Способ измерения rlc-параметров

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах для измерения неэлектрических физических величин посредством емкостных, индуктивных или резистивных датчиков. Предлагаемый способ основан на измерении длительностей переходных процессов в резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи. Технический результат, заключающийся в повышении точности измерения за счет уменьшения погрешности, обусловленной нестабильностью временных задержек прохождения сигналов, достигается за счет того, что на измерительную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару идентичных участков, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары, напряжение на элементе измерительной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем эти напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары, при этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений, для сформированных интервалов времени или их эквивалентов находят разность, которую используют для определения измеряемого параметра. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах для измерения неэлектрических физических величин посредством емкостных, индуктивных или резистивных датчиков.

Широко известен способ время-импульсного измерения RLC-параметров (Измерения в электронике: справочник. М: Энергоатомиздат, 19897, с. 205). Согласно этому способу измеряемый параметр сначала преобразуют в пропорциональный интервал времени, который затем измеряют при помощи импульсов калиброванной частоты. Преобразование параметра в интервал основано на использовании переходных процессов в RC- или RL-цепях, в которых один элемент образцовый, а другой измеряемый, при подаче на вход измерительной цепи единичной функции напряжения.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения, обусловленная наличием погрешности формирования интервала времени вследствие нестабильности временных задержек прохождения сигналов через блок сравнения напряжений.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения RLC-параметров, основанный на измерении длительностей переходных процессов в резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи. Способ характеризуется тем, что производят циклический перезаряд реактивного элемента измерительной цепи путем подачи на измерительную цепь калиброванного напряжения, сравнивают напряжение переходного процесса с частью калиброванного напряжения, в момент равенства изменяют полярности указанных напряжений, измеряют интервал времени известного числа циклов перезаряда реактивного элемента цепи. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа является наличие нескомпенсированной погрешности, обусловленной нестабильностью временных задержек прохождения сигналов в процессе сравнения напряжений.

Технический результат состоит в повышении точности измерения RLC-параметров за счет уменьшения погрешности, обусловленной нестабильностью временных задержек прохождения сигналов в процессе измерения длительностей переходных процессов.

Технический результат достигается тем, что на измерительную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару участков с одинаковыми характеристиками, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, расположенных соответственно перед началами линейных измерительных участков и обеспечивающих ненулевые неустановившиеся напряжения на элементе измерительной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет соответствующую для каждого участка характеристику, обеспечивающую во всем расчетном диапазоне измерений разные знаки разностей напряжений напряжения на элементе измерительной цепи и опорного напряжения в моменты времени начала и конца соответствующего линейного измерительного участка. Напряжение на элементе измерительной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары, при этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений. Для сформированных интервалов времени или их эквивалентов, выраженных в форме другой физической величины и полученных путем линейного однообразного преобразования интервалов, находят разность, которую используют для определения величины измеряемого параметра.

Вариант способа измерения RLC-параметров характеризуется тем, что пары с идентичными участками группируют по две, при этом для второй пары каждой группы характеристику линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку первой пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку первой пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку первой пары, а характеристику линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку первой пары, при этом для каждой группы находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар.

Положительный эффект этого варианта выражается в увеличении точности измерения параметра элемента измерительной цепи, величина которого изменяется во времени.

Согласно следующему варианту способа измерения RLC-параметров образуют группу из двух пар, характеризующуюся полным совмещением во времени соответствующих участков пар, для первой и второй пары группы выбирают не одинаковые наборы характеристик линейных опорных участков, находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар группы.

Положительный эффект этого варианта выражается в уменьшении времени и в увеличении точности измерения параметра элемента измерительной цепи, величина которого изменяется во времени.

На фиг. 1 показаны графики возмущающего напряжения и совмещенный график напряжений напряжения на элементе измерительной цепи и опорного напряжения; на фиг. 2 графики напряжений, иллюстрирующие пример варианта способа; на фиг. 3 структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 4 - структурная схема варианта устройства.

Сущность изобретения рассмотрена на примерах вариантов способа.

