FI70485B - Maetningsfoerfarande foer impedanser saerskilt smao kapacitanser vid vilket man anvaender en eller flera referenser - Google Patents

Description

70485

Impedanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittausmenetelmä, jossa käytetään yhtä tai useampaa referenssiä Mätningsförfarande för impedanser, särskilt sm! kapacitanser, vid vilket man använder en eller flera referenser

Keksinnön kohteena on menetelmä impedanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään mittauselektroniikkaa, johon kuuluu yksi tai useampia sähköisiltä arvoiltaan mittausalueelle sijoittuvia referenssi-impedansseja, joita kytketään mitattavan impedans-5 sin tai impedanssien kanssa vuorollaan vaihdellen mittauspiiriin kytkin-järjestelyä hyväksi käyttäen.

Esillä oleva keksintö kohdistuu erityisesti sellaisiin impedanssin mittausmenetelmiin, joissa impedanssia käytetään sähköisenä anturina, jolla 10 mitataan tiettyjä fysikaalisia suureita.

Ennestään tunnetaan useita erilaisia impedanssiantureita, joiden toiminta perustuu siihen, että impedanssi on riippuvainen mitattavasta, yleensä fysikaalisesta, suureesta kuten paineesta, lämpötilasta, kosteudesta, 15 havainnoitavan kappaleen asennosta, voimasta tms. Mainituista impedans-sianturelsta mainittakoon esimerkkeinä venymäliuskat, lämpötila ja/tai -paineherkät resistorit, kapasitanssit, joilla voidaan mitata esim. painetta tai lämpötilaa kondensaattorilevyjen keskinäisen asennon perusteella tai suhteellista kosteutta kapasitanssin dielektrisyysvakion muu-20 tosten perusteella. Yleensä impedansslantureiden valmistustoleranssit aiheuttavat sen, että anturit ovat yksilöllisiä eli niillä on yksilöllinen ominaiskäyrä, siis yksilöllinen epälinearisuus ja yksilöllinen riippuvuus muista kuin mitattavasta parametreistä, esim. paineen mittauksen yhteydessä lämpötilasta.

25

Esillä olevan keksinnön eräänä lähtökohtana on ollut se tekniikan taso, joka selviää esim. hakijan Fl-patenteista 54 664 ja 57 319 (vastaavat US-patentit 4 295 090 ja 4 295 091), Mainituissa patenteissa on esitetty menetelmä pienten kapasitanssien mittaamiseksi.

30 2 70485

Radiosondeissa käytetään eri parametrien etenkin atmosfäärisen paineen, lämpötilan ja/tai kosteuden mittauksessa kapasitiivisia antureita, joiden kapasitanssin suuruus on riippuvainen mitattavasta parametrista. Näiden antureiden kapasitanssit ovat useasti verraten pieniä muutamista 5 pF:sta muutamiin kymmeniin tai korkeintaan n. 100 pF:in. Pienten kapasitanssien mittaus on ongelmallista mm. hajakapasitanssien, syöttöjännit-teen vaihteluiden ja muiden häiriöiden takia.

Mitattaessa lämpötilaa, kosteutta tai painetta tai muita vastaavia suu-10 reita sähköisillä tai mekaanissähköisillä antureilla on ennestään tunnettua sijoittaa mittauselektroniikan yhteyteen yksi tai useampi referenssi, joka on stabiili ja tarkasti tunnettu, ja jota referenssiä apuna käyttäen mittauspiirin yksilöllisiä ominaisuuksia ja niiden ajallisia vaihteluita voidaan kompensoida.

15

Kapasitiivisten antureiden yhteydessä on ennestään tunnettua käyttää referenssikapasitanssia, joka kytketään mittavan kapasitanssi kanssa vuorotellen mittauspiirin, yleensä RC-oskillaattorin taajuuden määräävään tulopiiriin. Mittauspiiriä sopivasti säätämällä tai muulla tavalla 20 voidaan referenssikapasitanssista johdettu mittauspiirin lähtösuure asettaa kulloinkin oikeaksi.

