Изобретение относится к области контрольно-измерительного оборудования и предназначено для измерения, мониторинга и сигнализации о выходе из заданного диапазона физических величин (например, давления, температуры, влажности).

Изобретение может быть использовано в различных областях техники и промышленности. Например, для мониторинга и предупреждения о снижении или разности давлений в пневматических шинах транспортного средства, определения места проникновения в трубопровод влаги, возникновения повреждений или дефектов полиэтиленовой оболочки, сварных и стыковых соединений. А также для измерения других физических величин. Датчик имеет простую конструкцию - состоит из емкости и индуктивности, параметры одной из которых или обеих зависят от одной или от нескольких измеряемых физических величин.

Ввиду широкой области применения изобретения, анализ аналогов и его описание приводится на примере широко распространенной системы - системы дистанционного контроля давления в шинах автомобильных колес (TirePressureMonitoringSystem - TPMS).

Из уровня техники в области оперативного дистанционного контроля давления в автомобильных шинах известна система (п. РФ - 25760, опубл. 10.08.201 1), направленная на использование миниатюрных электронных элементов в стандартных конструкционных решениях: первичный датчик, монтируемый в колесе и дисплейный пульт. Такой датчик состоит из: датчика давления и датчика температуры, аналого- цифровых преобразователей (АДП), микропроцессора приёмо-передающего устройства (мини приемо-передатчик). Используется одно- или двунаправленный канал связи с модуляцией и кодированием. Питание первичного датчика осуществляется от элемента питания, как правило, это литиевая одноразовая батарейка. Работают данные системы следующим образом: давление и температура в шинах автомобильных колес измеряется чувствительными элементами и после оцифровки и формирования информационного пакета микропроцессорным контроллером посредством приемо-передающего устройства, встроенного в датчик, информация по радиоканалу передается на дисплейный пульт в автомобиле. Дисплейный пульт также снабжен приемо-передающей радиоаппаратурой и микропроцессорным контроллером для обработки принятых от датчиков сигналов, вычисления и отображения на дисплее измеренных значений давления каждого колеса. По похожей схеме, например, устроена система Parkmaster TPMS-4-05 - прямая встраиваемая система контроля давления в шинах 3-го поколения (TPMS).

Недостаток описанного аналога заключается в сложности конструкции самого датчика, представляющего собой сложную электронную схему, в которую входят описанные выше электронные компоненты, что значительно увеличивает стоимость и вес датчика, а также снижает надежность его работы. Кроме того, для работы датчика необходим элемент питания (батарея), расположенный непосредственно в датчике. Батарея имеет ограниченный ресурс работы, особенно при низкой температуре (в зимнее время), и монтируется в датчик как неразборный элемент. После выработки ресурса батареи требуется замена датчика целиком. В случае использования датчиков, расположенных внутри шин, дополнительно требуется разборка колес.

В отличие от этого аналога, предлагаемая система:

1) имеет очень простую конструкцию датчика, который состоит только из двух элементов электроники - индуктивности и переменного конденсатора и не содержит ни элемента питания, ни аналого-цифрового преобразователя, ни микропроцессора, ни специально выделенного передатчика;

2) имеет датчик, который обладает значительно меньшими массой и стоимостью, повышенной механической и температурной устойчивостью;

3) имеет другой принцип дистанционной передачи информации - о давлении судят по изменению параметров электромагнитного поля, возникающему при совпадении излучаемой частоты с резонансной частотой колебательного контура датчика. В свою очередь, резонансная частота колебательного контура через переменную емкость и/или индуктивность зависит от измеряемой физической величины. В случае измерения давления в автомобильных шинах может использоваться переменная емкость, как описано ниже. Таким образом, не применяются ни модуляция, ни кодирование сигнала, ни элемент питания на датчике.

Известна система мониторинга в шинах без источника питания (п . США •Νι.200601 97655 , 07.09.2006). Данное устройство использует поглощение и накопление энергии СВЧ электромагнитного поля в датчике, далее использует эту энергию для питания схемы измерения, преобразования, обработки и кодированной передачи. Кроме схемы питания, система аналогична рассмотренному выше аналогу.

