способ измерения сопротивлений, индуктивностей и емкостей и устройства для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения сопротивлений, индуктивностей и емкостей, характеризующийся тем, что последовательно осуществляют три такта измерения частоты колебаний, зависящего от значения измеряемого пассивного электрического элемента, при различной конфигурации частотно-зависимой цепи, причем в первом такте формируют измеряемую величину , где Z_эт1 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, во втором такте формируют измеряемую величину , где Z_эт2 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Z_эт3 - третий эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, а искомое значение измеряемого электрического элемента определяют по формуле



где N₁, N₂, N₃ - результаты первого второго и третьего тактов преобразования соответственно.

2. Устройство для измерения сопротивлений или индуктивностей, характеризующееся тем, что содержит входное устройство, снабженное аналоговым преобразователем, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока, преобразователь частоты в цифровой код и микропроцессорный контроллер, причем аналоговый преобразователь выполнен в виде соединенных параллельно измеряемого сопротивления или индуктивности и цепи, образованной последовательным соединением первого эталонного сопротивления или индуктивности и цепи, образованной параллельным соединением двух цепей, первая из которых состоит из последовательно связанных второго эталонного сопротивления или индуктивности и первого управляемого ключа, а вторая состоит из последовательно связанных третьего эталонного сопротивления или индуктивности, неидентичного второму эталонному сопротивлению или индуктивности, и второго управляемого ключа, при этом выводы аналогового преобразователя подключены к входу преобразователя параметра в частоту.

3. Устройство для измерения емкостей, характеризующееся тем, что содержит входное устройство, снабженное аналоговым преобразователем, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока, преобразователь частоты в цифровой код и микропроцессорный контроллер, причем аналоговый преобразователь выполнен в виде соединенных последовательно измеряемой емкости и цепи, образованной параллельным соединением первой эталонной емкости и цепи, образованной последовательным соединением второй и третьей эталонных емкостей, при этом параллельно второй эталонной емкости подключен первый управляемый ключ, а параллельно третьей эталонной емкости подключен второй управляемый ключ, выводы аналогового преобразователя подключены к входу преобразователя параметра в частоту.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области измерительной техники, а более конкретно к области измерения сопротивлений, индуктивностей и емкостей, и может быть использована при измерении различных физических величин с помощью резистивных, индуктивных и емкостных датчиков.

Известен способ измерения сопротивлений, индуктивностей и емкостей, заключающийся в том, что осуществляют преобразование сопротивления, индуктивности или емкости в частоту и по значению частоты определяют значение измеряемого сопротивления, индуктивности или емкости (Орнатский П.П., Скрипник Ю.А., Туз Ю.М. Развитие структур измерительных устройств. В сб.: Информационно-измерительные системы, изд. Киевского государственного университета, 194, 152 с.).

Недостатком известного способа является погрешность измерения, связанная с наличием аддитивной и мультипликативной погрешностей преобразования.

Наиболее близким является известный способ измерения сопротивления, индуктивности или емкости, заключающийся в том, что осуществляют три такта преобразования сопротивления, индуктивности или емкости в частоту и далее в код, в первом из которых измеряют частоту, связанную с величиной измеряемого сопротивления, индуктивности или емкости Z_x соотношением N₁=a₁ Z_X+a₀(первый такт), где N₁ - частота выходного сигнала преобразователя, a₀, a ₁, - параметры преобразователя, далее измеряют частоту N₁=a₁(Z_x+Z_ЭТ1)+a ₀ (второй такт), где Z_ЭТ1 - величина первого эталонного сопротивления, индуктивности или емкости, однородного с измеряемой величиной, далее измеряют частоту (третий такт), где Z_ЭТ2 - величина второго эталонного сопротивления, индуктивности или емкости, однородного с измеряемой величиной, и, наконец, измеряют частоту (четвертый такт), а значение измеряемого сопротивления, индуктивности или емкости определяют по формуле (Э.М.Бромберг, К.Л.Куликовский. Тестовые методы повышения точности измерений., М.: Энергия, 1978 г., 137 с.).

Недостатками известного способа являются избыточное количество тестовых измерений по сравнению с теоретически минимальным количеством тестовых измерений, равным трем, что приводит к увеличению времени измерения и росту влияния динамических погрешностей измерения, а также нерегулируемость диапазона измеряемых значений, что приводит к погрешности линейной аппроксимации функции преобразования устройства, предполагаемой при использовании способа, и необходимости в связи с этим учета нелинейной составляющей погрешности для обеспечения требуемой точности измерения в широком диапазоне значений измеряемого сопротивления.

