Многочастотное устройство для измерения емкости и способы определения состояния электродного блока устройства для измерения емкости
Изобретение предпочтительно может быть использовано для надежного мониторинга состояния поверхности дороги. Предложены многочастотное устройство для измерения емкости, система датчиков для определения условий окружающей среды, содержащая указанное устройство, которые включают электродный блок, выполненный с возможностью приема исследуемого вещества для изменения емкости указанного электродного блока, многочастотный генератор, подсоединенный к указанному электродному блоку и выполненный с возможностью подачи упорядоченных во времени трех или более сигналов, каждый из которых имеет различную частоту, датчик, связанный с указанным электродным блоком и выполненный с возможностью определения значения, показывающего емкость указанного электродного блока для каждой из указанных трех или более различных частот. Дополнительно они содержат источник эталонного сигнала, выполненный с возможностью подачи эталонного сигнала в указанный датчик, причем указанный эталонный сигнал представляет собой соответствующие эталонные значения для каждой из указанных трех или более различных частот и показывает соответствующую емкость указанного электродного блока для каждой из трех или более различных частот для эталонного состояния. Также предложены измерительная метеорологическая система и способ определения состояния электродного блока в многочастотном устройстве для измерения емкости. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 5 н. и 38 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение в целом относится к измерительной системе и способу определения изменения емкости электродного блока, который может быть подвергнут такому специфическому воздействию окружающей среды, при котором присутствие специфического вещества приводит к изменению емкости, например, вследствие изменения относительной диэлектрической проницаемости.
Во многих областях жизни требуется точная и оперативная информация о специфических условиях окружающей среды, необходимая для соответствующей реакции на обнаруженные условия. Например, адекватная оценка условий окружающей среды на поверхности дороги может в значительной степени способствовать повышению безопасности дорожного движения, поскольку на основе этой информации ответственными лицами могут быть приняты соответствующие решения и сделаны выводы об эффективности поверхности. Кроме того, информация относительно условий на поверхности может быть передана лицам, пользующимся дорогой, посредством радиовещания и электронных знаков, что позволило бы адаптировать стиль вождения на предельной скорости к текущим дорожным условиям. В частности, любая информация об участках дороги, на которых имеется лед или влага, может в значительной степени способствовать безопасности дорожного движения. Таким образом, одним из важнейших компонентов современных дорожных информационных систем (RIS - road information systems) является мониторинг текущего состояния поверхности дороги, причем обнаружение присутствия воды, снега, льда и изморози является одним из важнейших элементов информации, необходимой для обеспечения безопасности дорожного движения. На основе данных измерений можно вовремя получить критическую информацию, например об опасности гидропланирования или о наличии слоев льда на поверхности дороги, и, таким образом, принять соответствующие меры предосторожности.
Условия окружающей среды в конкретном районе могут иметь важность и в других областях техники, например, для предупреждения обледенения поверхностей, а также для обнаружения наличия опасных веществ, например топлива или аммиачных соединений, в конкретных районах. Однако эффективность любой системы для обнаружения присутствия или определения состояния специфического вещества в высшей степени зависит от надежности измеренных данных, поскольку, например, ошибочная информация об обнаружении воды вместо льда может даже увеличить опасность возникновения аварий на дорогах, а не повысить безопасность дорожного движения. Кроме того, дорожная информационная система может потребовать установки большого количества отдельных поверхностных датчиков, так что обеспечение высокой надежности устройства в отношении возможности его преждевременного выхода из строя, приложение больших усилий по обслуживанию, а также стоимость отдельных чувствительных элементов являются важными критериями эффективной системы.
Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных чувствительных элементов и получение способа обнаружения изменения емкости чувствительного элемента, например, при мониторинге поверхности дороги, с большей точностью и надежностью, в особенности, с точки зрения обнаружения воды, снега и льда на открытых поверхностях и для обнаружения формирования ледяного покрова на ранней стадии.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения задача изобретения решается в многочастотном устройстве для измерения емкости, содержащем электродный блок, предназначенный для приема образца вещества, изменяющего емкость электродного блока. Кроме того, устройство дополнительно содержит многочастотный генератор, соединенный с электродным блоком и предназначенный для подачи упорядоченных во времени трех или более сигналов, каждый из которых имеет различную частоту. Кроме того, устройство содержит датчик, связанный с электродным блоком и предназначенный для определения значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из трех или более различных частот.
В общем случае емкость конденсатора, например емкость электродного блока, зависит от геометрической конфигурации, например от расстояния, формы, и размеров соответствующих поверхностей электродного блока, а также зависит от относительной диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между электродами. Относительная диэлектрическая проницаемость, в свою очередь, зависит от температуры поверхности и измерительной частоты, на которой работает конденсатор. Следовательно, достоверное обнаружение вещества или определение его состояния посредством изменения емкости не может быть надежно выполнено на основе только одной или двух измерительных точек. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание измерительного устройства, позволяющего обнаружить изменение емкости электродного блока на трех или более различных частотах с получением множества точек измерения в частотной области для более точного определения емкости электродного блока. Следовательно, при использовании по меньшей мере трех точек измерения в частотной области получаемые данные могут более достоверно сравниваться с соответствующими данными из библиотеки данных для выявления состояния электродного блока относительно исходного состояния, представленного в библиотеке данных. Например, относительная диэлектрическая проницаемость воды при температуре около -1°С по существу является постоянной в частотном диапазоне от нуля до приблизительно 1 кГц и уменьшается в диапазоне от 2 кГц до нескольких сотен кГц. С другой стороны, относительная диэлектрическая проницаемость воды при температуре приблизительно 1°С является по существу постоянной вплоть до частоты приблизительно 109 Гц и уменьшается в диапазоне частот 109-1010 Гц. Таким образом, с помощью предложенного многочастотного устройства для измерения емкости берется множество точек измерения в определенной частотном области, что позволяет достоверно идентифицировать конкретное вещество, например воду при температуре +1°С и воду при температуре -1°С. Тем самым, конкретное вещество идентифицируется как вещество, имеющее определенный состав и определенное состояние в определенных условиях окружающей среды. Например, воду при температуре 1°С и атмосферном давлении и лед при температуре -1°С и атмосферном давлении можно рассматривать как два различных вещества. Следовательно, с помощью множества точек измерения в конкретной частотной области можно с высокой степень надежности выявить присутствие, например, воды и льда. Кроме того, с помощью множества точек измерения можно обнаружить даже начало формирования льда, причем с большей степенью надежности по сравнению с обычными системами, работа которых базируется на использовании одной или двух точек измерения.
В другом примере реализации настоящего изобретения датчик содержит детектор заряда, предназначенный для определения заряда, накопленного в электродном блоке для каждой из по меньшей мере трех различных частот. Следовательно, в настоящем изобретении могут использоваться надежные детекторные средства, например интеграторы и т.п., что снижает стоимость и повышает надежность предлагаемого устройства.
Еще в одном примере реализации настоящего изобретения датчик содержит контрольный конденсатор и средства измерения напряжения, причем средства измерения напряжения связаны с контрольным конденсатором и предназначены для определения напряжения на контрольном конденсаторе.
Таким образом, конструкция датчика может содержать небольшое количество недорогих и широкодоступных надежных компонентов, что повышает надежность устройства.
Предпочтительно, чтобы средства измерения напряжения содержали аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для указания значений измеренной емкости в виде цифровых значений. Соответствующие аналого-цифровые преобразователи хорошо известны и доступны по низким ценам. Например, соответствующие аналого-цифровые преобразователи могут быть встроены в микроконтроллеры, которые могут также выполнять дополнительные задачи в измерительном устройстве, позволяя, таким образом, сделать устройство очень надежным и компактным.
В другом предпочтительном примере реализации настоящего изобретения частотный генератор содержит источник эталонного напряжения и первый управляемый выключатель для периодического подключения источника эталонного напряжения к электродному блоку для подачи трех или более сигналов различных частот. Таким образом, частотный генератор может быть выполнен в виде простой и, следовательно, надежной электронной схемы, причем частотный генератор предпочтительно может быть встроен в микроконтроллер, который обычно имеет переключаемый цифровой выход.