Известен индикатор давления (п. ЕПВ 1 1043577, В60С23/00, опубл. 1 1.10.2000). В данном аналоге чувствительный элемент, емкость, включена в RC цепочку (резистивно- емкостную цепь), которая, в свою очередь, включена в электрическую цепь генератора колебаний. Изменение давления приводит к изменению емкости, что, в свою очередь, приводит к изменению частоты колебаний генератора. Далее переменный сигнал с генератора колебаний поступает на микропроцессор, который измеряет частоту колебаний, кодирует сигнал и посылает через радиопередатчик на радиоприемное устройство, располагающееся рядом с колесом. В этой системе чувствительный элемент - емкость, как и в аналогах, рассмотренных выше, имеет гальваническую связь с микропроцессором, также присутствуют кодирование сигнала и элемент питания на датчике.

Отличие предлагаемой системы от данного аналога заключается в том, что емкость и индуктивность в аналоге не являются элементами генератора, но образуют пассивный колебательный контур, который находится в электромагнитном поле, генерируемым внешним излучателем, также не используется гальваническая связь между таким пассивным колебательным контуром и другими элементами системы.

Известен способ радиочастотной идентификации (RFID, п. US20080218352), заключающийся в определении наличия контура с заранее известной фиксированной резонансной частотой методом генерации электромагнитного поля и определением параметров такого поля. Недостатком является то, что частота контура фиксирована и не зависит от физических величин, и соответственно не позволяет организовать измерение таких величин.

Известно устройство сигнализации о снижении давления в шине автомобиля (п. РФ >2149105, В60С23/02, опубл. 20.05.2000), содержащее колебательный контур, устанавливаемый на колесе транспортного средства, шунтируемый переключателем в случае чрезмерного снижения давления и связанный индуктивно с катушкой связи, расположенной на корпусе транспортного средства. Катушка через усилитель тока соединена с генератором, а через компаратор - с одним из входов логического фазового детектора, другой вход которого подключен к выходу генератора. Указанный детектор выявляет изменение фазы сигнала на катушке при шунтировании колебательного контура и включает сигнализатор.

Недостатками данного устройства являются дискретное измерение, наличие низконадежных механических частей (реле), не наблюдаемость датчика в случае выхода из строя (ошибка второго рода). Такой датчик регистрирует только наличие резонанса при шунтировании индуктивности емкостью (замыкание контура контактами реле). Фактически устройство проводит не аналоговое измерение, а дискретную регистрацию порогового значения. Другими словами, это решение позволяет только отслеживать критический предел снижения давления (по принципу "да - нет"). В отличие от этого аналога, предлагаемая система проводит аналоговое измерение в широком диапазоне изменения давления с высокой точностью (соизмеримой с проводными аналоговыми системами измерения), контролирует работоспособность датчика и системы связи, а также не содержит подвижных частей, таких как реле.

В качестве прототипа выбрано устройство для контроля давления в шинах автомобиля (п. РФ Jfs 94028846, В60С23/04, опубл. 27.08.1996), содержащее приемопередатчик, снабженный индуктивностью, посредством которой возбуждается перестраиваемый резонансный контур, установленный на ободе колеса. В состав контура входят индуктивность, контакты реле давления и две емкости. Параллельно индуктивности резонансного контура, которая может быть выполнена единой или разбитой на две секции, постоянно подключена диагностическая емкость. Чувствительным элементом тут также является механическое реле.

Данный прототип, в отличие от рассмотренного выше аналога (п. РФ Ν°2149105), дополнен контрольной емкостью, что позволяет определять ошибку второго рода, т.е. позволяет диагностировать полный отказ датчика или приемо-передающей системы.

Недостатки данного прототипа аналогичны недостаткам предыдущего устройства, за исключением определения ошибки второго рода. В качестве чувствительного элемента также используется реле. Авторами дополнительно предложена возможность увеличения количества переключаемых контактов реле и количества постоянных емкостей, подключаемых к контуру, что приводило бы к изменению резонансной частоты контура ступенями. Однако такое решение усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность, добротность и дальность действия, не решая при этом задачу аналогового измерения.