Согласно основному варианту способа на измерительную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени. График возможной функции возмущающего напряжения U_b(t) показан на фиг. 1. Функция имеет пару участков с одинаковыми характеристиками. Интервалы времени первого и второго участков пары обозначены соответственно τ_1уч и τ_2уч. Каждый из участков пары содержит два линейных измерительных участка, имеющих нулевую крутизну. Интервал времени первого линейного измерительного участка пары обозначен τ_1л, второго τ_2л, третьего τ_3л, четвертого τ_4л. Дополнительно каждый участок пары содержит расположенные перед соответствующими линейными измерительными участками возмущающие участки, которые предназначены для формирования ненулевых неустановившихся напряжений на элементе измерительной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, т.е. напряжений, изменение которых характеризует переходные процессы установления напряжений и которые в сумме с некоторыми постоянными составляющими образуют полные напряжения на элементе измерительной цепи. В данном случае неустановившиеся напряжения формируются за счет быстрого смещения уровней возмущающего напряжения перед линейными измерительными участками, при этом перед моментами смещения уровней имеются относительно длительные линейные участки. Необходимо отметить, что возмущающий участок включает в себя весь участок от начала участка пары до момента начала соответствующего линейного измерительного участка, так как любое изменение напряжения на этом участке влияет на начальное напряжение на элементе цепи к моменту начала линейного участка. В то же время определяющая часть возмущающего участка расположена непосредственно перед линейным измерительным участком, поскольку влияние предшествующих изменений возмущающего напряжения уменьшается в степени функции от разделяющего интервала времени. Длительность каждого возмущающего участка выбирают большей, чем пятикратная величина постоянной времени измерительной цепи. Одновременно с возмущающим напряжением формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет характеристику, обеспечивающую гарантированное для всего расчетного диапазона измерений изменение знака разности напряжений напряжения переходного процесса на элементе измерительной цепи и опорного напряжения при их сравнении в пределах интервалов времени соответствующих линейных измерительных участков. Совмещенный график опорного напряжения U_оп1(t) и напряжения U_c(t) переходных процессов на емкостном элементе резистивно-емкостной измерительной цепи показан ниже графика возмущающего напряжения. Напряжение переходных процессов на элементе измерительной цепи во время линейных измерительных участков сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства во время первого участка пары формируют первый τ_1ир, а во время второго участка пары второй τ_2ир интервалы времени. Для сформированных интервалов времени или их эквивалентов находят разность. Полученную разность используют для определения измеряемого параметра.

Необходимо отметить, что если разность сформированных интервалов времени или их эквивалентов используют для определения величины измеряемого параметра непосредственно, то чувствительность разности интервалов к изменению параметра необходимо выбрать максимально. Это может быть осуществлено путем выбора соответствующих характеристик участков возмущающего напряжения и характеристик участков опорного напряжения. В то же время, например, с целью компенсации дополнительной погрешности согласно описанных ниже вариантов способа не исключен вариант формирования разности интервалов для отдельных пар с близкой к нулю чувствительностью.

Можно предположить, что во время пары дополнительно формируют второе напряжение U_оп2(t), характеристика первого линейного опорного участка равна характеристике третьего линейного опорного участка первого опорного напряжения, характеристика второго линейного опорного участка равна характеристике четвертого, характеристика третьего опорного линейного участка равна характеристике первого, а характеристика четвертого линейного опорного участка равна характеристике второго линейного опорного участка первого опорного напряжения. При этом формируют первый условный интервал времени τ_1иу во время первого участка пары и второй условный интервал времени τ_2иу во время второго участка пары.

Для длительностей интервалов справедливо равенство где τ_1ир длительность первого (реального) интервала времени; τ_2ир длительность второго (реального) интервала времени; τ_1иу длительность первого условного интервала времени; τ_2иу длительность второго условного интервала времени; τ_1п, τ_2п, τ_3п, τ_4п длительности переходных процессов в границах между первым и вторым опорными напряжениями во время первого, второго, третьего и четвертого линейных измерительных участков соответственно.

Выражение (1) можно записать в виде где ε = 0,5(τ_1ир+ τ_1иу- τ_2ир- τ_2иу). (3) Величина ε определяет дополнительную погрешность способа.

