Способ измерения сопротивления и устройство для его реализации

Изобретение относится к области измерительной техники. Последовательно осуществляют три такта измерения периода колебаний, зависящего от значения измеряемого сопротивления при различной конфигурации частотно-зависимой цепи. В первом такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ1 - первое эталонное сопротивление. Во втором такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ2 - второе эталонное сопротивление. В третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где R_ЭТ3 - третье эталонное сопротивление. Искомое значение измеряемого сопротивления определяют по формуле Технический результат заключается в повышении точности измерения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к области измерения сопротивлений, и может быть использовано при измерении различных физических величин с помощью резистивных датчиков.

Наиболее близким является известный способ измерения сопротивлений, заключающийся в том, что измеряют величину периода колебаний, связанную с измеряемым сопротивлением R_x соотношением (первый тест), где Т₁ - период выходного сигнала генератора, a₀, а₁ - параметры преобразователя, далее измеряют величину периода (второй тест), где R_ЭТ - величина эталонного сопротивления, и, наконец, измеряют величину периода (третий тест), а значение измеряемого сопротивления определяют по формуле (Э.М.Бромберг, К.Л.Куликовский. «Тестовые методы повышения точности измерений». М., Энергия, 1978, 132 с.).

Недостатком известного способа является необходимость при его реализации использования идентичных измеряемых сопротивлений, что приводит к дополнительной погрешности измерения за счет неидентичности измеряемых сопротивлений, 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 сопротивлений является преобразователь сопротивления в частоту, содержащий генератор, выполненный на основе усилителя с обратной связью, частотно зависимая цепь которого собрана из конденсаторов и резисторов, причем в оба плеча включены идентичные схемы резисторов, каждая из которых состоит из двух идентичных измеряемых сопротивлений и одного эталонного сопротивления (Э.М.Бромберг, К.Л.Куликовский. «Тестовые методы повышения точности измерений». М., Энергия, 1978, 132 с.).

В частотно-зависимой цепи идентичные измеряемые сопротивления соединены между собой параллельно при помощи управляемых ключей, а эталонные сопротивления соединены последовательно с идентичными измеряемыми сопротивлениями через управляемые ключи. Питание генератора осуществляется через резистор и стабилитрон. Блок управления выполнен в виде двух реле, стабилитронов, диода и ключей питания. Обработка результатов измерений выполняется в арифметическом устройстве. Напряжение питания частотного преобразователя прикладывается к линии связи. Период выходного сигнала генератора определяется выражением , где R₁ и R₂ - значения сопротивлений резисторов частотно-зависимой цепи генератора. При идентичности значений сопротивлений R₁ и R₂, равных по значению измеряемому сопротивлению R_x, период выходного сигнала записывается в виде Т=a₁R_x+а₂. Точность измерения определяется параметрами а₁ и а₂ преобразователя. Измерение производится в три такта. В первом такте осуществляется определение периода выходного сигнала R₁=R₂=R_x. Во втором такте осуществляется определение периода выходного сигнала Т₂ при R₁=R₂=R_x+R_ЭТ, где R_ЭТ - эталонное сопротивление. В третьем такте осуществляется определение периода выходного сигнала Т₃ при . Значение искомой величины определяется по выражению .

Недостатком известного устройства является использование четырех идентичных измеряемых резисторов, являющееся источником дополнительных затрат на обеспечение требуемой идентичности при изготовлении устройства либо потери точности вследствие неидентичности измеряемых сопротивлений, а также в значительном количестве управляемых ключей.

Техническим результатом способа является повышение точности измерения за счет сокращения размеров области варьирования тестовых значений, приводящего к уменьшению нелинейной погрешности преобразования.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения сопротивлений последовательно осуществляют три такта измерения периода колебаний, зависящего от значения измеряемого сопротивления, при различной конфигурации частотно-зависимой цепи, причем в первом такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ1 - первое эталонное сопротивление, во втором такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ2 - второе эталонное сопротивление, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где R_ЭТ3 - третье эталонное сопротивление, а искомое значение измеряемого сопротивления определяют по формуле

Техническим результатом устройства является использование только одного измеряемого сопротивления, а также сокращение количества ключей, требуемого для реализации устройства.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения сопротивления содержит генератор с частотно-зависимой цепью, содержащую два плеча, преобразователь частоты в код и микропроцессорный контроллер, при этом резистивная часть одного плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением измеряемого сопротивления и цепи, образованной параллельным соединением третьего эталонного сопротивления и первого управляемого ключа, а резистивная часть другого плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением первого эталонного сопротивления и цепи, образованной параллельным соединением второго эталонного сопротивления и второго управляемого ключа.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предложенный способ.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Предполагается, что передаточная характеристика преобразователя в достаточно узком диапазоне изменения значений тестовых величин имеет линейный вид составляющей погрешности в этом диапазоне. Здесь a₀, а₁ - параметры преобразователя при небольшом диапазоне варьирования значений тестовых величин, a R₁, R₂ - значения сопротивлений резистивной части первого и второго плеча преобразователя соответственно. В процессе реализации предлагаемого способа в первом такте осуществляют измерение периода колебания, связанного с измеряемым сопротивлением соотношением во втором такте осуществляют измерение периода колебания, связанного с измеряемым сопротивлением соотношением и, наконец, в третьем такте осуществляют измерение периода колебания, связанного с измеряемым сопротивлением соотношением Из полученных соотношений образуют систему уравнений, в результате решения которой определяют значение измеряемого сопротивления. С учетом приведенных выражений значения разности длительностей второго и первого периодов и разности третьего и второго периодов равны соответственно

