложенного к входу каскада 500 интегрирующего измерительного устройства во время Т2.

В этом случае электрическое напряжение (-Е) формируется на выходе операционного усилителя 481, неинвертирующий вход которого связан с выходом температурного датчика 480 посредством резистора 482 и с источником фиксированного эталонного напряжения посредством резистора 483.

Инвертирующий вход операционного усилителя 481 заземлен посредством резистора 484 и связан с собственным выходом посредством резистора 485.

Таким образом, на выходе операционного усилителя 481 получают электрическое напряжение (-Е), которое изменяется в направлении, обратном направлению изменения температуры, компенсируя тем самым изменения диэлектрической проницаемости некоторых жидкостей, связанные с изменением температуры.

Выход операционного усилителя 481 связан также с измерительным зондом 100 посредством инвертирующего переключателя 420.

Электрическое напряжение для коррекции подается посредством инвертирующего усилителя 486 с регулируемой точки потенциометра 487, подключенного между массой и выходом усилителя 481.

Выход инвертирующего усилителя 486 связан со входом каскада 500 интегрирующего измерительного устройства во время Т2 посредством переключателя 488, управляемого тактовым генератором 410.

Контур, содержащий средства коррекции в функции температуры при помощи элементов 480-488 (фиг. 13), может быть использован для выявления наличия продукта без измерения его уровня.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения устройства согласно изобретению отрицательная обратная связь, охватывающая операционный усилитель 481 посредством резистора 482, может исходить не от датчика температуры, а от каскада обработки, принимающего сигнал, поступающий от измерительного зонда, подобного зонду 150 (фиг.8), для коррекции в функции реальной диэлектрической проницаемости выявленной среды.

В общем случае в рамках предлагаемого изобретения можно компенсировать первоначальное отклонение напряжение двумя способами: а) путем нейтрализации первоначального отклонения при помощи усилителя в системе коммутации емкости 600 и путем приложения обратного напряжения со знаком, противоположным знаку электрического поля, приложенного к точке суммирования операционного усилителя 510, или б) путем приложения синхронным образом к точке суммирования усилителя с коммутацией емкости 600, на протяжении времени подсчета зарядов, обратного напряжения со знаком, противоположным знаку приложенного электрического поля.

На фиг.14 показан вариант выполнения, используемый для выявления или выделения продукта, например, среди твердых, жидких или газообразных продуктов типа воды или газа, движущихся в трубопроводе 30, который не является электропроводным.

Для этого устройство содержит измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200, размещенные на стенке трубопровода 30, например (но не обязательно), диаметрально противоположно. Действительно, в качестве варианта реализации можно предусмотреть расположение измерительного зонда 100 и эталонного зонда 200 с некоторым смещением друг относительно друга по оси трубопровода или в угловых положениях, не являющихся диаметрально противоположными.

В случае необходимости зонды 100 и 200 обеспечены защитой от сред, движущихся в трубопроводе 30, при помощи покрытия, непроницаемого по отношению к этим средам. Такое устройство позволяет, в частности, выявлять наличие воды в потоке газа.

Каскад 500 интегрирующего измерительного устройства, образующий систему подсчета электрических зарядов, формирует на своем выходе электрическое напряжение, пропорциональное диэлектрической проницаемости продукта, находящегося между электродами 100 и 200.

Поскольку соотношение между диэлектрической проницаемостью воды и диэлектрической проницаемостью большинства газов превышает 15, эти средства позволяют легко выявить наличие воды или газа в данном трубопроводе.

На фиг. 15 показан вариант выполнения, используемый для выявления интрузии. В этом случае измерительный зонд и эталонный зонд образованы электропроводными телами, например электрическими проводами, которые проходят вдоль зоны, подлежащей контролю. Расстояние между зондами 100 и 200 может иметь величину порядка 5 см.

В более общем случае и в рамках предлагаемого изобретения расстояние между двумя зондами 100 и 200 может иметь величину, заключенную в диапазоне от 1 до 10 см, или в наиболее предпочтительном варианте - порядка 5 см.

Электропроводные тела, образующие зонды 100 и 200, могут быть частично электрически изолированы или экранированы по длине своих не являющихся рабочими или чувствительными зон. Такое локальное изолирование или экранирование может быть сформировано путем локального охвата измерительного зонда 100 электропроводной оболочкой 40, подключенной к потенциалу эталонного зонда 200.