В случае, если параметры элементов измерительной цепи за время измерения практически не изменяются, кривая напряжения на элементе измерительной цепи во время первого и второго линейных измерительных участков существенно не отличается от кривой во время третьего и четвертого линейных измерительных участков. Следовательно, первый интервал времени равен второму условному интервалу t_1ир = τ_2иу, а второй интервал времени равен первому условному интервалу τ_2ир = τ_1иу. Поэтому разность первого и второго интервалов равна
τ_1ир - τ_2иу = 0,5(τ_1п+ τ_2п+ τ_3п+ τ_4п). (4)
В случае измерения интервала времени переходного процесса, определенного между моментами равенства напряжения на элементе измерительной цепи с двумя постоянными (фиксированными) напряжениями, при поддержании во время сравнения на измерительной цепи постоянного напряжения, зависимость интервала времени от величины параметра одного из элементов резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи является линейной. Для резистивно-индуктивной цепи линейная зависимость обеспечивается между интервалом времени и индуктивностью или интервалом и проводимостью резистивного элемента, а для резистивно-емкостной цепи линейность обеспечивается между интервалом и сопротивлением или интервалом и емкостью, причем сравнение напряжения переходных процессов с фиксированными напряжениями можно осуществлять на любом из элементов измерительной цепи. Поскольку разность сформированных согласно способу интервалов времени эквивалентна полусумме четырех интервалов (4), каждый из которых сформирован между моментами равенства напряжения на элементе измерительной цепи с первым и вторым опорными напряжениями, которые во время сравнения зафиксированы, при подаче на измерительную цепь неизменяющегося во время сравнения возмущающегося напряжения, то разность интервалов линейно связана с величиной параметра одного из элементов измерительной цепи.

Нахождение разности интервалов или их эквивалентов согласно способу может быть осуществлено путем формирования сигнала напряжения, суммарная длительность импульсов которого линейно связана с разностью интервалов или путем линейного преобразования интервалов в их эквиваленты, выраженные в виде другой физической величины, например в виде цифрового кода, для которых затем находят разность. В первом случае сигнал напряжения формируют, например, исходя из условия положительного логического уровня напряжения в интервале между моментами равенства сравниваемых напряжений на отрезке времени, покрывающем первый и второй линейные измерительные участки, а на отрезке времени, покрывающем третий и четвертый линейные измерительные участки пары
из условия положительного логического уровня вне интервала времени между моментами равенства сравниваемых напряжений.

Интервалы времени могут быть преобразованы в цифровой код, напряжение или ток с помощью известных методов. Например, путем заполнения интервалов импульсами калиброванной частоты и подсчета количества импульсов.

При непрерывном режиме измерения периодически повторяющийся результирующий интервал времени в форме импульсного сигнала удобно использовать в качестве промежуточного сигнала в измерительном тракте различных датчиков, где применяется несколько каналов преобразования "C(LR)-параметр интервал времени", а для нахождения измеряемой физической величины требуется производить несложные арифметические вычисления. По этой причине способ предлагается использовать преимущественно в приборах (датчиках) для измерения неэлектрических физических величин посредством емкостных, индуктивных или резистивных датчиков, например в приборе для измерения давления на основе датчика, использующего дифференциальный конденсатор.

Снижение погрешности измерения объясняется следующим.

Погрешности формирования первого и второго интервалов времени, обусловленные задержками прохождения сигналов в процессе сравнения напряжения переходных процессов на элементе измерительной цепи с изменяющимся опорным напряжением имеют одинаковую величину и знак, так как сравнение напряжения может осуществляться с помощью одного устройства сравнения, что возможно в результате разделения во времени процессов сравнения, а характеристики устройства сравнения во время первого и второго участков пары существенно не отличаются друг от друга. Вследствие того, что результат измерения формируется путем вычитания этих двух интервалов или их эквивалентов, погрешности компенсируются.

Участки функции опорного напряжения вблизи моментов сравнения напряжений имеют одинаковую (нулевую) крутизну, а напряжение переходных процессов для первого и второго участков пары во время соответствующих возмущающих участков пары изменяется с близкими скоростями за счет того, что первый и второй участки пары имеют одинаковые характеристики. Поэтому условия сравнения напряжений во время первого и второго участков пары существенно не отличаются, что обеспечивает максимальную степень компенсации указанной погрешности.