On ennestään tunnettua käyttää yhden referenssin mittauspiirejä, etenkin siltakytkentöjä, joissa mittaus on kuitenkin tarkka vain silloin, kun 25 referenssin sähköinen arvo on lähellä anturin arvoa, esim. silloin kun silta on tasapainossa. Mitä kauemmaksi anturin arvo referenssistä poikkeaa, sitä suuremmaksi tulevat myös eri virheet, esim. elektronisen mittauspiirin dynamiikan muutoksista aiheutuvat virheet. Etuna yhden referenssin kytkennöissä on kuitenkin mittauspiirin ja siihen liittyvän las-30 kennan yksinkertaisuus.

Kahden tai useamman referenssin mittausjärjestelyissä on etuna mittauksen tarkkuus laajallakin mittausalueella, mutta epäkohtana on rakenteen ja mittaukseen liittyvän laskennan mutkikkuus. Kahden referenssin mit-35 tauksen perusteita selostetaan myöhemmin tarkemmin kuvioon 1 viitaten.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen impedans- 3 70485 sin mittausmenetelmä ja mlttauspiirl, jossa vältetään mittaustulosten määräämisessä aiemmin tarvitut mutkikkaat laskutoimitukset.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uusi ja aikaisem-5 pia edullisempi menetelmä yksilöllisten impedanssianturien, etenkin kapasitiivisten anturien linearisointiin ja kompensointiin, etenkin lämpötilakompensointiin.

Esillä olevan keksinnön eräänä lisätarkoituksena on aikaansaada sellai-10 nen menetelmä, josta saadaan sellainen linearisoitu ja mahdollisesti kompensoitu anturiviesti, joka on koodattavissa sopivaan muotoon ja ilmaistavissa suoraosoituksella ilman laskentaa päätarkoituksena piirin hinnan alentaminen ja sen nopeuden kasvattaminen.

15 Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että impedanssianturin tai -antureiden yksillöllisten epälineaarisuuksien huomioon ottamiseksi ja mahdollisesti ulkoisten olosuhteiden, kuten 20 lämpötilan vaihteluiden kompensoimiseksi mittauspiirissä käytetään muistia, johon muistiin on tallennettu kunkin anturin tai antureiden yksilöllinen ominaiskäyrä y= f(x) ja mahdollisesti kompensointia varten tarvittavat tiedot, 25 että mainitun muistin tulosignaalina ovat binääriset anturiviestit, jotka määräävät mainitun muistin muistiosoitteet ja että mainitun muistin lähtöviestinä on kuhunkin muistipaikkaan tallennettu kutakin anturiviestiä vastaava ominaiskäyräfunktion fCx^) arvo, 30 joka sisältää informaation mitattavasta suureesta.

Keksinnön puitteissa voidaan tarkka kompensointi ja linearisointi suorittaa tehokkaasti mikroprosessoripohjaisilla liitännöillä, jotka pystyvät laskentaan. Keksinnön mukaisesti käytetyt muistit ovat kyseisen 35 liitännän halvimpia ja nopeimmin kehittyviä komponentteja. Keksinnöllisen ideana on taulukoida anturikohtainen linearisointiin ja mahdollisesti kompensointiin tarvittava tieto, koodata se sopivaan muotoon ja 4 70485 tallentaa se muistiin, josta saadaan suoraosoituksella antosuure ilman laskentaa. Täten voidaan liitännän hintaa olennaisesti halventaa ja sen nopeus saadaan kasvamaan.

5 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuviohin, joissa on esitetty keksinnön taustaa ja sen eräitä edullisia toteutusesimerkkejä.

Kuvio 1 havainnollistaa xy-koordinaatistossa kahden referenssin mittaus-10 menetelmän omainaiskäyriä.

Kuvio 2 havainnollistaa keksinnön mukaisesti käytetyn muistin ensimmäistä sovellutusvaihtoehtoa.

15 Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisesti käytetyn muistin toista sovellutus-vaihtoehtoa.

Kuvio 4A havainnollistaa muistin käyttöä kahden referenssin kytkennässä lineariointiin ja paloittain kompensointiin eli kyseessä on lineaarinen 20 herkkyysmuutoksen korjaus.

Kuvio 4B havainnollistaa keksinnön mukaista epälineaarisen ominaiskäyrän linearisointia ja kompensointia paloittain muistin avulla.

