專利名稱:測量阻抗，尤其是低電容量阻抗的方法
本發(fā)明的內容是一種測量阻抗，特別是低電容量阻抗的方法。為了提高測量及穩(wěn)定精度，在所述方法中，所用的電子測量儀器包括多個基準阻抗，其電氣值位于測量范圍中，并利用測量電路的轉換裝置將該測量電路一個接一個地交替連接于該阻抗或被測阻抗。
本發(fā)明尤其適于那些測量阻抗的方法，在這些方法中，阻抗是作為電檢測器使用的，利用它，它測量出某些影響阻抗值的物理量。
已知在先有技術中有幾種不同的阻抗檢測器，其原理是基于阻抗取決于被測的量，被測量通常是物理量，例如壓力、溫度、濕度，被觀察目標的位置、功率等。作為所述阻抗檢測器的例，應該提到的有應變片(應變計)，對溫度和/或壓力敏感的電阻器，以及電容，利用該電容能夠進行測量，例如，根據電容器極板的相對位置測量壓力或溫度，或根據電容的介電常數的變化測量相對濕度。
通常，阻抗檢測器的制造容許偏差使得檢測器具有分散性，即它們都具有各自特定的曲線。即有各自的非線性并取決于各自的參數而非那些被測參數。例如，取決于與壓力測量有關的溫度。
本發(fā)明的一個起始點是基于這一先有技術之上，例如FI專利申請?zhí)?4，664和57，319(對應美國專利號4，295，090和4，295，091)。在所述專利中，所描述的方法是用于低電容量的測量的。
在無線電探空儀中，電容式檢測器用來測量不同的參數，尤其是大氣壓力，溫度和/或濕度，在所述檢測器中電容值的大小取決于被測參數。這些檢測器的電容值通常比較低，從幾pf到幾十pf，或在最大時達到約100pf。低電容值測量存在一些問題，例如由于寄生電容，電源電壓的變化，外部溫度的變化，以及其它干擾所造成的問題。
當利用電氣或機電檢測器測量溫度、濕度或壓力或其它對應量時，如在先有技術中得知的，設置一個或若干個與電子測量儀器有關的基準量，所說基準量是穩(wěn)定的，或其變化值是被精確得知的，并利用這些基準量能夠補償測量電路的獨立特性和它們隨時間的變化情況。
對于電容式檢測器，在先有技術中，使用一個基準電容交替地與測量電路和被測電容相聯(lián)，該測量電路通常是一個RC振蕩器。以合適的方法或其它方式調整測量電路，能夠設置測量電路的初始量作為每一特定情況的校正基準，這些初始量從基準電容中產生。
已知在先有技術中使用對一個基準量的多種測量電路，特別是橋接電路，但是，只有當基準量的電氣值接近檢測器的值時，例如當橋接平衡時，測量才是準確的。檢測器值與基準值偏差越大，各種誤差就越大，例如，由電子測量儀器電路靈敏度的變化而引起的誤差。
已知在先有技術中，有一種采用兩個基準量的測量方法，與使用一個基準量的方法相比，其優(yōu)點是測量的精度較高，甚至當應用于大范圍測量時。先有技術中的以兩個基準量為基礎的測量原理將在下面參照附圖A進行詳細描述。
如同在某些專利申請書中列舉的情況那樣，如果是大范圍測量，并且如果所要求的測量精度高，在阻抗檢測器的連接電子線路中在校準后所產生的非線性變化明顯地降低了測量精度。
本發(fā)明的目的是避免上述缺點，并提供一種新的測量方法，采用這種方法測量的精度以及阻抗或阻抗連接電路的穩(wěn)定性可以大大地提高，尤其是在下述在實踐中經常發(fā)生的情況中電子測量儀器和待測阻抗，尤其是阻抗檢測器，必須工作在與校準情況下的溫度相比不同的各種溫度下時。
測量振蕩器的工作條件是變化的，例如與校準情況相比，振蕩器的負載阻抗是有變化的，并且本方法應用于所謂自診斷，利用自診斷可以找出電子測量儀器中發(fā)生或存在的變化或故障。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種方法，利用該方法能夠排除或減少同一測量電子儀器中有故障的檢測器對其它檢測器的影響。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種方法，利用該方法能夠使用若干個壓力檢測器，以起到測量范圍很大的壓力傳感器或同等物的作用。在這方面，其進一步目的是提供一種方法，其中，較靈敏的檢測器的短路不影響測量檢測器在測量范圍上端的工作。
