Спосіб понаднадлишкових (супернадлишкових) вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів

Реферат: Спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів належить до вимірювальної техніки, зокрема до високоточних способів та засобів вимірювання опорів резисторів та резистивних сенсорів, що підключені до вимірювального каналу за допомогою лінії зв'язку. Спосіб оснований на формуванні нормованого за значенням струму I0 з похибкою  I0 формування його нормованого значення I  I0   I0 , пропусканні цього струму через 0   зразковий резистор з нормованим значенням опору R з похибкою  R 0 відтворення його 0 значення R   R 0   R0 та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору R x , 0   підсиленні падіння напруг на зазначених резисторах, аналого-цифровому перетворенні у коди чисел N2 і N3 вихідних напруг U і U вимірювального каналу з лінійною функцією 2 3 перетворення загального типу, запам'ятовуванні отриманих значень напруг з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань. До пропускання нормованого за значенням струму через зразковий резистор та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору, замикають вхід вимірювального каналу на заземлюючу шину, вимірюють напругу зміщення U1 при короткозамкненому вході вимірювального каналу, перетворюють її у код числа N1 , визначають та запам’ятовують дійсне значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень. Порівнюють  числові значення N1 і N2 напруг U1 і U з їх номінальними значеннями N01 і N02 , отриманими 2 на час вводу в експлуатацію засобу вимірювання. За результатами порівняння змінюють UA 108581 C2 (12) UA 108581 C2 крутість та зміщення функції перетворення вимірювального каналу до номінальних значень, послідовно з'єднують зразковий та досліджуваний резистори, пропускають через них нормований за значенням струм I0 , підсилюють падіння напруги на опорі послідовно з'єднаних резисторів, здійснюють аналого-цифрове перетворення вихідної напруги U4 вимірювального каналу у код чисел N4 , запам'ятовують отримане значення напруги, визначають та запам'ятовують значення опору досліджуваного резистора за рівняннями числових значень або як половина суми отриманих значень. Визначають значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень, порівнюють його з попередньо визначеним для визначення його нестабільності. Визначають і запам’ятовують дійсне значення струму через резистори за рівнянням числових значень, отримане значення струму порівнюють зі сформованим періодично раз на хвилину, на годину, на тиждень тощо, при відхиленні його значень за межі допустимих корегують значення струму до номінального до проведення наступних вимірювань. При дії випадкових завад аналого-цифрове перетворення вихідних напруг вимірювального каналу здійснюють n разів, отримані результати усереднюють і використовують для визначення зазначених фізичних величин за відповідними рівняннями числових значень. Технічним результатом є забезпечення автоматичного виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки вимірювання опору досліджуваного резистора чи опору резистивного сенсора, виключення впливу вхідного опору вимірювального каналу на результат вимірювання, визначення дійсного значення вхідного опору та струму через резистори, а також метрологічний самоконтроль стану вимірювального каналу в жорстких умовах експлуатації засобу вимірювання та розширення його функціональних можливостей. UA 108581 C2 5 10 15 Винахід належить до області вимірювальної техніки, зокрема до способів високоточного вимірювання опорів резисторів чи резистивних сенсорів, що підключені до входу вимірювального каналу приладу з кінцевим значенням вхідного опору вимірювального каналу, і може бути використаний для створення новітніх засобів надлишкових вимірювань фізичних величин. Відомий спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів (Э.