В отличие от прототипа предлагаемая система дистанционного измерения физических величин имеет простую и надежную конструкцию, проводит аналоговое измерение в широком диапазоне изменения физической величины с достаточно высокой точностью, может иметь повышенную устойчивость к агрессивным механическим, температурным и другим воздействиям, а также не содержит механических частей. Чувствительным элементом является изменяемая емкость и/или индуктивность.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание простых, надежных и точных системы и способа дистанционного контроля и измерения физических величин, как минимум, следующих: давление, температура, влажность, позволяющих удаленно проводить непрерывное аналоговое измерение. В частности, предлагаемая система позволяет улучшить точность измерения давления в автомобильных шинах по сравнению с аналогами, использующими реле, а также упростить конструкцию, существенно снизить стоимость, повысить надежность и срок службы датчиков по сравнению с аналогами, использующими микропроцессорный датчик.

Технический результат достигается следующими устройством и способом: система дистанционного измерения и контроля физических величин содержит, по крайней мере, один датчик, представляющий собой пассивный колебательный контур, состоящий из индуктивности и подключенной параллельно ей емкости. Величина емкости и/или индуктивности имеют возможность изменяться в зависимости от измеряемых физических величин, изменяя, таким образом, резонансную частоту датчика. Система также содержит генератор электромагнитного поля на колебательный контур, параметрический детектор резонанса и блок управления и обработки сигналов. Индуктивность и емкость контура выполнены таким образом, чтобы резонансная частота датчика соответствовала выбранному диапазону работы системы. Емкость имеет возможность меняться за счет изменения межэлектродного пространства и/или за счет изменения свойств диэлектрика от измеряемой физической величины. В качестве емкости может быть использован переменный конденсатор, состоящий из пластин из токопроводящего материала, разделенных воздушным пространством или другим упруго-пластичным диэлектрическим материалом, а так же материалом с диэлектрической проводимостью, зависящей от измеряемой физической величины. Индуктивность может изменяться за счет изменения формы проводника, составляющего индуктивность и/или за счет изменения свойств материала, находящегося в непосредственной близости такого проводника. В качестве связи с датчиком может быть использовано электромагнитное поле и приемо-передающий контур, гальванически связанный с генератором электромагнитного поля и параметрическим детектором. Также в качестве связи с датчиком могут быть использованы два контура, один из которых приемный, другой - передающий или произвольная комбинация нескольких таких приемных, передающих и приемо- передающих контуров.

Способ дистанционного измерения и контроля физических величин, заключающийся в определении значения измеряемой физической величины по значению резонансной частоты датчика, зависящей от измеряемой физической величины. Резонансную частоту датчика определяют путем создания в зоне нахождения датчика переменного электромагнитного поля с помощью генератора. Частоту такого поля изменяют путем изменения частоты генератора в заданном диапазоне, при этом с помощью параметрического детектора, фиксирующего изменение амплитудно-фазовых характеристик электромагнитного поля, определяют совпадение частот электромагнитного поля генератора с резонансной частотой датчика, которая соответствует значению измеряемой физической величины.

Измерения могут проводиться удаленно (без использования гальванической связи), в частности, датчики могут находиться внутри подвижного объекта, на объекте или в непосредственной близости от него. Также возможно аналогичное использование системы с неподвижными объектами. Например, для контроля давления и температуры через стенку бака.

Система отличается отсутствием в конструкции датчика элементов питания, аналого-цифрового преобразования, микропроцессора или иной обработки сигнала, кодирования и модуляции. Основные конструктивные элементы датчика - емкость и индуктивность, включены параллельно, из которых одна или обе вместе являются чувствительными элементами и непрерывно изменяются при изменении измеряемых физических величин, что позволяет проводить аналоговое измерение. Допускается комбинация нескольких чувствительных элементов в датчике и/или нескольких датчиков, в частности, для компенсации или совместного измерения нескольких физических величин. Например, для измерения давления в автомобильных шинах с учетом температурной компенсации. В отличие от аналогов устройство получается очень простым и позволяет вести непрерывный мониторинг значений физических величин.

Сущность изобретения поясняется фигурой (фиг. 1), на которой изображен один из вариантов схемы системы дистанционного измерения и контроля физических величин.

Основными составными частями системы дистанционного измерения и контроля физических величин являются датчик 1, приёмопередающий контур 2, генератор электромагнитного поля 3 и параметрический детектор 4 , блок управления и обработки сигналов 5. Генератор 3 и детектор 4 могут использовать общий приемопередающий контур, выполненный в виде индуктивности L2, и/или быть совмещены, либо использовать несколько самостоятельных контуров, каждый из которых может быть приемным, или передающим или приемо-передающим. На фиг. 1 показан вариант схемы, когда генератор 3 и детектор 4 используют общий приемопередающий контур L2.

Датчик 1, представляет собой пассивный колебательный контур, состоящий из индуктивности L1 и конденсатора С1, которые подбирают таким образом, чтобы резонансная частота датчика 1 соответствовала выбранному диапазону работы системы, при этом емкость, и/или индуктивность, могут иметь возможность изменяться в зависимости от измеряемой физической величины.

Вариантами исполнения датчика могут быть: датчик, где индуктивность выполнена аналогично датчикам RFID меток, в частности наклеиваемый датчик (датчик-стикер) на гибком основании, или датчик с индуктивностью, выполненной по периметру шины, или микродатчик, или датчик увеличенной площади (например, для увеличения дальности), или датчик с индуктивностью активной в двух или в трех измерениях. Возможны другие варианты исполнения индуктивности, емкости и датчика в целом, позволяющие вести измерения указанным способом.

В частности, при использовании системы для дистанционного контроля давления в шинах автомобильных колес может применяться емкость с упругим диэлектриком и подвижной пластиной. При воздействии давления воздуха, подвижная пластина придвигается к неподвижной пластине, в результате чего емкость переменного конденсатора С1 увеличивается. При уменьшении давления, за счет собственной упругости и/или упругости разделяющего пластины диэлектрика, пластина отодвигается от неподвижной пластины и емкость уменьшается. Таким образом, резонансная частота датчика 1 непрерывно зависит от изменения электрической емкости переменного конденсатора С1, которая в свою очередь непрерывно зависит от давления воздуха, воздействующего на датчик 1. Таким образом, мы получили возможность непрерывного аналогового изменения резонансной частоты датчика 1 от давления и/или других физических величин.

Для измерения влажности в емкости С1 датчика 1 может использоваться межэлектродный материал, диэлектрическая проводимость и/или размер, которого, зависят от влажности, что аналогично приводит к изменению емкости конденсатора и, как следствие, изменению резонансной частоты колебательного контура датчика и позволяет вести измерения влажности предлагаемым способом.

Для измерения температуры в качестве межэлектродного материала емкости С1 датчика 1 может использоваться материал с достаточным коэффициентом температурного расширения, например полиэтилен. При воздействии на такой конденсатор температуры, межэлектродный материал расширяется и емкость конденсатора изменяется, поскольку меняется расстояние между пластинами, что также приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура датчика 1 и позволяет вести измерение температуры предлагаемым способом.

Для измерения температуры также может использоваться и индуктивность L1 датчика 1, которая имеет возможность изменяться в зависимости от температуры за счет изменения формы проводника, составляющего индуктивность и/или за счет изменения свойств материала, находящегося в непосредственной близости такого проводника, что также позволяет вести измерение температуры описанным способом. Аналогично могут использоваться другие принципы зависимости емкости С1 и/или индуктивности L1 и, соответственно, резонансной частоты колебательного контура датчика 1 от измеряемой физической величины. Таким образом, у пассивного колебательного контура, используемого в датчике, появляется новое, ранее не известное свойство, а именно - зависимость резонансной частоты колебательного контура от различных физических параметров как минимум, следующих: давление, температура, влажность.

При использовании системы для контроля давления в автомобильных шинах приемный контур L2 может состоять из нескольких витков токопроводящего материала (может быть выполнен, например, в виде гибкого элемента, закрепленного под крылом кузова автомобиля).

При измерении давления в шине такой системой генератор электромагнитного поля 3 и приемопередающий контур 2 воздействуют электромагнитным полем на колебательный контур датчика 1, находящийся в зоне действия такого поля, при этом частота непрерывно или ступенями или по иному алгоритму изменяется в заданном диапазоне, соответствующем диапазону измерения давления - производится сканирование. При этом одна из частот данного частотного диапазона совпадает (находится достаточно близко для обнаружения резонанса) с резонансной частотой колебательного контура датчика 1. В результате происходит поглощение и переизлучение энергии наведенного электромагнитного поля колебательным контуром датчика 1. Это приводит к изменению амплитудно-фазовой характеристики электромагнитного поля, которое воспринимается приемо-передающим контуром 2, определяется параметрическим детектором 4, и фиксируется блоком управления и обработки сигналов 5 как отклик датчика 1 на данной частоте. Электронный блок управления и обработки сигналов 5 располагается внутри автомобиля. По значению обнаруженной резонансной частоты контура датчика 1 судят о давлении в шине.

Реализация предлагаемой системы может быть различной:

- переменное электромагнитное поле генерируется устройством, посредством двух взаимосвязанных электромагнитных контуров одинаковой резонансной частоты (по принципу металлоискателей), один из которых используется для регистрации датчика- контура и является внешним по отношению к датчику-контуру, а другой - опорный.Изначально контуры настроены на одну и ту же резонансную частоту и работают синфазно. Однако, если в поле измерительного контура находится датчик, представляющий собой пассивный колебательный контур, то он, за счёт наличия собственной резонансной частоты, приводит к изменению резонансной частоты внешнего контура, которое через специальную электрическую схему, представляющую собой компаратор, приводит к появлению на выходе устройства биения. Частота биения изменяется с изменением резонансной частоты датчика и является параметром, по которому определяют давление, воздействующее на датчик (давление внутри автомобильной шины).

- посредством одного приемо-передающего контура 2 (может представлять собой от одного до нескольких витков провода в зависимости от частоты генерирования) и подключенного к нему генератора электромагнитного поля 3. Измерение производится путем регистрации изменения амплитудно-фазовых характеристик генерируемого электромагнитного поля при совпадении частоты с резонансной частотой колебательного контура 3 и датчика 1 , находящегося в таком электромагнитном поле и воспринимаемым контуром 2. Таким образом, в данном методе измерения используется один излучающий контур, который, в то же время, используется и как приемный контур. Для регистрации амплитудно-фазовых характеристик используется метод прямого детектирования напряжения сигнала на контуре 2;

- в вышеописанной системе вместо одного приемо-передающего контура могут использоваться два контура, один из которых используется для создания электромагнитного поля, а другой - для регистрации электромагнитного излучения датчика 1. Может использоваться произвольная комбинация таких передающих, принимающих, или приемопередающих контуров, в том числе, в целях повышения точности, дальности, снижения энергозатрат, работы с датчиками в различной ориентации;

- также могут использоваться и другие способы определения резонансной частоты такого контура датчика 1 с помощью внешнего электромагнитного излучения;

- могут использоваться различные частотные диапазоны электромагнитного поля, формы сигнала и алгоритмы сканирования, известные из уровня техники.

Благодаря тому, что чувствительный элемент датчика давления 1 является также и элементом самого колебательного контура, то конструкция датчика получается простой, содержит минимум элементов (индуктивность и переменная емкость) и при этом для работы датчика нет необходимости использовать элементы питания на самом датчике, в отличие от рассмотренных аналогов и прототипа. Датчик может размещаться в колпачке, навинчивающемся вместо обычных колпачков на колеса, или изготавливаться путем напыления индуктивности и переменной емкости на гибком основании, например, самоклеющейся полимерной пленки аналогично использующейся в противокражных системах в супермаркетах (т.н. RFID-метки), и наклеиваться на внутреннюю поверхность шины или изготавливаться в виде контура по периметру колеса. Также могут быть использованы и другие конструкции датчика, позволяющие реализовать описанный способ измерения. Возможна комбинация нескольких чувствительных элементов в одном датчике и/или совместное использование нескольких таких датчиков.

Блок управлении и обработки сигналов 5, дополнительно к описанным выше, может выполнять функции представления текущего значения измеряемой физической величины, хранения исторических значений и сигнализации о достижении предельньк значений, как для человека, так и в виде информационного интерфейса для других устройств.