Еще в одном примере реализации настоящего изобретения средства измерения напряжения дополнительно содержат второй управляемый выключатель для управляемого подключения контрольного конденсатора к электродному блоку. Таким образом, заряд, накопленный в электродном блоке в течение подачи одного из трех или более различных сигналов, может быть перенесен в контрольный конденсатор с использованием схемы, имеющей надежную конфигурацию и малое количеством компонентов, что также повышает надежность и эффективность устройства. Кроме того, контрольный конденсатор может быть выбран так, чтобы он имел известную емкость, превышающую емкость электродного блока, что облегчает оценку накопленного заряда.
В предпочтительном примере реализации настоящего изобретения три или более различные частоты находятся в диапазоне приблизительно от 50 Гц до по меньшей мере нескольких МГц. Как было упомянуто выше, изменение емкости электродного блока, обусловленное присутствием представляющего интерес вещества, можно надежно обнаружить и сравнить с соответствующими библиотечными данными для надежного распознания представляющего интерес вещества. В частности, частоты, выбранные так, чтобы перекрыть вышеуказанный частотный диапазон, могут обеспечить очень надежное обнаружение присутствия воды или льда в электродном блоке. Необходимо отметить, что согласно настоящему изобретению можно взять любое количество точек измерения в конкретной частотной области в диапазоне от нескольких Гц до нескольких МГц в зависимости от вещества, идентификация которого осуществляется по изменению его относительной диэлектрической проницаемости по отношению к измерительной частоте. Например, в библиотеке может храниться множество наборов справочных данных, соответствующих множеству веществ, представляющих интерес. Например, если измерительное устройство согласно настоящему изобретению предназначено для использования в системе для мониторинга поверхности дороги, множество представляющих интерес веществ может включать воду, снег, лед или воду, содержащую различное количество противообледенительных веществ, например соли. При использовании настоящего изобретения благодаря точности идентификации заданного вещества с использованием множества точек измерения оказывается возможным даже обнаружение присутствия или отсутствия достаточного количества противообледенительных веществ в случае, когда данные измерения указывают на начало образования льда. Аналогично количество точек измерения в заданной частотной области и в используемом частотном диапазоне измерения может быть адаптировано к любому другому представляющему интерес веществу и применено, например, для обнаружения топлива или других опасных жидкостей в пределах любого района, представляющего интерес.
В предпочтительном примере реализации настоящего изобретения многочастотное устройство для измерения емкости дополнительно содержит компараторные средства, предназначенные для сравнения значения емкости для каждой из трех или более различных частот с соответствующим целевым значением и для вывода соответствующей индикации, когда каждое из указанных значений согласуется с соответствующим целевым значением в пределах заданной области допустимых значений.
Как было отмечено выше, для распознавания представляющего интерес вещества или определения его специфического состояния значения, соответствующие емкости электродного блока в данной частотной точке, можно сравнивать с соответствующими целевыми значениями или со значениями из библиотеки данных. Таким образом, измеренными значениями можно манипулировать любым способом, представляя их в форме, подходящей для сравнения их с целевыми значениями. Например, если целевые значения представляют собой данные о диэлектрической проницаемости представляющего интерес вещества в зависимости от частоты под воздействием специфических условий окружающей среды, измеренные значения можно преобразовать в соответствующие значения, представляющие относительную диэлектрическую проницаемость вещества, окружающего электродный блок. В других случаях целевые значения могут быть выданы в любой подходящей форме, позволяющей осуществить непосредственное сравнение с измеренными значениями, что значительно облегчает конструкцию компараторных средств. Предпочтительно, чтобы компараторные средства были встроены в микроконтроллер, в котором могут храниться и целевые значения или который может иметь доступ к отдельному блоку, выдающему соответствующие целевые значения. Например, целевые значения могут поступать из внешнего источника через соответствующую сеть, обновляя или пополняя соответствующие библиотечные данные в микроконтроллере или любом другом запоминающем устройстве в многочастотном устройстве для измерения емкости. Предпочтительно, чтобы устройство содержало соответственно оборудованный блок связи, который позволяет получать соответствующие целевые значения по проводной или беспроводной сети. В других примерах реализации настоящего изобретения блок связи может передавать данные из устройства во внешний источник через сеть так, чтобы измеренные данные можно было анализировать во внешнем источнике, что позволяет использовать большие базы данных, содержащие данные о большом количестве различных веществ в различных состояниях. В частности, как отмечено выше, целевые значения могут представлять собой относительную диэлектрическую проницаемость вещества по меньшей мере для двух различных температур на каждой из указанных трех или более частот. Таким образом, можно достоверно обнаружить процесс превращения воды в лед и обратный процесс, а также организовать выдачу соответствующей индикации.
Еще в одном примере реализации настоящего изобретения предлагаемое устройство дополнительно содержит источник эталонного сигнала, выдающий эталонный сигнал в датчик, причем этот эталонный сигнал представляет собой соответствующие эталонные значения для каждой из трех или больше различных частот. Эталонный сигнал указывает на соответствующую емкость электродного блока для каждой из трех или более различных частот для конкретного эталонного состояния.
С помощью источника эталонного сигнала получают сигнал, который указывает на конкретное эталонное состояние электродного блока, что может быть использовано для повышения точности полученных измеренных значений, поскольку можно снизить или устранить паразитные сигналы и другие эффекты, влияющие на электродную емкость, но не обусловленные влиянием исследуемого вещества. Например, эталонный сигнал может использоваться для создания дифференциального выходного сигнала датчика, что повышает надежность измеренных данных.
В другом примере реализации настоящего изобретения источник эталонного сигнала соединен с датчиком и выполнен с возможностью получения измеренных значений, указывающих на величину емкости электродного блока, а также с возможностью использования измеренных значений в качестве эталонных значений, если состояние электродного блока определяется посредством управляющего сигнала как эталонное состояние.
Таким образом, сам электродный блок при получении управляющего сигнала может использоваться в качестве источника для создания эталонного сигнала, что позволяет снизить или устранить любые нежелательные эффекты. Например, если установлено, что для данного электродного блока условия окружающей среды подходят для генерации эталонного сигнала, например, если предполагается, что в электродном блоке не сформировалось специфическое вещество или специфическое вещество сформировалось в электродном блоке в хорошо известных условиях, внешний источник или внутренний блок управления могут выдать соответствующий управляющий сигнал, активирующий измерительный цикл, измеренные в результате которого данные используются в качестве эталонных значений для одного или более будущих измерительных циклов устройства. Поскольку считается, что состояние электродного блока, находящегося в эталонном состоянии, хорошо известно, можно снизить или вовсе устранить любые другие эффекты, воздействующие на процесс измерения в устройстве, например температурные отклонения, неизменное загрязнение электродного блока и т.п., поскольку эти эффекты, по меньшей мере частично, воздействуют и на эталонный сигнал.
Предпочтительно, чтобы источник эталонного сигнала содержал запоминающее устройство для хранения эталонных значений, которые предпочтительно должны быть получены в виде цифровых значений. При хранении эталонных значений желательное количество циклов фактического измерения может быть выполнено на основе установленных эталонных значений. Кроме того, в запоминающем устройстве могут храниться эталонные значения для множества циклов измерения эталонных значений, что позволяет установить "историю" изменения эталонных состояний. Таким образом, можно оценить "эволюцию" измерительного устройства и использовать эту информацию, например, для оценки состояния устройства и надежности самого устройства или отдельных его компонентов. Например, процесс эрозии одного или нескольких электродов в блоке может привести к устойчивому уменьшению или увеличению емкости в заданном эталонном состоянии, поэтому на основе изменяющейся информации об эталонных сигналах может быть инициирован ремонт или замена отдельного компонента. Оценка состояния измерительного устройства особенно предпочтительна в системе, требующей высокой надежности, например в системе для обнаружения формирования льда на крыльях самолета, а также особенно предпочтительна в системах, содержащих большое количество отдельных многочастотных устройств для измерения емкости, которые оборудованы соответствующими блоками связи для передачи данных в центральную станцию управления, поскольку в данном случае надежность всей системы может существенно зависеть от надежности отдельных устройств. Таким образом, прогнозирование сроков ремонта или ожидаемого срока службы отдельных устройств может иметь существенное значение для надежности всей системы. Соответствующие "статусные" данные, предназначенные для оценки состояния устройства, могут быть легко получены из базисных данных, собранных из большого количества устройств и/или путем проведения соответствующих тестов.
