CN1015023B

CN1015023B - 利用测量阻抗测量物理量的方法及装置

Info

Publication number: CN1015023B
Application number: CN87100833.5A
Authority: CN
Inventors: 马蒂·利拉
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1986-02-13
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1991-12-04
Also published as: FR2594231A1; JPS62191774A; CN87100833A; US4849686A; FI74549C; FI860668A0; DE3704624C2; GB8701016D0; JPH0738007B2; FI860668A; DE3704624A1; FI74549B

Abstract

测量阻抗，尤其是低电容量阻抗的方法。为了改进测量精度和稳定性，在该方法中，采用了有基准阻抗的电子测量仪器，这些阻抗的电气值处于测量范围之中，而且，利用测量电路的转换装置依次将测量仪器与该阻抗或被测阻抗交替连接。

Description

本发明的内容是一种测量阻抗，特别是低电容量阻抗的方法。为了提高测量及稳定精度，在所述方法中，所用的电子测量仪器包括多个基准阻抗，其电气值位于测量范围中，并利用测量电路的转换装置将该测量电路一个接一个地交替连接于该阻抗或被测阻抗。

本发明尤其适于那些测量阻抗的方法，在这些方法中，阻抗是作为电检测器使用的，利用它，它测量出某些影响阻抗值的物理量。

已知在先有技术中有几种不同的阻抗检测器，其原理是基于阻抗取决于被测的量，被测量通常是物理量，例如压力、温度、湿度、被观察目标的位置、功率等。作为所述阻抗检测器的例，应该提到的有应变片（应变计），对温度和/或压力敏感的电阻器，以及电容，利用该电容能够进行测量，例如，根据电容器极板的相对位置测量压力或温度，或根据电容的介电常数的变化测量相对湿度。

通常，阻抗检测器的制造容许偏差使得检测器具有分散性，即它们都具有各自特定的曲线。即有各自的非线性并取决于各自的参数而非那些被测参数。例如，取决于与压力测量有关的温度。

本发明的一个起始点是基于这一先有技术之上，例如FI专利申请号54，664和57，319（对应美国专利号4，295，090和4，295，091）。在所述专利中，所描述的方法是用于低电容量的测量的。

在无线电探空仪中，电容式检测器用来测量不同的参数，尤其是大气压力，温度和/或湿度，在所述检测器中电容值的大小取决于被测参数。这些检测器的电容值通常比较低，从几pf到几十pf，或在最大时达到约100pf。低电容值测量存在一些问题，例如由于寄生电容，电源电压的变化，外部温度的变化，以及其它干扰所造成的问题。

当利用电气或机电检测器测量温度、温度或压力或其它对应量时，如在先有技术中得知的，设置一个或若干个与电子测量仪器有关的基准量，所说基准量是稳定的，或其变化值是被精确得知的，并利用这些基准量能够补偿测量电路的独立特性和它们随时间的变化情况。

对于电容式检测器，在先有技术中，使用一个基准电容交替地与测量电路和被测电容相联，该测量电路通常是一个RC振荡器。以合适的方法或其它方法调整测量电路，能够设置测量电路的初始量作为每一特定情况的校正基准，这些初始量从基准电容中产生。

已知在先有技术中使用对一个基准量的多种测量电路，特别是桥接电路，但是，只有当基准量的电气值接近检测器的值时，例如当桥接平衡时，测量才是准确的。检测器值与基准值偏差越大，各种误差就越大，例如，由电子测量仪器电路灵敏度的变化而引起的误差。

已知在先有技术中，有一种采用两个基准量的测量方法，与使用一个基准量的方法相比，其优点是测量的精度较高，甚至当应用于大范围测量时，先有技术中的以两个基准量为基础的测量原理将在下面参照附图1进行详细描述。

