УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению электрического сопротивления преимущественно в милли- и микроомном диапазонах, например сопротивления проводников, переходного сопротивления электрических контактов и т.п. Может быть использовано для контроля качества изделий электротехнической промышленности, например электродов для дуговых электропечей, обмоток трансформаторов по сопротивлению.

Известно устройство для измерения электрического сопротивления, содержащее образцовый резистор, включенный последовательно с измеряемым, и усилитель, к выходу которого подключен индикатор, например микроамперметр (см., например, кн. Измерения в электронике: Справочник / В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В. М. Коневских и др.; под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 196, рис. 4-13,б). Недостатком этого устройства, приводящим к ограничению области его применения, является то, что при измерении очень малых сопротивлений (в милли- и микроомном диапазонах) для обеспечения необходимой чувствительности через измеряемое сопротивление требуется пропускать очень большие токи - десятки и даже сотни ампер, что приводит к увеличению массы, габаритных размеров и стоимости устройства. Нестабильность напряжения источника питания ограничивает точность измерений, что наиболее существенно проявляется при использовании сильноточных источников.

Известно также устройство для измерения электрического сопротивления, которое содержит образцовый резистор, подключенный последовательно с измеряемым к источнику напряжения питания, четыре резистора, образующие схему электрического моста, и индикатор (см., например, кн. Измерения в электронике: Справочник / В. А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 198 - 199, рис. 2-17). Благодаря использованию мостовой схемы практически устраняется влияние напряжения источника питания на точность измерений, однако для получения чувствительности, обеспечивающей возможность измерения сопротивлений в милли- и микроомном диапазонах, также необходимы сильноточный источник питания и индикатор с очень высокой чувствительностью (доли микровольта).

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения электрического сопротивления (см. патент Российской Федерации N 2137144 кл. 6 G 01 R 27/00 от 28.04.98, опубл. 10.09.99, бюл. N 25). Это устройство содержит эталонный резистор (шунт), подключенный к источнику напряжения последовательно с измеряемым сопротивлением, два дифференциальных усилителя, подключенные входами к шунту и измеряемому сопротивлению, и устройство деления напряжений. Значение измеряемого сопротивления вычисляется по результатам двух измерений, одно из которых выполняется при включении последовательно с измеряемым сопротивлением и шунтом дополнительного резистора, а второе - при включении ключа, присоединенного параллельно дополнительному резистору. В результате происходит компенсация основной части систематических аддитивных погрешностей блоков устройства, в первую очередь напряжений смещения дифференциальных усилителей и контактных потенциалов в измерительной цепи. Недостатками устройства-прототипа являются сложность вычислительной операции, включающей деление, и недостаточная точность, определяемая влиянием погрешностей сопротивлений измерительной цепи: шунта, дополнительного и ограничительного резисторов, а также проявляющейся при двух измерениях кратковременной нестабильности источника напряжения в измерительной цепи.

Задачей изобретения является уменьшение аддитивной постоянной систематической погрешности измерения электрического сопротивления и расширение диапазона измерения в сторону малых сопротивлений.

Решение задачи достигается тем, что устройство для измерения электрического сопротивления, содержащее источник напряжения, соединенный с одним из выводов для подключения измеряемого сопротивления, измерительный шунт, включенный между управляемым источником напряжения и другим выводом для подключения измеряемого сопротивления, два дифференциальных усилителя, входы одного из которых подключены к измерительному шунту, а входы второго - к выводам для подключения измеряемого сопротивления, и блок деления напряжений, вход делимого которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя, дополнительно снабжено ключом, включенным последовательно с шунтом, устройством выборки и хранения, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя, а выход - к входу делителя блока деления напряжений, реверсивным счетчиком, счетный вход которого подключен к выходу блока деления напряжений, и блоком управления, соединенным выходом с входом переключения направления счета реверсивного счетчика и управляющим входом ключа, причем блок деления напряжений выполнен в виде преобразователя напряжения в количество импульсов.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено ключом, включенным последовательно с шунтом, устройством выборки и хранения, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя, а выход - к входу делителя блока деления напряжений, реверсивным счетчиком, счетный вход которого подключен к выходу блока деления напряжений, и блоком управления, соединенным выходом с входом переключения направления счета реверсивного счетчика и управляющим входом ключа, причем блок деления напряжений выполнен в виде преобразователя напряжения в количество импульсов.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Структурная схема предложенного устройства приведена на чертеже. Оно содержит последовательно соединенные источник напряжения 1 (G), ключ 2 (S) и шунт 3 (R_ш), подключенные к выводам 4 и 5 для подключения токовой цепи измеряемого сопротивления 6 (R_x), вход первого дифференциального усилителя 7 (ДУ1) подключен к шунту 3, а вход второго дифференциального усилителя 8 (ДУ2) - к потенциальным выводам 9 и 10 для подключения измеряемого сопротивления 6. Выход первого дифференциального усилителя 7 соединен с входом устройства выборки и хранения 11 (УВХ). Вход делителя блока деления 12 подключен к выходу устройства выборки и хранения 11, а вход делимого блока деления 12 - к выходу второго дифференциального усилителя 8. Счетный вход реверсивного счетчика 13 (СЧ) подключен к выходу блока деления 12, а выход блока управления 14 (БУ) подключен к входу переключения направления счета реверсивного счетчика 13, а также управляющим входам ключа 2 и устройства выборки и хранения 11. Для задания необходимого значения рабочего тока в измерительной цепи может быть включен ограничительный резистор 15 (R_огр). При четырехзажимной схеме подключения измеряемого сопротивления 6 используются как токовые выводы 4 и 5, так и потенциальные 9 и 10. При двухзажимной схеме токовые и потенциальные выводы 4 и 9, 5 и 10 для подключения измеряемого сопротивления 6 могут быть соответственно объединены. Блок деления 12 выполнен в виде преобразователя напряжения в количество импульсов и представляет основную часть аналого-цифрового преобразователя с выходным сигналом в виде число-импульсного кода. Такой преобразователь может быть выполнен, например, по методу времяимпульсного преобразования (с линейной разверткой или с двухтактным интегрированием) измеряемого напряжения в интервал времени с последующим заполнением этого интервала счетными импульсами (см. например, Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 159-167, рис. 4-29 - 4-32).