25 Kuvio 5 esittää lohkokaaviona keksinnön kokonaissovellutukeen ensimmäistä toteutusvaihtoehtoa.

Kuvio 6 esittää keksinnön kokonaistoteutuksen toista vaihtoehtoa lohko-kaaviona .

30

Kuvio 1 havainnollistaa kahden referenssin mittausmenetelmää, joka on tämän keksinnön eräänä lähtökohtana. Menetelmässä sovelletaan kahta referenssiä, nimittäin referenssejä 1. ja 2. jotka kiinnittävät kaksi pistettä xy-koordinaatistossa, nimittäin pisteet x^,y^ ja x2,^2’ J°^en 35 kautta asetettu suora kQ on mittausjärjestelmän lineaarinen perustoimin-tasuora. Käytännössä esim. impedanssianturien yksilöllisistä epälineaarisuuksista ja ulkoisten olosuhteiden vaihteluista johtuen anturin 5 70485 ominaiskäyrät vaihtelevat suoran kQ molemmin puolin esim. käyrien ja f2 välillä. Tällöin virherajoissaΔ voidaan toteuttaa mittausalue x2 > x2~xl' 5 Yhtä referenssiä käytettäessä, mikä toteutusmuoto kuuluu myös tämän keksinnön piiriin, on refenssillä kiinnitetty yksi xy-koordinaatiston piste, jonka kautta mittausjärjestelmää kuvaava suora kulkee. Yhden referenssin kytkennällä on yleensä toteutettavissa sellainen mittausalue, joka on laajuudeltaan pienempi kuin edellä kuvion 1 yhteydessä toteutettu kahden 10 tai useamman referenssin avulla toteutettava mitta-alue.

Referenssi 1. poistaa mittauspiirin aiheuttaman siirtymävirheen + (y^ = - Δχ) lukitsemalla vakiota x^ vastaavan arvon y^jksi. Refe renssi 2. poistaa vastaavasti mittauspiirin aiheuttaman herkkyysvirheen 15 (y„ = f(x)., - k(x -x.) lukitsemalla vakiota x0 vastaavan y arvon y„:ksi.

N N n 1 i- £

Vakioilla x^,x2 te^dään mittauspiirin aiheuttamille virheille lineaarinen korjaus. Mittauspiirin virheet aiheutuvat tavallisesti ympäristöläm-pötilan, piirin kuormituksen (hajakapasitanssit) ja käyttöjännitteen 20 muutoksista.

Menetelmää käytetään yleensä aikajaetussa mittauksessa, jolloin mittaus-sekvenssi on Υι»Υ^>Υ2* Suureista lasketaan apusuure y ^ = ^1 _ ^N. koska y ja y2 ovat vakioita niin niiden välissä olevalle pisteelle y^ on teh- 2 5 ty lineaarinen korjaus.

Jos anturin herkkyys on suuri, ts. x^ - χχ » x^ voidaan kytkentään lisätä useampia vakioita ja tehdä paloittain lineaarinen korjaus. Tällöin voidaan eliminoida osittain mittauspiirin epälineaarinen herkkyyden muu- 30 tos.

Mittausmenetelmä korjaa ainoastaan mittauspiirin aiheuttamia virheitä. Kokonaistarkkuuden määrää referenssien stabilisuus, jos kalibrointi ja käyttötilanne on sama. Anturin epälineaarisuus ja lämpötilariippuvuus on konpensoitava laskennallisesti.

15 6 70485

Seuraavassa selostetaan keksinnön taustaa ja pääperiaatteita.

Kapasitiivisten antureiden ominaiskäyrä on usein muotoa 5 M(Cm) * Λ CM° + A C,.1 + A„Cm2 + A^Cm3 + A.Cm4 + ...