Г. Миронов. Измерение активных сопротивлений (см. стр. 8, уравнение измерений (4)). Режим доступу: http://studv.urfu.ru/view/aid/8708/1/ Mironov.pdf). оснований на формуванні нормованого за значенням струму, почерговому пропусканні його через зразковий резистор з нормованим значенням опору та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору, вимірюванні падінь напруг на зазначених резисторах, запам'ятовуванні отриманих значень з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань. Відомому способу притаманна недостатня точність вимірювання, оскільки він не забезпечує автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки результату вимірювань, впливу параметрів лінійної функції перетворення на результат вимірювання. Дійсно, після вимірювання падіння напруг UR  S л 1   I0R0  U і 0 20 25 30 URx  S л 1   I0R x  U на резисторах R 0 і R x від нормованого за значенням струму I0 у відомому способі значення опору досліджуваного резистора визначається за рівнянням вимірювань: UR x S лI0R x  U   мп2   ад  S 1   I0R x  U , R x  R0  R0 л  R0  UR0 S л 1   I0R 0  U S лI0R 0  U   мп1   ад  де S  S л 1    - поточна чутливість чи крутість лінійної функції перетворення л вимірювального каналу; S л - номінальна за значенням чутливість;   Sл / Sл - відносне відхилення чутливості в результаті дії дестабілізуючих факторів; мп1  SлI0R0 мультиплікативна складова систематичної похибки вимірювання зразкового резистора; - мультиплікативна складова систематичної похибки вимірювання мп2  SлI0R x досліджуваного резистора; U  U   ад - зміщення функції перетворення відносно нульового рівня з урахуванням адитивної похибки  ад вимірювання, що має місце в результаті дії зовнішніх та внутрішніх дестабілізуючих факторів. Крім того, недоліком відомого способу є також те, що він не забезпечує виключення дії вхідного опору Rв х вимірювального каналу на результат вимірювань. Цей опір зменшує дійсне значення опору резисторів, що підключаються до входу вимірювального каналу. Так, R xRв х , а замість наприклад, замість R x фактично вимірюється опір резистора Rx  R 0 опір R x  Rв х R 0R в х . Це приводить до зменшення точності вимірювання особливо у R 0  Rв х випадках, коли значення опорів зазначених резисторів того ж порядку, що й вхідний опір вимірювального каналу. Відомий спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів (див., наприклад, оснований на формуванні нормованого за значенням струму, почерговому пропусканні його через зразковий резистор з нормованим значенням опору та через досліджуваний резистор з невідомим за значенням опором, вимірюванні падінь напруг на зазначених резисторах, запам'ятовуванні отриманих значень з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань. Відомий спосіб не забезпечує автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та внутрішніх процесів старіння і деградації функціональних блоків, що реалізують зазначені операції. Крім того, недоліком відомого способу є не забезпечення виключення дії вхідного опору вимірювального каналу на результат вимірювань. Відомий спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів (див., наприклад, Долгих В.В.; Кириевский Н.В.; Василевская С.В. Способ измерения электрического сопротивления. Патент РФ 2137144 (13) С1. Кл. 6 G01 R27/00. Режим доступу: http://www.ntpo.com/patents_electronics/ electronics _5/electronics_ 144.shtml) (мовою оригіналу), резистора R  0 35 40 45 50 1 UA 108581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 мовою оригінала, - ″заключающийся в том, что через измеряемое сопротивление пропускают электрический ток, выполняют первое измерение тока и падение напряжения на измеряемом сопротивлении и по их значениям определяют первое значение сопротивления, после первого измерения тока и падения напряжения изменяют ток через измеряемое сопротивление путем включения последовательно с измеряемым сопротивлением дополнительного сопротивления, выполняют второе измерение тока и падение напряжения па измеряемом сопротивлении и по их значениям определяют второе значение сопротивления, а измеряемое сопротивление определяют по приведенной формуле с учетом значений внутреннего сопротивления устройства измерения сопротивления без дополнительного сопротивления и дополнительного сопротивления″. Відомому способу притаманні значні витрати часу на проведення калібрування, оскільки він потребує велику кількість виконання додаткових операції, та недостатня точність аналогоцифрового перетворення. Остання обумовлена тим, що на практиці після калібрування пристрою у нормальних умовах здійснюється його експлуатація в умовах, що відрізняються від нормальних, які теж дають похибку вимірювання ненульового значення. Це призводить до зміни значень параметрів каналу перетворення і появи додаткових систематичних та випадкових складових похибки. Не ясно, як