由于達到了上述及下面將要敘述的目的，本發(fā)明的主要特征在于本方法包括下列步驟的組合(a)第一和第二個基準阻抗CR1和CR2依次與測量電路相連接，并置所述基準阻抗的阻抗值，第一個基準阻抗CR2的值置于測量范圍的下端，而第二個，即CR2的值置于測量范圍的上端，(b)至少有一個第三基準阻抗CR3依次與測量電路相連，(c)使用第一和第二基準阻抗CR1和CR2，以確定與第三基準CR3相對應的測量系統(tǒng)的特定函數Y＝F(C)的值Y(CR3)，并將所述值存儲起來，以備后來在測量系統(tǒng)中使用，并且(d)在校準或等效操作之后，如果有的話，在其后執(zhí)行一系列測量工作，與其相關，測量一個相對應于第三基準阻抗CR3的測量系統(tǒng)的特定函數的新值Y′(CR3)，所述新值與在前一步驟(C)得出并存儲的原始值Y(CR3)進行比較，從比較結果中得到的差量用于計算(公式7)，以確定被測阻抗CN的校正Y值Y′(CN)。
如以下給出的本發(fā)明的實施例和檢驗所證明，同兩個基準量的測量比較，根據本發(fā)明使用第三基準阻抗，其方法誤差甚至可減少到約十分之一或甚至更低。
以下將參照附圖詳細闡述本發(fā)明，這些圖示說明了本發(fā)明的背景及一些最佳實施例。
圖1展示了一個XY坐標系統(tǒng)中兩個基準量的測量之先有技術方法的特定曲線。
圖1A展示了本發(fā)明方法的一個實施例的接線圖。
圖1B展示了使用本發(fā)明的方法的裝置原理的框圖。
圖2表明了測量振蕩器調期時間T與連到測量振蕩器電容間的振頻關系。當測量頻率較高時測量振蕩器的非線性就限定出，這點可從圖2中看出。
圖3是圖2進一步的說明，它表明由測量振蕩器的非線性引起的測量誤差，該誤差加至傳感器的非線性上，並在校準過程中消除，用第三常量僅能消除與校準有關的非線性關系。
擋4和圖5展示了根據本發(fā)明的第一個檢測例得出的測量結果，其中檢驗了根據圖1測量振蕩器的負載電容的變化對測量誤差的影響。
圖6和圖7以圖4和5的方式展示了本發(fā)明的另一個檢驗例，其中檢驗了測量設備環(huán)境中溫度的變化對測量精度的影響。
圖1所示為以兩個基準進行測量的先有技術方法，它是本發(fā)明的起始點之一?；鶞?和2在XY坐標系統(tǒng)中確定兩個點，即點x1y1和x2y2，通過兩個所述點的直線k0是測量系統(tǒng)的線性基本工作線。例如，在實踐中，由于測量電路的獨自的非線性和外部條件的變化，系統(tǒng)的特定曲線在線k0的兩側變化，例如在曲線f1和f2之間變化。因此，在誤差限界△之內能夠達到測量范圍x2＞x2-x1。
利用基準1，在y1處鎖定對應于常數x1的值，能夠消除例如由測量電路引起的變化誤差(yN＝f(x)N±(A1)。以相同的方法利用基準2，在y2處鎖定對應于常數x2的y值，能夠消除由測量電路引起的敏感度誤差(yN＝f(x)N±k｜(x)｜)。利用常數x1、x2對由測量電路引起的誤差進行線性校正。測量電路中的誤差通常因周圍溫度、電路的負載(寄生電容或短路)、和工作電壓的變化所致。
下面，將參照利用圖1A的接線圖和圖1B的框圖所圖示說明的本發(fā)明的一個實施例，以及圖示說明本發(fā)明的一些特定曲線的圖2和3，對本發(fā)明作詳細的描述。
圖1A所示的電子測量儀器如下工作方框110由測量振蕩器組成，當連接器120由控制邏輯130進行控制時，方框140中的被測電容CM1至CM5和基準電容CR1、CR2、CR3通過模擬開關120交替地與振蕩器的基本電容Cp并聯(lián)連接。