M o M IM 2 M 3 M 4 M

Anturi kytketään oskillaattoripiiriin, jonka jaksoaika T(c) on tyypillisesti: 10 T(c) = k + k.C + (k C2) o 1 l

Jos anturin dynamiikka D = ^^max^ ^^min^ on pieni voidaan olettaa, C(Mmin) että mittauspiirin aiheuttamaa virhettä voidaan kuvata lineaarisella 15 mallilla, missä kertoimet kQ ja k^ voivat muuttua mittaussekvienssistä toiseen, mutta eivät mittaussekvenssin aikana. Käyttämällä kahta referenssiä C^j, ja C^2 ja mittaamalla kapasitansseja C^j > c^2 vastaavat oskillaattorin jaksonajat saadaan 20 Y = Tk2 ~ TM = Ck2 ~ CM „ jolloin

Tk2 - Tkl Ck2 " Ckl C„ = C, Λ(1-Υ„) + Y C, ,, yleensä voidaan valita C, . = 0 pF, M k2 M M kl kl 25 jolloin CH · Ck2(1-V-

Kertoimien kQ ja k^ hidas vaihtelu (aika minuutteja) verrattuna mittaus-30 sekvenssin kestoaikaan (n. sekunti) eliminoituu. Epälineaarisen termin k^ osuus sisältyy käytännössä kalibrointikertoimiin Α^,Αρ.,Α^. Sen vaikutus on pieni ja riittävällä tarkkuudella samanlainen kalibrointi- ja käyttötilanteissa.

35 Kalibrointi tilanteessa saatujen C(M) arvojen kautta sovitetaan kunkin anturin mallin mukainen polynomi ja saadaan kertoimet Λ ,Α^.,.Α . Ko. kertoimien avulla lasketaan vastaava M arvo.

7 70485

Menetelmä perustuu mittaustarkkuutta pienentävien tekijöiden eliminoimiseen kohden rulcrcnanln Ju laskennan avulla.

Kuviossa 5 esitettyyn mittauselektronilkkaan kuuluu esim. RC-oskillaat- 5 tori, jonka taajuuden määräävään tulopiiriin kapasitanssit ^^.C^.C^' C^ vuorollaan kytketään. Mainitut kapasitanssit C ovat yleensä välillä 0-100 pF. Kuvion 5 mukaisesti mitataan edellä määritellyn y^-arvon osoittaja ja nimittäjä apukellon 18 ja binäärisen up/down counterin 13 avulla.

10 Kuviossa 5 esitettyyn piiriin kuuluu hakijan ns. Multicap-piiri 11 (Multicap = TM), joka on patentoitu erikoispiiri nimenomaan kapasitii-visten anturien mittaukseen. Piirin 11 rakenteen ja toiminnan yksityiskohtien osalta viitataan em. FI-patentteihin 57 664 ja 57 319 (vast. US-paten- tit 4 295 090 ja 4 295 091).

I 3

Mittauselektronilkkaan kuuluu Multicap-piiriin 11 kytketty jakaja 20 ja ajoitinyksikkö 12. Ajoittimesta 12 saadaan Multicap-piirin 11 tarvitsemat ohjaussignaalit g = ST, h = RES, UP/DOWN COUNTRRTN vaatima ohjaussignaali d = UP/DOWN, e = COUNT ENABLE, f = COUNT RESET sekä LATCH ja 20 muistipiirien ohjaussignaalit b = C^ “ Cg STORE, C = C^' “ ja i = MEMORY READ.

Piirin Toiminta: 25 Mittaussekvenssin toimintakuvaus. Ajoitinyksikkö antaa Multicap pii rille h = linjaa pitkin RESET pulssin, jolloin 1. anturipaikka valitaan ja samanaikaisesti COUNTERI nollataan f-linjan kautta ja asetetaan UP tilaan d-linjan kautta. Apukello (V^) 18 kellottaa sekä laskuria että ajoitinta. Laskuria kellotetaan ylöspäin ajan T^ = N (k C^ + D, 30 jolloin jakajan 20 ulostulo j vaihtaa tilaansa.

Tällöin laskurin sisältämä pulssimäärä on BCk2 = Tk2 ^c’ Ajoitin ohjaa signaalin g kautta Multicap-piirin mittaamaan seurattavaa anturipaikkaa ja samalla laskuri ohjataan signaalin d kautta DOWN asentoon, kunnes 35 jakajan 20 ulostulo j vaihtaa taas tilaansa. Tällöin laskuri 13 pysäytetään e = COUNT ENABLE signaalin avulla ja se on laskenut alaspäin ajan TE = N(kCF + Ό . Laskurin sisältö B(Ck2 - 0β) = (Tk2 - TE) FC ** 8 70485 N - K*(0^2 " Cg) - FC (χ eliminoituu). Tulos ladataan ohjaussignaalin b = C^-CK STORE antamalla pulssilla LATCH-piiriin 15 16-blttisen väylän A kautta. Väylältä ladataan 10 ylintä merkitsevää bittiä. Latauksen jälkeen ajoitin nollaa laskurin, askeltaa Multicap-piirin seuraavaan 5 anturipaikkaan ja vapauttaa laskurin e signaalilla ja asettaa sen UP-tilaan signaalilla d.