здійснюється ідеальне ототожнювання початкового (вихідного) сигналу з еталонним сигналом. Відомий спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів (див., наприклад, спосіб, описаний у роботі "Термометр на основе микроконтроллера PSoC Cypress и терморезистора, (см. уравнение (4))». Режим доступу: http://old.macrogroup.ru/content/data/store/images/f_6_1237_2.pdf), оснований на формуванні нормованого за значенням струму, пропусканні його через зразковий резистор з нормованим значенням опору та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору, підсиленні падіння напруг на зазначених резисторах, вимірювальному перетворенні у коди чисел вихідних напруг вимірювального каналу при лінійній функції, запам'ятовуванні отриманих значень напруг з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань. Відомому способу також притаманна недостатньо висока точність вимірювання та обмежені функціональні можливості. Відомий спосіб не забезпечує автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та внутрішніх процесів старіння і деградації функціональних блоків вимірювальною каналу, які реалізують зазначені операції. Це обумовлено тим, що у відомому способі передбачається вимірювальне перетворення у код числа різниці потенціалів на опорах резисторів. Тобто рівняння надлишкових вимірювань (4) у відомому способі використано некоректно. Крім того, відомий спосіб не забезпечує виключення впливу на результат вимірювали параметрів лінійної функції перетворення вимірювального каналу та його вхідного опору. Поставлена технічна задача створення такого способу понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів, який би забезпечив розширення функціональних можливостей засобу вимірювання, автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки вимірювання опору досліджуваного резистора чи опору резистивного сенсора, виключення виливу вхідного опору вимірювального каналу на результат вимірювання, визначення дійсного значення вхідного опору та значення струму, що тече через резистори. Вирішення поставленої технічної задачі досягається тим, спосіб понаднадлишкових (супернадлишкових) вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів, оснований на формуванні нормованого за значенням струму I0 з похибкою I формування його нормованого   0 значення I  I0   I , пропусканні цього струму через зразковий резистор з нормованим 0 0 50 55   значенням опору R з похибкою  R відтворення його значення R  R 0  R та через 0 0 0 0 досліджуваний резистор з невідомим значенням опору R x , підсиленні падіння напруг на зазначених резисторах, аналого-цифровому перетворенні у коди чисел N2 і N3 вихідних напруг U і U вимірювального каналу з лінійною функцією перетворення загального типу, 2 3 запам'ятовуванні отриманих значень напруг з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань, від відомих відрізняється тим, що до пропускання нормованого за значенням струму через зразковий резистор та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору, замикають вхід вимірювального каналу на земляну шину, вимірюють напругу зміщення U1 при короткозамкненому вході 2 UA 108581 C2 вимірювального каналу, перетворюють її у код числа N1 , визначають та запам'ятовують дійсне значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень N2  N1  , Rв х  R0  I0 R0   N2  N1  де   х - числове значення вхідного опору вимірювального каналу;    - числове Rв R0 5 10 15 значення зразкового резистора з нормованим значенням опору;   - числове значення струму I0 , I 0 порівнюють числові значення N1 і N2 напруг U1 і U з їх номінальними значеннями N01 і  2 N02 , отриманими на час вводу в експлуатацію засобу вимірювання, за результатами порівняння змінюють крутість та зміщення функції перетворення вимірювального каналу до номінальних значень, послідовно з'єднують зразковий та досліджуваний резистори, пропускають через них нормований за значенням струм I0 , підсилюють падіння напруги на опорі послідовно з'єднаних резисторів, здійснюють аналого-цифрове перетворення вихідної напруги U4 вимірювального каналу у код чисел N4 , запам'ятовують отримане значення напруги, визначають та запам'ятовують значення опору досліджуваного резистора за рівняннями числових значень Rx   R0  N3  N1 N 4  N2  N2  N1 N 4  N3 та  x      R R0 20 25 30  N2  N1  або як половина суми отриманих значень, тобто Rx 3  0,5Rx 1  Rx 2  , визначають значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень  Rв х  N3  N1 R x  , I0 Rx   N3  N1  порівнюють його з попередньо визначеним для визначення його нестабільності, визначають і запам'ятовують дійсне значення струму через резистори за рівнянням числових значень N3  N2 , I0   Rx  R0  2 Rв х ( x    х)(     х) R Rв R0 Rв отримане значення струму порівнюють зі сформованим періодично раз на хвилину, на годину, на тиждень тощо, при відхиленні його значень за межі допустимих корегують значення струму до номінального до проведення наступних вимірювань. 