Еще в одном примере реализации настоящего изобретения датчик дополнительно содержит операционный усилитель, подсоединенный таким образом, чтобы получать эталонный сигнал и выдавать дифференциальный сигнал для получения измеренного значения для каждой из трех или более различных частот. В одном из предпочтительных примеров реализации настоящего изобретения операционный усилитель подключен так, что на входы получает напряжение, приложенное к контрольному конденсатору, и эталонный сигнал, а выдает их разность в аналого-цифровой преобразователь.
При наличии операционного усилителя и его подключения, как описано выше, путь прохождения сигнала из электродного блока в аналого-цифровой преобразователь менее подвержен наводкам, а уровень сигнала может быть отрегулирован до значения, пригодного для последующей обработки сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя.
Еще в одном предпочтительном примере реализации настоящего изобретения источник эталонного сигнала дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь, который соединен с возможностью получения хранящихся цифровых эталонных значений и выдачи в операционный усилитель аналогового сигнала, соответствующего хранящимся цифровым значениям. Таким образом, преимущества, достигаемые в аналоговой части схемы, содержащей операционный усилитель, можно эффективно скомбинировать с обработкой цифрового сигнала, например хранением эталонных данных, необходимых для генерации эталонного сигнала, который для удобства можно затем преобразовать в аналоговый сигнал с получением эталонных данных, необходимых для генерации эталонного сигнала, который для удобства можно затем преобразовать в аналоговый сигнал с получением желательного аналогового дифференциального сигнала. Кроме того, цифроаналоговый преобразователь предпочтительно может быть встроен в микроконтроллер, например в виде соответствующим образом запрограммированного цифрового выходного устройства, действующего в качестве выходного устройства с модулируемой шириной импульса, или множества цифровых выходных устройств с соответствующим весом и т.п.
В других предпочтительных примерах реализации настоящего изобретения по меньшей мере один электрод электродного блока покрыт изолирующим материалом. Предпочтительно, чтобы каждый из электродов в блоке был покрыт слоем изолирующего материала. Нанесением слоя изолирующего материала по меньшей мере на один из электродов удается по существу предотвратить формирование проводящей дорожки между электродами, имеющими емкостную связь, через представляющее интерес вещество или любые другие вещества. Следовательно, можно повысить достоверность оценки емкости электродного блока.
В другом предпочтительном примере реализации настоящего изобретения предлагаемое устройство дополнительно содержит температурный датчик, установленный с возможностью измерения температуры электродного блока или температуры вблизи электродного блока. Установка температурного датчика позволяет получить дополнительную информацию об окружающих условиях и использовать ее для характеристики и оценки измеренных данных, обеспечивающих оценку емкости электродного блока. Например, информация о температуре представляющего интерес вещества может значительно повысить эффективность процесса идентификации вещества на основе частотных зависимостей емкости. Таким образом, вещества или даже некоторое их количество могут быть идентифицированы более достоверно, что позволяет различить большее количество различных веществ, например воду с различным количеством противообледенительных веществ и т.п. Кроме того, особенно в системах с большим количеством отдельных устройств, например в дорожной информационной системе, дополнительная информация о температуре в электродном блоке или вблизи него может быть передана в центральную станцию, дополняя метеорологические данные, полученные из информации с более высоким "пространственным разрешением" по сравнению с метеорологическими данными, полученными из внешнего источника.
В одном из предпочтительных примеров реализации настоящего изобретения предлагаемое устройство может содержать блок управления, который функционально связан с частотным генератором и датчиком и предназначен для управления их работой. Предпочтительно, чтобы блок управления, частотный генератор и датчик были встроены в запрограммированный соответствующим образом микроконтроллер, что значительно упрощает конструкцию устройства.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения система датчиков, предназначенная для определения условий окружающей среды, содержит множество многочастотных устройств для измерения емкости согласно любому из примеров реализации настоящего изобретения, которые были описаны выше или будут подробно описаны ниже, причем каждое устройство для измерения содержит блок связи, предназначенный для передачи данных по сети. Кроме того, система датчиков содержит центральную станцию, содержащую блок управления и средства связи, предназначенные для получения данных по сети, причем блок управления предназначен для оценки состояния множества многочастотных устройств для измерения емкости на основе полученных данных.
Как отмечено выше, во многих случаях условия окружающей среды должны быть выявлены на некоторой протяженной области, как это имеет место в системах контроля поверхности дороги или в системе выявления и мониторинга состояния поверхности крыльев самолета в различных районах местонахождения и т.п. В этих случаях предложенная система позволяет осуществлять достоверный мониторинг протяженных областей, причем измеренные данные и/или условия эксплуатации отдельных измерительных устройств могут управляться и/или отслеживаться центральной станцией. В некоторых примерах реализации настоящего изобретения средства связи центральной станции и блоков связи в отдельных измерительных устройствах выполнены с возможностью передачи результатов измерения в центральную станцию. Таким образом, множество измеренных данных можно с большей эффективностью оценить в центральной станции, что позволяет задействовать более мощные аппаратные и программные средства, а результаты измерений отдельными устройствами могут быть проанализированы также с учетом результатов измерения другими устройствами, например устройствами, расположенными рядом с конкретным устройством, что позволяет контролировать непротиворечивость результатов измерения. Кроме того, средства связи и блоки связи могут быть выполнены с возможностью передачи данных из центральной станции в одно или несколько отдельных устройств. Например, целевые значения, то есть значения из библиотеки данных в отдельных устройствах могут обновляться на основе решения, принятого центральной станцией, и соответствующие целевые значения могут быть переданы в отдельные устройства. Это может оказаться предпочтительным, если емкость запоминающего устройства для хранения целевых значений внутри устройств ограничена, а глобальные или локальные условия могут измениться, что потребует другого набора целевых значений. Например, в течение летнего периода в дорожной информационной системе могут не потребоваться целевые значения для воды, содержащей множество противообледенительных веществ при температурах ниже 0°С, а вместо этого в отдельные измерительные устройства можно передать более точные целевые значения для воды, находящейся при более высоких температурах и для различного ее количества, осажденного в электродном блоке, что позволяет с большей точностью определить состояние поверхности в туманную или дождливую погоду.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения измерительная метеорологическая система содержит многочастотное устройство для измерения емкости согласно одному из вышеописанных примеров реализации настоящего изобретения. Кроме того, измерительная метеорологическая система дополнительно содержит блок управления, который функционально связан с многочастотным устройством для измерения емкости и выполнен с возможностью оценки данных, выдаваемых устройством. Кроме того, для отображения метеорологических данных предусмотрены средства отображения.
Согласно настоящему изобретению обычные измерительные метеорологические системы и станции могут быть снабжены предлагаемым измерительным устройством для значительного расширения функциональных возможностей измерительных метеорологических систем. В частности, измерительное устройство, то есть, по меньшей мере, его электродный блок может быть размещен с возможностью обнаружения воды, льда, снега и, возможно, различных количеств этих веществ на конкретной изучаемой поверхности для получения дополнительной информации. Таким образом, в комбинации с другими чувствительными элементами для измерения таких параметров, как температура, влажность, скорость ветра, давление воздуха, продолжительность светлого времени суток и т.п., можно обеспечить более точный прогноз и оценку погодных условий.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ определения состояния электродного блока. Способ включает подачу по меньшей мере трех сигналов различной частоты в электродный блок, который находится в состоянии, представляющем интерес. Затем определяют измеренное значение, которое указывает на емкость электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, и каждое измеренное значение сравнивают с соответствующим значением из библиотеки данных для каждой из по меньшей мере трех различных частот, причем библиотечное значение соответствует заданному состоянию электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот. Наконец, представляющее интерес состояние идентифицируют как заданное состояние, когда каждое измеренное значение согласуется с соответствующим библиотечным значением в пределах заданной области допустимых значений.
Следовательно, согласно настоящему изобретению измеренное значение, соответствующее емкости электродного блока, получают для трех или более различных частот и сравнивают с библиотечными значениями для определения конкретного состояния электродного блока, например присутствия в нем определенного вещества, как это описано также в отношении предлагаемого измерительного устройства.