如同在某些专利申请中列举的情况那样，如果是大范围测量，并且如果所要求的测量精度高，在阻抗检测器的连接电子线路中在校准后所产生的非线性变化明显地降低了测量精度。

本发明的目的是避免上述缺点，并提供一种新的测量方法，采用这种方法测量的精度以及阻抗或阻抗连接电路的稳定性可以大大地提高，尤其是在下述在实践中经常发生的情况中：

电子测量仪器和待测阻抗，尤其是阻抗检测器，必须工作在与校准情况下的温度相比不同的各种温度下时。

测量振荡器的工作条件是变化的，例如与校准情况相比，振荡器的负载阻抗是有变化的，并且本方法应用于所谓自诊断，用自诊断可以找出电子测量器中发生或存在的变化或故障。

本发明的进一步目的是提供一种方法，利用该方法能够排除或减少同一测量电子仪器中有故障的检测器对其它检测器的影响。

本发明的进一步目的是提供一种方法，利用该方法能够使用若干个压力检测器，以起到测量范围很大的压力传感器或同等物的作用。在这方面，其进一步目的是提供一种方法，其中，较灵敏的检测器的短路不影响测量检测器在测量范围上端的工作。

本发明的进一步目的是提供一种利用上述方法的测量装置。

由于达到了上述及下面将要叙述的目的，本发明的主要特征在于本方法包括下列步骤的组合：

（a）选择第一和第二稳定基准阻抗，使其阻抗值分别处于阻抗测量范围的较低区域和较高区域端;

其特征在于进一步包括以步骤：

（b）选择第三稳定基准阻抗，使其阻抗值处于测量范围的较低区域和较高区域之间的中间区域;

（c）在校准方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来确定出初始校准容器的工作状态的函数;

（d）存贮初始校正参数;

（e）设置一个在校准和测量方式中与每个基准阻抗和测量阻抗相接的测量电路，以测量所选择的测量阻抗的阻抗值，在校准和测量方式中，该测量电路具有一个变化的响应特性作为不同工作状态的函数;

（f）在测量方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来测定更新的校正参数，该更新校正参数是每个基准阻抗的函数;

（g）比较更新校正参数与初始校正参数，根据更新核正参数与初始核正参数的差存贮一个校正参数;

（h）在测量方式期间，通过将测量阻抗连接到测量电路上来测量该阻抗的阻抗值;

（i）确定作为在步骤（h）中测得的阻抗值的函数的对于测量阻抗的校正阻抗值和校正系数，从而减少由工作状态不同造成的变化的响应特性引起的测量误差;

通过计算一个比例式来实行步骤（c），该比例式的分子是第二基准阻抗与测量阻抗的差，分母是两个基准阻抗之间的差。

每个阻抗是一个指示变化物理量的低电容。

一种利用具有低阻抗值的测量阻抗精确测量物理量的装置，包括：

（a）第一和第二稳定基准阻抗，其阻抗值分别处于阻抗测量范围的较低区域和较高区域;

其特征在于还包括：

（b）第三稳定基准阻抗，使其阻抗值处于测量范围的较低区域和较高区域之间的中间区域;

（c）一种装置，用于在校准方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来确定出初始校正参数，该初始校正参数是每个基准阻抗和校准容器的工作状态的函数;

（d）用于存贮初始校正参数的装置;

（e）一个在校准和测量方式中与每个基准阻抗和测量阻抗相接以测量所选择的测量阻抗的阻抗值的测量电路，在校准和测量方式中，该测量电路具有一个变化的响应特性作为不同工作状态的函数;

（f）一种装置，用于在测量方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来确定更新的校正参数，该更新校正参数是每个基准阻抗的函数;

（g）用于比较更新校正参数与初始校正参数的装置，该装置还根据更新校正参数与初始校正参数的差存贮一个校正系数;

（h）一种装置，用于在测量方式期间，通过将测量阻抗连接到测量电路上来测量该阻抗的阻抗值;