2. Спосіб за п. 1 відрізняється від відомих тим, що при дії випадкових завад аналогоцифрове перетворення вихідних напруг вимірювального каналу здійснюють декілька разів, наприклад десять разів n  10 , отримані результати усереднюють і використовують для визначення зазначених фізичних величин за рівняннями числових значень: Rв х  R0  Rx   R0  Rx   R0  35 N3  N1      I0 R0    I0 R 0   1N3  N1    Rx 3 1 n 1 n  N2i  n  N1i n i 1 i 1 n  n  I0 R0    1  N2i  1  N1i  n n i 1   i 1   R  0 N3  N1 N4  N2 ,  N2  N1 N4  N3 N3  N1     I0 R0    I0 R0   1 N3  N1 N N  1  2   0,5  x 1  Rx 2 , R    ,  3   N2  N1 ,  R   N2  N1 I0 0    UA 108581 C2 N3  N1 Rx  , I0 Rx   N3  N1  Rв х  N3  N 2 I0   , Rx  R0  Rв х (Rx   R х)(R   R х) в 0 в де N1,N2 ,N3 ,N4 ,  x  і   х - усереднені числові значення напруг, струму і опорів. I0 , R Rв 5 10 15 20 2 На рис. наведена функціональна схема засобу вимірювання з розширеними функціональними можливостями, де 1 - резистор з нормованим значенням опору; 2 досліджуваний резистор з невідомим значенням опору; 3 і 4 перший і другий автоматичні перемикачі; 5 - вхідний опір вимірювального каналу невідомого значення; 6 - додатковий резистор; 7 - вимірювальний канал, що включає вимірювальний перетворювач 8 та суматор 9; 10 джерело струму; 11 - мікроконтролер; 12 - - рідинно-кристалічний індикатор; 13 клавіатура; 14 - загальна шина. Суть запропонованого способу полягає в наступному. Понаднадлишкові вимірювання - це надлишкові вимірювання при розширеному числі вимірювальних вхідних фізичних величин. Тобто оптимальне число вхідних величин, що вимірюються, і які забезпечують вимірювання опору досліджуваного резистора чи резистивного сенсора, збільшується на декілька фізичних величин. У запропонованому способі замість трьох використовується чотири фізичні величини, що підлягають вимірювальному перетворенню. Це забезпечує розширення функціональних можливостей способу та визначення більшої кількості величин невідомих значень. Понаднадлишкові чи супернадлишкові вимірювання - це новітній напрямок у теорії надлишкових вимірювань, що розвиває автор (див. мій сайт: kondratov.com.ua, розділ "главные труды 2013"). Запропонований спосіб понаднадлишкових (супернадлишкових) вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів оснований на формуванні нормованого за значенням струму I0 з похибкою I0 формування його нормованого значення I  I0   I0 . Вибір значення струму 0 залежить від діапазону опорів досліджуваних резисторів. Стабільний струм I0 заданого значення пропускають через зразковий резистор з нормованим значенням опору R з похибкою  R відтворення його значення R  R 0  R 0 0  25  0 30 35  0  та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору R x . Падіння напруг на резисторах R і R x підсилюється до рівня, достатнього для 0 перетворення у цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача, що вбудований в мікроконтролер, з заданим діапазоном вхідних напруг. Згідно з запропонованим способом, вимірювальному перетворенню у коди чисел N2 і N3 підлягають вихідні напруги напруг U2 і U3 вимірювального каналу з підключеним на його виході аналого-цифровим перетворювачем. При цьому обидва функціональні блоки мають лінійні функції перетворення. Загальна функція перетворення вимірювального каналу має вид Ux  I0R x  U , де U - зміщення функції перетворення. При пропусканні струму I через резистори R і R x та підсиленні падіння напруг, на виході 0 0 вимірювального каналу отримують напруги U  I 2 0 R R в х 0  U , R  R в х 0 (1) U  I 3 0 R xRв х  U , R x  Rв х (2) 40 де U - напруга зміщення з урахуванням дії опору rкз автоматичних перемикачів у режимі замикання; I - - струм через резистор з похибкою I формування його нормованого значення 0 I0  I0  I  ; R0 R0  R0  R  . 