Следствием компенсации погрешности формирования разности интервалов времени является уменьшение электропотребления, так как для реализации функции сравнения напряжений могут быть использованы микромощные радиоэлектронные компоненты, характеризующиеся большими задержками прохождения сигналов, а также нестабильностью этих задержек.

Для предложенного варианта способа характерна погрешность, которая может быть определена через интервалы времени согласно выражению (3). Эта погрешность обозначена как дополнительная и имеет две составляющие. Первая составляющая погрешность вызвана предшествующими первому и второму участку пары неодинаковыми изменениями возмущающего напряжения, так как эти изменения могут неодинаково для первого и второго участков пары влиять на начальные напряжения на элементе измерительной цепи к моментам начал соответствующих линейных измерительных участков. Вторая составляющая зависит от скорости изменения измеряемого параметра.

Первая составляющая погрешности может быть уменьшена до несущественной величины за счет увеличения длительности возмущающих участков перед ближайшими к началам первого и второго участков пары линейными измерительными участками, например, до пятикратной величины постоянной времени измерительной цепи, как это предложено в рассмотренном варианте способа. В случае, если необходимо отслеживать быстро изменяющиеся параметры, для измерения которых увеличение длительности возмущающего участка становится препятствием использования способа, предлагается использовать дополнительные варианты способа.

Вторая составляющая погрешности, обусловленная изменением измеряемого параметра, может быть уменьшена или полностью исключена за счет суммирования разностей интервалов для нескольких пар. При непрерывном режиме измерения влияние этой погрешности на результат измерения среднего значения измеряемого параметра уменьшается с увеличением количества отсчетов.

Для доказательства рассмотрим непрерывный процесс измерения параметра элемента измерительной цепи, при котором функция возмущающего напряжения содержит серию периодически повторяющихся пар идентичных участков. Предположим, что функция изменения параметра во времени является случайной по отношению к функции возмущающего напряжения, что является справедливым для большинства практических случаев. Для того чтобы это было справедливо всегда, предлагается формировать случайные интервалы между идентичными участками функции возмущающего напряжения. Поскольку условия формирования первых (реальных) интервалов не отличаются от условий формирования вторых условных интервалов, то сумма первых (реальных) интервалов стремится к сумме вторых условных интервалов. То же самое справедливо для первых условных и вторых (реальных) интервалов. Из этого следует, что вторая составляющая дополнительной погрешности, рассчитанная для среднего значения измеряемого параметра, с увеличением количества пар стремится к нулю.

С целью увеличения точности измерения изменяющихся параметров с использованием короткой серии пар может быть предложено несколько дополнительных вариантов способа.

Вариант способа заключается в том, что пары с идентичными участками группируют по две, при этом для второй пары каждой группы характеристику линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку первой пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку первой пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку первой пары, а характеристику линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку первой пары, при этом для каждой группы находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар. Характеристики участков возмущающего и опорного напряжений выбирают с учетом обеспечения разной чувствительности разностей интервалов или их эквивалентов первых и вторых пар к изменению измеряемого параметра элемента цепи.

Компенсация погрешности объясняется тем, что для второй пары группы вторая составляющая дополнительной погрешности имеет практически ту же величину, что и для первой пары, если в течение интервала времени, покрывающего первую и вторую пару группы, скорость изменения параметра практически не изменяется. Поскольку в результате находят разность разностей интервалов, то эта погрешность компенсируется.

Это несложно доказать на примере варианта реализации рассматриваемого способа. Вариант способа характеризуется тем, что вторую пару группы выбирают таким образом, что первый ее участок совпадает с вторым участком первой пары, а второй участок совпадает с первым участком первой пары следующей группы и т.д. При этом для вторых пар нет необходимости дополнительно формировать опорное напряжение, поскольку характеристики участков опорного напряжения, сформированного для первой пары, удовлетворяют заданным условиям и в отношении вторых пар.

Если скорость изменения параметра на участках перовой и второй пар группы практически не изменяется, то малое приращение длительностей второго условного интервала относительно первого (реального) интервала для первой пары группы равно приращению второго (реального) интервала относительно первого условного интервала для второй пары группы. Равенство справедливо также для приращений второго (реального) в отношении первого условного и второго условного в отношении первого (реального) интервалов соответственно для первой и второй пар группы. Поскольку второй условный интервал для первой пары совпадает с первым условным интервалом для второй пары, а второй (реальный) интервал первой пары совпадает с первым (реальным) интервалом для второй пары, то сумма с разными знаками разностей интервалов, сформированная согласно этому варианту способа, практически не содержит составляющей дополнительной погрешности. Необходимо отметить, что возможна неполная компенсация погрешности, обусловленной второй или более высокими производными от изменения параметра, однако эта погрешность имеет более высокую степень малости в сравнении с погрешностью, обусловленной первой производной.

Следует отдельно выделить вариант способа измерения RLC-параметров, согласно которому образуют группу из двух пар, характеризующуюся полным совмещением во времени соответствующих участков пар, для первой и второй пары группы выбирают не одинаковые наборы характеристик линейных опорных участков, находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар группы. При этом характеристики участков возмущающего и опорного напряжений выбирают с учетом обеспечения разной чувствительности разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар группы к изменению измеряемого параметра элемента цепи.

Этот вариант эквивалентен рассмотренному основному варианту способа при условии, что в этом варианте реально формируют интервалы времени, обозначенные в выражении (1) как условные, а напряжения линейных опорных участков могут быть различны. Несложно показать, что сумма с разными знаками разностей интервалов первой и второй пар в этом случае не содержит дополнительной погрешности.

Кроме этого, дополнительная погрешность способа может быть практически исключена за счет рационального выбора функции возмущающего напряжения и характеристик линейных опорных участков, как это показано в примере описанного ниже варианта способа.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы для варианта способа. Измерение RLC-параметров согласно варианту способа осуществляют следующим образом.

На измерительную цепь подают возмущающее напряжение U_B-1(t), изменяющееся в функции времени, имеющей вид серии периодически повторяющихся симметричных относительно среднего уровня прямоугольных импульсов. Из этой функции можно выбрать первый участок пары, включающий N последовательно идущих импульсов, начиная с импульса под номером K, которые перекрывают интервал времени, много больший, чем постоянная времени измерительной цепи. Также можно выбрать второй, идентичный первому участок пары, включающий N последовательно идущих импульсов, начиная с импульса под номером K + 1. На фиг. 2 интервал времени первого участка обозначен τ_1уч-1, второго τ_2уч-1. Одновременно формируют опорное напряжение U_ОП1-1(t), изменяющееся в функции времени, состоящей из линейных опорных участков с нулевой крутизной. Во время линейных измерительных участков τ_1л-1, τ_2л-1, определенных как основание и вершина импульса под номером K + N, напряжения U_C-1(t) переходного процесса на элементе измерительной цепи сравнивают с опорным напряжением. При этом между моментами равенства сравниваемых напряжений формируют первый τ_1ир-1 интервал времени. Затем во время линейных измерительных участков τ_3л-1, τ_4л-1, определенных как основание и вершина следующего импульса, таким же образом формируют второй τ_2ир-1 интервал времени. Величину напряжения первого линейного опорного участка выбирают равной величине напряжения второго линейного опорного участка, а величину напряжения третьего опорного участка выбирают равной величине напряжения четвертого опорного участка, величину среднего уровня возмущающего напряжения выбирают равной нулю, а величины напряжений опорных участков выбирают больше и меньше нуля на одну и ту же величину. Для сформированных интервалов времени или их эквивалентов находят разность.

В этом варианте способа длительность возмущающих участков увеличивается с увеличением порядкового номера импульса в серии, так как возмущающие участки для линейных измерительных участков образованы предыдущими линейными измерительными участками. В результате этого погрешность, обусловленная недостаточно длительными возмущающими участками с увеличением длины серии импульсов стремится к нулю.

Можно условно выделить уровень напряжения, при котором интервал времени , сформированный между моментами равенства напряжения на элементе цепи с напряжением этого уровня, равен полупериоду следования импульсов. Для неизменяющегося параметра величина напряжения этого уровня в данном случае всегда равна нулю. При изменении величины параметра этот уровень несколько смещается и различен для различных участков кривой напряжения на элементе цепи. Можно подобрать напряжения опорных участков первого опорного напряжения U_ОП1-1(t) и второго условного опорного напряжения U_ОП2-1(t), при которых этот уровень не выходит за рамки уровней этих напряжений при заданном максимуме скорости изменения параметра. При этом в отношении соответствующих интервалов, измеренных для не изменяющегося параметра, зафиксированного на момент начала измерения, первый (реальный) интервал τ_1ир-1 изменяется практически на ту же величину, на которую изменяется с обратным знаком первый условный интервал τ_1иу-1, т.е. сумма этих интервалов практически не изменяется, в то время как разность этих интервалов изменяется на сумму этих изменений. То же самое справедливо и для вторых реального τ_2ир-1 и условного τ_2иу-1 интервалов. Из этого следует, что изменение разности сумм реально формируемых интервалов и интервалов, обозначенных как условные, меньше удвоенного изменения разности первого и второго реальных интервалов. Следовательно, дополнительная погрешность в данном варианте не будет превышать изменения величины за время единичного измерения.

На фиг. 3 показана структурная схема устройства для измерения RLC-параметров, в котором реализован рассмотренный вариант способа.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом источника 2 возмущающего напряжения и входом делителя 3 частоты на два. Выход делителя 3 частоты на два подключен к блоку 4 формирования сигнала опорного напряжения, а выход блока 4 связан с первым входом блока 5 сравнения напряжений. Второй вход блока 5 сравнения напряжений подключен к средней точке питающего напряжения. Выход источника 2 возмущающего напряжения связан с первым выводом измерительной цепи 6, второй вывод которой подключен к средней точке питающего напряжения, а третий и четвертый вывод к четвертому и третьему входам блока 5 сравнения напряжений, выход которого соединен с вторым входом логического элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый вход элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к выходу делителя 3 частоты на два, а выход элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к блоку 8 измерения интервалов времени.

Совместно с устройством может быть использована измерительная цепь 6 (фиг. 3), состоящая из последовательно соединенных емкостного элемента датчика 9 и образцового резистора 10. Свободный вывод резистора 10 и свободный вывод емкостного элемента датчика 9 связаны соответственно с первым и вторым выводами измерительной цепи. Третий и четвертый выводы измерительной цепи 6 связаны с выводами емкостного элемента датчикам 9, а именно со свободным выводом элемента датчика 9 и с точкой соединения резистора 10 и датчика 9 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

На вход источника 2 возмущающего напряжения с генератора 1 поступают импульсы прямоугольного напряжения. В простейшем случае источник 2 возмущающего напряжения представляет собой электронный переключатель, выход которого под управлением сигнала с генератора 1 попеременно подключается к положительному и отрицательному потенциалам напряжения источника питания, генерируя тем самым серию периодически повторяющихся импульсов возмущающего напряжения, крайние уровни напряжения которых симметричны относительно уровня напряжения средней точки. Серия импульсов возбуждает переходные процессы заряда-разряда емкости элемента емкостного датчика 9 в резистивно-емкостной измерительной цепи 6. Напряжение заряда датчика 9, подаваемого на третий и четвертый входы блока 5 сравнения, в блоке 5 сравнения напряжений сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на первый и второй входы блока 5 сравнения. На выходе блока 5 сравнения напряжений формируется сигнал напряжения, имеющий положительный логический уровень на интервалах между моментами равенства сравниваемых напряжений. Этот сигнал с выхода блока 5 сравнения поступает на второй вход элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на выходе которого формируется сигнал, равный входному во время линейных участков каждого первого импульса и инверсный входному во время линейных участков каждого второго импульса возмущающего напряжения, т.е. имеющий положительный логический уровень внутри временного интервала во время линейных участков первого импульса и имеющий положительный логический уровень вне временного интервала между моментами равенства сравниваемых напряжений во время линейных участков второго импульса пары. Тем самым реализуется функция вычитания сформированных на выходе блока 5 сравнения временных интервалов. Логический сигнал с выхода элемента 7 подается на вход блока 8 измерения интервалов времени. На выходе блока 8 измерения интервалов времени формируется сигнал, например, в виде цифрового кода, который линейно связан с суммарной за время цикла измерения длительностью импульсов положительного логического уровня, поступающих на его вход. Поскольку длительность импульсов положительного логического уровня, сформированных на выходе элемента 7 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, линейно связана с величиной параметра элемента измерительной цепи (емкостью элемента датчика), выходной сигнал блока 8 измерения интервалов времени также линейно связан с величиной емкости элемента датчика.