При этом всякое перемещение человека или другого объекта в непосредственной близости от этих зондов 100, 200 изменяет диэлектрическую проницаемость среды и приводит тем самым к изменению электрического напряжения на выходе каскада 500 интегрирующего измерительного устройства, что позволяет выявить совершившуюся интрузию.

В качестве примера можно сказать, что контур в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет для напряжения величиной порядка 4 В, приложенного между измерительным зондом 100 и эталонным зондом 200, выявить перемещение в радиусе порядка 40 см от этих зондов.

Было отмечено, что окружающая среда с течением времени может генерировать напряжение дрейфа или ухода в функции температуры и степени влажности. Это напряжение можно скорректировать при помощи каскада 730 (фиг.15), обеспечивающего расчет средней величины дрейфа и соответствующую коррекцию выходного сигнала устройства.

В этом контексте можно выделить положительное или отрицательное изменение электрического напряжения, полученного на выходе каскада 500, между интрузией или появлением объекта или его выходом по отношению к среде, окружающей зонды 100 и 200.

Коррекция, основанная на изменении диэлектрической проницаемости окружающей среды, в частности в функции степени влажности и уровня температуры, может быть обеспечена при помощи контрольного сигнала, генерируемого вспомогательным каскадом интегрирующего измерительного устройства, управляемым вспомогательными измерительным и эталонным зондами, размещенными в той же самой окружающей среде, что и измерительный и эталонный зонды, используемые для детектирования, но в месте, недоступном для интрузии, и, следовательно, нечувствительными к влиянию подобного рода.

Вариант устройства, проиллюстрированный на фиг.15, может быть использован для защиты картины или другого художественного произведения.

Для этого достаточно разместить два зонда 100 и 200 в непосредственной близости от подлежащего защите художественного произведения таким образом, чтобы всякое перемещение объекта или вторжение некоего постороннего объекта в среду, окружающую эти зонды, генерировало изменение сигнала на выходе соответствующего интегрирующего измерительного устройства.

Можно предусмотреть одну пару зондов 100, 200, связанную соответственно с каждым подлежащим контролю объектом, или же одну пару зондов 100, 200, связанную с совокупностью подлежащих контролю объектов, располагающихся, например, в витрине или на месте их демонстрации или экспозиции.

В последнем случае достаточно контролировать данные, поступающие от двух зондов 100, 200, имеющих необходимую длину, обеспечивающую возможность перекрытия всей среды, окружающей подлежащие охране объекты.

Зонды 100, 200 в этом случае могут располагаться под основанием, на котором размещаются подлежащие охране объекты, или позади этого основания.

В других возможных способах реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением следует следить за нейтрализацией зон электрических проводов, соединяющих зонды, но не связанных с собственно выявлением нарушений заданных критериев, чтобы исключить возможность ложных срабатываний системы.

В то же время место, где размещаются подлежащие охране объекты, например стол, прилавок или витрина, не должны быть металлическими и не должны содержать электропроводных конструкций, связанных с землей.

На фиг. 16 показан вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением для определения присутствия и/или положения пользователя в кресле 50, установленном, например, в автомобиле или в летательном аппарате. Такая система может быть использована, например, для определения положения, направления или присутствия в этом кресле пользователя, чтобы обеспечить разумное управление действием надувной подушки безопасности в случае лобового столкновения.

В этом случае кресло предпочтительно может быть оборудовано несколькими парами измерительных зондов 100 и эталонных зондов 200, располагающимися, например, под чехлом кресла и против характерных зон сидящего в нем человека, например на уровне его бедер, спины, плеч и головы. Выходные сигналы зондов могут быть направлены в соответствующие каскады обработки или могут быть соединены с общим каскадом обработки посредством мультиплексора.

Использование сигналов, выдаваемых зондами, может быть весьма разнообразным. Вычислительное устройство может производить суммирование сигналов, поступающих от каждого из упомянутых зондов, в соответствии с их предварительно определенными весовыми коэффициентами.

Такое устройство позволяет отличить находящегося в кресле ребенка от взрослого человека, чтобы соответствующим образом обеспечить управление надувной подушкой безопасности и исключить ранение при срабатывании этой подушки безопасности.