Ajan TC^2' = + ) kuluttua jakajan N 20 ulostulo jälleen muuttuu ja laskurin sisältö on BC^' = T^,^' Fc· Ajast*n 12 pysäyttää laskurin 10 13 signaalilla e ja askeltaa Multicap- piirin 11 seuraavaan anturipaik kaan C^, muuttaa laskurin DOWN tilaan d ja sallii laskemisen e. Ajan TCj^ = N(kC^j + T) kuluttua jakajan 20 ulostulo j muuttuu ja laskuri pysäytetään e kautta. Laskurin tulos BiC^'-*^) = ^ * k * (C^'-C^) * FC ladataan linjan C «* C^'-C^') ajoittamana 16-bittiseen D-LATCH:iin 14 15 ja 3 alinta bittiä muistia ohjaavaan D-LATCH:iin 15. LATCHIN 14 ulostulo ohjaa 5-bittista vastusverkolla ja OP-vahvistimellä rakennettua D/A muunninta 19, jonka ulostulo on 0, jos bittikuvion antama jännite = IJ ^. Erojännitettä vahvistetaan (V) siten, että syntyvä säätöpiiri V - laskuri - D/LATCH - D/A muunnos N on alikriittinen, ts. sallitaan co 20 3:n LSB:n max. vaihtelu 16 bitin BiC^'-C^) sanassa.

Ajoitin nollaa laskurin, resettaa Multicapin ja aloittaa em. sekvenssin taas alusta.

25 Ajastimen 12 ohjaamana Multicap piiri 11 lähettää taajuutta FC-1 = K C + Γ jakajalle 20, jonka lähtö j muuttuu N:n pulssin valein, jolloin väli T^, 30 on:

Tc = N (K C + τ)

Jakajan 20 lähtösignaali j ohjaa ajoitinta 12 mikä ohjaa laskuria 13.

35 Laskuriin 13 saadaan aikaeroja TC^ - TCE ja TC^' - TC^ vastaavat binäärisanat BiC^-CE) ja BiC^' ^j) apukellon 18 kellottamana.

9 70485 B(Ck2-CE) = N· K-(Ck2-CE) . FC (1) B(Ck'2"Ckl) = N* K’<Ck.2-CE)* FC (2)

Kaavoissa (1) ja (2) K ja FC riippuvat lämpötilasta, mutta ovat kuiten-5 kin samoja samassa mittaussekvensslssä. Pitämällä yhtälön 2 binäärisana riittävän vakiona säätöpiirin (D/LATCH 14, vastukset, vahvistin 19, U laskuri) avulla ja ohjaamalla erojännitettä vastaavalla 3- bitin LSB (LAST SIGNIFICANT BIT) osalla muistitaulukoita voidaan K:n ja FC:n lämpötilariippuvuus eliminoida.

10

Tuloksena saatava (1) binäärisana 6(0^-0^) °^3aa muistin 10 taulukko-alueiden sisältöä ja (2) binäärisana B^ki2-Ekl^ valitsee muistitaulukon (kts. kuvio 4A).

15 Muistina voidaan käyttää normaalia UEPROM muistia, jonka lähtö on 8-bitin levyinen. Sovittamalla kaksi muistia rinnakkain ja ohjaamalla niitä samalla sanalla, saadaan tarvittaessa 16-bitin resoluutiolla oleva lähtö, jossa osa voi olla anturiviestiä ja osa laskettua digitaalista ohjausviestiä.

20

Muisti ohjelmoidaan kalibroinnin aikana. Mittauspiirin herkkyys säädetään RG 17 vastuksella siten, että ohjausjännite g on alueensa puolivälissä.

Vakiolla C, „ säädetään anturin OFFSET 20 siten, että k2 25

MSB LSB

B(Ck2~CE) = Olliliini kun anturi on toiminta-alueensa puolivälissä.

