ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для послеоперационного контроля качества электроконтактной сварки, контроля качества разборных электрических контактов в многоамперных токопроводах и в других случаях, когда требуется измерение малых величин сопротивлений.

Известен микроомметр Ф4104-М1 (см. паспорт и техническое описание Ба 2.722.054 ПС, 1991 г; приложение 2), принцип действия которого основан на измерении величины падения напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении через него оперативного тока заданной величины.

Известный микроомметр содержит блок питания, компенсационный стабилизатор последовательного типа, выходные клеммы Т1 и Т2, измерительный усилитель, запоминающий конденсатор, коммутируемый электронным ключом, переменный резистор КЛБ для осуществления калибровки измерительного усилителя, резистор УСТО для балансировки усилителя, стрелочный индикатор и генератор синхронизирующих импульсов, выполненный на двух последовательно соединенных ждущих мультивибраторах.

Однако известный микроомметр не обеспечивает высокую точность измерения из-за ряда присущих ему недостатков. Одним из этих недостатков является то, что в процессе измерения не учитываются контактные разности потенциалов и термоЭДС, в результате чего увеличивается погрешность измерения, особенно в начале шкалы. Это, в свою очередь, приводит к необходимости постоянно устанавливать стрелку индикатора на "0" шкалы.

Другим недостатком известной конструкции является использование аналоговой схемы элемента памяти, в данном случае это запоминающий конденсатор. Поскольку одним из требований к элементам памяти является их способность сохранять с высокой точностью записанную информацию в течение достаточно длительных промежутков времени, а используемый в известной конструкции элемент памяти такой способностью не обладает, то это также приводит к снижению точности измерения.

Известен "Прибор для контроля переходного сопротивления контактных соединений" (см. журнал Энергетик, N2, 1995, М. Энергоатомиздат, с.20-21; приложение 3), в котором реализован импульсный метод измерения контактного сопротивления. Прибор содержит комбинированные щупы, установленные по обе стороны испытываемого контактного соединения, стабилизирующий преобразователь, конденсатор, индуктивную катушку, тиристор, диод, коммутатор, интегратор и стрелочный индикатор.

Поскольку на токовые щупы подается высокое напряжение, то одним из недостатков этого прибора является то, что при его эксплуатации работа оператора становится небезопасной.

Кроме того, использование в известном приборе аналоговой схемы элемента памяти (конденсатора) приводит к аналогичному с микроомметром недостатку.

Известен "Измеритель малых сопротивлений" (см. авт.св. N 1368810, кл. G 01 R 27/02, 1988), который выбран в качестве прототипа.

Известный измеритель малых сопротивлений содержит два источника опорных напряжений противоположной полярности, входные аналоговые ключи, стабилизатор тока, усилитель постоянного напряжения, выходные аналоговые ключи, две ячейки аналоговой памяти, выполненные на запоминающих конденсаторах, операционный усилитель, выполняющий функцию согласующего блока, индикатор и блок управления, два токовых и два потенциальных зажима, соединенные с выходом стабилизатора тока и входом усилителя постоянного напряжения соответственно.

Известный измеритель малых сопротивлений обладает следующими недостатками:
в известном устройстве требуется обеспечить строгую идентичность по величине обоих источников опорного напряжения во времени и при изменении внешних условий (например, температуры ). Необходимо также обеспечить строгую идентичность двух выходных каналов стабилизатора тока, формирующих последовательно импульсы постоянного тока одинаковой амплитуды, но противоположной полярности. Это усложняет устройство и может привести к снижению точности измерения;
смещение нуля операционного усилителя в согласующем блоке является также одним из источников погрешности измерений;
узлы памяти в известном устройстве выполнены на аналоговых элементах (запоминающих конденсаторах). Однако аналоговые схемы памяти, используемые в данном устройстве, способностью сохранять с высокой точностью записанную информацию в течение достаточно длительных промежутков времени, не обладают.

Таким образом, известное устройство не может обеспечить высокую точность измерения.

Задача предлагаемого технического решения направлена на создание устройства с высокой точностью измерений малых сопротивлений.

Поставленная задача достигается тем, что в измеритель малых сопротивлений, содержащий усилитель постоянного напряжения, цифровой индикатор, токовые и потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, блок управления и последовательно соединенные источник опорного напряжения, аналоговый ключ и стабилизатор тока, причем второй вход аналогового ключа соединен с одним из выходов блока управления, дополнительно введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, регистровое запоминающее устройство и цифровой вычитатель, второй вход которого соединен с выходом аналого -цифрового преобразователя, а также введен аналоговый переключатель, один из входов которого соединен с выходом стабилизатора тока, второй вход аналогового переключателя подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого соединен с одним из входов аналого-цифрового преобразователя, другой вход аналого -цифрового преобразователя подключен к выходу усилителя постоянного напряжения, к входам которого подключены потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, а токовые зажимы для подключения измеряемого сопротивления подключены к выходам аналогового переключателя, второй вход регистрового запоминающего устройства подключен к четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с одним из входов цифрового индикатора, другой вход которого соединен с выходом цифрового вычитателя.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, регистровое запоминающее устройство и цифровой вычитатель, а также аналоговый переключатель и новые связи между элементами.