На фиг.17 показан вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, разработанный для выявления факта перемещения людей или других объектов через портальное контрольное устройство 60, например, для их подсчета или выдачи сигнала тревоги.

В этом случае измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 размещаются параллельно друг другу на вертикальной боковой стенке портального контрольного устройства 60.

Два зонда 100, 200 могут быть образованы электрическими проводниками, проходящими по всей высоте портального контрольного устройства 60 и отстоящими друг от друга на расстояние порядка 5 см. В предпочтительном варианте реализации портальное контрольное устройство 60 не содержит других электропроводных конструкций, связанных с землей.

Устройство может быть использовано для выявления прохождения, перемещения или подсчета движущихся объектов. Можно, например, использовать для этого измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200, располагающиеся соответственно по одну и по другую стороны от транспортерной ленты 70, обеспечивающей перемещение объектов, как это показано на фиг.18, или примыкающие к ней вдоль ее протяженности.

На фиг. 19 показан вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением применительно к клавиатуре 80. Каждая из клавиш 80 образована двумя участками, выполненными из электропроводного материала, образующими измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 и располагающимися на подложке 82, предпочтительно под электроизоляционным печатным экраном, выполненным в виде тонкого листа пластического материала.

Зонды 100 и 200 могут быть отделены друг от друга на расстояние, например, несколько миллиметров. Диэлектрическая проницаемость среды, окружающей зонды 100 и 200, изменяется в том случае, когда пользователь приближается к зоне детектирования, материализованной зондами, что приводит к изменению уровня выходного сигнала соответствующего каскада интегрирующего измерительного устройства электрических зарядов.

Зонды 100 и 200 связаны каскадами 500 обработки при помощи любых подходящих средств 20, 22 связи. Эти средства связи за пределами требуемой зоны детектирования должны быть защищены экранированием, чтобы исключить появление паразитных сигналов в случае, когда пользователь приближается к соединительным зонам.

В предпочтительном варианте реализации все эталонные зонды 200 связаны между собой. Каждая клавиша, сформированная парой зондов 100 и 200, может быть связана с соответствующим каскадом 500 интегрирующего измерительного устройства.

Различные клавиши связаны с одним общим каскадом интегрирующего измерительного устройства посредством мультиплексора. В этом случае каждая из клавиш управляется соответственно при помощи последовательностей Т1 и Т2 и изменение выходного сигнала каскада 500 интегрирующего измерительного устройства присваивается синхронно управляемой клавише.

На фиг. 20 показан еще один возможный вариант реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, представляющего собой датчик давления. В этом случае два зонда 100 и 200 размещаются соответственно на двух элементах датчика давления, способных перемещаться друг относительно друга под действием приложенного к этому датчику давления.

Датчик 84 (фиг.20) содержит корпус 85, разделенный на две камеры 86 и 87 при помощи упругой мембраны 88, деформируемой под действием давления, подаваемого в первую камеру 86 через патрубок 89.

Один из двух зондов, например зонд 100, размещается на деформируемой мембране 88, а другой зонд, например зонд 200, размещается на неподвижной стенке корпуса датчика, например на донной стенке его второй камеры, или наоборот.

Вторая камера 87 может быть закрытой или может сообщаться с атмосферой или с опорным давлением. Деформируемая мембрана 88 может быть связана с тарированной нагружающей пружиной или может не иметь связи с пружиной.

Зонды 100 и 200 связаны с каскадом 500 интегрирующего измерительного устройства при помощи любых подходящих в данном случае средств, например для зонда, установленного на деформируемой мембране, при помощи гибкого электрического проводника.

Выходное напряжение каскада 500 интегрирующего измерительного устройства, связанного с датчиком, изменяется обратно пропорционально величине промежутка, разделяющего зонды 100 и 200 и характеризующего изменения контролируемого давления.

На фиг.21 показан еще один вариант выполнения устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, образующего датчик степени накачивания пневматической шины 90. Измерительный зонд 100 и эталонный зонд 200 располагаются соответственно в двух зонах пневматической шины или конструкции, связанной с ней и способной к относительному перемещению в зависимости от состояния накачивания пневматической шины.

Измерительный зонд 100 может быть образован радиальным металлическим каркасом пневматической шины 90, тогда как эталонный зонд 200 может быть образован монтажным ободом пневматической шины или металлической лентой, размещенной на ободе 92 и изолированной от него при помощи электроизоляционного материала типа эластомера.