Наиболее близким известным устройством для измерения сопротивления или индуктивности является преобразователь сопротивления и индуктивности в частоту, который содержит один измеряемый пассивный электрический элемент (соответственно, сопротивление, индуктивность или емкость), два эталонных пассивных электрических элемента, однородных с измеряемым элементом, три управляемых электронных ключа, преобразователь параметра в частоту, блок управления и арифметический блок, на выходе которого формируется искомый код (Э.М.Бромберг, К.Л.Куликовский. Тестовые методы повышения точности измерений., М.: Энергия, 1978 г., 137 с., прототип).

В частотно-зависимой цепи устройства для измерения сопротивления или индуктивности и подключаемой на вход преобразователя параметра в частоту один конец измеряемого электрического элемента соединен с первым входом преобразователя параметра в частоту и с первым концом второго эталонного электрического элемента, другой конец которого через первый управляемый ключ соединен с первым концом первого эталонного электрического элемента и через второй управляемый ключ подсоединен ко второму входу преобразователя параметра в частоту, а второй конец первого эталонного электрического элемента соединен со вторым концом измеряемого электрического элемента и через третий управляемый ключ подсоединен ко второму входу преобразователя параметра в частоту.

Недостатком известного устройства для измерения сопротивления или индуктивности является избыточное количество управляемых ключей и зависимость диапазона варьирования тестовых величин от значения измеряемой величины.

Наиболее близким известным устройством для измерения емкости является преобразователь емкости в частоту, каждый из которых содержит один измеряемый пассивный электрический элемент (соответственно, сопротивление, индуктивность или емкость), два эталонных пассивных электрических элемента, однородных с измеряемым элементом, три управляемых электронных ключа, преобразователь параметра в частоту, блок управления и арифметический блок, на выходе которого формируется искомый код (Э.М.Бромберг, К.Л.Куликовский. Тестовые методы повышения точности измерений., М.: Энергия, 1978 г., 137 с., прототип).

В частотно-зависимой цепи устройства для измерения емкости и подключаемой на вход преобразователя параметра в частоту первый конец измеряемой емкости соединен с первым входом преобразователя параметра в частоту и через первый управляемый ключ с первым концом первой эталонной емкости, второй конец которой соединен со вторым концом измеряемой емкости, с первым концом второй эталонной емкости и через второй управляемый ключ соединен со вторым входом преобразователя в частоту, при этом второй конец второй эталонной емкости соединен с вторым входом преобразователя параметра в частоту и через третий управляемый ключ соединен с первым концом первой эталонной емкости.

Недостатками известного устройства для измерения емкости являются избыточное количество управляемых ключей и зависимость диапазона варьирования тестовых величин от значения измеряемой величины.

Техническим результатом способа является повышение точности измерения за счет сокращения размеров области варьирования тестовых значений, регулируемое путем выбора значений первого и второго эталонных элементов, что приводит к уменьшению нелинейной погрешности преобразования, а также за счет сокращения количества тактов измерения, требуемых для определения значения измеряемой величины.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения сопротивления, индуктивности и емкости последовательно осуществляют три такта измерения частоты колебаний, зависящего от значения измеряемого пассивного электрического элемента, при различной конфигурации частотно-зависимой цепи, причем в первом такте формируют измеряемую величину , где Z_эт1 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, во втором такте формируют измеряемую величину , где Z_эт2 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Z_эт3 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, а искомое значение измеряемого электрического элемента определяют по формуле где N₁, N₂, N₃ - результаты первого, второго и третьего тактов преобразования соответственно.

Техническим результатом устройства для измерения сопротивления или индуктивности является сокращение количества ключей, требуемого для реализации устройства, и обеспечение возможности регулирования разброса значений измеряемых в трех тактах величин.

Технический результат в устройстве для измерения сопротивления или индуктивности достигается тем, что измерительный преобразователь, предназначенный для измерения сопротивлений или индуктивностей, содержит входное устройство, снабженное аналоговым преобразователем, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока, преобразователь частоты в цифровой код и микропроцессорный контроллер, причем аналоговый преобразователь выполнен в виде соединенных параллельно измеряемого сопротивления или индуктивности и цепи, образованной последовательным соединением первого эталонного сопротивления или индуктивности и цепи, образованной параллельным соединением двух цепей, первая из которых состоит из последовательно связанных второго эталонного сопротивления или индуктивности и первого управляемого ключа, а вторая состоит из последовательно связанных третьего эталонного сопротивления или индуктивности, неидентичного второму эталонному сопротивлению или индуктивности, и второго управляемого ключа, а выводы аналогового преобразователя подключены к входу преобразователя параметра в частоту.