Кроме того, как описано выше, библиотечные значения могут относиться к одному или более специфическим веществам, находящимся в конкретных условиях, например к воде при различных температурах при атмосферном давлении, причем в некоторых примерах реализации настоящего изобретения библиотечные значения могут относиться к относительной диэлектрической проницаемости вещества, представляющего интерес. Сравнение измеренных значений с библиотечными значениями может включать любую подходящую обработку данных, например аналого-цифровое преобразование, арифметические действия, промежуточное хранение данных и т.п. В частности, сравнение измеренных значений с библиотечными значениями и идентификация представляющего интерес состояния могут быть выполнены на месте, то есть с помощью измерительного устройства, содержащего необходимые компоненты в уникальной конфигурации, или может быть выполнено дистанционно, например, путем передачи измеренных значений по соответствующей сети, проводной или беспроводной, к соответствующим образом оборудованной анализаторной станции. Например, компоненты в месте измерения могут включать электродный блок в комбинации с частотным генератором, датчиком и средствами связи, предназначенными для передачи результатов измерения в удаленную станцию, которая для проведения сравнения с библиотечными значениями и оценки измеренных значений может использовать мощные аппаратные и программные средства.
Еще в одном примере реализации настоящего изобретения предлагаемый способ включает подвергание электродного блока воздействию окружающей среды для получения электродным блоком по меньшей мере одного представляющего интерес вещества, причем библиотечные значения относятся к состоянию электродного блока, на который оказано воздействие по меньшей мере одним из указанных веществ в заданном состоянии.
Таким образом, предлагаемый способ является наиболее предпочтительным для определения присутствия и/или состояния представляющего интерес вещества, которое может осаждаться в электродном блоке при указанных условиях окружающей среды. Таким образом, библиотечные значения соответствуют представляющему интерес веществу в заданном известном состоянии, и поэтому это состояние может быть легко идентифицировано после сравнения измеренных значений с библиотечными значениями. Как упоминалось выше, согласно настоящему изобретению для достижения достоверной идентификации конкретного вещества сравнение производят на основе по меньшей мере трех различных частот. Предпочтительно, чтобы библиотечные значения соответствовали относительной диэлектрической проницаемости представляющего интерес вещества в конкретных условиях для каждой из по меньшей мере трех различных частот.
В одном из предпочтительных примеров реализации настоящего изобретения предлагаемый способ дополнительно включает создание библиотеки данных, представляющих относительную диэлектрическую проницаемость для каждой из по меньшей мере трех различных частот по меньшей мере для представляющего интерес вещества и для множества различных состояний этого вещества. Например, можно собрать данные, представляющие относительную диэлектрическую проницаемость воды при различных температурах и при атмосферном давлении и подготовить их в виде библиотеки данных, которые впоследствии можно использовать для сравнения с измеренными данными и идентификации соответствующего состояния электродного блока, подверженного воздействию воды. Аналогично библиотечные данные можно создать для множества различных веществ, например для воды с различным количеством специфических компонентов, таких как соль и т.п., или же можно собрать библиотечные значения для топлива, аммиачных веществ и т.п. для идентификации этих веществ при их осаждении в электродном блоке.
В предпочтительном примере реализации настоящего изобретения предлагаемый способ дополнительно включает осаждение вещества в конкретном состоянии в электродный блок, определение эталонного измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из указанных по меньшей мере трех частот, и хранение эталонного измеренного значения или отражающего его значения в качестве библиотечных данных для указанного состояния.
Таким образом, библиотечные данные могут быть созданы непосредственно измерительным устройством с использованием тех же аппаратных компонентов, которые используются при фактических измерениях, что позволяет снизить усилия на обработку сигнала в течение сбора информации и оценки, поскольку в процессе обработки сигнала библиотечные данные могут храниться в любой подходящей форме и состоянии, причем в той же самой форме и состоянии, что и данные при фактическом измерении. Например, измеренные значения, соответствующие емкости электродного блока, можно непосредственно использовать в качестве библиотечных данных и можно хранить так, чтобы в последующих циклах фактического измерения эти библиотечные значения можно было непосредственно сравнивать с измеренными значениями. Следовательно, нет необходимости в преобразовании ни измеренных значений, ни библиотечных значений в какой-либо специфический формат данных, например в числа, напрямую представляющие собой относительную диэлектрическую проницаемость, и поэтому обработка и сравнение сигналов могут быть выполнены на основе такого формата сигнала, который удобен для обработки сигнала. Кроме того, не обязательно учитывать какое-либо влияние собственно измерительного устройства на измеренные данные, поскольку это влияние имеет место и применительно к библиотечным значениям.
В другом предпочтительном примере реализации настоящего изобретения определение измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, включает: а) подачу в электродный блок в течение заданного времени сигнала, имеющего одну из по меньшей мере трех различных частот, б) определение заряда, накопленного в электродном блоке, и в) повторение шагов (а) и (б) для каждой из по меньшей мере трех различных частот.
Следовательно, емкость электродного блока может быть точно определена путем определения полного заряда, накопленного в этом блоке в течение заданной последовательности импульсов. Предпочтительно, чтобы заданный временной интервал для каждой из по меньшей мере трех различных частот можно было регулировать путем подачи сигнала, включающего заданное количество импульсов. Путем подачи сигнала с заданным количеством импульсов и частоту сигнала, и заданный временной интервал для зарядки электродного блока можно легко контролировать с помощью генератора прямоугольных импульсов или с помощью запрограммированного соответствующим образом цифрового выхода микроконтроллера.
В другом предпочтительном примере реализации настоящего изобретения заряд, хранящийся в электродном блоке, определяют путем соединения после истечения заданного временного интервала электродного блока с контрольным конденсатором и измерения напряжения на контрольном конденсаторе. Таким образом, заряд, накопленный в электродном блоке, можно определить с использованием меньшего количества электронных компонентов, причем предпочтительно выбрать емкость контрольного конденсатора значительно большей, чем любое ожидаемое значение емкости электродного блока, что позволяет минимизировать влияние контрольного конденсатора на показания при измерении. Соединение контрольного конденсатора с электродным блоком может быть осуществлено с использованием быстродействующего полупроводникового переключателя, например полевого транзистора или аналогичного устройства, которым можно управлять с цифрового выхода микроконтроллера без привлечения дополнительных компонентов, что позволяет более эффективно контролировать измерение напряжения.
В другом примере реализации настоящего изобретения определение измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, включает: а) подачу сигнала, имеющего одну из по меньшей мере трех различных частот и заданную амплитуду, в электродный блок через заданное сопротивление, б) определение напряжения на электродном блоке и в) повторение шагов (а) и (б) для каждой из по меньшей мере трех различных частот. Таким образом, емкость электродного блока может образовать с указанным сопротивлением частотно-зависимый делитель напряжения, так что емкость блока можно определить на основе падения напряжения и заданной амплитуды для каждой из по меньшей мере трех различных частот. Например, микроконтроллер, работающий при стабильном напряжении питания, может выдать через соответствующим образом запрограммированный цифровой выход сигнал заданной частоты и коэффициента заполнения так, чтобы на основе этих параметров и фактически определенном падении напряжения на электродном блоке можно было определить емкость. Предпочтительно, чтобы падение напряжения определялось с помощью интегрирующего фильтра, который может содержать сопротивление и конденсатор, соединенные в виде фильтра нижних частот, причем желательным напряжением является напряжение на конденсаторе фильтра.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ включает обеспечение множества электродных блоков и определение состояния каждого из электродных блоков согласно любому из способов, описанных выше или определенных ниже в последующем подробном описании или в формуле изобретения. Таким образом, с помощью этого способа можно собрать множество измеренных данных, чтобы "охватить" заданный район с желательным пространственным разрешением. Например, этот способ может предпочтительно использоваться в комбинации с дорожной информационной системой, системой мониторинга окружающей среды, системой мониторинга поверхности крыльев самолета, корпусов судна, корпусов ракет и т.п. В предпочтительном примере реализации настоящего изобретения предлагаемый способ дополнительно включает передачу измеренных значений в центральную станцию, причем шаги сравнения и идентификации выполняют в центральной станции. Следовательно, измеренные данные можно обработать и оценить с высокой эффективностью благодаря лучшим аппаратным и программным средствам, которые обычно имеются в центральной станции. Например, в центральной станции может располагаться обширная библиотека данных, причем высокая производительность процессора позволяет даже при большем количестве отдельных электродных блоков осуществить сравнение результатов измерения с библиотечными данными и точно определить вещество и его состояние в одном или нескольких электродных блоках. Кроме того, в некоторых примерах реализации настоящего изобретения можно предусмотреть двунаправленную передачу данных между электродными блоками и центральной станцией, что позволяет осуществить мониторинг работы и/или статуса, и/или управления для любых аппаратных компонентов, необходимых для регистрации состояния электродных блоков, с помощью центральной станции. В других примерах реализации настоящего изобретения электродные блоки и соответствующие аппаратные компоненты могут быть снабжены средствами временного хранения результатов измерения, которые затем, по запросу, могут быть извлечены центральной станцией. В частности, центральной станцией могут быть инициированы измерения эталонных значений, позволяющих оценить текущее состояние электродного блока, причем инициирование измерения эталонных данных может быть основано на дополнительной информации, например метеорологической информации, температурном сигнале и т.п. Таким образом, относительно достоверные справочные данные могут быть собраны, например, для дорожной информационной системы и храниться для получения индикации о работе электродного блока в течение времени.
