СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ИНДУКТИВНОСТЕЙ И ЕМКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING RESISTANCE, INDUCTANCE AND CAPACITANCE AND DEVICES FOR REALISING SAID METHOD

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.
x
1
1
X
0
1
0
1
1
1
x
ЭТ1
0
ЭТ1
ЭТ2
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 соотношением N=aZ+a(первый такт), где N - частота выходного сигнала преобразователя, a, a, - параметры преобразователя, далее измеряют частоту N=a(Z+Z)+a (второй такт), где Z - величина первого эталонного сопротивления, индуктивности или емкости, однородного с измеряемой величиной, далее измеряют частоту  (третий такт), где Z- 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.
эт1
эт2
эт3
1
2
3
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 - первый эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, во втором такте формируют измеряемую величину , где Z - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, в третьем такте преобразования формируют измеряемую величину , где Z - второй эталонный пассивный электрический элемент, однородный с измеряемым электрическим элементом, а искомое значение измеряемого электрического элемента определяют по формуле  где N, N, N - 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.
1
1
0
0
1
X,
ЭТ1
ЭТ2
ЭТ3
Предполагается, что стабильная во времени передаточная характеристика устройства в достаточно узком диапазоне изменения значений тестовых величин имеет линейный вид N=aZ+a, допустимость которого основана на возможности пренебрежения значением нелинейной составляющей погрешности в малом диапазоне. Здесь Z  - преобразуемая тестовая величина, a, a - 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 ZZ- 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- 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- 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
эт2
эт3
эт1
эт2
x
Поэтому при Z>Z>Z 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 величина диапазона становится мало зависимой от значения измеряемой величины Z.
x
эт1
эт2
1
эт3
эт2
2
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 6 и цепи, образованной последовательным соединением первого эталонного сопротивления или индуктивности Z 7, и цепи, образованной параллельным соединением двух цепей, первая из которых состоит из последовательно связанных второго эталонного сопротивления или индуктивности Z 8 и первого управляемого ключа КЛ 9, а вторая состоит из последовательно связанных третьего эталонного сопротивления или индуктивности Z 10, неидентичного второму эталонному сопротивлению или индуктивности Z 8, и второго управляемого ключа КЛ 11, а выводы аналогового преобразователя АП 2 подключены к входу преобразователя ППЧ 4.
Устройство работает следующим образом.
1
2
x
эт1
эт2
1
x
0
1
1
2
x
эт1
эт3
2
x
1
2
x
эт1
эт2
эт3
3
X
X
1
0
В первом такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 замыкает ключ КЛ 9 и размыкает ключ КЛ 11, подключая тем самым к входу преобразователя ППЧ 3 сопротивление или индуктивность Z 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Z 7 и Z 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 N, связанное с измеряемой величиной Z 6 зависимостью  где a, a - параметры, характеризующие соответственно аддитивную и мультипликативную погрешности преобразования величины в код. Во втором такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 размыкает ключ КЛ 9 и замыкает ключ КЛ 11, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 3 измеряемое сопротивление или индуктивность Z 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонные сопротивления или индуктивности Z 7 и Z 10. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N, связанное с измеряемой величиной Z 6 зависимостью  В третьем такте измерения микропроцессорный контроллер 5 замыкает ключи КЛ 9 и КЛ 11, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 3 измеряемое сопротивление или индуктивность Z 6, параллельно которому подключены последовательно соединенные эталонное сопротивление или индуктивность Z 7 и цепь, образованная параллельным соединением эталонных сопротивлений или индуктивностей Z 9 и Z 11. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N, связанное с измеряемой величиной Z зависимостью  В соответствии с предлагаемым способом результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают значение измеряемой величины Z и параметры a, a. Измеряемая величина определяется в микропроцессорном контроллере МПК 5 по формуле:
эт1
эт2
эт1
эт3
Выражение для определения значения измеряемой величины в устройстве следует из выражения (5) при величине эталонного сопротивления или индуктивности в первом такте измерения, равной Z+Z, во втором такте измерения - Z+Z и в третьем такте измерения
Действительно, подставляя приведенные выражения в (5), получим
эт2
эт3
эт1
эт2
эт3
эт1
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 и Z. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонного сопротивления или индуктивности Z регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения сопротивлений или индуктивностей Z и Z, много меньшие значения сопротивления Z, регулируют размер области изменения сопротивлений или индуктивностей, подключаемых на вход ППЧ3.
x
эт1
эт2
эт3
эт2
1
эт3
2
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 17 и цепи, образованной параллельным соединением первой эталонной емкости С 18 и цепи, образованной последовательным соединением второй С 19 и третьей С 20 эталонных емкостей, причем параллельно второй эталонной емкости С 19 подключен первый управляемый ключ КЛ 21, а параллельно третьей эталонной емкости С 20 подключен второй управляемый ключ КЛ 21, выводы аналогового преобразователя АП 13 подключены к входу преобразователя ППЧ 14.
Устройство работает следующим образом.
2
1
х
эт1
эт2
1
x
0
1
2
1
x
эт1
эт3
2
x
В первом такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 5 замыкает ключ КЛ 22 и размыкает ключ КЛ 21, подключая тем самым к входу преобразователя ППЧ 14 емкость С 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости С 18 и С 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 N, связанное с измеряемой величиной С зависимостью , где а, а- параметры, характеризующие соответственно аддитивную и мультипликативную погрешности преобразования измеряемой величины в код. Во втором такте измерения микропроцессорный контроллер МПК 16 размыкает ключ КЛ 22 и замыкает ключ КЛ 21, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 14 емкость С 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонные емкости С 18 и С 20. В результате второго измерения в микропроцессорном контроллере МПК 5 фиксируется число N, связанное с измеряемой величиной С зависимостью . В третьем такте измерения
1
2
x
эт1
эт2
эт3
3
x
x
0
1
микропроцессорный контроллер МПК 16 размыкает ключи КЛ 21 и КЛ 22, тем самым подключая к входу преобразователя ППЧ 14 измеряемую емкость С 17, последовательно с которой подключены параллельно соединенные эталонная емкость С 18 и цепь, образованная последовательным соединением эталонных емкостей С 19 и С 20. В результате третьего измерения в микропроцессорном контроллере МПК 16 фиксируется число N, связанное с измеряемой величиной С зависимостью  Результаты трех измерений рассматриваются как совместная система уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают величина С и параметры а, а. Значение измеряемой величины определяется в микропроцессорном арифметическом устройстве АУ 5 по формуле:
эт2
эт3
эт1
эт2
эт3
эт1
Значения всех коэффициентов формулы, используемой при определении измеряемой величины, задаются при изготовлении и настройке устройства. Условием реализуемости способа является неравенство значений эталонных емкостей С и С. Применение предлагаемого устройства позволяет путем выбора значения эталонной емкости С регулировать размещение области значений величин, измеряемых в трех тактах преобразования, а значения емкостей С и С, много меньшие значения емкости С, 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.
x
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.
Способ и устройство объединены единым изобретательским замыслом, основанным на общем принципе выполнения последовательности измерений и общем принципе расчета значения измеряемой величины.