30 Anturi sovitetaan referenssiolosuhteisiin läpi toiminta-alueensa (suure ja kompensoitava lämpötila esim. painealue (T = 25°C), paine-alue (T * 40°C)...). Antureiden binääriviesti B(ck2_CE^ B^Ck2-Ckl^:n alimmat 4 bittiä luetaan tietokoneelle, joka laskee lineaarisoidun, skaalatun ja sopivaan muotoon muunnetun sisällön muistiin, jota em.

35 binääriviesti käytössä ohjaa.

Muistiin 10 on täten tallennettu käytössä olevan anturin tai anturei- 10 70485 den ja mahdollisesti käytetyn mittauspiirin yksilöllinen ominaiskäyrä y - Γ(χ) riittävän tihein portain x = x -x , = x ,-x x:n arvot e n n-1 n-1 n-2 x ...Xj määräävät muistin osoitteet, joihin kuhunkin on talletettu funktion y (x) arvot y (x )...ye(Xj), joka saadaan muistin antosignaalina 5 D . Ominaiskäyrä y = f(x) on aiemmin jouduttu ottamaan huomioon moni-out e mutkaisilla laskuilla. Keksinnön mukaisesti käytetyllä muistilla voidaan suorittaa myös mittauspiirin kompensointi myöhemmin tarkemmin selostettavalla tavalla. Viestin D ^ koodi voidaan ohjelmoida halutuksi (BIN,

out J

BCD,.). Osa viestin D biteistä voidaan käyttää mittaussignaalin raja-10 arvojen koodaukseen.

Seuraavassa selostetaan kuvioihin 2,3 ja 4 viitaten keksinnön mukaisesti käytetyn muistin 10;100 sovituksen tarkempia toteutusesimerkkejä. Kuvion 2 mukaisesti muistin 10 muistiosoitteena on binäärinen anturiviesti, 15 joka on saatu edellä selostetulla tavalla. Mittauspiirin off-setin säätö on sijoitettu bittiin B muistin 10 muistitaulukon alkuun. Kuviossa 5 n esitetyn säätövastuksen 17 avulla suoritetulla vahvistuksen säädöllä säädetään muistitaulukon loppuosoite A^. Muistiin 10 on tallennettu käytetyn impedanssianturin, tässä esimerkissä kapasitanssianturin ja 20 mahdollisesti elektroniikan em. ominaiskäyrä, niin että saadaan edellä selostettu binäärinen antoviesti D . Muistissa 10 on käyttämättömät out alueet M^ ja M , joiden välissä on muistitaulukko, johon mainittu omi-naisknyrä on tallennettu.

25 Kuvion 3 mukaisesti A^..A ovat binäärisiä anturiviestejä, joiden perässä on viitteellä h esitetty kontrollerin 10a antama ohjausbitti x siten, että kun x = 0, alin tavu ohjataan D-latchiin 10a ja kun x = 1, ylin tavu näkyy suoraan lähdössä. Mainitun ohjausbitin x ja D-latchin 10a käyttö voidaan välttää käyttämällä kahta rinnakkaista muistipiiriä.

30

Kuvioissa 4A on ABIN = kompensoitavan suureen arvo binäärisenä, koska kompensoitavan suureen vaikutus mitattavaan arvoon on yleensä pieni verrattuna mitattavan suureen mittausalueeseen (esim. paineanturin TC tyypillisesti ~ - 0,04 % FSL/°C) voidaan se ilmoittaa huomattavasti 35 pienemmällä resoluutiolla. Konpensointi tapahtuu paloittain taulukoinnin avulla.

11 70485

Kuviossa 4A on B BIN = mitattavan suureen arvo binäärisenä. Mitattava

M

alue voidaan jakaa 2 sanaan. Sanan pituus voi olla 8-16 bittiä kytkemällä muistipiirejä rinnakkain ja käyttämällä osa sanasta esimerkiksi linearisoidun ja koodatun mittausarvon tulostukseen ja osa digitaalisen 5 ON/OFF viestin (esim. raja, hälytys, yms...) tulostamiseen.

Kuviossa 4A muistin ohjelmointi suoritetaan seuraavasti: kalibrointilaitteessa mittauspiirin alue ja merkitys säädetään siten,

M N

10 että 0 < Β^η < 2 ja vastaavasti 0 < A^ < 2 kaikissa tilanteissa.