Поделив уравнение (2) на уравнение (1), получим

Уравнение (3) преобразуется к виду

Из уравнения (4) следует

, преобразуя которое, получаем

Из (5) вытекает выражение для определения значения измеряемой величины

Минимальное значение тестовой величины определяется выражением , максимальное значение равно Размер диапазона определяется выражением тестовых величин, которое указывает на зависимость величины диапазона от значений образцовых сопротивлений R_ЭТ1, R_ЭТ2 и R_ЭТ3, что принципиально нереализуемо в способе-прототипе. В частности, при R_ЭТ1>>R_ЭТ2 величина диапазона приближенно описывается выражением , то есть может быть отрегулирована выбором значений только двух образцовых сопротивлений R_ЭТ1 и R_ЭТ3, что упрощает процедуру установки величины диапазона, требуемой для обеспечения адекватности линейной модели.

Устройство для измерения сопротивления по чертежу содержит генератор 1 с частотно-зависимой цепью 2, содержащей два плеча, преобразователь частоты в код 3, микропроцессорный контроллер 4, причем резистивная часть одного плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением измеряемого сопротивления R_x 5 и цепи, образованной параллельным соединением третьего эталонного сопротивления R_ЭТ3 6 и первого управляемого ключа КЛ₁ 7, а резистивная часть другого плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением первого эталонного сопротивления R_ЭТ1 8 и цепи, образованной параллельным соединением второго эталонного сопротивления R_ЭТ2 9 и второго управляемого ключа КЛ₂ 10.

Устройство работает следующим образом. В первом такте измерения микропроцессорный контроллер 4 замыкает ключи КЛ₁ 7 и КЛ₂ 10, формируя первое плечо, состоящее из измеряемого сопротивления R_x 5, и второе плечо, состоящее из второго эталонного сопротивления R_ЭТ1 8. Генератор формирует колебания, период которых описывается выражением где a₀, а₁ - параметры преобразователя. Значение частоты колебаний выходного сигнала генератора преобразуют в цифровой код и подают на вход микропроцессорного контроллера (МПК) 4, где запоминают. В результате первого измерения в МПК 4 фиксируют число М, связанное с измеряемой величиной R_x зависимостью Во втором такте измерения МПК 4 размыкает ключ КЛ₂ 10, тем самым формируя второе плечо частотно-зависимой цепи генератора, образованное из последовательно соединенных первого R_ЭТ1 8 и второго R_ЭТ2 9 эталонных сопротивлений. Генератор формирует колебания, период которых описывается выражением . Значение частоты колебаний выходного сигнала генератора преобразуют в цифровой код и подают на вход микропроцессорного контроллера (МПК) 4, где запоминают. В результате второго измерения в МПК 4 фиксируют число N₂, связанное с измеряемой величиной R_x зависимостью . В третьем такте измерения МПК 4 размыкает ключ КЛ₁ 7, тем самым формируя первое плечо частотно-зависимой цепи генератора, образованное последовательным соединением измеряемого R_х 5 и третьего эталонного R_ЭТ3 6 сопротивлений. Генератор формирует колебания, период которых описывается выражением . Значение частоты колебаний выходного сигнала генератора преобразуют в цифровой код и подают на вход микропроцессорного контроллера (МПК) 4, где запоминают. В результате третьего измерения в МПК 4 фиксируют число N₃, связанное с измеряемой величиной R_x зависимостью . После окончания третьего такта измерения в ПМК 4 определяют значение измеряемой величины по формуле

Предлагаемый способ обладает следующим преимуществом по сравнению с известным способом: он позволяет путем выбора значений образцовых сопротивлений регулировать диапазон измерения тестовых величин. В частности, величина диапазона при выполнении соотношения R_ЭТ1>>R_ЭТ2 может быть уменьшена путем установления требуемых значений только двух эталонных сопротивлений R_ЭТ1, R_ЭТ2. 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.

Предлагаемое устройство следующими преимуществами по сравнению с известным устройством: в нем исключена необходимость использования идентичных измеряемых сопротивлений, так как достаточно только одного измеряемого сопротивления, а также количество ключей сокращено с четырех до двух.

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

1. Способ измерения сопротивлений, при котором последовательно осуществляют три такта измерения периода колебаний, зависящего от значения измеряемого сопротивления, при различной конфигурации частотно-зависимой цепи, причем в первом такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ1 - первое эталонное сопротивление, во втором такте формируют измеряемую величину , где R_ЭТ2 - второе эталонное сопротивление, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину где R_ЭТ3 - третье эталонное сопротивление, а искомое значение измеряемого сопротивления определяют по формуле

2. Измерительный преобразователь, содержащий генератор с частотно-зависимой цепью, содержащей два плеча, преобразователь частоты в код и микропроцессорный контроллер, при этом резистивная часть одного плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением измеряемого сопротивления и цепи, образованной параллельным соединением третьего эталонного сопротивления и первого управляемого ключа, а резистивная часть другого плеча частотно-зависимой цепи образована последовательным соединением первого эталонного сопротивления и цепи, образованной параллельным соединением второго эталонного сопротивления и второго управляемого ключа.