Учитывая, что выходной код N аналого-цифровых преобразователей (АЦП) пропорционален входному преобразуемому напряжению U, можем записать
N=U/Δ
где Δ - напряжение, соответствующее младшему разряду цифрового кода.

Напряжение Δ формируется в АЦП как некоторая часть опорного напряжения U_оп, т.е.

Δ = αU_оп,
где α - коэффициент пропорциональности.

Подставляя это соотношение в (1), получаем выражение
N = U/(αU_оп),
из которого видно, что при аналого-цифровом преобразовании выполняется операция деления преобразуемого напряжения U на опорное U_оп.

Таким образом, АЦП представляет собой блок деления аналоговых напряжений с цифровым выходом. Вход, на который подается преобразуемое напряжение, является входом делимого, а вход опорного напряжения - входом делителя. При аналого-цифровом преобразовании по методу времяимпульсного преобразования и двухтактного интегрирования промежуточным сигналом является количество импульсов, равное выходному коду. Предложенное устройство работает следующим образом. Измерение выполняется в 2 этапа. На первом этапе блок управления 14 замыкает ключ 2, переводит УВХ 11 в режим слежения (выборки), а счетчик 13 - в режим суммирования. Рабочий ток, протекающий в измерительной цепи, создает падения напряжения U_ш на сопротивлении шунта 3 и U_x на измеряемом сопротивлении 6
U_ш=R_шI;
U_x=R_xI,
где I= E(R_ш + R_x + R_вн + R_доп) - рабочий ток в измерительной цепи; Е и R_вн - ЭДС и внутреннее сопротивление источника напряжения; R_доп - дополнительное сопротивление измерительной цепи, которое в общем случае учитывает сопротивление ограничительного резистора и токовых контактов 4 и 5.

Дифференциальными усилителями 7 и 8 осуществляется выделение указанных падений напряжений и формирование пропорциональных им напряжений относительно общего провода. При этом напряжения U₁ и U₂ на входах блока деления 12 можно записать в виде
U₁=K1(U_ш+U_см1);
U₂=K2(U_x+U_см2),
где К1 и К2 - коэффициенты усиления усилителя 7 с УВХ 11 и усилителя 8 соответственно; U_см1 - напряжение смещения, приведенное к входу, усилителя 7 с УВХ 11 и входа делителя блока деления 12; U_см2 - напряжение смещения, приведенное к входу, усилителя 8 и входа делимого блока деления 12.

В результате деления этих напряжений блок деления 12 формирует количество импульсов N1, которое накапливается счетчиком 13
N₁ = K_БДU₂/U₁ = K(U_x + U_см2)/(U_ш + U_см1),
где К_БД - коэффициент передачи блока деления 12; К = K1K_БД/K1.

Подставляя значения U₁ и U₂, после преобразования получаем
N₁ = KR_x(1 + δ₂)/[R_ш(1+ δ₁)],
где δ₁ = U_см1/U_ш - относительная аддитивная погрешность канала делителя устройства (усилителя 7, УВХ 11 и входа делителя блока деления 12); δ₂ = U_см2/U_x - относительная аддитивная погрешность канала делителя устройства (усилителя 7 и входа делимого блока деления 12).

Как видно из выражения (2), выходной код устройства содержит аддитивную погрешность, определяемую напряжением смещения усилителя 7, входа делимого блока деления 12 и контактных потенциалов во входном контуре усилителя 8. Погрешность коэффициентов усиления усилителей 7 и 8, коэффициента передачи блока деления и напряжение смещения усилителя 7, УВХ 11 и входа делителя блока деления 12 приводят к появлению мультипликативной погрешности измерения сопротивления.

