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

Группа изобретений относится к области измерительной техники. Последовательно осуществляют три такта измерения частоты колебаний при различной конфигурации частотно-зависимой цепи. Причем в первом такте формируют измеряемую величину , где Zэт1 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом. Во втором такте формируют измеряемую величину , где Zэт2 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом. В третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Zэт3 - третий эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом. Искомое значение измеряемого электрического элемента определяют по формуле где N1, N2, N3 - результаты первого, второго и третьего тактов преобразования соответственно. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

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 Zx соотношением N1=a1ZX+a0(первый такт), где N1 - частота выходного сигнала преобразователя, a0, a1, - параметры преобразователя, далее измеряют частоту N1=a1(Zx+ZЭТ1)+a0 (второй такт), где ZЭТ1 - величина первого эталонного сопротивления, индуктивности или емкости, однородного с измеряемой величиной, далее измеряют частоту (третий такт), где ZЭТ2 - 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 Zэт1 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, во втором такте формируют измеряемую величину , где Zэт2 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Zэт3 - 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 ZX, ZЭТ1 - 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 ZЭТ2 - 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 ZЭТ3 - 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 Zэт2>Zэт3>Zэт1 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 Zэт2 величина диапазона становится мало зависимой от значения измеряемой величины Zx.

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 Zx 6 и цепи, образованной последовательным соединением первого эталонного сопротивления или индуктивности Zэт1 7, и цепи, образованной параллельным соединением двух цепей, первая из которых состоит из последовательно связанных второго эталонного сопротивления или индуктивности Zэт2 8 и первого управляемого ключа КЛ1 9, а вторая состоит из последовательно связанных третьего эталонного сопротивления или индуктивности Zэт3 10, неидентичного второму эталонному сопротивлению или индуктивности Zэт2 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 Zx 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Zэт1 7 и Zэт2 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 Zx 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 КЛ2 11, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 3 измеряемое сопротивление или индуктивность Zx 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Zэт1 7 и Zэт3 10. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N2, связанное с измеряемой величиной Zx 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 Zx 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонное сопротивление или индуктивность Zэт1 7 и цепь, образованная параллельным соединением эталонных сопротивлений или индуктивностей Zэт2 9 и Zэт3 11. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N3, связанное с измеряемой величиной ZX зависимостью В соответствии с предлагаемым способом результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают значение измеряемой величины ZX 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 Zэт1+Zэт2, во втором такте измерения - Zэт1+Zэт3 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 Zэт2 и Zэт3. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонного сопротивления или индуктивности Zэт1 регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения сопротивлений или индуктивностей Zэт2 и Zэт3, много меньшие значения сопротивления Zэт1, 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 Сx 17 и цепи, образованной параллельным соединением первой эталонной емкости Сэт1 18 и цепи, образованной последовательным соединением второй Сэт2 19 и третьей Сэт3 20 эталонных емкостей, причем параллельно второй эталонной емкости Сэт2 19 подключен первый управляемый ключ КЛ1 21, а параллельно третьей эталонной емкости Сэт3 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 КЛ1 21, подключая тем самым к входу преобразователя ППЧ 14 емкость Сх 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости Сэт1 18 и Сэт2 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 Сx 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 Сx 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости Сэт1 18 и Сэт3 20. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N2, связанное с измеряемой величиной Сx зависимостью . В третьем такте измерения

микропроцессорный контроллер МПК 16 размыкает ключи КЛ1 21 и КЛ2 22, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 14 измеряемую емкость Сx 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонная емкость Сэт1 18 и цепь, образованная последовательным соединением эталонных емкостей Сэт2 19 и Сэт3 20. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 16 фиксируется число N3, связанное с измеряемой величиной Сx зависимостью Результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают величина Сx 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 Сэт2 и Сэт3. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонной емкости Сэт1 регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения емкостей Сэт2 и Сэт3, много меньшие значения емкости Сэт1, 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 Zx.

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, 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 Zэт1 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, во втором такте формируют измеряемую величину , где Zэт2 - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Zэт3 - 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления. .

Изобретение относится к устройствам для измерения индуктивности химических источников тока, состоящим из безразрядного прерывателя, магазина измерительных конденсаторов, стабилитрона и импульсного вольтметра, служащим для оценки искробезопасности автономных источников питания переносных приборов и электрооборудования, применяемых в шахтах, опасных по газу или пыли, и во взрывоопасных помещениях предприятий химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения частоты вращения вала емкостным датчиком, и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами для измерения неэлектрических величин.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения индуктивности рассеяния высоковольтной обмотки силовых трансформаторов с установленными на них быстродействующими регуляторами под нагрузкой.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для измерения электрофизических параметров материалов, так и в качестве более сложных функциональных устройств: комплексных измерительных систем, комплексных систем по производству и контролю параметров материалов, автоматизированных измерительных, производственных и производственно-измерительных комплексов и т.д.

Изобретение относится к области оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных проводящих тел. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного дистанционного определения резонансной частоты резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала. .

Изобретение относится к области измерительной техники

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

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству для измерения физических свойств жидкости, и может быть использовано, например, в пищевой промышленности

Изобретение относится к методам экспериментального исследования многокомпонентных жидких растворов высокомолекулярных соединений

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для измерения электрофизических параметров материалов

Изобретение относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидких сред

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к технике измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспериментального определения индуктивности рассеяния фазы обмотки асинхронного двигателя

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим измерениям

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

Наверх