0 45 0 - опір зразкового резистора з похибкою  R відтворення його значення 0 0 4 UA 108581 C2 Отримані напруги перетворюють у коди чисел N2 і N3 . При цьому числові значення напруг визначаються за рівняннями числових значень:  R0 Rв х  U ,  N2  S 0 U   S 0     2  I0 R     R в х 0   (3)  R x Rв х  U ,  N3  S 0 U   S 0     3  I0 R     R в х x   (4) 5 де 10 S0  R0  - числове значення зразкового резистора з нормованим значенням опору;   - числове значення струму I0 I . 0 Від відомих запропонований спосіб відрізняється тим, до пропускання нормованого за значенням струму через зразковий резистор R та через досліджуваний резистор R x з 0 невідомим значенням опору замикають вхід вимірювального каналу на земляну шину. На виході вимірювального каналу виникає напруга  0 U1  I 15 - крутість перетворення аналого-цифрового перетворювача; rзRв х  U  U , rз  Rв х (5) де rз - - близький до нуля сумарний опір двох послідовно з'єднаних автоматичних перемикачів ( rз  0,1 Ом), що здійснюють замикання входу вимірювального каналу на земляну шину; U - напруга зміщення з урахуванням нерівності нулю опору rз . Вимірюють напругу зміщення U1 [(5) при короткозамкненому вході вимірювального каналу.  Перетворюють напругу U1 (5) у код числа  20   r R  N1  S 0  1  S 0     кз в х  U  S 0 U , U  I0 r      Rв х кз   (6) Визначають та запам'ятовують дійсне значення (6) вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень. Після цього визначають та запам'ятовують дійсне значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень 25 Rв х  R0  N2  N1  , I0 R0   N2  N1  (7) де  в х - числове значення вхідного опору вимірювального каналу. R Отримані числові значення N1 (6) і N3 (3) напруг U1 і U2 порівнюють з їх номінальними 30 35 значеннями N01 і N02 , отриманими на час вводу в експлуатацію засобу вимірювання. Можливо використання даних й при попередніх вимірюваннях. Головне, щоб було видно допустимі відхилення параметрів функції перетворення вимірювального каналу від тієї чи іншої "опорної точки початку вимірювань" при жорстких умовах експлуатації засобу вимірювання. За результатами порівняння змінюють крутість та зміщення функції перетворення вимірювального каналу до номінальних значень. Послідовно з'єднують зразковий та досліджуваний резистори. Пропускають через них нормований за значенням струм I . Підсилюють падіння напруги U4 на опорі послідовно 0 з'єднаних резисторів, тобто здійснюють вимірювальне перетворення вихідної напруги U4  I 0 40 R x  R0 Rв х  U , R x  R0   Rв х (8) вимірювального каналу у код числа 5 UA 108581 C2   R x  R0 Rв х , N 4  S 0  4   S 0  I U  0 R  R   R  U  x 0 вх   5 (9) Отримане значення (9) напруги U4 запам'ятовують. Після цього визначають та запам'ятовують значення опору досліджуваного резистора з невідомим значенням опору за рівняннями числових значень R x   R0  U3  U1 U 4  U2 ,  U2  U1 U 4  U3 (10) та R x   R0  N3  N1  ,        I0 R 0 I0 R0     N  N  1N3  N1   1  2  (11) 10 або як половина суми отриманих значень, тобто R x   0,5R x 1  R x 2  , 15 (12) Як видно з рівнянь числових значень (10), (11) та (12), понаднадлишкові вимірювання забезпечують отримання трьох різних за похибками значень опору досліджуваного резистора чи резистивного сенсора. Як видно з (10), результат понаднадлишкових вимірювань опору досліджуваного резистора чи резистивного сенсора не залежіть від нормованого за значенням струму I та похибки I 0 0 20 його формування, від значення опору Rв х вхідного резистора і його довгострокової нестабільності та від зміщення U функції перетворення вимірювального каналу. В той же час результат залежіть від похибки  R відтворення значення опору зразкового резистора R . Як 0 0 25 30 35 правило, вони дуже малі, оскільки вимірюється за допомогою прецизійних вимірювачів. Завдяки реалізації операції віднімання отриманих числових значень виключається адитивна складова систематичної похибки результату понаднадлишкових вимірювань, а завдяки реалізації операції ділення - мультиплікативна складова похибки. З (11) видно, що результат понаднадлишкових вимірювань опору досліджуваного резистора чи резистивного сенсора не залежіть від значення опору Rв х вхідного резистора та його довгострокової нестабільності та від зміщення U функції перетворення вимірювального каналу. В той же час результат залежіть як від похибки  R відтворення опору зразкового 0 резистора