Kuviossa 4A mittauspiiri antureineen kalibroidaan pisteittäin halutuissa referenssiolosuhteissa ja tuloksena saatavien binäärisanojen A^^, perusteella (ko. pisteissä) lasketaan ja ohjelmoidaan muistiin kutakin pistettä vastaava linearisoitu ja koodattu arvo.

15

Kuviot 4A ja 4B esittävät sellaista keksinnön mukaista muistin käyttöä, jossa kompensointi on suoritettu paloihin jaetun muistin 100 (taulukot 1-8 kuvio 4A) avulla. Ylin ja alin taulukko (taulukko 1 ja taulukko 8), siis muistin 100 osat 100A ja 100B samoin kuin kunkin taulukon (taulukko 2o 2..7) ylä- ja alaosat e^v^t °le käytössä. Muistin 100 käytössä olevaa osaa (taulukot 2-7) on merkitty 100C:llä. Binääriset viestit A2<.A^ sisältävät binäärisen viestin A20..A7q kompensoitavasta suureesta ja sen perässä edellä selostetulla tavalla binäärisen anturiviestin Α^,.Α^. Kunkin taulukon 2-7 yläosan binäärisiin anturiviesteihin 25 A21 * *^71 sisältyy tieto mittausjärjestelmän 0-pisteen siirtymästä ja alaosan viesteihin tieto mittausjärjestelmän vahvistuksesta, siis omi-naiskäyrän yg = f(x) vakiotermistä ja jyrkkyydestä eli kulmakertoimesta. Kuviossa 4 kuvaa useista paloista koostuvaan muistiin 100 tulevaa bittivirtaa, siis muistin 100 ottosignaalia. Kompensoitavan suureen antu-30 rin 0-pisteen säädöllä säädetään binäärisana A2q..A7q osoittamaan taulukon keskelle ko. olosuhteissa. Kuvion 4B mukaisesti on täten muisti 100 jaettu useisiin rinnakkaisiin taulukoihin (taulukko 2-7), joista kukin taulukko vastaa ja tulee käyttöön kompensoitavan suureen, esim. lämpötilan tietyllä arvolla.

Kuviossa 6 on esitetty keksinnön mukaisen menetelmän toinen sovellutusesimerkki, jonka mukaisesti järjestelmään kuuluu kaksi siltakytkentää 21 35 12 70485 ja 22, joista ensimmäiseen siltakytkentään 21 kuuluu vastus Rp, joka toimii paineenmittausanturina ja toiseen siltakytkentään 22 kuuluu vastaavasti vastus R^ joka toimii lämpötilan mittausanturina. Siltoihin 21 ja 22 kuuluvat referenssivastukset R^p ja Rpp. Siltojen 21 ja 22 tasa-5 painoa havaitaan vahvistimin 23 ja 24, joiden vahvistuksia on merkitty Α^:11Μ ja Antila. Yksikön 25 kytkin k^ kytkee A/D-muuntimeen (10-bitin muunnin) 27 vuoron perään ensimmäisen sillan 21 ja toisen sillan 22. Kytkinyksikön 25 samoin kuin A/D-muunninta seuraavien keksinnön mukaisten piirien toimintaa ohjaa ajastin 26, joka määrää mittaussekvenssit.

10 A/D-muuntimesta 27 saatavat pulssijonot kytketään rinnakkaisiin esim. 90-bitin D-latchiin 28a ja 3-bitin D-latchiin 28b,

Yksiköiden 28a ja 28b jälkeen seuraa keksinnön mukainen muisti 10, joka toimii edellä selostetulla tavalla. Muistin 10 jälkeen seuraa 10-bitin 15 D-latch 29 ja sen jälkeen 10-bitin D/A-muunnin 30, josta saadaan tasa- jännite U t> joka on linearisoitu keksinnön mukaisesti käytetyn muistin 10 avulla ja joka sisältää informaation vastusten Rp ja R^, avulla mitatusta paineesta ja lämpötilasta. Muistiin 10 on kytketty lisäksi dekooderi 31, josta saadaan pulssijonot Ρ1~Ρη· 20

Kuviossa 6 esitetyn piirin resoluutio on 10-bittiä. Piiri on linearisoitu ja lämpötilakompensoitu anturikohtaisesti keksinnön mukaisesti käytetyn muistin 10 avulla.