（i）一种装置，用于确定作为在步骤（h）中测得的阻抗值的函数的对于测量阻抗的校正阻抗和校正系数，从而减少由工作状态不同造成的变化的响应特性引起的测量误差。

如以下给出的本发明的实施例和检测所证明，同两个基准量的测量比较，根据本发明使用第三基准阻抗，其方法误差甚至可减少到约十分之一或甚至更低。

以下将参照附图详细阐述本发明，这些图示说明了本发明的背影及一些最佳实施例。

图1展示了一个XY坐标系统中两个基准量的测量之先有技术方法的特定曲线。

图1A展示了本发明方法的一个实施例的接线图。

图1B展示了使用本发明的方法的装置原理的框图。

图2表明了测量振荡器调期时间T与连到测量振荡器电容间的振频关系。当测量频率较高时测量振荡器的非线性就限定出，这点可从图2中看出。

图3是图2的进一步说明，它表明由测量振荡器的非线性引起的测量误差，该误差加至传感器的非线性上，并在校准过程中消除，用第三常量仅能消除与校准有关的非线性关系。

图4和图5展示了根据本发明的第一个检测器得出的测量结果，其中检验了根据图1测量振荡器的负载电容的变化对测量误差的影响。

图6和图7以图4和图5的方式展示了本发明的另一个检验例，其中检验了测量设备环境中温度的变化对测量精度的影响。

图A所示为以两个基准进行测量的先有技术方法，它是本发明的起始点之一。基准1和2在XY坐标系统中确定两个点，即点x₁y₁和x₂y₂，通过两个所述点的直线k₀是测量系统的线性基本工作线。例如，在实践中，由于测量电路的独自的非线性和外部条件的变化，系统的特定曲线在线k₀的两侧变化，例如在曲线f₁和f₂之间变化。因此，在误差限界△之内能够达到测量范围x₂＞x₂-X₁。

利用基准1，在y₁处锁定对应于常数x₁的值，能够消除例如由测量电路引起的变化误差（y_N＝f（x）N±（A1）。以相同的方法利用基准2，在y₂处锁定对应于常数x₂的y值，能够消除由测量电路引起的敏感度误差（y_N＝f（x）N±k｜（x）｜）。利用常数x₁、x₂对由测量电路引起的误差进行线性校正。测量电路中的误差通常因周围温度，电路的负载（寄生电容或短路）、和工作电压的变化所致。

下面，将参照利用图1A的接线图和图1B的框图所图示说明的本发明的一个实施例，以及图示说明本发明的一些特定曲线的图2和3，对本发明作详细的描述。

图1A所示的电子测量仪器如下工作：

方框110由测量振荡器组成，当连接器120由控制逻辑130进行控制时，方框140中的被测电容CM₁至CM₅和基准电容CR₁、CR₂、CR₃通过模拟开关120交替地与振荡器的基本电容Cp并联连接。

每个检测器的校准因子数据和对应于测量电路常数CR₃的Y值YCR₃在校准状态开始时被存入方框150的E²PROM存储器电路中，存储器150由与上述测量电路110到150相同的控制信号控制。存储器信号只有当CS信号有效（5V）时才生效。图1B是一个使用本发明方法的装置的原理框图。方框100包含一个由计算机单元（方框200）控制的测量单元。初始时，图1B中的计算机单元从测量单元100的E²PROM存储器150中读取检测器的校准数据和常数YCR₃的值，所述数据已在校准状态开始时被存入所述存储器中。此后，计算机单元200控制测量单元100，以便检测器CN依次连接于测量振荡器110，并根据上述数据测量其周期时间。计算机单元200按照存在程序存储器中的为每个检测器类型的特定的算法计算检测器CN的读数，且将它们沿串行通道（RS232C）输出到一个终端，到一个显示器，或到另一台计算机。

下面，将更为详细地描述本发明的各种细节的实施例。

关于测量振荡器110和转换装置120的构造，参照FI专利54，664号和57，319号，以及FI专利申请号842191，842192和842193。

根据本发明，对基准电容CR，加进了一个第三恒定电容CR₃，其电气值选在另外两个基准电容量CR₁和CR₂的中值处，不必准确，CR₁和CR₂的数值处于测量范围的末端区域。在特殊情况下，例如，CR₁可以为CR₁≈opF。

根据本发明，使用恒定量CR₃是为了提高在恒定量CR₁和CR₂之间的测量电子仪器的精度，尤其是电子测量仪器和检测器工作在与校准情况相比为不同的各种温度的情况下时，与校准情况相比较，在所述情况下测量振荡器中发生了变化，例如，测量电容改变，和/或希望知道电子测量仪器中是否已经发生了变化（自诊断）。