R , так й від похибки I формування струму I . Як правило зазначені похибки дуже 0 0 0 малі. Значення цих фізичних величин визначаються апріорі за допомогою прецизійних засобів вимірювання. У рівняннях числових значень (10) і (11) завдяки реалізації операції віднімання отриманих числових значень напруг виключається адитивна складова систематичної похибки результату понаднадлишкових вимірювань, а завдяки реалізації операції ділення - мультипливативна складова похибки. Згідно з запропонованим способом, визначають значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень 40 Rв х  N3  N1 R x  , I0 R x   N3  N1  (13) 6 UA 108581 C2 5 Порівнюють отримане значення (13) вхідного опору з попередньо визначеним. Це необхідно для оцінювання нестабільності вхідного опору вимірювального каналу або його флуктуацій за часом. Далі визначають та запам'ятовують дійсне значення струму I через резистори за рівнянням 0 числових значень I0   10 15 N3  N2 , R x  R0  Rв х2 ( x   в х)(    в х) R R R0 R (14) Слід зазначити, що у (14) всі значення фізичних величин відомі і отримані за результатами описаних вище вимірювальних перетворень та апріорі заданими нормованими значеннями струму та зразкового резистора. Отримане значення струму (14) порівнюють зі сформованим і нормованим за значенням струмом I періодично раз на хвилину, на годину, на тиждень тощо. У разі відхилення його 0 значень за межі допустимих, корегують значення струму (14) до номінального значення, причому до проведення наступних вимірювань. Спосіб за п. 1 від відомих відрізняється тим, що при дії випадкових завад аналого-цифрове перетворення вихідних напруг вимірювального каналу здійснюють декілька разів, наприклад десяті разів n  10 , отримані результати усереднюють і використовують для визначення зазначених фізичних величин за рівняннями числових значень: Rв х  R0  1 n 1 n  N2i  n  N1i n i 1 i 1 n  n  I0 R0    1  N2i  1  N1i  n n i 1   i 1   R  0 N2  N1  , I0 R0  N2  N1  (15) 20 N3  N1 N4  N2 ,  N2  N1 N4  N3 Rx   R0  Rx   R0  (16) N3  N1     I0 R0    I0 R0   1 N3  N1 N N  1  2   Rx 3  0,5Rx 1  Rx 2  , Rв х  I0   25 30 N3  N1 Rx  , I0 Rx   N3  N1  N3  N 2 Rx  R0  Rв х (Rx   R х)(R   R х) в 0 в  , (17) (18) (19) , (20) 2 де N1,N2 ,N3 ,N4 ,  x  і   х - усереднені числові значення напруг, струму і опорів. I0 , R Rв Розглянемо суть запропонованого способу вимірювань на прикладі роботи засобу вимірювання, функціональна схема якого з розширеними функціональними можливостями наведена на рисунку. Нормований за значенням зразковий резистор R та досліджуваний резистор R x 0 підключаються до входу вимірювального каналу 7 через автоматичні перемикачі 3 і 4. У замкненому стані перехідний опір автоматичного перемикача дорівнює rз / 2 . Струм від кодокерованого джерела струму 10 подається на резистори через додатковий (обмежувальний) 7 UA 108581 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 резистор 6 (див. резистор R Д на рисунку). Керування джерелом струму 10, а значить й значенням сили струму, здійснюється за сигналом, що надходить з порту Р2 мікроконтролера 11. Відлік результатів вимірювання здійснюється за допомогою рідинно-кристалічного індикатора 12, який, як й клавіатура 13, підключені до виходів порту Р2 мікроконтролера 11. За допомогою клавіатури 13 здійснюється включення та виключення засобу вимірювання, вибір режимів роботи, пов'язаних з вимірюванням однієї чи декількох опорів, струму чи вхідного опору вимірювального каналу, сповіщення оператора, види сигналізації тощо, а також вибір тієї чи іншої сервісної програми. Робота засобу вимірювання складається з чотирьох тактів вимірювального перетворення опорів резисторів та одного такту обчислення отриманих результатів. У першому такті автоматичні перемикачі 3 і 4 знаходяться у положенні, протилежному показаному на рисунку. Це забезпечується шляхом подачі команди з виходу порту Р3 мікроконтролера 11 на входи "b" і "с" автоматичних перемикачів 3 і 4 відповідно. Ця команда надходить у вигляді логічної одиниці ("1"). В результаті автоматичні перемикачі 3 і 4 переводяться у стан, протилежний показаному на рисунку. В цьому випадку паралельно входу вимірювального перетворювача 8 вимірювального каналу 7 підключаються два автоматичних перемикачі 3 і 4 з сумарним опором rз . Напруга (5) з виходу суматора 9 надходить на вхід аналого-цифрового перемикача, вбудованого