Технический результат в устройстве для измерения емкости достигается тем, что измерительный преобразователь, предназначенный для измерения емкостей, содержит входное устройство, снабженное аналоговым преобразователем, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока, преобразователь частоты в цифровой код и микропроцессорный контроллер, причем аналоговый преобразователь выполнен в виде соединенных последовательно измеряемой емкости и цепи, образованной параллельным соединением первой эталонной емкости, и цепи, образованной последовательным соединением второй и третьей эталонных емкостей, причем параллельно второй эталонной емкости подключен первый управляемый ключ, а параллельно третьей эталонной емкости подключен второй управляемый ключ, выводы аналогового преобразователя подключены к входу преобразователя параметра в частоту.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, реализующего предложенный способ и предназначенного для измерения сопротивлений или индуктивностей.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, реализующего предложенный способ и предназначенного для измерения емкостей.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Предполагается, что стабильная во времени передаточная характеристика устройства в достаточно узком диапазоне изменения значений тестовых величин имеет линейный вид N₁=a₁Z+a₀, допустимость которого основана на возможности пренебрежения значением нелинейной составляющей погрешности в малом диапазоне. Здесь Z - преобразуемая тестовая величина, a₀, a₁ - параметры преобразователя, при небольшом диапазоне варьирования значений тестовых величин. В процессе реализации предлагаемого способа в первом такте осуществляют измерение частоты переменного тока, связанной со значением измеряемой пассивной электрической величины соотношением где Z_X, Z_ЭТ1 - значения однородных измеряемой и первой эталонной пассивных электрических величин соответственно, и запоминают результат измерения. Во втором такте осуществляют измерение частоты переменного тока, связанной со значением измеряемой пассивной электрической величины соотношением где Z_ЭТ2 - значение второй эталонной пассивной электрической величины, однородной с измеряемой величиной, и запоминают результат измерения. В третьем такте осуществляют измерение частоты переменного тока, связанной со значением измеряемой пассивной электрической величины соотношением где Z_ЭТ3 - значение третьей эталонной пассивной электрической величины, однородной с измеряемой величиной, и также запоминают результат измерения. Из полученных соотношений образуют систему уравнений, в результате решения которой определяют значение измеряемого сопротивления. С учетом приведенных выражений значение разности результатов второго и первого тактов измерений равно

Поэтому при Z_эт2>Z _эт3>Z_эт1 диапазон изменения значений тестовых величин определяется соотношением его величина регулируется выбором значений эталонных пассивных электрических величин и при небольшом отличии в значениях эталонных величин может быть сделана достаточно малой, чтобы обеспечить требуемую точность линейной аппроксимации передаточной характеристики, требуемой для реализации способа. При малом значении второй эталонной величины Z_эт2 величина диапазона становится мало зависимой от значения измеряемой величины Z_x.

Устройство для измерения сопротивления или индуктивности по фиг.1 содержит входное устройство ВУ 1, снабженное аналоговым преобразователем АП 2, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока ППЧ 3, преобразователь частоты в цифровой код ПЧК 4 и микропроцессорный контроллер МПК 5, причем аналоговый преобразователь АП 1 выполнен в виде соединенных параллельно измеряемого сопротивления или индуктивности Z_x 6 и цепи, образованной последовательным соединением первого эталонного сопротивления или индуктивности Z_эт1 7, и цепи, образованной параллельным соединением двух цепей, первая из которых состоит из последовательно связанных второго эталонного сопротивления или индуктивности Z_эт2 8 и первого управляемого ключа КЛ₁ 9, а вторая состоит из последовательно связанных третьего эталонного сопротивления или индуктивности Z_эт3 10, неидентичного второму эталонному сопротивлению или индуктивности Z_эт2 8, и второго управляемого ключа КЛ₂ 11, а выводы аналогового преобразователя АП 2 подключены к входу преобразователя ППЧ 4.

Устройство работает следующим образом.

В первом такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 замыкает ключ КЛ₁ 9 и размыкает ключ КЛ₂ 11, подключая тем самым к входу преобразователя ППЧ 3 сопротивление или индуктивность Z_x 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Z_эт1 7 и Z_эт2 8. Преобразователь ППЧ 3 преобразует формируемую при данной конфигурации цепи АП 2 величину в частоту переменного тока, которая в свою очередь преобразуется в цифровой код преобразователем ПЧК 4. Результат первого измерения поступает в микропроцессорный контроллер 5, в котором фиксируется число N₁, связанное с измеряемой величиной Z_x 6 зависимостью где a₀, a₁ - параметры, характеризующие соответственно аддитивную и мультипликативную погрешности преобразования величины в код. Во втором такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 размыкает ключ КЛ₁ 9 и замыкает ключ КЛ ₂ 11, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 3 измеряемое сопротивление или индуктивность Z_x 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Z_эт1 7 и Z_эт3 10. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N₂, связанное с измеряемой величиной Z_x 6 зависимостью В третьем такте измерения микропроцессорный контроллер 5 замыкает ключи КЛ₁ 9 и КЛ₂ 11, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 3 измеряемое сопротивление или индуктивность Z_x 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонное сопротивление или индуктивность Z_эт1 7 и цепь, образованная параллельным соединением эталонных сопротивлений или индуктивностей Z_эт2 9 и Z_эт3 11. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N₃, связанное с измеряемой величиной Z_X зависимостью В соответствии с предлагаемым способом результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают значение измеряемой величины Z_X и параметры a₁, a₀ . Измеряемая величина определяется в микропроцессорном контроллере МПК 5 по формуле:

