PL170773B1 - Uklad czujnika pomiarowego PL - Google Patents

Abstract

1 . Uklad czujnika pomiarowego, zwlaszcza czujnika przyspieszenia, zawierajacy pojemnoscio- wy, róznicowy czujnik pomiarowy o malej pojemnosci, znamienny tym, ze zawiera dwa sprzezone ze soba uklady oscylacyjne RC, z których kazdy zawiera konde- nsator czesciowy (5), (6) 1 rezystor (8), (9), przy czym kazdy z ukladów oscylacyjnych RC jest wlaczony w petli sprzezenia zwrotnego drugiego ukladu oscylacyjnego RC i pojemnosc ukladów oscylacyjnych RC jest utwo- rzona kazdorazowo przez jeden z dwóch kondensatorów czesciowych (5), (6) pojemnosciowego, róznicowego czujnika pomiarowego (1), kazdy uklad oscylacyjny RC jest polaczony z drugim ukladem oscylacyjnym RC po- przez detektor progowy (10), (11), korzystnie multi- wibrator bistabilny, przy czym jeden z detektorów progowych jest odwracajacym detektorem progowym (10) 1 do wyjsc detektorów progowych (10) i (11) jest dolaczony element logiczny (12) typu ALBO majacy wyjscie (13) logicznego dwuimpulsowego sygnalu wyj- sciowego (14) odpowiadajacego wielkosci pomiarowej FIG.1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ czujnika pomiarowego, zwłaszcza czujnika przyspieszenia stosowanego w samochodach.

Znane są układy czujników pomiarowych wyposażonych w układy elektroniczne, analizujące sygnały wyjściowe czujników, na przykład układy wzmacniaczy mostkowych. Znane są także układy czujników pracujące w układzie oscylacyjnym LC, które wytwarzają sygnały wykorzystywane bezpośrednio do dalszego przetwarzania w mikroprocesorze, jednak na ich działanie wpływa w znacznym stopniu temperatura, co wymaga kompensacji temperaturowej.

Znany jest z europejskiego opisu patentowego nr 0 196 735 układ czujnika pomiarowego, oparty na efekcie stabilizacji temperaturowej wyników pomiarów przy zastosowaniu kondensatora różnicowego, którego pojemności częściowe nie są ze sobą związane.

Znany jest z opisu patentowego Wielkiej Brytanii nr 2 046 920 układ czujnika pomiarowego z wymiennym przełączaniem pojemności częściowych.

Znany jest z opisu patentowego RFN nr 35 28 416 układ czujnika pomiarowego, zawierającego dwa kondensatory częściowe w dwóch układach oscylacyjnych połączonych z dwoma multiwibratorami monostabilnymi, które wysterowują się wzajemnie. Sygnały wyjściowe multiwibratorów są doprowadzane do jednego z demodulatorów impulsowych w celu wytwarzania sygnału napięcia stałego, odpowiadającego odwrotności sygnału dostarczanego z multiwibratorów monostabilnych i dalej do układu odejmującego dla uzyskania sygnału pomiarowego, odpowiadającego wielkości pomiarowej.

Układ czujnika pomiarowego według wynalazku zawiera dwa sprzężone ze sobą układy oscylacyjne RC, z których każdy zawiera kondensator częściowy i rezystor. Każdy z układów oscylacyjnych RC jest włączony w pętli sprzężenia zwrotnego drugiego układu oscylacyjnego RC i pojemność układów oscylacyjnych RC jest utworzona każdorazowo przez jeden z dwóch kondensatorów częściowych pojemnościowego, różnicowego czujnika pomiarowego. Każdy układ oscylacyjny RC jest połączony z drugim układem oscylacyjnym RC poprzez detektor progowy, korzystnie multiwibrator bistabilny, przy czym jeden z detektorów progowych jest odwracającym detektorem progowym. Do wyjść detektorów progowych jest dołączony element

170 773 logiczny typu ALBO mający wyjście logicznego dwuimpulsowego sygnału wyjściowego odpowiadającego wielkości pomiarowej.

Detektory progowe stanowią korzystnie przerzutniki Schmitta.

Detektory progowe mają korzystnie duże rezystancje wejściowe.

Zaletą wynalazku jest opracowanie prostego i skutecznego układu czujnika pomiarowego z samokompensacją temperaturową. Sygnał czujnika pomiarowego może być przesyłany na duże odległości bez pogorszenia jego jakości. Praktycznie bez dodatkowych środków uzyskuje się wysoką stabilność termiczną i dużą rozdzielczość sygnału pomiarowego. Układ zużywa mało energii i wymaga zastosowania tylko jednobiegunowego źródła napięciowego, z możliwością zastosowania szerokiego zakresu napięcia zasilającego. Układ wymaga niewielu elementów konstrukcyjnych, więc zajmuje mało miejsca. Poza tym układ jest przystosowany do pomiarów zarówno w trybie dynamicznym, jak i w trybie statycznym.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ czujnika pomiarowego według wynalazku, fig. 2 - przebiegi sygnałów w układzie z fig. 1, fig. 3 - pojemnościowy, różnicowy czujnik pomiarowy w przekroju wzdłużnym, fig. 4, 5 i 6 - przykłady wykonania układu czujnika pomiarowego.

