Микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками. Устройство содержит микроконтроллер 1, первый резистор 2 с известным сопротивлением (R1), емкостный датчик 3, измеряемой емкости (Сх), второй резистор 4 с известным сопротивлением (R2), третий резистор 5 измеряемого сопротивления (Rx), интегрирующее RC-звено 6, цифровой индикатор 7. Резисторы 2, 4 и 5 первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера 1 и к первой обкладке емкостного датчика 3, вход RC-звена 6 подключен к первому входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1, выход RC-звена 6 подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, встроенного в микроконтроллер 1, вторые выводы резисторов 2, 4 и 5 подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам микроконтроллера 1, вторая обкладка емкостного датчика 3 подключена к общему проводу, индикатор 7 подключен к микроконтроллеру 1 по известной схеме. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками, а также для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов.

Уровень техники

Такие диэлектрические свойства, как электропроводность и диэлектрическая проницаемость, характеризуют качество как биологических объектов, так и изоляционных материалов. Исследуемый диэлектрик, например зерно, помещается между двумя обкладками емкостного датчика. Изменение емкости датчика будет зависеть от диэлектрической проницаемости помещенного в него материала. Измеряя емкость такого датчика, можно оценить качество исследуемого материала, например содержание влаги в зерне.

Известно устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих RC-звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами интегрирующих RC-звеньев, во времязадающие цепи одновибраторов включены конденсаторы соответственно образцовой емкости и измеряемой. Напряжение, значение которого зависит от измеряемой емкости, отражается блоком индикации (см. пат. РФ №2156472, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная наличием в блоке индикации аналого-цифрового преобразователя, который понизит точность измерения электрической емкости.

Известно устройство для измерения неэлектрических величин емкостными датчиками, содержащее микроконтроллер, первый и второй генераторы и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены соответственно датчик измеряемой емкости и конденсатор образцовой емкости, времязадающие резисторы включены по известным схемам, выходы генераторов подключены к счетным входам соответствующих счетчиков микроконтроллера, один из выводов микроконтроллера подключен к входам генераторов разрешения генерирования, цифровой индикатор подключен к выходу микроконтроллера (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой промежуточными преобразовательными устройствами - генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например от температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер, цифровой индикатор, первый и второй генераторы, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости и резисторы, включенные по известным схемам, управляемые ключи, выходы первого и второго генераторов подключены к входам микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, к выходу микроконтроллера подключен цифровой индикатор (см. пат. РФ №2258232, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой промежуточными преобразовательными устройствами - генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например от температуры.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, первый и второй резисторы и цифровой индикатор, причем первый и второй резисторы первыми выводами подключены к первой обкладке емкостного датчика, вторая обкладка которого подключена к общему проводу, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру по известной схеме, введены третий резистор и интегрирующее RC-звено, вход которого подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, а выход подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первая обкладка емкостного датчика подключена к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера и к первому выводу третьего резистора, вторые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам микроконтроллера.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного устройства для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов содержит (см. чертеж) микроконтроллер 1, первый резистор 2 с известным сопротивлением (R1), емкостный датчик 3 измеряемой емкости (Сх), второй резистор 4 с известным сопротивлением (R2), третий резистор 5 измеряемого сопротивления (Rx), интегрирующее RC-звено 6, цифровой индикатор 7. Резисторы 2, 4 и 5 первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора (не показан), встроенного в микроконтроллер 1, и к первой обкладке емкостного датчика 3, вход RC-звена 6 подключен к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) (не показан), встроенного в микроконтроллер 1, выход RC-звена 6 подключен к второму входу аналогового компаратора, вторые выводы резисторов 2, 4 и 5 подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам микроконтроллера 1, вторая обкладка емкостного датчика 3 подключена к общему проводу, индикатор 7 подключен к микроконтроллеру 1 по известной схеме.

Микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов работает следующим образом.

Сигнал с выхода ШИМ микроконтроллера 1 поступает на вход RC-звена 6, при этом к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера 1 с выхода RC-звена 6 приложено опорное напряжение, равное значению 0,63Uп, где Uп - напряжение питания микроконтроллера 1 (известно, что напряжение на выходе интегрирующего RC-звена, подключенного к выходу ШИМ, пропорционально зависит от коэффициента заполнения импульсной последовательности). Для измерения емкости емкостного датчика 3 микроконтроллер 1 отключает цепь, состоящую из резисторов 4 и 5, путем перевода второго и третьего выходов в высокоомное состояние. Затем микроконтроллер 1 разряжает емкостный датчик 3 через резистор 2, путем вывода логического 0 (лог.0) на первый выход. Через некоторое время микроконтроллер 1 выводит логическую 1 (лог.1) на второй выход и запускает заранее обнуленный внутренний двоичный счетчик. Когда напряжение на емкостном датчике 3 достигнет уровня 0,63Uп, то на выходе аналогового компаратора микроконтроллера 1 уровень напряжения поменяется на противоположный. По этому сигналу микроконтроллер 1 останавливает двоичный счетчик и сохраняет его содержимое, т.е. двоичный код N, который пропорционален постоянной времени τ=Ro·Cx и определяется выражением N=τ/Т, где Т - период (длительность такта) тактового генератора микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 определяет постоянную времени из выражения τ=T·N, а затем определяет Сх=T·N/Ro, где Ro известно.

Для измерения сопротивления Rx резистора 5 микроконтроллер 1 переводит первый выход в высокоомное состояние, выводит на второй выход лог.1 и на третий выход лог.0, затем выводит на выход ШИМ импульсную последовательность с возрастающим коэффициентом заполнения. Как только напряжение на выходе RC-звена достигнет значения напряжения U_Rx, падающего на резисторе Rx, то на выходе аналогового компаратора поменяется лог. уровень. По этому сигналу микроконтроллер 1 сохраняет в памяти значение коэффициента заполнения Кз и рассчитывает значение сопротивления Rx резистора 5 из выражения: Rx=R2·U_R2/U_Rx, где U_R2 и U_Rx - напряжения, падающие на резисторах соответственно 4 и 5, определяются: U_Rx=Uп·Кз; U_R2=Uп-U_Rx. Результат измерения микроконтроллер 1 выводит на индикатор 7.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество - обладает более высокой точностью, так как отсутствуют промежуточные преобразовательные устройства - генераторы, а следовательно, и дополнительные погрешности.

Микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов и изоляционных материалов, содержащее микроконтроллер, емкостный датчик, первый и второй резисторы и цифровой индикатор, причем первый и второй резисторы первыми выводами подключены к первой обкладке емкостного датчика, вторая обкладка которого подключена к общему проводу, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру по известной схеме, отличающееся тем, что в него введены третий резистор и интегрирующее RC-звено, причем первая обкладка емкостного датчика подключена к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера и к первому выводу третьего резистора, вход интегрирующего RC-звена подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, а выход интегрирующего RC-звена подключен к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам микроконтроллера.