Другие предпочтительные примеры реализации настоящего изобретения описаны в прилагаемой формуле изобретения, а также описаны ниже со ссылками на следующие сопроводительные чертежи:
на фиг.1а показана принципиальная схема базового примера реализации устройства для измерения емкости в соответствии с одним из иллюстративных примеров реализации настоящего изобретения;
на фиг.1b и 1с изображены графики относительной диэлектрической проницаемости воды, которая выполняет функцию диэлектрика в конденсаторе, работающем на различных частотах при температурах выше точки замерзания (фиг.1b) и ниже точки замерзания (фиг.1с);
на фиг.1d-1f показаны принципиальные схемы измерительных устройств, содержащих микроконтроллер, в соответствии с различными примерами реализации, включающего микроконтроллер; и
на фиг.2 схематично показана система, включающая множество устройств для измерения емкости, связанных с центральной станцией.
На фиг.1а показана схема устройства 100 для измерения емкости, содержащего частотный генератор 110, датчик 120 и электродный блок 130. Электродный блок 130 может содержать два или более отдельных электрода, которые выполнены и размещены с возможностью определения конкретной емкости по меньшей мере между двумя отдельными электродами при заданном состоянии электродного блока 130. Таким образом, указанные отдельные электроды блока 130 содержат проводящие части, определяющие поверхность конденсатора, расположенную так, что между этими поверхностями имеется заданное расстояние. Как известно, эффективная емкость двух проводящих поверхностей, расположенных близко друг к другу, определяется геометрической конфигурацией, размером эффективной площади поверхности, расстоянием между поверхностями и диэлектрической проницаемостью пространства, ограниченного поверхностям. Например, электродный блок 130 может содержать в качестве электродов по меньшей мере одну пару пластин, имеющих четкую геометрическую конфигурацию и поддерживаемых соответствующим корпусом или опорой, так что электродный блок 130 позволяет поместить представляющее интерес вещество по меньшей мере на одну открытую часть поверхности. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна из открытых частей поверхности отдельных электродов блока 130 была покрыта слоем изолирующего материала, что устраняет или по меньшей мере снижает вероятность образования проводящей дорожки между отдельными электродами. Например, если электродный блок 130 выполнен в виде пары плоских электродов с соответствующими подводящими проводами, один или оба электрода могут быть полностью изолированы так, что, если даже все пространство между электродными пластинами заполняется проводящей средой, например водой, льдом, снегом и т.п., короткого замыкания между электродами не происходит. На принципиальной схеме электродный блок 130 представлен конденсатором 131 и высоким омическим сопротивлением 132, подсоединенным параллельно конденсатору 131. В частности, когда электродный блок 130 имеет изолирующий слой на соответствующих электродах, сопротивление 132 можно считать по существу постоянным, даже если в электродном блоке 130 осаждаются различные вещества. Однако, необходимо отметить, что в заданном состоянии электродного блока 130 влияние любых других факторов, например температуры, износа материала и т.п., может воздействовать как на величину сопротивления 132, так и на емкость конденсатора 131. Соответствующие незначительные колебания величины сопротивления 132 и конденсатора 131 можно, однако, легко скомпенсировать, как будет описано ниже. Частотный генератор 110 выдает сигналы по меньшей мере трех различных частот, причем в предпочтительных примерах реализации настоящего изобретения частотный генератор 110 выдает сигналы с частотой в диапазоне приблизительно от 50 Гц до нескольких сотен кГц или даже до нескольких МГц. Например, частотный генератор 110 может генерировать сигналы с частотой 50 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 20 кГц, 100 кГц, 500 кГц и выше. В примере реализации настоящего изобретения, показанном в фиг.1а, частотный генератор 110 содержит источник 111 эталонного напряжения, соединенный с управляемым выключателем 113, который, в свою очередь, связан с блоком 112 управления. Управляемый выключатель 113 может содержать полевой транзистор, затвор которого соединен с блоком 112 управления, а блок 112 управления, в свою очередь, может подавать отпирающий сигнал указанной частоты и заполнения для соответствующего соединения источника 111 эталонного напряжения с электродным блоком 130 на одной из множества частот, которые могут генерироваться частотным генератором 110. Необходимо отметить, что частотный генератор 110, изображенный на фиг.1а, может генерировать прямоугольные сигналы различных частот, поскольку в этом случае комплект необходимого оборудования может содержать небольшое количество компонентов. Однако очевидно, что можно использовать любую другую схему, генерирующую другие типы сигналов, - важно лишь, чтобы в электродный блок 130 можно было подать три или более частоты. В конкретных примерах реализации настоящего изобретения, описанных в отношении фиг.1d-1f, частотный генератор 110 может быть реализован в микроконтроллере, а управляемый выключатель 113 может быть выполнен как цифровой выход микроконтроллера.
Датчик 120 может иметь конфигурацию в соответствии с примером реализации настоящего изобретения, показанным на фиг.1а, для определения заряда, накопленного в конденсаторе 131 после подачи сигнала заданной частоты в течение заданного временного интервала. Соответственно, датчик 120 может содержать любое устройство 121 для измерения заряда, известное специалистам в данной области техники, например интегратор и т.п. В одном из конкретных примеров реализации настоящего изобретения датчик 120 может содержать управляемый выключатель 123, связанный с блоком 122 управления, который предназначен для активации выключателя 123, соединяющего детектор 121 заряда с электродным блоком 130. Например, выключатель 123 может быть выполнен в виде полевого транзистора, управляемого блоком 122, причем блок 122 может представлять собой часть микроконтроллера, например цифровой выход, и управляться соответствующей программой, запускаемой в микроконтроллере.
В процессе работы устройства 100 конкретное вещество может отложиться в электродном блоке 130 или, по меньшей мере, на его части, что влияет на емкость конденсатора 131. В последующем описании в качестве представляющего интерес вещества рассмотрена вода, но при этом необходимо заметить, что настоящее изобретение может быть легко реализовано применительно к любому веществу, которое после осаждения в электродном блоке 130 приводит к измеримому изменению емкости.
На фиг.1b и 1с схематично показано изменение относительной диэлектрической проницаемости воды при изменении измерительной частоты для множества различных температур. На фиг.1b схематично показан график для жидкой фазы воды, а фиг.1с иллюстрирует формирование льда и снега и соответствует твердому состоянию воды. Как видно на фиг.1b, жидкая вода характеризуется умеренно высокой диэлектрической проницаемостью, составляющей приблизительно 90 для температуры 1°С и приблизительно 70 при температуре 80°С. Следовательно, поскольку емкость прямо пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости, появление воды в непосредственной близости от электродного блока 130 может значительно повлиять на емкость конденсатора 131.
На фиг.1с показаны аналогичные кривые для воды при температуре ниже точки замерзания, причем очевидно, что лед или снег с температурами от -1 до -40°С имеют приблизительно такую же диэлектрическую проницаемость, что и вода при 80°С и ниже, поэтому соответствующее измерение емкости конденсатора 131 при постоянном токе или на низких частотах, по-видимому, не позволит отличить горячую воду ото льда и снега. Соответственно, согласно настоящему изобретению на конденсатор 131 подают множество измерительных сигналов множества различных частот, так что в результате получают множество измеренных данных по меньшей мере для трех различных частот, а предпочтительно для большего числа частот, что позволяет различить разные вещества или разные состояния одинаковых веществ. На фиг.1с показано множество точек F1...F5 измерения в частотной области, которая может быть выбрана так, чтобы получить множество измеренных данных, отображающих емкость конденсатора и, следовательно, диэлектрическую проницаемость вещества, расположенного в электродном блоке 130. Необходимо отметить, что значения F1...F5 частоты приведены только для иллюстрации, и в соответствии с настоящим изобретением можно выбрать любые другие значения, главным образом большие, чем показанные значения.