В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве осуществляется изменение направления тока через измеряемый резистор автоматически с помощью введенного аналогового переключателя. Это позволило исключить один источник опорного напряжения и один выходной канал стабилизатора тока.

Кроме того, ведение последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, регистрового запоминающего устройства и цифрового вычитателя позволило осуществлять преобразование по команде с блока управления аналоговой величины, поступающей с выхода усилителя постоянного напряжения на вход аналого -цифрового преобразователя в цифровой код и записывать этот код в регистровое запоминающее устройство, которое имеет неограниченное время хранения информации при нулевой погрешности хранения, и через цифровой вычитатель вывести результирующий код на цифровой индикатор.

Таким образом, предложенная схема измерителя обеспечивает высокую точность измерения малых сопротивлений, при этом в измерителе сохранен алгоритм измерения, принятый в прототипе, по которому значение измеряемой величины определяется как среднее арифметическое двух последовательно осуществляемых отсчетов (результатов измерения); 1-й отсчет выполняется при одном направлении рабочего тока; 2-й при обратном направлении. При этом, на конечный результат измерения не оказывают влияния погрешности, вызванные наличием помех в виде постоянного напряжения (термоЭДС, смещение нуля усилителя и др. ).

Изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг1 - блок-схема заявляемого измерителя малых сопротивлений; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу измерителя
Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, стабилизатор 3 тока, аналоговый переключатель 4, усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6, регистровое запоминающее устройство 7, цифровой вычитатель 8, блок управления 9, цифровой индикатор 10, два токовых 11 и 12 и два потенциальных 13 и 14 зажима для подключения измеряемого сопротивления.

R_x измеряемое сопротивление резистора 15.

Выход источника 1 опорного напряжения соединен через последовательно соединенные аналоговый ключ 2, стабилизатор 3 тока с одним из входов аналогового переключателя 4, выход которого соединен с токовыми 11 и 12 зажимами. Потенциальные зажимы 13 и 14 соединены с входами усилителя 5 постоянного тока.

Усилитель 5 постоянного тока последовательно соединен с аналого -цифровым преобразователем 6, регистровым запоминающим устройством 7, цифровым вычитателем 8 и цифровым индикатором 10. Выходы блока управления 9 подключены к вторым входам соответственно аналогового ключа 2, аналогового переключателя 4, аналого-цифрового преобразователя 6, регистрового запоминающего устройства 7 и цифрового индикатора 10.

Стабилизатор 3 тока может быть выполнен по схеме источника тока с незаземленной нагрузкой, обеспечивающей получение выходного тока одной полярности.

Усилитель 5 постоянного напряжения представляет собой измерительный усилитель постоянного тока, например, типа Ф8028 с высоким значением коэффициента усиления.

Аналого-цифровой преобразователь 6 может быть выполнен на большой интегральной схеме (БИС), например, К572ПВ1.

Регистровое запоминающее устройство 7 предназначено для запоминания результата первого измерения и может быть выполнено на регистрах, например, микросхемах средней степени интеграции типа К561ИР9.

Цифровой вычитатель 8 может быть выполнен, например, на микросхеме сумматора типа К561ИМ1.

Блок управления 9 может быть выполнен на основе счетчиков и дешифраторов, например, на микросхемах серии К561, обеспечивающих формирование импульсов управления соответствующими узлами схемы (фиг. 1).

Измеритель малых сопротивлений работает следующим образом. В исходном состоянии аналоговый ключ 2, предназначенный для формирования прямоугольного импульса тока с заданной источником 1 опорного напряжения амплитудой тока, разомкнут. Аналоговый переключатель 4 находится в одном из двух принимаемых им положений ( прямое направление тока и обратное направление тока ). Ток стабилизатора 3 равен "0". На цифровом индикаторе 10 индицируется "0" или значение предыдущего замера. С блока 9 управления поступает на аналоговый ключ сигнал, подключающий источник 1 опорного напряжения к стабилизатору 3 тока, который при этом вырабатывает импульс тока i положительной полярности. Этот ток, проходя через аналоговый переключатель 4, не изменяет своего направления и создает на измеряемом сопротивлении R_x 15 падение напряжения (фиг. 2а):
U_x R_x•i (1)
На выходе усилителя 5 постоянного напряжения формируется импульс напряжения положительной полярности (фиг. 2б), равный:
U_вых1 (U_x + U_n)•K_yc, (2)
где U_n напряжение помехи,
K_yc коэффициент усиления усилителя 5,
U_n включает дрейф "0" усилителя 5, термоЭДС, контактные разности потенциалов измерительной цепи и т.п.