每個檢測器的校準因子數據和對應于測量電路常數CR3的Y值YCR3在校準狀態(tài)開始時被存入方框150的E2PROM存儲器電路中。存儲器150由與上述測量電路110到150相同的控制信號控制。存儲器信號只有當CS信號有效(5V)時才生效。圖1B是一個使用本發(fā)明方法的裝置的原理框圖。方框100包含一個由計算機單元(方框200)控制的測量單元。初始時，圖1B中的計算機單元從測量單元100的E2PROM存儲器150中讀取檢測器的校準數據和常數YCR3的值，所述數據已在校準狀態(tài)開始時被存入所述存儲器中。此后，計算機單元200控制測量單元100，以便檢測器CN依次連接于測量振蕩器110，并根據上述數據測量其周期時間。計算機單元200按照存在程序存儲器中的為每個檢測器類型的特定的算法計算檢測器CN的讀數，且將它們沿串行通道(RS232C)輸出到一個終端，到一個顯示器，或到另一臺計算機。
下面，將更為詳細地描述本發(fā)明的各種細節(jié)的實施例。
關于測量振蕩器110和轉換裝置120的構造，參照FI專利4，664號和57，319號，以及FI專利申請?zhí)?42191，842192和842193。
根據本發(fā)明，對基準電容CR，加進了一個第三恒定電容CR3，其電氣值選在另外兩個基準電容量CR1和CR2的中值處，不必準確，CR1和CR2的數值處于測量范圍的末端區(qū)域。在特殊情況下，例如，CR1可以為CR1≈opF。
根據本發(fā)明，使用恒定量CR3是為了提高在恒定量CR1和CR2之間的測量電子儀器的精度，尤其是電子測量儀器和檢測器工作在與校準情況相比為不同的各種溫度的情況下時，與校準情況相比較，在所述情況下測量振蕩器中發(fā)生了變化，例如，測量電容改變，和/或希望知道電子測量儀器中是否已經發(fā)生了變化(自診斷)。
參照圖1A、1B和2，振蕩器11的周期時間T＝1/f是｜TN｜＝A0+A1(CP+CN)+A2(CP+CN)2(1)其中-A0、A1和A2在測量周期(CR1-
)中是不可變的，但在周期之間可緩慢變化，-CP是振蕩器的基本電容，-CN是被依次連接的電容，即恒定CR1、CR2、CR3和被測電容CNn(在圖1A中n＝1，2，3，4，5)中的各個電容。
在公式(1)中，A2(CP+CN)2項表示使用兩個基準的先有技術所不能排除的誤差因子。規(guī)定TR2＝當恒定量CR2被連接時，振蕩器的周期時間，TR1＝當恒定量CR1被連接時，振蕩器的周期時間，TM＝當被測的某個CMn被連接時，振蕩器的周期時間。
由此，測量系統(tǒng)的初始量YM可以計算如下YM＝ (TR2-TM)/(TR2-TR1) (1a)代入公式(1)，從而
YM＝ (A0+A1(CP+CR2)+A2(CP+CR2)2)/(A0+A1(CP+CR2)+A2(CP+CR2)2)(-A0-A1(CP+CM)-A2(CP+CM)2)/(-A0-A1(CP+CR1)-A2(CP+CR2)2)(2)YM=CR2-CM+｜A2A1｜［(CP+CR2)2－(CP＋CM )2］CR2-CR1+｜A2A1｜［(CP＋CR2)2－(CP＋CR1)2］]]>如果不存在非線性項，但是A2＝0，YM＝ (CR2-｜CMN｜)/(CR2-CR1) (4)從而緩慢變化項A0和A1已被消除。根據本發(fā)明，對電子測量儀器加進一個第三恒定量CR3到恒定量CR2和CR1之間的中值區(qū)域，則A2項的誤差部分的影響就被排除了。
假設A2＝0(公式(1))，則在校準開始測得的YCR3為
YCR3＝CR2-CR3/CR2-CR1按照本發(fā)明，由(5)式得到的YCR3值被存入電子測量儀器中的存儲器。在隨后的測量周期中，對YCR3的值進行觀測和計算，如果它有變化，將對待測的檢測器的YM值進行如下校正。下面，將對本發(fā)明的這些方法步驟進行更為詳細的解釋規(guī)定YCR3＝在初始狀態(tài)中，即在校準開始時，恒定CR3的Y值;