Частотный генератор 110 приводят в действие таким образом, чтобы обеспечить выдачу множества различных сигналов, соответствующих множеству различных частот, например частот F1...F5, причем каждый из различных сигналов подают в электродный блок 130 в течение заданного временного интервала. Например, в иллюстрируемом примере реализации настоящего изобретения блок 112 управления может периодически активизировать выключатель 113, обеспечивая выдачу заданного количества выходных импульсов с заданным заполнением, например с заполнением 50 процентов. Затем этот прямоугольный импульсный сигнал подают в электродный блок 130, что приводит к накоплению определенного количества заряда на конденсаторе 131 и его сохранению после отсоединения электродного блока 130 выключателем 113. В это время блок 122 управления может активизировать выключатель 123 для распознавания заряда, накопленного на конденсаторе 131 и являющегося мерой емкости конденсатора 131. Как правило, детектор 121 заряда содержит контрольный конденсатор, причем в предпочтительном примере реализации настоящего изобретения детектор 121 заряда может содержать конденсатор с хорошей известной емкостью, которая значительно превышает емкость конденсатора 131 для любого ожидаемого осажденного вещества. Следовательно, в этой ситуации емкость конденсатора 131 можно оценить, определяя напряжение на детекторе 121 заряда и напряжение, подаваемое источником 111 эталонного напряжения. Вышеупомянутую процедуру можно повторить для любой из желательных частот, например частот F1...F5, а полученные измеренные значения, соответствующие емкости конденсатора 131, можно затем использовать для сравнения этих значений с соответствующими библиотечными данными, которые могут быть получены на основе такой информации, как графики на фиг.1b и 1с. Очевидно, что соответствующие библиотечные данные можно легко получить из общедоступных источников, например баз данных и т.п.
В других примерах реализации настоящего изобретения соответствующие библиотечные данные могут быть созданы на основе результатов измерений, полученных непосредственно устройством 100 или соответствующим устройством, причем в электродный блок 130 помещают известное вещество при хорошо известных условиях и выполняют последовательность измерений, как описано выше. Соответствующие измеренные значения можно затем использовать в качестве библиотечных данных для данного вещества при данных условиях. После этого можно исследовать множество различных веществ и/или множество различных состояний веществ и создать множество библиотечных данных, которые затем можно использовать для сравнения с данными фактических измерений и для выявления специфического вещества и/или определения его состояния. Таким образом, отпадает необходимость в дальнейшей обработке сигналов для измеренных значений, поскольку измеренные значения можно напрямую сравнивать с другими измеренными значениями, выступающими в качестве библиотечных данных, в результате обработка сигналов и манипуляция данными значительно упрощаются. Однако, необходимо отметить, что можно осуществить дополнительную обработку данных для сопоставления результатов измерения с калиброванными библиотечными данными, даже если библиотечные данные, фактически используемые в измерительном цикле, получены устройством 100 как результаты измерения, а затем можно контролировать рабочие характеристики устройства 100 при условии, что соответствующая повторная калибровка библиотечных данных происходит регулярно с помощью «калиброванных» данных, например данных из зависимостей, изображенных на фиг.1b и 1с.
На фиг.1d схематично показано многочастотное устройство 100 для измерения емкости согласно дальнейшим иллюстративным примерам реализации настоящего изобретения. Устройство 100 дополнительно содержит микроконтроллер 150, осуществляющий различные функции с помощью компонентов аппаратных и/или программных средств, чтобы обеспечить, по меньшей мере частично, функционирование частотного генератора 110 и датчика 120. В иллюстрируемом примере реализации настоящего изобретения датчик 120 содержит контрольный конденсатор 121, действующий как детектор заряда и соединенный с устройством 124 измерения напряжения, которое может быть выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя с соответствующим разрешением. Например, устройство 124 измерения напряжения может быть реализовано в микроконтроллере 150, поскольку в настоящее время имеется много микроконтроллеров со встроенной схемой аналого-цифрового преобразования и с разрешением от 8 до 16 битов. Кроме того, управляемый выключатель 123 датчика 120 выполнен в виде полевого транзистора, затвор которого связан с блоком 122 управления, реализованным в виде программного обеспечения в комбинации с указанным цифровым выходом микроконтроллера 150. Кроме того, источник 111 эталонного напряжения может быть выполнен в виде стабилизированного источника питания для микропроцессора 150.
Работа устройства 100, изображенного на фиг.1d, может происходить аналогично тому, как описано в отношении фиг.1а-1с, причем обработка измеренных данных и/или библиотечных данных упрощена благодаря аналого-цифровому преобразованию напряжения, измеренного на контрольном конденсаторе 121. На основе значений измеренного напряжения микропроцессор 150 может выполнить сравнение с соответствующими библиотечными данными, которые могут храниться в микропроцессоре 150 или которые могут быть поданы в микроконтроллер 150 через соответствующий интерфейс 140. Интерфейс 140 может представлять собой любое средство связи, которое способно осуществлять связь с внешним источником для передачи результатов измерения во внешний источник или получения библиотечных данных и/или управляющих сигналов для управления измерениями, проводимыми устройством 100. Например, внешний источник может представлять собой запоминающее устройство, содержащее библиотечные данные.
В некоторых примерах реализации настоящего изобретения получение эталонного сигнала наряду со значениями измерений, полученными с датчика 120, может оказаться предпочтительным для компенсации или подавления любых внутренних или внешних эффектов, не обусловленных представляющим интерес веществом в электродном блоке 130. Таким образом, можно предусмотреть наличие второго электродного блока (не показан), снабженного соответствующими аппаратными компонентами для выдачи измеренных значений, соответствующих емкости второго электродного блока, причем второй электродный блок установлен так, чтобы оставаться в хорошо известном состоянии и по существу не подвергаться воздействию представляющего интерес вещества. Таким образом, любые эффекты, которые не обусловлены представляющим интерес веществом, могут воздействовать на электродный блок 130 и второй электродный блок одинаковым образом, так что влияние соответствующих эффектов на результаты измерения может быть устранено или по меньшей мере значительно снижено.
На фиг.1е схематично показан еще один пример реализации устройства 100, содержащего источник эталонного сигнала и не требующего наличия второго электродного блока. Устройство 100 содержит операционный усилитель 126, входы которого соединены с контрольным конденсатором 121 и с источником 160 эталонного сигнала, который в иллюстрируемом примере реализации настоящего изобретения представлен частью микроконтроллера 150. Например, источник 160 эталонного сигнала может содержать цифроаналоговый преобразователь, предназначенный для получения аналогового сигнала на основе поступающих цифровых значений. Устройство 100 может дополнительно содержать запоминающее устройство 170, связанное с источником 160 эталонного сигнала.
В процессе работы электродный блок 130 может находиться в хорошо известном состоянии, например, на нем может находиться хорошо известное вещество, или электродный блок может быть по существу совсем свободным от какого-либо вещества, так что, можно ожидать, что электродный блок 130 имеет хорошо известную емкость и можно произвести последовательность измерений, причем источник 160 эталонного сигнала может подавать нейтральный или постоянный сигнал, чтобы не влиять на полученные результаты измерения. Затем соответствующие результаты измерения можно сохранить в запоминающем устройстве 170 в качестве эталонных значений, которые затем можно использовать в последующих циклах фактического измерения для компенсации флуктуации устройства и систематических погрешностей. Эталонные значения можно получать регулярным образом, если предполагается, что электродный блок 130 находится в заданном состоянии или может быть приведен в заданное состояние при необходимости, например путем подачи управляющего сигнала из внешнего источника или микроконтроллера 150 и обнаружения определенного условия. Эталонные значения можно сохранить для контроля изменения эталонных значений со временем, причем в некоторых примерах реализации настоящего изобретения можно выработать определенные критерии для оценки состояния устройства 100 в зависимости от изменения эталонных значений. В частности, микроконтроллер 150 может указать на нерабочее состояние, если один или несколько результатов эталонных измерений не соответствуют одному или нескольким критериям «достоверности», которые могут быть заданы как конкретные пороговые диапазоны. Например, разрушение изолирующего материала, покрывающего электродный блок 130, может привести к существенному изменению эталонных значений со временем, что делает результаты фактического измерения менее достоверными, а следовательно, устройство 100 может указать на нерабочее состояние или по меньшей мере может выдать предупреждение, что к результатам измерений следует относиться с осторожностью. Соответствующий мониторинг технического состояния устройства предпочтителен в тех случаях применения, где требуется высокая чувствительность и/или большое количество отдельных устройств 100 и, следовательно, необходима эффективная оценка их технического состояния.