Далее через время установления выходного сигнала, которое задается для каждого конкретного усилителя, происходит преобразование этого выходного сигнала U_вых1 в цифровой код N₊ с помощью аналого-цифрового преобразователя 6. Этот код N₊ записывается в регистровое запоминающее устройство 7 по сигналу с блока 9 управления. Автоматически происходит отключение аналогового ключа 2. На входе стабилизатора 3 ток равен нулю. Аналоговый переключатель 4 переключается во второе положение, чтобы ток протекал в обратном направлении. Перекоммутация аналогового переключателя 4 происходит без тока, чтобы исключить появление в нем искры, дуги и выхода из строя.

После перекоммутации аналогового переключателя 4, по сигналу с блока 9 управления, аналоговый ключ 2 подключает источник 1 опорного напряжения к стабилизатору 3 тока. Формируется импульс тока положительной полярности, но в силу перекоммутации аналогового переключателя 4 ток через измеряемое сопротивление R_x 15 протекает в обратном направлении. При этом на R_x 15 падение напряжения (фиг. 2а) равно:
-U_x R_x•(-i) (3)
На выходе усилителя 5 постоянного напряжения формируется импульс напряжения отрицательной полярности (фиг. 2б), равный:
U_вых2 (-U_x + U_n)•K_yc, (4)
Через время установления выходного сигнала, которое задается для каждого конкретного усилителя, происходит преобразование этого выходного сигнала U_вых2 в цифровой код N_- с помощью аналого -цифрового преобразователя 6. Этот код вычитается в цифровом вычитателе 8 из кода N₊ записанного ранее в регистровое запоминающее устройство 7.

Таким образом, результирующий код
N N₊ N_- (5)
где цифровой код N₊ соответствует U_вых1 (2),
а цифровой код N_- соответствует U_вых2 (4),
будет равен:
N U_вых1 U_вых2 (U_x + U_n)• K_ус (-U_x + U_n)•K_ус U_x•K_ус + U_n•K_ус + U_x•K_ус
U_n•K_ус 2U_x•K_ус (6)
Это значение N по сигналу с блока 9 управления переписывается в цифровой индикатор 10. Из равенства (6) видно, что U_n не влияет на результирующий код.

Выбором K_ус и/или амплитуды тока i через R_x 15 измеряемого сопротивления можно добиться того, что величина N будет численно равна значению измеряемого сопротивления R_x 15
Таким образом, предлагаемый измеритель обеспечивает измерение малых сопротивлений микроомного диапазона (разрешающая способность измерителя 0,1 мкОм ) с более высокой точностью за счет компенсации помех.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для послеоперационного контроля качества электроконтактной сварки, контроля качества разборных электрических контактов в многоамперных токопроводах и в других случаях, когда требуется измерение малых величин сопротивлений. Задача предлагаемого технического решения направлена на создание устройства с высокой точностью измерений малых сопротивлений. Поставленная задача достигается тем, что в измеритель малых сопротивлений, содержащий усилитель постоянного напряжения, цифровой индикатор, токовые и потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, блок управления и последовательно соединенные источник опорного напряжения, аналоговый ключ и стабилизатор тока, дополнительно введены аналоговый переключатель и последовательно соединенные аналого -цифровой преобразователь, регистровое запоминающее устройство и цифровой вычитатель. 2 ил.

Измеритель малых сопротивлений, содержащий усилитель постоянного напряжения, цифровой индикатор, токовые и потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, блок управления и последовательно соединенные источник опорного напряжения, аналоговый ключ и стабилизатор тока, причем второй вход аналогового ключа соединен с одним из выходов блока управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, регистровое запоминающее устройство и цифровой вычислитель, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а также введен аналоговый переключатель, один из входов которого соединен с выходом стабилизатора тока, второй вход подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого соединен с одним из входов аналого-цифрового преобразователя, другой вход которого подключен к выходу усилителя постоянного напряжения, к входам которого подключены потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, а токовые зажимы для подключения измеряемого сопротивления подключены к выходам аналогового переключателя, второй вход регистрового запоминающего устройства подключен к четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с одним из входов цифрового индикатора, другой вход которого соединен с выходом цифрового вычитателя.