Figura 1 przedstawia układ czujnika pomiarowego 15 stanowiący układ pojemnościowego, różnicowego czujnika pomiarowego, który ma dwie nieruchome elektrody 2 i 3 i usytuowaną między nimi ruchomą elektrodę środkową 4, na którą oddziałuje fizyczna wielkość pomiarowa, nie będąca wielkością elektryczną. W układzie powstają dwa kondensatory częściowe 5 i 6. Elektroda środkowa 4 jest dołączona do masy 7 układu czujnika pomiarowego 15. Dla uproszczenia na fig. 1 pokazano układ czujnika pomiarowego 15 zawierający dwa regulowane kondensatory częściowe 5 i 6.

Podczas oddziaływania wielkości pomiarowej na elektrodę środkową 4 zmieniają się odległości elementów kondensatorów, co powoduje przeciwną zmianę pojemności obu kondensatorów częściowych 5 i 6, a także zmieniają się czasy ładowania kondensatorów częściowych 5 i 6.

Kondensator częściowy 5 tworzy wraz z wysokoomowym rezystorem 8 człon RC, podobnie jak kondensator częściowy 6 z wysokoomowym rezystorem 9. Czas ładowania kondensatora częściowego 5 określa moment przełączania odwracającego detektora progowego 10, a czas ładowania kondensatora częściowego 6 określa moment przełączania nie odwracającego detektora progowego 11. Przy zmianie czasów ładowania w wyniku przesunięcia elektrody środkowej 4, zmieniają się także momenty przełączania detektorów progowych 10 i 11. W wyniku połączenia w pętli sprzężenia zwrotnego obu układów oscylacyjnych RC, ma miejsce wzajemne ich wyzwalanie. W wyniku przetworzenia przez element logiczny 12 typu ALBO sygnałów e1 i e2, otrzymanych z tych dwóch układów oscylacyjnych RC, na wyjściu elementu logicznego 12 typu ALBO jest otrzymywany sygnał PWM 14 doprowadzany do wyjścia 13 układu czujnika pomiarowego 15.

Charakterystycznymi elementami składowymi układu czujnika pomiarowego 15 są dwa detektory progowe 10 i 11 i element logiczny 12 typu ALBO. Detektory progowe 10 i 11 stanowią na przykład przerzutniki Schmitta, co oznaczono symbolicznie na fig. 1.

Elementami wyznaczającymi funkcję układu czujnika pomiarowego 15 są oba sprzężone układy oscylacyjne RC, zawierające kondensatory częściowe 5 i 6 i rezystory 8 i 9. Każdy z układów oscylacyjnych RC jest sprzężony zwrotnie z drugim układem oscylacyjnym RC. Oba układy oscylacyjne RC są połączone ze sobą przez dwa detektory progowe 10 i 11, korzystnie w postaci przerzutników Schmitta 10 i 11, z których jeden powoduje dodatkowo odwrócenie poziomu. Dołączony element logiczny 12 wyklucza zgodnie z funkcją ALBO oba sygnały e1 i e2 na wyjściach detektorów progowych 10 i 11.

Połączone są więc szeregowo dwa człony czasowe. Dołączone przerzutniki Schmitta reagują zarówno na dodatnią jak i na ujemną zmianę napięcia u5 i u6, występującego stale na wejściu każdego z nich. W rezultacie uzyskuje się opóźnione przełączenie sygnałów e1 i e2, występujących na obu wejściach elementu logicznego 12 typu ALBO, gdy napięcie u5 lub u6 przekroczy górną wartość progową OS przełączania jednego z dwóch przerzutników Schmitta albo spadnie poniżej dolnej wartości progowej US przełączania, przy czym momenty przełączania są określone przez człony RC. Częstotliwość oscylacji układu jest uwarunkowana przez jego budowę i podlega warunkowi C1 + C2 = const.

Sygnał wyjściowy 14 modulowany długością impulsu jest wytwarzany w wyniku logicznego przetwarzania obu sygnałów e1 i e2 przez element logiczny 12 typu ALBO w celu uzyskania użytecznego sygnału pomiarowego.

Figura 2 przedstawia przebiegi sygnałów, z których widać, że określenie pełnego okresu oscylacji obu kondensatorów częściowych, to znaczy cyklu naładowania i rozładowania, następuje podczas dwóch okresów sygnału e1 XOR e2. Aby otrzymać sygnał proporcjonalny do wielkości pomiarowej, w tym układzie analizuje się podwójny impuls w dwóch pełnych okresach a i b oscylacji, odmiennie niż w układach z fig. 4, 5 i 6.