На втором этапе измерения блок управления 14 выключает ключ 2, переключает счетчик 13 в режим вычитания и переводит УВХ 11 в режим хранения. Рабочий ток в измерительной цепи, а также падения напряжения на шунте 3 и измеряемом сопротивлении 6 становятся равными нулю. При этом напряжение на выходе УВХ 11 остается равным значению U₁, а на выходе усилителя 8 равным
U₃= K2U_см2.

На выходе блока деления 12 будет сформировано количество импульсов, равное
N₃=KR_хδ₂/[R_ш(1 + δ₁)].

Так как во время этого этапа счетчик 13 работает в режиме вычитания, то к моменту окончания этапа состояние в счетчике 13 будет цифровой код, являющийся окончательным результатом измерения
N_х = KR_х/[R_ш(1 + δ₁)].

Таким образом, результат измерения не содержит аддитивной погрешности. Мультипликативная погрешность, определяемая отклонением значения коэффициента K от номинального (расчетного) значения, может быть обеспечена достаточно малой путем охвата усилителей 7 и 8 глубокой отрицательной обратной связью с использованием прецизионных элементов, а также начальной регулировкой схемы. Влияние погрешности, обусловленной напряжением смещения U_см1, также может быть значительно снижено выбором сопротивления шунта 3 таким, при котором падение напряжения U_ш на нем во много раз превышает напряжение смещения U_см1.

Применение методов и схемных решений, используемых в АЦП, позволяет выполнить операцию деления с высокой точностью. Например, даже широко распространенные сравнительно грубые 12-разрядные АЦП обеспечивают погрешность менее 0,05%. На базе интегрирующих 16-й 18-разрядных АЦП можно выполнить блоки деления с погрешностью порядка 0,001%.

Таким образом, предложенное устройство позволяет практически устранить постоянную систематическую погрешность при измерении сопротивлений элементов и участков электрических цепей, изделий электротехнической промышленности. Это позволит значительно повысить точность измерения сопротивлений, уменьшить значение рабочего тока, снизить вес, габариты и стоимость приборов. Благодаря уменьшению порога чувствительности омметров за счет уменьшения аддитивной погрешности нижний предел микроомметров может быть уменьшен на несколько порядков без увеличения рабочего тока. Наиболее перспективно применение предложенного устройства для построения милли- и микроомметров.

Использования: для измерения электрического сопротивления, преимущественно в милли- и микроомном диапазонах проводников, сопротивления электрических контактов, а также для контроля качества электродов для дуговых электропечей, обмоток трансформаторов по сопротивлению. Технический результат заключается в повышении точности и расширении диапазона измерения сопротивлений в сторону малых значений, а также повышении экономичности и уменьшении габаритных размеров микроомметров. Устройство содержит источник напряжения, соединенный с одним из выводов для подключения измеряемого сопротивления. Измерительный шунт включен между управляемым источником напряжения и другим выводом для подключения измеряемого сопротивления. Входы одного дифференциального усилителя подключены к измерительному шунту, а входы второго - к выводам для подключения измеряемого сопротивления. Вход делимого блока деления напряжений соединен с выходом первого дифференциального усилителя. Ключ соединен последовательно с шунтом. Вход устройства выборки и хранения подключен к выходу первого дифференциального усилителя, а его выход - к входу делителя блока деления напряжений. Счетный вход реверсивного счетчика подключен к выходу блока деления. Блок управления соединен выходом с входом переключения направления счета реверсивного счетчика, а также с управляющими входами ключа и устройства выборки и хранения. Блок деления напряжений выполнен в виде преобразователя напряжения в количестве импульсов. 1 ил.

Устройство для измерения электрического сопротивления, содержащее источник напряжения, соединенный с одним из выводов для подключения измеряемого сопротивления, измерительный шунт, включенный между источником напряжения и другим выводом для подключения измеряемого сопротивления, два дифференциальных усилителя, входы одного из которых подключены к измерительному шунту, а входы второго - к выводам для подключения измеряемого сопротивления, и блок деления напряжений, вход делимого которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, отличающееся тем, что оно снабжено ключом, включенным последовательно с измерительным шунтом, устройством выборки и хранения, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя, а выход - к входу делителя блока деления напряжений, реверсивным счетчиком, счетный вход которого подключен к выходу блока деления напряжений, выполненного в виде преобразователя напряжения в количество импульсов, и блоком управления, соединенным выходом с входом переключения направления счета реверсивного счетчика, а также с управляющими входами ключа и устройства выборки и хранения и обеспечивающим на первом этапе замыкание ключа, перевод устройства выборки и хранения в режим выборки, а реверсивный счетчик - в режим суммирования, а на втором этапе - выключение ключа, перевод устройства выборки и хранения в режим хранения, а реверсивный счетчик - в режим вычитания.