YCR3′＝在正在被檢查的測量周期中第三個恒定量CR3的Y值;
△Y3＝YCR3-YCR3′ (5)按照本發(fā)明YM值的校正值△YM(圖3)可按下式計算△YM＝△Y3·YM(YM-1)/YCR3′(YCR3′-1) (6)因此，可按下式計算正在被測量的檢測器電容CM的最終(精確)的Y值(Y′M)Y′M＝YM〔1-△Y3(YM-1)/YCR3′(YCR-13)〕 (7)在本發(fā)明的方法中，保存了函數T＝f(CN)原始的曲線形式，即便在校準之后改變了A2。而且，本發(fā)明的方法沒有去除A2，而只是按照上述的計算消除了它的誤差影響。
依照所述，本發(fā)明使用了第三個恒定量CR3，以便在進行適當校準之前的初始狀態(tài)中借助于其它兩個恒定量CR1和CR2能對它的數值進行測量和儲存。第三個恒定量CR3的值選在兩個恒定量CR1和CR2的中值處。根據本發(fā)明的方法，在校準狀態(tài)和測量狀態(tài)下測量第三個恒定量中的變化，據此變化，對將被測量之值(公式7)進行校正，從而校正了非線性項A2(公式1)?？蓪⒌谌齻€恒定量CR3的值用作所謂的自診斷，并且根據其值的變化，可對接口電子測量儀器的條件作出結論。
例1下面，參考圖4和圖5，說明對于本發(fā)明的方法的精確性的第一個測試例，其中，在圖1所示的范圍里選擇了下列值CR2＝20pfCR1＝opfCR3＝10pf環(huán)境溫度TA＝23°振蕩器Cl＝100pf利用四個標準電容器CM1～CM4(它們是封裝在玻璃中的標標電容器)進行本例1的測量。
在測量過程中，改變振蕩器的負載電容CL＝100pf→opf。圖4中，測量結果表示如下＊＝通過以兩個基準為基礎而計算產生的Y值的未校正誤差;
f＝根據本發(fā)明，和用三個基準而得到的并經過校正的Y值的誤差。
圖5示明了當CL＝100→opf時，待測量的電容中的變化量作為待測量電容(pf)的函數。
可按下面的方法計算電容CMn的測量誤差的幅值｜CMn｜＝CR2-YM(CR2-YM)(｜dCMn｜)/(dYM) ＝-(CR2-CR1)｜△CMn｜＝(CR2-CR1)×YM由圖4可知，最大的校正誤差為△YM＝0.0001。
△CM＝0.0001×20pf＝2fF(f＝10-15)壓力檢測器的靈敏度為1.4fF/hpa例1所述的負載電容CL的變化表明了任何某個待測檢測器有故障并被短路的情況，從而去耦電容的接地產生了一個故障狀態(tài)。
例2(圖6和7)其初始值同于例1。通過把環(huán)境溫度從AT22℃變?yōu)?39°對本發(fā)明的方法進行測試。其結果以相同于圖4和圖5的方法示于圖6和圖7中。
例2模擬了這樣一個情況一一待測量的檢測器和進行測量的電子儀器都被置于與校準情況相比不同的各種溫度下。
采用本發(fā)明的方法，可以提高測量精度，特別是在高要求的測量中。進而，可以消除同一電子測量儀器中有故障的檢測器對其它檢測器的影響。借助于本發(fā)明的方法，例如用n個壓力檢測器，便可得到一個很寬測量范圍的壓力傳感器。多個比較靈敏的檢測器短路，不會影響在測量范圍的上端(高壓)進行測量的檢測器的正常工作，本發(fā)明的方法還可用于電子測量儀器的自診斷。
根據本發(fā)明，通過采用第三基準阻抗，可以消除測量系統(tǒng)初始值YM和被測阻抗的非線性關系。根據本發(fā)明，由于采用了第三恒定基準阻抗，因而即使由于測量電路中的負載，溫度或其他因素發(fā)生變化從而導致非線性本身的變化，也可使非線性的影響保持不變。
雖然上面已述及第三基準阻抗，但應指出，在某些特殊場合，也可用其共同效果類似于上述一個第三基準阻抗的兩個或多個第三基準阻抗取代第三基準阻抗。但通常最好還是只用一個第三基準阻抗。