Выражение для определения значения измеряемой величины в устройстве следует из выражения (5) при величине эталонного сопротивления или индуктивности в первом такте измерения, равной Z_эт1+Z_эт2, во втором такте измерения - Z_эт1+Z_эт3 и в третьем такте измерения

Действительно, подставляя приведенные выражения в (5), получим

Значения всех коэффициентов формулы, используемой при определении измеряемой величины, задаются при изготовлении и настройке устройства. Условием реализуемости способа является неравенство значений эталонных сопротивлений или индуктивностей Z_эт2 и Z_эт3. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонного сопротивления или индуктивности Z_эт1 регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения сопротивлений или индуктивностей Z_эт2 и Z _эт3, много меньшие значения сопротивления Z_эт1 , регулируют размер области изменения сопротивлений или индуктивностей, подключаемых на вход ППЧ3.

Устройство для измерения емкости по фиг.2 содержит входное устройство ВУ 12, снабженное аналоговым преобразователем АП 13, преобразователь измеряемого параметра в частоту переменного тока ППЧ 14, преобразователь частоты в цифровой код ПЧК 15 и микропроцессорный контроллер МПК 16, причем аналоговый преобразователь АП 13 выполнен в виде соединенных последовательно измеряемой емкости С_x 17 и цепи, образованной параллельным соединением первой эталонной емкости С_эт1 18 и цепи, образованной последовательным соединением второй С_эт2 19 и третьей С_эт3 20 эталонных емкостей, причем параллельно второй эталонной емкости С_эт2 19 подключен первый управляемый ключ КЛ₁ 21, а параллельно третьей эталонной емкости С_эт3 20 подключен второй управляемый ключ КЛ₂ 21, выводы аналогового преобразователя АП 13 подключены к входу преобразователя ППЧ 14.

Устройство работает следующим образом.

В первом такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 замыкает ключ КЛ₂ 22 и размыкает ключ КЛ ₁ 21, подключая тем самым к входу преобразователя ППЧ 14 емкость С_х 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости С_эт1 18 и С_эт2 19. Преобразователь ППЧ 3 преобразует величину в частоту переменного тока, которая в свою очередь преобразуется в цифровой код преобразователем ПЧК 14. Результат первого измерения поступает в микропроцессорный контроллер МПК 16, в котором фиксируется число N₁, связанное с измеряемой величиной С_x зависимостью , где а₀, а₁ - параметры, характеризующие соответственно аддитивную и мультипликативную погрешности преобразования измеряемой величины в код. Во втором такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 16 размыкает ключ КЛ₂ 22 и замыкает ключ КЛ₁ 21, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 14 емкость С_x 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости С_эт1 18 и С_эт3 20. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N₂, связанное с измеряемой величиной С_x зависимостью . В третьем такте измерения

микропроцессорный контроллер МПК 16 размыкает ключи КЛ₁ 21 и КЛ ₂ 22, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 14 измеряемую емкость С_x 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонная емкость С_эт1 18 и цепь, образованная последовательным соединением эталонных емкостей С_эт2 19 и С_эт3 20. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 16 фиксируется число N₃, связанное с измеряемой величиной С_x зависимостью Результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают величина С_x и параметры а₀, а₁ . Значение измеряемой величины определяется в микропроцессорном арифметическом устройстве АУ 5 по формуле:

Значения всех коэффициентов формулы, используемой при определении измеряемой величины, задаются при изготовлении и настройке устройства. Условием реализуемости способа является неравенство значений эталонных емкостей С_эт2 и С_эт3. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонной емкости С_эт1 регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения емкостей С_эт2 и С_эт3 , много меньшие значения емкости С_эт1, регулируют размер области изменения емкостей, подключаемых на вход ППЧ 14.

В свою очередь, регулировка величины диапазона изменения тестовых значений позволяет обеспечить высокую степень линейности градуировочной характеристики в диапазоне изменения тестовых величин и за счет этого повысить точность измерения.

Предлагаемые устройства обладают следующими преимуществами по сравнению с известным устройством: количество ключей в них сокращено с трех до двух, а также конфигурация измерительной цепи позволяет обеспечить регулировку как расположения области варьирования тестовых значений, так и ее размера, при выборе оптимальных значений эталонных величин, слабо зависящего от значения измеряемой величины Z_x.

Способ и устройство объединены единым изобретательским замыслом, основанным на общем принципе выполнения последовательности измерений и общем принципе расчета значения измеряемой величины.