25 Keksinnön mukaisen piirin nopeus voidaan määrätä laskemalla yhteen anturien viiveet, A/D-muuntimen 27 muunnosaika, D/A-muuntimen 30 muunnosaika sekä muistin 10 hakuaika. Tiedon uusiutumisaika määräytyy anturin ja mittauspiirin nopeudesta. Edellä mainittu muistin 10 hakuaika on noin 400 ns. Multicap-piiriä 11 käytettäessä mainittu uusiutumisaika on noin 30 200 ms, mikä johtuu lähinnä taajuusmittauksen hitaudesta.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella.

Claims (7)

70485 13

1. Menetelmä impedanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään mittauselektroniikkaa, johon kuuluu yksi 5 tai useampia sähköisiltä arvoiltaan mittausalueelle sijoittuvia referenssi-impedansseja, joita kytketään mitattavan impedanssin tai impedanssien kanssa vuorollaan vaihdellen mittauspiiriin kytkinjärjestelyä hyväksi käyttäen, tunnettu siitä, 10 että impedanssianturin tai -antureiden (Ce) yksilöllisten epälineaarisuuksien huomioon ottamiseksi ja mahdollisesti ulkoisten olosuhteiden, kuten lämpötilan vaihteluiden kompensoimiseksi mittauspiirissä käytetään muistia (10;100), johon muistiin on tallennettu kunkin anturin tai antureiden yksilöllinen ominaiskäyrä y^ *» f(x) ja mahdollisesti kompensoin-15 tia varten tarvittavat tiedot, että mainitun muistin (10;100) tulosignaallna (D. ) ovat binääriset m anturiviestit (AA/,Χ^..Cn), jotka määräävät mainitun muistin (10;100) muistiosoitteet ja 20 että mainitun muistin (10;100) lähtöviestinä (D ) on kuhunkin muisti- out paikkaan tallennettu kutakin anturiviestiä (X^) vastaava ominaiskäyrä-funktion f(X^) arvo, joka sisältää informaation mitattavasta suureesta.

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lmpedanssianturia käytetään muuttuvan fysikaalisen suureen, kuten lämpötilan, paineen, kosteuden, siirtymän, voiman ja/tai eri säteily-lajien mittauksessa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää sovelletaan kahden impedanssireferenssin mittaus-piirissä ja että mittausjärjestelmän ominaiskäyrä on muotoa y - ~ Ce

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että muisti (100) on jaettu useisiin lohkoihin, jossa kussakin lohkossa on tallennettuna muistitaulukko (taulukot 2..7), joista kukin 15 taulukko vastaa kompensoitavan suureen, esim. lämpötilan tiettyä arvoa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuihin eri taulukkoihin (taulukot 2..7) johdettavat binääriset viestit (A2..A^) sisältävät binäärisessä muodossa viestin (Ä2q..A^q) 20 kompensoitavasta suureesta sekä binäärisen anturiviestin (Α2^..Α^).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitusta muistista (10;100) johdetaan binääriset viestit pitopiirin (29) tai vastaavan kautta D/A-muuntimeen (30), josta saadaan 25 analogiasignaali, joka sisältää tiedon mitattavasta suureesta.

6 Ck2 - Ck1 35 i4 70485 1 missä C^2 ovat kahden referenssikapasitanssin tai vastaavan muun impedanssin sähköisiä arvoja ja Cg = mitattavan kapasitanssin tai muun impedanssin sähköinen arvo, 5 että edellä määritellyn y^-arvon nimittäjää pidetään mittauspiiriin kuuluvan säätösilmukan avulla olennaisesti vakiollisena, ja että y^-arvon osoittaja johdetaan binäärimuotoon koodattuna suoraan tai lukkopiirin (16,28a, 28b) kautta mainittuun keksinnön mukaisesti sovi-10 tettuun muistiin (10) sen ottosignaaliksi (D ).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että keksinnön mukaisesta muistista (10; 100) saadun viestin (D ) biteistä osa käytetään mittaussignaalin raja-arvojen koodaukseen. 30 35 70485 15