参照图1A、1B和2，振荡器11的周期时间T＝1/f是｜T_N｜＝A₀+A₁（CP+CN）+A₂（CP+CN）²（1）

其中

-A₀、A₁和A₂在测量周期（CR₁-CR_M中是不可变的，但在周期之间可缓慢变化，

-CP是振荡器的基本电容，

-CN是被依次连接的电容，即恒定CR₁、CR₂、CR₃和被测电容CN_n（在图1A中n＝1，2，3，4，5）中的各个电容。

在公式（1）中，A₂（CP+CN）²项表示使用两个基准的先有技术所不能排除的误差因子。规定：

TR₂＝当恒定量CR₂被连接时，振荡器的周期时间，

TR₁＝当恒定量CR₁被连接时，振荡器的周期时间，

TM＝当被测的某个CM_n被连接时，振荡器的周期时间。由此，测量系统的初始量YM可以计算如下：

YM＝ (TR₂－TM)/(TR₂－TR₁) （1a）

代入公式（1），从而

如果不存在非线性项，但是A₂＝0，

YM＝ (CR₂－︱CM_N︳)/(CR₂－CH₁) （4）

从而缓慢变化项A₀和A₁已被消除。根据本发明，对电子测量仪器加进一个第三恒定量CR₃到恒定量CR₂和CR₁之间的中值区域，则A₂项的误差部分的影响就被排除了。

假设A₂＝0（公式（1）），则在校准开始测得的YCR₃为：

YCR₃＝CR₂-CR₃/CR₂-CR₁

按照本发明，由（5）式得到的YCR₃值被存入电子测量仪器中的存储器。在随后的测量周期中，对YCR₃的值进行观测和计算，如果它有变化，将对待测的检测器的YM值进行如下校正。下面，将对本发明的这些方法步骤进行更为详细的解释：

规定：

YCR₃＝在初始状态中，即在校准开始时，恒定CR₃的Y值;

YCR′₃＝在正在被检查的测量周期中第三个恒定量CR₃的Y值;

△Y₃＝YCR₃-YCR′₃（5）

按照本发明YM值的校正值△YM（图3）可按下式计算：

△YM＝△Y₃.YM（YM-1）/YCR′₃

（YCR′₃-1）（6）

因此，可按下式计算正在被测量的检测器电容CM的最终（精确）的Y值（Y′M）：

Y′_M＝YM[1-△Y₃（YM-1）/YCR′₃（YCR^-1 ₃）] （7）

在本发明的方法中，保存了函数T＝f（CN）原始的曲线形式，即便在校准之后改变了A₂。而且，本发明的方法没有去除A₂，而只是按照上述的计算消除了它的误差影响。

依照所述，本发明使用了第三个恒定量CR₃，以便在进行适当校准之前的初始状态中借助于其它两个恒定量CR₁和CR₂能对它的数值进行测量和储存。第三个恒定量CR₃的值选在两个恒定量CR₁和CR₂的中值处。根据本发明的方法，在校准状态和测量状态下测量第三个恒定量中的变化，椐此变化，对将被测量之值（公式7）进行校正，从而校正了非线性项A₂（公式1）。可将第三个恒定量CR₃的值用作所谓的自诊断，并用根据其值的变化，可对接口电子测量仪器的条件作出结论。

例1：

下面，参考图4和图5，说明对于本发明的方法的精确性的第一个测试例，其中，在图1所示的范围里选择了下列值：

CR₂＝20pf

CR₁＝opf

CR₃＝10pf

环境温度：TA＝23°

振荡器：C1＝100pf

利用四个标准电容器CM₁～CM₄（它们是封装在玻璃中的标准电容器）进行本例1的测量。

在测量过程中，改变振荡器的负载电容CL＝100pf→opf。图4中，测量结果表示如下：

＊＝通过以两个基准为基础而计算产生的Y值的未校正误差;

f＝根据本发明，和用三个基准而得到的并经过校正的Y值的误差。

图5示明了当CL＝100→opf时，待测量的电容中的变化量作为待测量电容（pf）的函数。

可按下面的方法计算电容CM_n的测量误差的幅值：

｜CM_n｜＝CR₂-YM（CR₂-YM）

(｜dCMn｜)/(dYM) ＝-（CR₂-CR₁）

｜△CM_n｜＝（CR₂-CR₁）×YM

由图4可知，最大的校正误差为：△YM＝0.0001。

△CM＝0.0001×20pf＝2fF（f＝10^-15）

压力检测器的灵敏度为：1.4fF/hpa

例1所述的负载电容C_L的变化表明了任何某个待测检测器有故障并被短路的情况，从而去耦电容的接地产生了一个故障状态。

例2（图6和7）

其初始值同于例1。通过把环境温度从AT22℃变为-39℃对本发明的方法进行测试，其结果以相同于图4和图5的方法示于图6和图7中。

例2模拟了这样一个情况一一待测量的检测器和进行测量的电子仪器都被置于与校准情况相比不同的各种温度下。

采用本发明的方法，可以提高测量精度，特别是在高要求的测量中。进而，可以消除同一电子测量仪器中有故障的检测器对其它检测器的影响。借助于本发明的方法，例如用n个压力检测器，便可得到一个很宽测量范围的压力传感器。多个比较灵敏的检测器短路，不会影响在测量范围的上端（高压）进行测量的检测器的正常工作，本发明的方法还可用于电子测量仪器的自诊断。

根据本发明，通过采用第三基准阻抗，可以消除测量系统初始值YM和被测阻抗的非线性关系。根据本发明，由于采用了第三恒定基准阻抗，因而即使由于测量电路中的负载，温度或其他因素发生变化从而导致非线性本身的变化，也可使非线性的影响保持不变。

虽然上面已述及第三基准阻抗，但应指出，在某些特殊场合，也可用其共同效果类似于上述一个第三基准阻抗的两个或多个第三基准阻抗取代第三基准阻抗。但通常最好还是只用一个第三基准阻抗。

下面将给出专利的权利要求，根据本发明所做的各种变形和修改必将限制在其中。

Claims

1、一种利用具有低阻抗值的测量阻抗精确测量物理量的方法，包括以下步骤：

(a)选择第一和第二稳定基准阻抗，使其阻抗值分别处于阻抗测量范围的较低区域和较高区域端；

其特征在于进一步包括以步骤：

(b)选择第三稳定基准阻抗，使其阻抗值处于测量范围的较低区域和较高区域之间的中间区域；

(c)在校准方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来确定出初始校准容器的工作状态的函数；

(d)存贮初始校正参数，

(e)设置一个在校准和测量方式中与每个基准阻抗和测量阻抗相接的测量电路，以测量所选择的测量阻抗的阻抗值，在校准和测量方式中，该测量电路具有一个变化的响应特性作为不同工作状态的函数；

(f)在测量方式期间，通过将每个基准阻抗一次一个地连接到测量电路上来测定更新的校正参数，该更新校正参数是每个基准阻抗的函数；

(g)比较更新校正参数与初始校正参数，根据更新校正参数与初始校正参数的差存贮一个校正参数；

(h)在测量方式期间，通过将测量阻抗连接到测量电路上来测量该阻抗的阻抗值；

(i)确定作为在步骤(h)中测得的阻抗值的函数的对于测量阻抗的校正阻抗值和校正系数，从而减少由工作状态不同造成的变化的响应特性引起的测量误差；

(j)Y函数的校正值Y′M是根据下式计算的：

其中，Y(CR₂)-CM)/(CR₂-CR₁)，根据第一和第二基准阻抗CR₁和CR₂利用线性模式确定的YM值：

△Y₃=YCR₃-YCR^′ ₃；

YCR^′ ₃=初始状态-即校准状态开始-时的恒定量CR₃的Y值；

YCR^′ ₃=被检测的测量周期中的第三恒定量CR₃的Y值；

YM=被测电容的Y值。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算一个比例式来实行步骤（c），该比例式的分子是第二基准阻抗与测量阻抗的差，分母是两个基准阻抗之间的差。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个阻抗是一个指示变化物理量的低电容。

4、一种利用具有低阻抗值的测量阻抗精确测量物理量的装置，包括：

其特征在于还包括：

（b）第三稳定基准阻抗，使阻抗值处于测量范围的较低区域和较高区域之间的中间区域;

（d）用于存贮初始校正参数的装置;

（i）一种装置，用于确定作为在步骤（h）中测得的阻抗值的函数的对于测量阻抗的校正阻抗和核正系数，从而减少由工作状态不同造成的变化的响应特性引起的测量误差。