Второй вариант устройства для измерения RLC-параметров показан на фиг. 4.

Устройство содержит генератор 11 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом источника 12 возмущающего напряжения и с входом делителя 13 частоты на два. Выход делителя 13 частоты на два подключен к блоку 14 формирования сигнала опорного напряжения, а выход блока 14 связан с первым входом блока 15 сравнения напряжений. Второй вход блока 15 сравнения напряжений подключен к средней точке питающего напряжения. Выход источника 12 возмущающего напряжения связан с первым выводом измерительной цепи 16, второй вывод которой подключен к средней точке питающего напряжения, а третий и четвертый вывод к четвертому и третьему входам блока 15 сравнения, выход которого соединен с блоком 17 измерения и вычитания интервалов времени, управляющий вход которого соединен с выходом делителя 13 частоты на два.

Отличительной особенностью устройства по второму варианту является то, что в нем отсутствует элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а блок измерения интервалов времени дополнительно выполняет функцию вычитания измеренных интервалов времени. Для этой цели введена новая связь с выхода делителя 13 частоты на два на управляющий вход блока 17.

В описанных устройствах скомпенсирована погрешность, обусловленная нестабильностью задержек прохождения сигналов в блоке сравнения напряжений. Вследствие этого в устройствах можно использовать микромощные операционные усилители и компараторы, характеризующиеся большими временными задержками прохождения сигнала, а также нестабильностью этих задержек. При этом появляется возможность реализации измерительных приборов (датчиков) с автономным питанием от гальванических батарей в течение года и более.

Формула изобретения

1. Способ измерения RLC-параметров, основанный на измерении длительностей переходных процессов в резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи, отличающийся тем, что на измерительную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару участков с одинаковыми характеристиками, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, расположенных соответственно перед началами линейных измерительных участков и обеспечивающих ненулевые неустановившиеся напряжения на элементе измерительной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет соответствующую для каждого участка характеристику, обеспечивающую во всем расчетном диапазоне измерений разные знаки разностей напряжений напряжения на элементе измерительной цепи и опорного напряжения в моменты времени начала и конца соответствующего линейного измерительного участка, напряжение на элементе измерительной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем эти напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары, при этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений, для сформированных интервалов времени или их эквивалентов, выраженных в форме другой физической величины и полученных путем линейного однообразного преобразования интервалов, находят разность, которую используют для определения величины измеряемого параметра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пары с идентичными участками группируют по две, при этом для второй пары каждой группы характеристику линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку первой пары, характеристику линейного опорного участка, соответствующего третьему линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего первому линейному измерительному участку первой пары, а характеристику линейного опорного участка, соответствующего четвертому линейному измерительному участку, выбирают равной характеристике линейного опорного участка, соответствующего второму линейному измерительному участку первой пары, при этом для каждой группы находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образуют группу из двух пар, характеризующуюся полным совмещением во времени соответствующих участков пар, для первой и второй пар группы выбирают не одинаковые наборы характеристик линейных опорных участков, находят разность разностей интервалов или их эквивалентов первой и второй пар группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

TK4A - Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях "Изобретения (заявки и патенты)" и "Изобретения. Полезные модели"

Напечатано: Дата прекращения действия патента -

Следует читать: Дата прекращения действия патента 25.03.2004

Номер и год публикации бюллетеня: 16-2002

Код раздела: MM4A

Извещение опубликовано: 20.01.2007        БИ: 02/2007