в мікроконтролер 11. Числове значення (6) напруги (5) запам'ятовується в оперативному запам'ятовуючому пристрою мікроконтролера 11. У другому такті на входи "b" і "с" автоматичних перемикачів 3 і 4 з відповідних виходів порту Р3 мікроконтролера 11 надходять сигнали логічного нуля "0". В результаті автоматичні перемикачі 3 і 4 встановлюються в положення, вказане на рисунку. Паралельно вхідному резистору Rв х підключається зразковий резистор R . На виході суматора 9 формується 0 напруга (1), яка, як й напруга (5), перетворюється у код числа (3) за допомогою аналогоцифрового перетворювача. Отримане числове значення (3) напруги (1) запам'ятовується в оперативній пам'яті мікроконтролера 11. У третьому такті на вхід курування "b" автоматичного перемикача 3 з виходу "b" порту Р3 мікроконтролера 11 надходить сигнал логічної одиниці "1". В результаті автоматичний перемикач 3 встановлюється в положення, яке протилежне вказаному на рисунку. У третьому такті паралельно вхідному резистору Rв х підключається резистор R x . На виході суматора 9 формується напруга (2), яка перетворюється у код числа (4) за допомогою аналого-цифрового перетворювача. Отримане числове значення (4) напруги (2) запам'ятовується в оперативній пам'яті мікроконтролера 11. У четвертому такті на входи "b" і "с" автоматичних перемикачів 3 і 4 з відповідних виходів порту Р3 мікроконтролера 11 надходять сигнали логічного нуля "0" і логічної одиниці "1" відповідно. В результаті автоматичний перемикач 3 встановлюється в положення, показаному на рисунку, а автоматичний перемикач 4 встановлюються в положення, що протилежне показаному на рисунку. Паралельно вхідному резистору Rв х підключається послідовно з'єднані зразковий та досліджуваний резистори R і R x . На виході суматора 9 формується напруга (8), 0 яка перетворюється у код числа (9) за допомогою аналого-цифрового перетворювача. Отримане числове значення (9) напруги (8) запам'ятовується в оперативній пам'яті мікроконтролера 11. В п'ятому такі здійснюється обробка результатів вимірювального перетворення у напруги опорів зазначений вище резисторів, а потім й у коди чисел. Обробка здійснюється за рівняннями числових значень (7), (10), (11), (12), (13) і (14). Слід зауважити, що обробка результатів проміжних вимірювальних перетворень може здійснюватися зразу після отримання необхідних даних, тобто без очікування п'ятого такту. Отримані значення опорів, струму та вхідного опору вимірювального каналу відображаються на екрані рідинно-кристалічного індикатора 12. При дії випадкових завад аналого-цифрове перетворення вихідних напруг вимірювального каналу здійснюють декілька разів, наприклад десять разів n  10 . Отримані результати усереднюють і використовують для визначення зазначених фізичних величин за рівняннями числових значень (15) - (20). Це забезпечує зменшення випадкової складової похибки вимірювання. Як вже зазначалося, вимірювальний канал 7 складається з вимірювального перетворювача 8 та суматора 9. Вхід керування крутістю перетворення вимірювального перетворювача 8 з'єднаний через порт DAC2 з виходом вбудованого в мікроконтролер 11 другого цифроаналогового перетворювача. При цьому другий вхід суматора 9 з'єднаний через порт DAC1 з 8 UA 108581 C2 5 10 15 20 виходом вбудованого в мікроконтролер 11 першого цифро-аналогового перетворювача. Згідно з запропонованим способом, після визначення значення напруги (2) та значення напруги зміщення (5) лінійної функції перетворення вимірювального каналу 7, здійснюється корегування параметрів функції перетворення до номінальних значень. Для цього, за командою з мікроконтролера 11, отримані значення порівнюються з апріорі отриманими оптимальними значеннями. За програмою, записаною в мікроконтролері 11, визначаються різниці числових значень щодо падіння напруги на опорі R та зміщення. Формуються відповідні напруги на 0 виходах DAC1 і DAC2, які подають на вхід керування вимірювального перетворювача 8 і другий вхід суматора 9 для здійснення корегування параметрів вимірювального каналу, тобто до отримання оптимальних чи близьких до них значень напруги (2) і зміщення (5). Це може здійснюватися один раз у хвилину, у годину, у добу тощо, в залежності від стабільності функції перетворення вимірювального каналу. Таким чином, запропонований спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів забезпечує вирішення поставленої технічної задачі: розширення функціональних можливостей засобу вимірювання, автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки вимірювання опору досліджуваного резистора чи опору резистивного сенсора, виключення впливу вхідного опору вимірювального каналу на результат вимірювання, визначення дійсного значення вхідного опору та значення струму, що тече через резистори, а також зменшення випадкової складової похибки вимірювання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб понаднадлишкових вимірювань опору резисторів і резистивних сенсорів, оснований на 25 формуванні нормованого за значенням струму (I'0  I0  I0 ) , де I0 - похибка формування, пропусканні цього струму через зразковий резистор з нормованим значенням опору (R'0  R0  R0 ) , де  R 0 - похибка формування, та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору R x , підсиленні падіння напруг на зазначених резисторах, аналого-цифровому 30 35 перетворенні у коди чисел N2 і N3 вихідних напруг U '2 і U '3 вимірювального каналу з лінійною функцією перетворення загального типу, запам'ятовуванні отриманих значень напруг з наступним визначенням дійсного значення опору досліджуваного резистора за відомим рівнянням вимірювань, який відрізняється тим, що до пропускання нормованого за значенням струму через зразковий резистор та через досліджуваний резистор з невідомим значенням опору, замикають вхід вимірювального каналу на заземлюючу шину, вимірють напругу зміщення U1 при короткозамкненому вході вимірювального каналу, перетворюють її у код числа N1 , визначають та запам'ятовують дійсне значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень (N2  N1) ' Rв х  R '0 , ' I0 R'0  (N2  N1) 40        R де R  - числове значення вхідного опору вимірювального каналу,   - числове значення зразкового резистора з нормованим значенням опору, I  - числове значення струму I , 45 ' порівнюють числові значення N1 і N2 напруг U1 і U '2 з їх номінальними значеннями N01 і N02 , отриманими на час вводу в експлуатацію засобу вимірювання, за результатами порівняння змінюють крутість та зміщення функції перетворення вимірювального каналу до номінальних значень, послідовно з'єднують зразковий та досліджуваний резистори, пропускають через них нормований за значенням струм I0 , підсилюють падіння напруги на опорі послідовно з'єднаних ' вх ' 0 ' 0 ' 0 резисторів, здійснюють аналого-цифрове перетворення вихідної напруги U4 вимірювального каналу у код чисел N4 , запам'ятовують отримане значення напруги, визначають та запам'ятовують значення опору досліджуваного резистора за рівняннями числових значень N3  N1 N4  N2 R 'х  R '0  N2  N1 N4  N3     9 UA 108581 C2 (N  N )      I R   I R   N  N  1N та R 'х  R '0 3 1 ' 0 ' 0 3  N1  1  2  або як половина суми отриманих значень, тобто ' 0 R  ' х 3 ' 0    R  ,  0,5 R 'х ' х 2 1 визначають значення вхідного опору вимірювального каналу за рівнянням числових значень 5  N N ) R  I (R  (NR N ) , ' вх 15 ' 0 ' х 1 3 1 порівнюють його з попередньо визначеним для визначення його нестабільності, визначають і запамятовують дійсне значення струму через резистори за рівнянням числових значень N3  N2 I'0  , R 'x  R '0 ' 2 Rв х  ' ' R 'x  Rв x R '0  Rв x отримане значення струму порівнюють зі сформованим періодично раз на хвилину, на годину, на тиждень тощо, при відхиленні його значеннь за межі допустимих корегують значення струму до номінального до проведення наступних вимірювань. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при дії випадкових завад аналого-цифрове перетворення вихідних напруг вимірювального каналу здійснюють n разів, отримані результати усереднюють і використовують для визначення зазначених фізичних величин за рівняннями числових значень:  10 3 ' x           Rв х  R0  1 n 1 n  N2i  n  N1i n i 1 i 1  n I0 R0    1  N2i  1  N1i     n i 1 R  R  N N ' х  n ' 0 n i 1  N1 N4  N2 ,  2  N1 U4  U3 3 ' 0 ' 0 20 R  N2  N1  , I0 R0  N2  N1   N  N  R  R  I I R   N R  1N N ' х  R  0 3 ' 0 ' 0 2  ' 0 1 1  3  N1  ,      N R  I R N NR   ,  N N  N  I  , R  R  R       R  R  R 0 R     ' х 3 ' вх  0,5 R 'х 1  R 'х 2  ,     3 ' 0 ' 0 ' x 1 ' x 3 1 3 ' вх 2 ' х 2 ' х ' вх ' 0 ' х ' вх де N1,N2 ,N3 ,N4 ,  x  і   х - усереднені числові значення напруг, струму і опорів. I0 , R Rв 10 UA 108581 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11