下面將給出專利的權利要求
，根據本發(fā)明所做的各種變形和修改必將限制在其中。
權利要求
1.測量阻抗，尤其是低電容量阻抗的方法，用于提高測量和穩(wěn)定精度，在該方法中，采用了包括若干其電氣值位于測量范圍內的基準阻抗的電子測量儀器，通過測量電路的轉換裝置，測量儀器依次交替與該阻抗或被測阻抗相連，該方法的特征在于包括下列步驟的組合a)第一和第二基準阻抗CR1和CR2與測量電路依次相連，并將所述基準阻抗的值設定為第一基準阻抗CR1的值處于測量范圍的低端而第二基準阻抗CR2的值處于測量范圍的高端；b)至少有一個第三基準阻抗CR3依次與測量電路相連；c)利用第一個CR1和第二個CR2基準阻抗，確定相應于第三基準阻抗CR3的測量系統(tǒng)的特定函數Y=F(C)之值Y(CR3)，而且所述值被存儲起來以供以后測量系統(tǒng)之用。d)在校準或等效操作之后，如果有的話，執(zhí)行測量順序，測量相應于第三基準阻抗CR3的測量系統(tǒng)特定函數的一個新值Y′(CR3)，再將所述新值與在前一步驟(C)中所得并被存儲之原始值Y(CR3)相比較，比較結果的差值用于計算(公式7)確定被測阻抗的校正Y值Y′(CN)。
2.如權利要求
1的方法，其特征在于根據測量方法得到的Y函數的校正值Y′M是根據下式進行計算的Y′M=YM[1+ (ΔY3(YM-1))/(YCM3＇(YCR3＇-1)) ]其中，YM＝(CR2-CM)/(CR2-CR1)，根據第一和第二基準阻抗CR1和CR2利用線性模式確定的YM值△Y3＝YCR3-YCR3′;YCR3＝初始狀態(tài)一一即校準狀態(tài)開始一一時的恒定量CR3的Y值;YCR3′＝被檢測的測量周期中的第三恒定量CR3的Y值;YM＝被測電容的Y值。
3.如權利要求
1或2的方法，特征在于根據這一方法，被測初始量即為測量振蕩器(110)的周期時間(T)，通過電子測量儀器，以實質已知的方法對所述時間進行測量。
4.如權利要求
3的方法，特征在于測量系統(tǒng)的未校正初始量是根據下式進行計算的YM＝(TR2-TM)/(TR2-TR1)其中，TR2＝當連接基準電容CR2時的振蕩器(11)的周期時間;TR1＝連接恒定電容CR1時，振蕩器的周期時間;TM＝被測電容CM連接時振蕩器的周期時間。
5.如權利要求
1～4中任何條所述的方法，特征在于這一方法被用于某個可變物理量的測量，如溫度、壓力、濕度、躍變、力和/或各種幅射。
6.如權利要求
1～5中任何條所述的方法，特征在于相對于原始對應值Y(CR3)的第三基準阻抗的特定函數之值Y′(CR3)的變化被用于測量電路的自診斷，如用于觀測或指示可運行性，或電子測量儀器的故障。
7.如權利要求
1～6中任何條所述的方法，特征在于該方法用于無線電探空儀以進行大氣壓力、溫度、和/或濕度的遙測。
8.如權利要求
1～7中任何條所述的方法，特征在于該方法用于壓力測量，其中，由于使用了幾個電容式壓力檢測器，而增加了測量范圍，這些電容式壓力檢測器的工作范圍結合在一起覆蓋了整個測量范圍，特征還在于采用本發(fā)明的方法，消除了較靈敏的檢測器短路(這些檢測器覆蓋了壓力量程的低端)而對覆蓋測量范圍高端的探測器所產生的影響。
專利摘要
測量阻抗，尤其是低電容量阻抗的方法。為了改進測量精度和穩(wěn)定性，在該方法中，采用了有基準阻抗的電子測量儀器，這些阻抗的電氣值處于測量范圍之中，而且利用測量電路的轉換裝置依次將測量儀器與該阻抗或被測阻抗交替連接。
文檔編號G01R27/02GK87100833SQ87100833
公開日1987年10月7日 申請日期1987年2月13日
發(fā)明者馬蒂·利拉 申請人:瓦薩拉公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan