Способ измерения активного сопротивления и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ловецкий Борис Константинович Горбачев Николай Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ измерения активного сопротивления, заключающийся в формировании временного интервала, в котором создают ток, пропорциональный величине измеряемого сопротивления, заряжают этим током измерительный конденсатор, формируют измерительное напряжение на измеряемом сопротивлении, пропорциональное току заряда измерительного конденсатора, и сравнивают это напряжение со сформированным опорным напряжением, отличающийся тем, что измерительное напряжение формируют изменяемым во времени по экспоненциальному закону в одном направлении, а опорное напряжение формируют изменяемым по аналогичному закону в противоположном направлении навстречу измерительному напряжению до момента времени их уравнивания,по которому определяют временной интервализмерительного цикла, а величину измеряемого сопротивления и определяют из выражения где и - емкость измерительного конденсатора- величина опорного сопротивления- емкость опорного конденсатора. 2. Устройство для измерения активного сопротивления способом по п. 1, характеризующееся тем, что содержит источник измерительного напряжения и источник опорного напряжения, каждый из которых содержит соответственно измерительный и опорный конденсаторы, ключ, измеряемое и опорное сопротивления, причем измерительный конденсатор, ключ и измеряемое сопротивление источника измерительного напряжения своими первыми выводами подключены к первому входу компаратора, второй вывод измеряемого сопротивления подключен к первому выходу источника питания, вторые выводы измерительного конденсатора и ключа подключены ко второму выходу источника питания опорный конденсатор, ключ и опорное сопротивление источника опорного напряжения своими первыми выводами подключены ко второму входу компаратора, вторые выводы опорного конденсатора и ключа подключены к первому выходу источника питания, а второй вывод опорного сопротивления подключен ко второму выходу источника питания. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению сопротивления, и может быть использовано как самостоятельно, так и в составе систем автоматического управления и контроля для измерения физических величин, выходным параметром которых является активное сопротивление, например в кондуктометрических измерителях влажности древесины. Известен способ измерения сопротивления 1, основанный на преобразовании измеряемого сопротивления в постоянное напряжение, которое преобразуют во временной интервал. Недостатком способа является необходимость осуществления большого количества необходимых диапазонов измерений, ограниченный верхний предел измеряемого сопротивления (10 МОм). Это обусловлено высокоточным измерением сопротивления, которое не всегда востребовано. Известно также устройство для измерения высокоомных сопротивлений 2, при работе которого измеряемое сопротивление включено в один из двух разрядных -контуров. Измерение осуществляют следующим образом. Оба контура сначала заряжают до определенного напряжения, а затем одновременно разряжают. Напряжения на контурах при разряде изменяются в соответствии с постоянными времени этих контуров. Подстройкой добиваются равенства постоянных времени разряда в обоих контурах, при котором напряжения разряда будут одинаковыми, что фиксируют сравнивающим устройством, например нуль-органом. Из равенства постоянных времени разряда контуров определяют величину измеряемого сопротивления. Недостатком способа является необходимость подстройки параметров контуров при каждом измерении, что увеличивает время измерения и затрудняет процесс автоматизации измерений. Известен мегомметр 3, включающий конденсатор, подключенный к источнику постоянного напряжения и разряжаемым на измеряемое сопротивление, в котором применен каскад сравнения напряжений, соединенный с конденсатором и источником постоянного напряжения. Недостатком этого устройства является ограниченный верхний предел измеряемого сопротивления (500 МОм), вызванный большим временем измерения. 17554 1 2013.10.30 Известно также устройство для измерения сопротивлений 4, содержащее измеряемое сопротивление, эталонное сопротивление, конденсаторы, параллельно соединенные с этими сопротивлениями. Устройство содержит также источник напряжения питания и формирователь импульсов времени разряда, которые подключены к конденсаторам и измеряемому и эталонному сопротивлениям через ключевые элементы. Недостатком устройства является то, что оно позволяет расширить диапазонизмерения только в сторону низкоомных сопротивлений, а предел измерения высокоомных сопротивлений требует большого времени измерения. Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является способ измерения сопротивления (активного сопротивления) и устройство для его осуществления 5. Способ заключается в том, что измеряемое сопротивление преобразуют во временной интервал. При этом формируют ток (этот ток пропорционален величине измеряемого сопротивления), интегрируют этот ток, (т.е. заряжают этим током конденсатор, который для удобства обозначения далее будем называть измерительным конденсатором). Затем формируют напряжение, пропорциональное интегральному значению тока (то есть формируют напряжение, пропорциональное току заряда измерительного конденсатора, причем это напряжение для удобства обозначения далее назовем измерительным напряжением). После чего сравнивают это напряжение с опорным напряжением. Устройство для осуществления указанного способа измерения сопротивления содержит источники измерительного и опорного напряжения, интегрирующий элемент (это измерительный конденсатор), переключатель, усилитель обратной связи, ключ, компаратор и клеммы для подключения измеряемого объекта, одна из которых подключена к первому выходу источника питания. (Для удобства обозначения в дальнейшем измеряемый объект и клеммы обозначаем как измеряемое сопротивление, один из выводов которого подключен к первому выходу источника питания). При этом к первому входу компаратора подключены первые выводы измерительного конденсатора и ключа, а ко второму входу компаратора подключен источник опорного напряжения. Указанный способ и устройство его осуществления обеспечивает расширение диапазона измерения только в сторону уменьшения сопротивления. Измерение в сторону увеличения сопротивления ограничено и требует значительного увеличения времени измерения на его верхнем пределе, а увеличение количества диапазонов измерения усложняет схему устройства. Задачей изобретения является повышение эффективности процесса измерения за счет значительного сокращения времени измерения и расширения диапазона измерения. Задача решается следующим образом. Известный способ измерения активного сопротивления, заключающийся в формировании временного интервала, в котором создают ток,пропорциональный величине измеряемого сопротивления, заряжают этим током измерительный конденсатор, формируют измерительное напряжение на измеряемом сопротивлении, пропорциональное току заряда измерительного конденсатора, и сравнивают это напряжение со сформированным опорным напряжением. Согласно предлагаемому способу, измерительное напряжение формируют изменяемым во времени по экспоненциальному закону в одном направлении, а опорное напряжение формируют изменяемым по аналогичному закону в противоположном направлении навстречу измерительному напряжению до момента времени их уравнивания, по которому определяют временной интервализмерительного цикла, а величину измеряемого сопротивления и определяют из выражения где и - емкость измерительного конденсатора 3 17554 1 2013.10.30 о - величина опорного сопротивления о - емкость опорного конденсатора. Изменение опорного напряжения навстречу измерительному напряжению существенно сокращает измеряемый временной интервал и, следовательно, расширяет диапазон измерения в сторону увеличения сопротивления. Предлагаемый способ реализован в устройстве для измерения активного сопротивления, которое содержит источник измерительного и источник опорного напряжения. Каждый из источников измерительного и опорного напряжения содержит соответственно измерительный и опорный конденсаторы, ключ, измеряемое и опорное сопротивления. Причем измерительный конденсатор, ключ и измеряемое сопротивление источника измерительного напряжения своими первыми выводами подключены к первому входу компаратора, второй вывод измеряемого сопротивления подключен к первому выходу источника питания, а вторые выводы измерительного конденсатора и ключа подключены ко второму выходу источника питания. Опорный конденсатор, ключ и опорное сопротивление источника опорного напряжения своими первыми выводами подключены ко второму входу компаратора, вторые выводы опорного конденсатора и ключа подключены к первому выходу источника питания, а второй вывод опорного сопротивления подключен ко второму выходу источника питания. Таким образом, наличие вышеуказанных элементов и связей позволяетпростым видоизменением схемы известного устройства осуществить предлагаемый способ более эффективно за счет значительного сокращения времени измерения и расширения диапазона измеряемого сопротивления. На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерения сопротивления. На фиг. 2 показан график зависимостей напряжений от времени при измерении сопротивления. Устройство для измерения активного сопротивления содержит источник питания 1,источник измерительного напряжения 2, источник опорного напряжения 6 и компаратор 10. Источник измерительного напряжения 2 включает в себя измеряемое сопротивление 3,измерительный конденсатор 4 и ключ 5, которые своими первыми выводами подключены к первому входу компаратора 10. Источник опорного напряжения 6 включает в себя опорный конденсатор 7, опорное сопротивление 8 и ключ 9, которые своими первыми выводами подключены ко второму входу компаратора 10. Вторые выводы измерительного сопротивления 3, опорного конденсатора 7 и ключа 9 подключены к первому выходу источника питания 1, а вторые выводы опорного сопротивления 8, измерительного конденсатора 4 и ключа 5 подключены ко второму выходу источника питания 1. В предлагаемом устройстве схемы соединения элементов в источнике измерительного напряжения 2 и источнике опорного напряжения 6 аналогичны и отличаются только параметрами самих элементов. При этом источник измерительного напряжения 2 и источник опорного напряжения 6 подключены к источнику питания 1 в противоположной полярности, что обеспечивает изменение измерительного напряжения 2 в одном направлении, а изменение опорного напряжения 6 в противоположном направлении навстречу измерительному напряжению 2, что значительно сокращает время измерения. Описывая работу предлагаемого устройства, показываем реализацию способа измерения активного сопротивления. Измерение сопротивления по схеме фиг. 1 производят посредством периодических измерительных циклов, в промежутках между которыми схема находится в исходном состоянии. В исходном состоянии ключи 5 и 9 в источниках измерительного напряжения 2 и опорного напряжения 6 замкнуты. При этом на входы компаратора 10 подается напряжение источника питания 1 (зависимость а на фиг. 2), а напряжение на выходе компаратора 10 (зависимость г на фиг. 2) является постоянным определенной величины. В момент начала измерительного цикла ключи 5 и 9 одновременно 4 17554 1 2013.10.30 размыкают и начинают отсчет временного интервала(фиг. 2). При этом в источнике измерительного напряжения 2 происходит заряд измерительного конденсатора 4 через измеряемое сопротивление 3, а в источнике опорного напряжения 6 происходит заряд опорного конденсатора 7 через опорное сопротивление 8. При заряде измерительного конденсатора 4 на измеряемом сопротивлении 3 формируют измерительное напряжение(зависимость в на фиг. 2) и подают это напряжение на первый вход компаратора 10. При этом измерительное напряжение (зависимость в на фиг. 2) изменяется во времени(уменьшается) по экспоненциальному закону нп(/ии),где н - измерительное напряжение (зависимость в на фиг. 2) п - напряжение источника питания 1 (зависимость а на фиг. 2) и - измеряемое сопротивление 3 в МОм и - измерительный конденсатор 4 в мкФ- временной интервал в с (фиг. 2). При заряде опорного конденсатора 7 на нем формируют опорное напряжение (зависимость б на фиг. 2), которое изменяется (увеличивается) также по экспоненциальному закону оп-(-/оо),где о - опорное напряжение (зависимость б на фиг. 2) о - опорное сопротивление 8 в МОм о - опорный конденсатор 7 в мкФ. В момент сравнивания измерительного напряжения и и опорного напряжения о напряжение на выходе компаратора 10 (зависимость г на фиг. 2) скачкообразно изменяется до нуля и в этот момент определяют временной интервал(фиг. 2). Момент сравнивания измерительного напряжения н и опорного напряжения о описывают нелинейным дифференциальным уравнением(/ии)1(/оо). Из этого уравнения при известной величине временного интервалаопределяют величину измеряемого сопротивления и и/Си 1(/оо). Согласно последней формуле, зависимость временного интервалаот измеряемого сопротивления и является нелинейной, что обеспечивает значительное сокращение времени измерения и расширение диапазона в сторону увеличения измеряемого сопротивления и по сравнению с известным способом и устройством, в котором зависимость временного интервалаот величины измеряемого сопротивления и является линейной(пропорциональной). Это можно проиллюстрировать следующими примерами расчета. Для расчета условно приняты следующие параметры элементов, используемые в последней приведенной формуле. 1 - исходный временной интервал - 1 с 2 - промежуточный временной интервал - 15 с 3 - конечный временной интервал - 30 с и 1 - измерительный конденсатор - 10 мкФ о 1 - опорное сопротивление - 3,9 МОм о 1 - опорный конденсатор - 3 мкФ и 1 - исходное измеряемое сопротивление - 0,04 МОм и 2 - промежуточное измеряемое сопротивление и 3 - конечное измеряемое сопротивление и 11/101(1/3,93)0,04 МОм и 215/101(15/3,93)4,62 МОм и 330/101(30/3,93)37,5 МОм. Примем для сравнения, что известное устройство (прототип) с линейной (пропорциональной) зависимостью временного интервалаот измеряемого сопротивленияи за ис 5 17554 1 2013.10.30 ходный временной интервал 11 с также измеряет сопротивление, равное 0,04 МОм. Тогда,согласно линейной зависимости сопротивления и 1 и 2, и 3, измеренные известным устройством при временных интервалах 11 с, 215 с, 330 с, будут соответственно равны и 10,0410,04 МОм и 20,04150,6 МОм и 30,04301,2 МОм. Коэффициенты соотношения К 1, К 2, К 3 измеряемых сопротивлений в предлагаемом и известном способе и устройстве при указанных временных интервалах 11 с, 215 с,330 с, будут равны К 1 и 1/и 10,04/0,041 К 2 и 2/и 24,62/0,67,7 К 3 и 3/ и 337,5/1,231,25. Таким образом, расчеты показали, что в предлагаемом способе и устройстве для его осуществления по сравнению с прототипом при одинаковых временных интервалах 1, 2,3 диапазон измерения с ростом величины измеряемого сопротивления и расширяется в единицы и десятки раз. Либо, наоборот, при одинаковых диапазонах измерения в предлагаемом способе и устройстве временной интервалсокращается в единицы и десятки раз с ростом величины измеряемого сопротивления и. Таким образом, предлагаемый способ измерения сопротивления и устройство для его осуществления значительно сокращают время измерения и расширяют диапазон измерения в сторону увеличения измеряемого сопротивления и. Наиболее эффективно предлагаемый способ и устройство могут быть использованы в составе систем автоматического управления и контроля в качестве простого модуля для измерения сопротивления и с выходным сигналом в виде временного интервала . При этом в состав этих систем должен входить программируемый компьютерный контроллер,который обеспечит управление работой модуля (подключение различных датчиков сопротивления, переключение диапазонов измерения, работу ключей и т.п.), а также преобразование выходного сигнала модуля в требуемую форму представления для визуальной индикации и формирования команд управления. При этом отпадает необходимость использования в таких системах дорогостоящих приборов для измерения сопротивления с полным самоуправлением и унифицированном выходным сигналом, что снижает себестоимость систем. Возможно и самостоятельное использование такого модуля. При этом его управление осуществляют от пульта, а измерение временного интервала производят электронным управляемым секундомером. Опытные образцы такого модуля по предлагаемому способу и устройству прошли успешные испытания в составе систем автоматического управления сушкой древесины. При этом модуль только двумя диапазонами обеспечивает измерение активного сопротивления в пределах от 0,03 до 130000 МОм с минимальным временем измерения 0,7 с и максимальным временем измерения 24 с. Источники информации 1. Вольтметр В 7-27, Тг 2.710.005 ТО. - С. 16-58, рис. 5, 6. 2. А СССР 175122, МПК 01 27/02, 1965. 3. А СССР 130577, МПК 01 27/12, 1960. 4. А СССР 781709, МПК 01 27/02, 1980. 5. А СССР 1104440, МПК 01 27/02, 1984 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6