Зонды 100 и 200 соединены при помощи любых подходящих средств, например при помощи экранированных проводников 20/22, с каскадом 500 интегрирующего измерительного устройства, размещенным на ободе.

Расстояние между двумя зондами 100 и 200 изменяется в функции степени накачивания пневматической шины. То же самое можно сказать и об уровне электрического сигнала, формируемого на выходе интегрирующего измерительного устройства.

Связь между монтажным ободом и ступицей колеса автомобиля или в более общем случае рамой или шасси этого автомобиля, предназначенная для передачи соответствующей информации, может быть выполнена с использованием любых подходящих средств, например при помощи электромагнитного преобразователя или оптических средств связи.

Само собой разумеется, что предлагаемое изобретение не ограничивается описанными выше способами его реализации и охватывает все возможные варианты, отвечающие его изобретательской сущности.

Предлагаемое изобретение обладает многочисленными преимуществами по сравнению с измерительными устройствами, предложенными ранее и характеризующими существующий уровень техники в данной области.

В частности, согласно изобретению предлагается очень чувствительное устройство, способное измерять такие малые величины емкости, как несколько сотен фемто кулонов.

Предлагаемое изобретение позволяет также реализовать средства детектирования, обеспечивающие совершенную гальваническую изоляцию и, следовательно, полную безопасность для пользователя. Для этого достаточно защитить зонды 100 и 200 хорошим электроизоляционным экраном, например, но не обязательно, тактильным экраном.

Такое устройство может найти применение, например, в случае управления утилитарными функциями в требующей особых предосторожностей окружающей среде, например в ванной комнате или в бане.

В этом случае данное изобретение может быть реализовано в виде панели с чувствительными зонами или клавишами, каждая из которых связана с соответствующим измерительным зондом 100 для обеспечения управления специфическими функциями, такими, например, как функция открытия или закрытия крана или вентиля, функция "регулирование расхода воды", функция "горячая вода", функция "холодная вода" или любая другая эквивалентная функция, посредством специально приспособленного для этого электромеханического органа.

Формула изобретения

1. Измерительное устройство для косвенного измерения диэлектрической проницаемости, содержащее два электропроводных тела, образующих соответственно измерительный зонд (100) и эталонный зонд (200), средства (300) электрического питания, способные выдавать постоянное электрическое напряжение контролируемой амплитуды, каскад (500) интегрирующего измерительного устройства, содержащий систему коммутации коммутирующего конденсатора (530) и средства (400) управления для циклического определения с контролируемой частотой совокупности из двух последовательностей - первой последовательности (Т1), во время которой средства (300) электрического питания связаны с измерительным зондом (100) для приложения электрического поля между измерительным зондом (100) и эталонным зондом (200) и накопления электрических зарядов на измерительном зонде (100), и второй последовательности (Т2), во время которой средства (300) электрического питания отключены от измерительного зонда (100), который соединен с точкой суммирования каскада (500) интегрирующего измерительного устройства для передачи электрических зарядов в этот каскад интегрирующего измерительного устройства и получения на его выходе электрического сигнала, характеризующего диэлектрическую проницаемость между измерительным зондом (100) и эталонным зондом (200), отличающееся тем, что каскад (500) интегрирующего измерительного устройства содержит операционный усилитель (510), первый конденсатор (520) интегрирования, установленный в цепи обратной связи на этом усилителе (510), и второй коммутирующий конденсатор (530), подключенный между выходом и входом операционного усилителя (510) в ритме последовательностей (T1, T2), задаваемых средствами (400) управления, чтобы в режиме установившегося равновесия на выходе операционного усилителя (510) могло быть получено напряжение "Vs уравновешенное", равное -Ecs/C530, причем в этом соотношении (-Е) обозначает амплитуду напряжения на клеммах средств (300) электрического питания, a Cs и С530 обозначают соответственно величины электрических емкостей, между измерительным зондом (100) и эталонным зондом и вторым коммутирующим конденсатором (530).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутирующий конденсатор (530) имеет величину емкости того же порядка, что и емкость между измерительным зондом (100) и эталонным зондом (200).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что конденсатор (520) интегрирования установлен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя (510).

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что коммутирующий конденсатор (530) связан с выходом операционного усилителя (510) во время последовательности (Т1) питания измерительного зонда (100) и со входом операционного усилителя (510) во время последовательности (Т2) соединения измерительного зонда (100) с входом усилителя (510).

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что коммутирующий конденсатор (530) подключается одновременно с коммутацией измерительного зонда (100).

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что оно содержит средства, способные обеспечить приложение нулевого электрического напряжения к измерительному зонду (100).

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что операционный усилитель (510) принимает на второй вход, противоположный входу, предназначенному для последовательного соединения с измерительным зондом (100), электрическое напряжение (+Е), знак которого противоположен знаку напряжения (-Е), прикладываемого при помощи средств электрического питания к этому измерительному зонду.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электрическое напряжение (+Е2), приложенное ко второму входу операционного усилителя (510), в р раз превышает по абсолютной величине амплитуду напряжения питания (-E1), подаваемого средствами (300) электрического питания на измерительный зонд (100).

9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что средства (400) управления приспособлены для того, чтобы определять циклическое соотношение на уровне 50% между двумя следующими друг за другом последовательностями (T1, T2) одинаковой продолжительности.

10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что средства (400) управления предназначены для приложения скачкообразного электрического напряжения к измерительному зонду (100).

11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что средства управления определяют циклы последовательностей (T1 и T2) с частотой, имеющей величину в диапазоне от 5 до 50 кГц.

12. Устройство по любому из пп.1-5 и 7, отличающееся тем, что конденсатор (520), установленный в цепи обратной связи операционного усилителя (510), имеет емкость, по меньшей мере в 1000 раз превышающую емкость коммутирующего конденсатора (530).

13. Устройство по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что каскад (500) интегрирующего измерительного устройства соединен с входом каскада (600) обработки, содержащего средства (610, 612, 614) регулирования нуля.

14. Устройство по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что каскад (500) интегрирующего измерительного устройства соединен с входом каскада (600) обработки, содержащего средства (606) регулирования полной шкалы.

15. Устройство по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один вспомогательный измерительный зонд (150), используемый для определения диэлектрической проницаемости среды, окружающей измерительный и эталонный зонды (100, 200), и внесения коррекции в обработку сигнала.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что вспомогательный измерительный зонд (150) установлен в непосредственной близости от дна резервуара.

17. Устройство по любому из пп.1-16, отличающееся тем, что дополнительно содержит температурный зонд для измерения температуры среды, окружающей измерительный зонд (100) и эталонный зонд (200).

18. Устройство по любому из пп.15-17, отличающееся тем, что средства (150, 480) коррекции предназначены для изменения коэффициента усиления каскада (660) следящей системы.

19. Устройство по любому из пп.15-17, отличающееся тем, что средства (150, 480) коррекции предназначены для компенсации напряжения, приложенного при помощи средств (300) электрического питания к измерительному зонду (100).

20. Устройство по любому из пп.15-17 и 19, отличающееся тем, что средства (150, 480) коррекции предназначены для формирования корректирующего электрического напряжения, приложенного к входу каскада (500) интегрирующего измерительного устройства.

21. Устройство по любому из пп.1-20, отличающееся тем, что содержит средства компенсации первоначального напряжения отклонения в каскаде (500) интегрирующего измерительного устройства.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что средства компенсации напряжения отклонения содержат усилитель, подключенный после коммутирующего конденсатора (530) и приспособленный для того, чтобы прикладывать обратное напряжение, знак которого противоположен знаку электрического поля, приложенного к точке суммирования каскада (500) интегрирующего измерительного устройства.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что упомянутые средства компенсации напряжения отклонения содержат средства для приложения синхронным образом к точке суммирования усилителя коммутирующего конденсатора (530) на время подсчета зарядов обратного напряжения, знак которого противоположен знаку приложенного электрического поля.

24. Устройство по любому из пп.1-23, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства для выработки сигнала, характеризующего спектр среды, окружающей измерительный зонд (100).

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что средства анализа спектра содержат средства преобразования Фурье и средства сравнения полученных спектров с цифровыми спектрами, хранящимися в базе данных.

26. Устройство по любому из пп.24 и 25, отличающееся тем, что упомянутые средства анализа спектра содержат последовательно соединенные каскад (710) формирования, каскад (712) с высокочастотной полосой пропускания и большим коэффициентом усиления, синхронный детектор (714), интегратор (716) и вычислительный каскад (720).

27. Устройство по любому из пп.1-26, отличающееся тем, что содержит два электропроводных тела (100, 200), образующих соответственно измерительный зонд и эталонный зонд и расположенных на расстоянии друг от друга, величина которого находится в диапазоне от 1 до 10 см и предпочтительно составляет примерно 5 см.

28. Устройство по любому из пп.1-27, отличающееся тем, что по меньшей мере один из двух зондов, измерительный (100) или эталонный (200), снабжен электроизоляционным покрытием, не проницаемым для среды, окружающей этот зонд.

29. Устройство по любому из пп.1-28, отличающееся тем, что по меньшей мере участки соединительных средств (20, 22), подключенных к измерительному зонду (100), изолированы посредством оболочки, изготовленной из электропроводного материала и подключенной к тому же электрическому потенциалу, что и эталонный зонд (200).

30. Устройство по любому из пп.1-14 и 21-29, отличающееся тем, что оно предназначено для выполнения функции, выбранной из группы, состоящей из измерения уровня, различения между продуктами или детектирования присутствия или интрузии.

31. Устройство по любому из пп.1-30, отличающееся тем, что дополнительно содержит несколько измерительных зондов (100), связанных с соответствующими каскадами (500) интегрирующих измерительных устройств.

32. Устройство по любому из пп.1-30, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит несколько измерительных зондов (100), связанных с одним общим каскадом (500) интегрирующего измерительного устройства при помощи инвертирующего переключателя.

33. Устройство по любому из пп.1-31, отличающееся тем, что оно представляет собой устройство, предназначенное для измерения уровня.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что его измерительный зонд (100) расположен вертикально в резервуаре (10), а каскад (500) интегрирующего измерительного устройства связан с каскадом (600) обработки, предназначенным для формирования сигнала, характеризующего уровень жидкости в этом резервуаре (10).

35. Устройство по п.33, отличающееся тем, что его измерительный зонд (100) образован электропроводной полосой, размещенной в резервуаре (10) на высоте, соответствующей заданному уровню контроля.

36. Устройство по п.33 или 35, отличающееся тем, что дополнительно содержит несколько измерительных зондов (100), расположенных на соответствующих уровнях контроля в резервуаре (10).

37. Устройство по любому из пп.33-35, отличающееся тем, что подлежащая контролю жидкость является электропроводной, а по меньшей мере один из двух зондов, измерительный (100) или эталонный (200), снабжен электроизоляционным покрытием.

38. Устройство по любому из пп.1-29 и 31-37, отличающееся тем, что эталонным зондом (200) служит резервуар.

39. Устройство по любому из пп.1-29 и 31-37, отличающееся тем, что эталонный зонд (200) представляет собой решетчатый или ажурный элемент, который охватывает измерительный зонд (100).

40. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что представляет собой устройство распознавания продукта, движущегося в трубопроводе (30), оборудованного измерительным зондом (100) и эталонным зондом (200).

41. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что содержит измерительный зонд (100) и эталонный зонд (200), который проходит вдоль контролируемой зоны для формирования детектора выявления интрузии.

42. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что дополнительно содержит несколько пар измерительных зондов (100) и эталонных зондов (200), распределенных на кресле для детектирования присутствия и/или положения в нем пользователя.

43. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что содержит один измерительный зонд (100) и один эталонный зонд (200), располагающиеся вдоль стенки портального устройства (60) контроля для формирования детектора прохождения.

44. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что содержит один измерительный зонд (100) и один эталонный зонд (200), размещенные с боковых сторон транспортерной ленты и предназначенные для детектирования прохождения контролируемых объектов.

45. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что дополнительно содержит несколько пар измерительных зондов (100) и эталонных зондов (200) для формирования тактильной клавиатуры.

46. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что один из двух зондов, измерительный (100) или эталонный (200), размещен на деформируемом элементе (88) для формирования датчика давления.

47. Устройство по любому из пп.1-33, отличающееся тем, что измерительный зонд (100) и эталонный зонд (200) размещены в двух зонах пневматической шины с возможностью перемещения друг относительно друга в функции степени ее накачивания для формирования датчика накачивания пневматической шины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21