Układ z fig. 1 nie zawiera monostabilnych układów oscylacyjnych, na przykład multiwibratorów monostabilnych, nie reaguje na impulsy wyzwalające, lecz na ciągłe zmiany poziomu, i nie następuje w nim samoczynny przeskok do stanu wyjściowego po upływie czasu określonego przez człony RC. Zamiast multiwibratorów monostabilnych zastosowane są proste pojedyncze przerzutniki Schmitta. Układ znajduje zastosowanie w czujnikach samochodowych, gdzie z uwagi na ograniczoną przestrzeń układy są zminiaturyzowane i mają niewiele elementów konstrukcyjnych.

Figury 4,5 i 6 przedstawiają układy, w których przy analizie sygnału czujnika uwzględnia się tylko jeden tor.

Przy pomocy dwóch niskoomowych przełączników, na przykład tranzystorów polowych 32, 33 z fig. 4, 45 z fig. 5 i 54, 55 z fig. 6 przełącza się naprzemiennie napięcie pomiarowe z układu oscylacyjnego RC1 lub RC2 poprzez blokowane wzajemnie dopełniająco wyjścia sterowanego elementu bistabilnego 31, 43 lub 50 przedstawionego na fig. 4, 5 i 6 jako przerzutnik. Pojemności C1 i C2 są pojemnościami częściowymi czujnika, a R jest wysokoomowym rezystorem dołączonym do napięcia roboczego.

Napięcie pomiarowe odbierane z układu oscylacyjnego działa także na zasadzie sprzężenia zwrotnego poprzez różne obwody na wejście synchronizacji elementu bistabilnego w celu uzyskania na wyjściu 13 układu impulsu reprezentującego napięcie pomiarowe.

Układy z fig. 4, 5 i 6 kompensują samodzielnie wpływy temperatury. Na przykład temperatura ma wpływ na wartości progowe przełączania elementów bistabilnych, co ma niekorzystny wpływ na dokładność pomiarów. Układy te mają tylko jedną istotną dla wyniku pomiarów wartość progową przełączania tego samego elementu. Sygnał czujnika jest podawany naprzemiennie na wejście przełączające. Wówczas gdy zmienia się wraz z temperaturą wartość progowa przełączania, oddziałuje to w równym stopniu na oba sygnały układów oscylacyjnych RC1 i RC2. W praktycznych zastosowaniach częstotliwość przełączania jest tak duża, że zmiany wartości progowej występujące podczas cyklu pomiarowego, nie mają praktycznie znaczenia. Dlatego układy te odznaczają się szczególnie korzystnymi charakterystykami temperaturowymi.

Pojemnościowy różnicowy czujnik pomiarowy 1 z fig. 3 jest na przykład czujnikiem przyspieszenia, łatwym do scalenia z innymi elementami.

Chociaż układ według wynalazku przewidziany jest do współpracy z czujnikami o bardzo małej pojemności rzędu 10 pF, to nie ma ograniczeń w zastosowaniu opisanego rozwiązania i można go wykorzystywać na przykład do pomiaru ciśnienia lub siły. Elektroda środkowa 4 między dwiema elektrodami 2 i 3 jest na przykład obrotowa i różne części jej powierzchni pokrywają się z powierzchniami stałych elektrod 2 i 3 albo jest oscylacyjnym elementem giętkim, membranowym lub płytkowym.

170 773

170 773

FIG. 3

170 773

170 773

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ czujnika pomiarowego, zwłaszcza czujnika przyspieszenia, zawierający pojemnościowy, różnicowy czujnik pomiarowy o małej pojemności, znamienny tym, że zawiera dwa sprzężone ze sobą układy oscylacyjne RC, z których każdy zawiera kondensator częściowy (5), (6) i rezystor (8), (9), przy czym każdy z układów oscylacyjnych RC jest włączony w pętli sprzężenia zwrotnego drugiego układu oscylacyjnego RC i pojemność układów oscylacyjnych RC jest utworzona każdorazowo przez jeden z dwóch kondensatorów częściowych (5), (6) pojemnościowego, różnicowego czujnika pomiarowego (1), każdy układ oscylacyjny RC jest połączony z drugim układem oscylacyjnym RC poprzez detektor progowy (10), (11), korzystnie multiwibrator bistabilny, przy czym jeden z detektorów progowych jest odwracającym detektorem progowym (10) i do wyjść detektorów progowych (10) i (11) jest dołączony element logiczny (12) typu ALBO mający wyjście (13) logicznego dwuimpulsowego sygnału wyjściowego (14) odpowiadającego wielkości pomiarowej.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, ze detektory progowe (10), (11) stanowią przerzutniki Schmitta.
3. 3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że detektory progowe (10), (11) mają duże rezystancje wejściowe.