Кроме того, устройство 100 может содержать один или более дополнительных чувствительных элементов, например температурный элемент 180, связанный с соответствующим блоком управления, представленный в настоящем примере микроконтроллером 150. Дополнительная информация, собранная датчиком 180, позволяет повысить точность обнаружения специфических веществ и, таким образом, повысить четкость при сравнении результатов измерения с соответствующими библиотечными данными.
В других примерах реализации настоящего изобретения устройство 100, содержащее один или несколько дополнительных чувствительных элементов 180, может представлять собой метеорологическую систему, функциональные возможности которой значительно расширены за счет использования электродного блока 130 в комбинации с датчиком 120 и многочастотным генератором 110. В этом случае устройство 100, функционируя как метеорологическая система, может также содержать средства 190 отображения, связанные с микроконтроллером 150 и предназначенные для отображения любой информации, основанной на результатах измерения, которые получены из электродного блока 130 и/или чувствительных элементов 180.
На фиг.1f схематично показано устройство 100 с упрощенным датчиком 120, поскольку выключатель 123 может быть изъят и заменен большим омическим сопротивлением 125, которое совместно с измерительным конденсатором 121 образует фильтр нижних частот. Кроме того, электродный блок 130 может содержать сопротивление 133, которое совместно с конденсатором 131 образует частотно-зависимый делитель напряжения. При работе устройства 100 сигналы заданной частоты и амплитуды, например прямоугольный импульсный сигнал известной амплитуды и заполнения, подают в электродный блок 130, причем соответствующее напряжение падает на конденсаторе 131, емкость которого зависит от заданной частоты, амплитуды и заполнения, а также от значения сопротивления 133. Поскольку сопротивление 133 с хорошо известным значением можно легко подключить в электродный блок 130 или в любое подходящее место в пределах сигнального тракта, емкость конденсатора 131 можно определить путем считывания падения напряжения на конденсаторе 131. При этом напряжение может быть измерено на контрольном конденсаторе 121, причем конкретное значение его емкости не является критическим до тех пор, пока значение сопротивления достаточно велико, и конденсатор, соответственно, сглаживает сигнал, поданный на конденсатор 131. Следовательно, емкость конденсатора 131 можно определить при подаче сигнала определенной частоты без необходимости специфического управления по количеству импульсов, а кроме того, отсутствует необходимость в выключателях, управляющих процессом измерения напряжения. Для измерений при использовании сигналов очень низкой частоты работу аналого-цифрового преобразователя 124 можно синхронизировать по низкочастотным импульсам, подаваемым частотным генератором 110, и в пределах каждого цикла можно выполнить множество измерений, что позволяет получить достаточно точное среднее значение. Необходимо отметить, что пример реализации настоящего изобретения, показанный на фиг.1а, можно легко объединить с компонентами, показанными в на фиг.1е, например операционным усилителем 126, источником 160 эталонного сигнала и/или дополнительным чувствительным элементом 180.
На фиг.2 схематично показана система 200, содержащая множество электродных блоков 230, установленных и подключенных с целью получения информации о представляющем интерес веществе. В частности, электродные блоки 230 могут содержать по меньшей мере одну пару электродов с областями 235 изолированной поверхности, причем эта пара определяет конкретную емкость электродных блоков 230. Каждый электродный блок 230 связан с соответствующими аппаратными и программными средствами 250, которые обеспечивают измерение емкости на нескольких частотах, как описано в отношении фиг.1a-1f. Кроме того, аппаратные и программные средства 250 содержат блоки связи, которые способны сообщаться с центральной станцией 201 через сеть 240. Сеть 240 может представлять собой любую подходящую сеть для проводной или беспроводной связи. Центральная станция 201 может осуществлять мониторинг и/или управление работой отдельных аппаратных и программных средств 250, а также может получать результаты измерения из отдельных блоков средств 250, определяя присутствие и/или состояние представляющего интерес вещества, отложенного в отдельных электродных блоках 230. В одном конкретном примере реализации настоящего изобретения система 200 может представлять собой систему сбора информации о состоянии дорожной поверхности, в которой отдельные электродные блоки 230 установлены в соответствующих местах на исследуемой дороге и предназначены для обнаружения присутствия воды, льда, снега, а также соответствующего состояния этих веществ, например начала обледенения и т.п. В других примерах реализации настоящего изобретения система 200 может представлять собой систему с множеством датчиков, предназначенную для обнаружения конкретного вещества в критических областях, например на крыльях самолета и т.п. В одном конкретном примере реализации настоящего изобретения аппаратные и программные средства 250 и/или центральная станция 201 способны оценивать техническое состояние отдельных электродных блоков 230 и/или состояние их аппаратных и программных средств 250, например на основе измеренных эталонных данных, как было описано выше.
В других примерах реализации настоящего изобретения центральная станция 201 может быть связана с внешними источниками для получения от них информации и передачи в них информации, например метеорологической информации, технической информации и т.п.
Итак, настоящее изобретение обеспечивает создание новой системы для многочастотного измерения емкости, которая позволяет определить емкость электродного блока на основе трех или больше частот, таким образом, позволяя надежно определить присутствие и характеристики представляющего интерес вещества. Предпочтительно, чтобы система и способ использовались дорожными компаниями, отвечающими за состояние обычных и скоростных дорог; изобретение дает возможность мониторинга состояния поверхности дорог, что повышает их безопасность и позволяет снизить затраты на их содержание, поскольку удается избежать нанесения противообледенительного вещества на поверхность дороги в случае, когда необходимость в этом отсутствует. Кроме того, функциональность метеорологических станций можно повысить за счет функциональных возможностей, предлагаемых согласно настоящему изобретению, что позволяет осуществить надежное обнаружение состояния поверхности, открытой для внешнего воздействия. Кроме того, во многих областях промышленности необходимо обеспечить обнаружение полярных жидкостей, например воды, топлив или аммиачных соединений, причем высокая надежность технических средств и их низкая цена делают настоящее изобретение весьма привлекательным. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению может быть выполнено малогабаритным, что облегчает его установку в соответствующих местах измерения, например на поверхности дороги. Конструкция всей системы не является сложной и, таким образом, обеспечивает надежную работу устройства в течение продолжительного времени, причем потребление энергии может находиться на низком уровне, что позволяет осуществлять непрерывный мониторинг специфических условий без использования внешнего источника. Кроме того, благодаря использованию концепции измерения на нескольких частотах, удается достичь повышения чувствительности, что не только позволяет обнаруживать присутствие воды или льда, но позволяет также определять толщину слоя льда или слоя воды и осуществлять мониторинг процесса обледенения.
1. Многочастотное устройство для измерения емкости, содержащее
электродный блок, выполненный с возможностью приема исследуемого вещества для изменения емкости указанного электродного блока,
многочастотный генератор, подсоединенный к указанному электродному блоку и выполненный с возможностью подачи упорядоченных во времени трех или более сигналов, каждый из которых имеет различную частоту, и
датчик, связанный с указанным электродным блоком и выполненный с возможностью определения значения, показывающего емкость указанного электродного блока для каждой из указанных трех или более различных частот, отличающееся тем, что дополнительно содержит источник эталонного сигнала, выполненный с возможностью подачи эталонного сигнала в указанный датчик, причем указанный эталонный сигнал представляет собой соответствующие эталонные значения для каждой из указанных трех или более различных частот и показывает соответствующую емкость указанного электродного блока для каждой из трех или более различных частот для эталонного состояния.
2. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что датчик содержит контрольный конденсатор и средства измерения напряжения, связанные с указанным контрольным конденсатором и выполненные с возможностью определения напряжения на контрольном конденсаторе.
3. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.2, отличающееся тем, что средства измерения напряжения содержат аналого-цифровой преобразователь для выдачи указанных значений в виде цифровых значений.
4. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что частотный генератор содержит источник эталонного напряжения и первый управляемый выключатель, предназначенный для периодического соединения указанного источника эталонного напряжения с указанным электродным блоком для выдачи указанных сигналов трех или более различных частот.
5. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.2, отличающееся тем, что средства измерения напряжения дополнительно содержат второй управляемый выключатель для управляемого соединения указанного контрольного конденсатора с указанным электродным блоком.
6. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что указанные три или более частот выбраны в диапазоне приблизительно от 50 Гц до по меньшей мере нескольких МГц.
7. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит компараторные средства, выполненные с возможностью сравнения указанного значения для каждой из трех или более различных частот с соответствующим целевым значением и с возможностью вывода индикации, если каждое из указанных значений согласуется с соответствующим целевым значением в пределах заданной области допустимых значений.
8. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.7, отличающееся тем, что соответствующие целевые значения отображают относительную диэлектрическую проницаемость представляющего интерес вещества для каждой из указанных трех или более частот.
9. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.8, отличающееся тем, что соответствующие целевые значения отображают относительную диэлектрическую проницаемость представляющего интерес вещества для каждой из указанных трех или более частот при двух или более различных температурах этого вещества.
10. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.9, отличающееся тем, что соответствующие целевые значения отображают относительную диэлектрическую проницаемость по меньшей мере двух представляющих интерес веществ для указанных трех или более частот.
11. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что источник эталонного сигнала соединен с указанным датчиком и выполнен с возможностью получения указанных значений, соответствующих емкости указанного электродного блока, и с возможностью использования этих значений в качестве эталонных значений, если с помощью управляющего сигнала состояние указанного электродного блока определяется как эталонное состояние.
12. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.3 или 11, отличающееся тем, что источник эталонного сигнала содержит запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения эталонных значений, полученных в виде цифровых значений.
13. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что указанный датчик дополнительно содержит операционный усилитель, подключенный с возможностью получения указанного эталонного сигнала и вывода дифференциального сигнала для получения указанного значения для каждой из трех или более различных частот.
14. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.3 или 13, отличающееся тем, что операционный усилитель подключен с возможностью получения напряжения, имеющегося на контрольном конденсаторе, и эталонного сигнала и с возможностью выдачи указанного дифференциального сигнала в указанный аналого-цифровой преобразователь.
15. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.12, отличающееся тем, что источник эталонного сигнала дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь, подключенный с возможностью получения хранящихся цифровых значений и выдачи в операционный усилитель аналогового сигнала, соответствующего хранящимся цифровым значениям.
16. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что частотный генератор и датчик выполнены в микроконтроллере.
17. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит температурный датчик.
18. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что каждый электрод в электродном блоке покрыт слоем изолирующего материала.
19. Многочастотное устройство для измерения емкости по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства связи, выполненные с возможностью передачи данных во внешний источник.
20. Система датчиков для определения условий окружающей среды, содержащая
множество многочастотных устройств для измерения емкости по любому из пп.1-19, причем каждое измерительное устройство содержит блок связи, выполненный с возможностью передачи данных по сети, и
центральную станцию, содержащую блок управления и средства связи, выполненные с возможностью получения данных по сети, причем указанный блок управления выполнен с возможностью оценки состояния множества многочастотных устройств для измерения емкости на основе полученных от них данных.
21. Система по п.20, отличающаяся тем, что множество многочастотных устройств для измерения емкости расположены таким образом, чтобы быть подверженными воздействию условий, имеющих место на поверхности дороги.
22. Система по п.20 или 21, отличающаяся тем, что средства связи выполнены с дополнительной возможностью получения метеорологических данных из внешнего источника.
23. Система по п.20, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный чувствительный элемент для получения экологической информации.
24. Измерительная метеорологическая система, содержащая
многочастотное устройство для измерения емкости по любому из пп.1-19,
блок управления, функционально связанный с указанным многочастотным устройством для измерения емкости и выполненный с возможностью оценки данных, поступающих из указанного многочастотного устройства для измерения емкости, и
средства отображения, предназначенные для отображения метеорологических данных.
25. Способ определения состояния электродного блока в многочастотном устройстве для измерения емкости по любому из пп.1-19, включающий
подачу по меньшей мере трех сигналов различной частоты в указанный электродный блок, имеющий представляющее интерес состояние,
определение измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот,
сравнение каждого измеренного значения с соответствующим библиотечным значением для каждой из по меньшей мере трех различных частот, причем библиотечные значения соответствуют определенному состоянию указанного электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, и
идентификацию указанного представляющего интерес состояния в качестве указанного определенного состояния, если каждое измеренное значение согласуется с соответствующим библиотечным значением в пределах заданной области допустимых значений.
26. Способ по п.25, отличающийся тем, что указанные по меньшей мере три различные частоты находятся в диапазоне от нескольких Гц до нескольких МГц.
27. Способ по п.25 или 26, отличающийся тем, что дополнительно включает подвергание указанного электродного блока воздействию окружающей среды для получения по меньшей мере одного представляющего интерес вещества, причем указанные библиотечные значения отражают состояние электродного блока, на который оказано воздействие по меньшей мере одним из указанных веществ в заданном состоянии.
28. Способ по п.27, отличающийся тем, что библиотечные значения соответствуют относительной диэлектрической проницаемости по меньшей мере одного вещества, подвергнутого воздействию специфических условий для каждой из по меньшей мере трех различных частот.
29. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает создание библиотеки данных, представляющих относительную диэлектрическую проницаемость по меньшей мере для представляющего интерес вещества и для множества различных состояний этого вещества применительно к каждой из по меньшей мере трех различных частот.
30. Способ по п.29, отличающийся тем, что указанные различные состояния включают множество различных температур указанного вещества.
31. Способ по п.29, отличающийся тем, что указанная библиотека содержит данные, соответствующие относительной диэлектрической проницаемости для множества различных веществ применительно к каждой из по меньшей мере трех различных частот.
32. Способ по п.29, отличающийся тем, что дополнительно включает попадание указанного вещества в специфическом состоянии на электродный блок, определение эталонного измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из указанных по меньшей мере трех частот, и сохранение эталонного измеренного значения или соответствующего ему значения в качестве библиотечных данных для указанного специфического состояния.
33. Способ по п.29, отличающийся тем, что определение указанного измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот включает
а) подачу в электродный блок в течение заданного временного интервала сигнала, имеющего одну из по меньшей мере трех различных частот,
б) определение заряда, накопленного в электродном блоке, и
в) повторение шагов а) и б) для каждой из по меньшей мере трех различных частот.
34. Способ по п.33, отличающийся тем, что заданный временной интервал для каждой из по меньшей мере трех различных частот регулируют путем подачи сигнала, включающего заданное количество импульсов.
35. Способ по п.33, отличающийся тем, что заряд, имеющийся в электродном блоке, определяют путем соединения электродного блока с контрольным конденсатором после истечения указанного заданного временного интервала и определения напряжения на контрольном конденсаторе.
36. Способ по п.29, отличающийся тем, что определение указанного измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, включает
а) подачу сигнала, имеющего одну из по меньшей мере трех различных частот и заданную амплитуду, в указанный электродный блок через заданное сопротивление,
б) определение напряжения на указанном электродном блоке, и
в) повторение шагов а) и б) для каждой из по меньшей мере трех различных частот.
37. Способ по п.29, отличающийся тем, что определение измеренного значения, соответствующего емкости электродного блока для каждой из по меньшей мере трех различных частот, дополнительно включает генерирование эталонного сигнала, соответствующего эталонному состоянию указанного электродного блока, и вычитание указанного эталонного сигнала из выходного сигнала указанного электродного блока для получения дифференциального сигнала для каждой из указанных по меньшей мере трех различных частот.
38. Способ по п.37, отличающийся тем, что эталонный сигнал генерируют до указанного выходного сигнала, когда указанный электродный блок находится в эталонном состоянии, а эталонный сигнал или отображающий его сигнал сохраняют.
39. Способ по п.38, отличающийся тем, что эталонный сигнал или отображающий его сигнал хранят в цифровом виде и преобразовывают в аналоговый сигнал перед вычитанием его из выходного сигнала.
40. Способ по п.29, отличающийся тем, что дополнительно включает получение информации об окружающей среде и идентификацию состояния электродного блока на основе информации об окружающей среде.
41. Способ по п.40, отличающийся тем, что информация об окружающей среде содержит информацию о температуре окружающей среды в месте расположения электродного блока.
42. Способ определения состояния электродного блока в многочастотном устройстве для измерения емкости по любому из пп.1-19, включающий
обеспечение наличия множества электродных блоков, и
определение состояния каждого из электродных блоков согласно способу по любому из пп.29-41.
43. Способ по п.42, дополнительно включающий передачу указанных измеренных значений в центральную станцию, причем указанные шаги сравнения и идентификации выполняют в указанной центральной станции.
