Способ измерения сопротивлений и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01R27/00 

2. Устройство для осуществления способа по п, 1, содержащее регулирующий элемент, переключатель, компаратор, подключенный первым входом к первому входу интегрирующего элемента, источники опорного и измерительного напряжений, клеммы для подключения измеряемого объекта, одна из которых соединена с первым выходом источника питания, отличаю щееся тем, что в него введены образцовое сопротивление, датчик напряжения, усилитель обратной связи и ключ, при этом один из выводов образцового сопротивления подключен к другой клемме для подключения измеря мого сопротивления, а другой вывод к одному из в-ходов регулирующего эле мента и к первому входу усилителя об ратной связи, выход которого подключен к второму входу регулирующего элемента а второй вход - к источнику измерительного напряжения, выход регулирующего элемента через переключатель подключен к первым выводам ключа, интегрирующего элемента и первому компаратору, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а третий вывод переключателя подключен к вторым выводам ключа и интегрирующего элемента, а через датчик напряжения - к второму выводу источника питания, причем управляющие выводы- переключателя и ключа подключены к входу- устройства, выходом которого является выходом компаратора.

1. Способ измерения сопротивлений путем преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональный ьременной интервал, в котором формируют ТОК, интегрируют его, о т л и ч а ют и и с я тем, ЧТО, с целью расширения диапазона и повышения точности измерения, формируют напряжение, пропорциональное току, суммируют erq с напряжением, пропорциональным интегральному значению тока, и результирующее напряжение сравнивгиот с опорным напряжением, причем ток формируют пропорциональным суммарномус значению измеряемого и образцового сопротивлений. «Л 4 4;

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использован в системах автоматического измерени h контроля активного сопротивления. Известен способ измерения-сопротивления, основанный на преобразова нии измеряемого сопротивления в пос-гоянное напряжение, которое преобразуется во временно-й интервал, а затем в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1. Недостатком способа является слож ность аппаратурной реализации, кото рая возрастает с уменьшением диапаз на сопротивления. Это обусловлено-те что при измерении малых сопротивлений (единицы ом) приходится преобра зовывать весьма малые падения напря жения (единицы милливольт), что представляет определенную -техническую трудность. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения сопротивления, основанный на преобразовании измеряемого сопротивления во временной интервал, путем заряда эталонного конденсатора током, пропорциональным измеряемому сопротивлению Г2 Недостатком известного способа является ограниченный диапазон измерения сопротивлений в.области малых значений, так как при уменьшении измеряемых сопротивлений возрастает ток в измеряемом объекте, что в ряде случаев недопустимо. При этом увеличивается скорость заряда конденсатора и, следовательно, погрешность измерения за счет конечного бы стродействия как сравнивающего блока (компаратора), так и регулирующето элемента. При измерении сопротивлений порядка 0,1-10 Ом резко уменьшается падение напряжения на измеряемом сопротивлении, что делает практически невозможным измерение из-за дрейфа параметров регулирующего элемента. Кроме результат измерения влияют паразитные реактивные составляющие измеряемой цепи, так как ток в измеряемой цепи устанавливается в процессе измерения. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения сопротивлений, содержащее регулирующий элемент, вход которого через датчик (измеряемое сопротивление) подключен к корпусу и к одному из выводов первого, резистора (источника измерительного напряжения), другой вывод которого связан с управляющим входом регулирующего элемента, а через диод с одним выводом второго резистора, выход регулирующего элемента подключен к первому входу компаратора, к которому через конденсатор (интегрируюцяй элемент) подключен выход источника питания, двухпозиционный ключ и дополнительный резистор (источник опорного напряжения), включенный между выходом источника питания и другим выводом второго резистора, причем каждый из двух выводов последнего связан с соответствующим входом ключа,, выход которого соединен со вторым входом компаратора, а управляющий вход ключа подключен к выходу сравниг вающего элемента 2. - Недостатками известного устройства являются ограниченный диапазон измерения сопротивлений в области малых значений из-за большой погрешности измерения, вызванной резким уменьшением падения напряжения на измеряемом сопротивлении, а также конечным быстродействием компаратора и регули рующего элемента; влияние на результат измерения паразитных реактивных составляюйшх (емкостей и индуктивностей) в и-змеряемой цепи (датчике) , так как ток в ней устанавливается в момент начала преобразования; значительное увеличение аппаратурных затрат при увеличении числа кЬнтролируё мых датчиков сопротивления, так как на каждый датчик требуется регулирую щий элемент и резистор. В противном случае на результат измерения большо влияние оказывает сопротивление подводящих проводов. Цель изобретения - расширение диа пазона измерения в области низкоом-. ных сопротивлений и повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что при способе измерения сопротивле ний путем преобразования и-змеряемого сопротивления в пропорциональный вре менной интервал, в котором формируют ток и интегрируют его, формируют напряжение, пропорциональное току, сум мируют его с напряжением, пропорциональным интегральному значению тока, и результирующее напряжение сравнивают с опорным напряжением, причем ток формируют пропорциональным суммарному значению измеряемого и образцового сопротивлений. Кроме того, в устройство для осущ ствления способа, содержащее регулирующий элемент, переключатель, компаратор, подключенный первым входом к первому входу интегрирующего элемента, источники опорного и измерительного напряжений, клеммы для подключения измеряемого объекта, одна из которых соединена с первым выходом источника питания, введены образцовое сопротивление, датчик напря жения, усилитель обратной связи и ключ, при этом один из выводов образцового сопротивления подключен к другой клемме для подключения измеря мого сопротивления, а другой вывод к одному из входов регулирующего элемента и к первому входу усилителя обратной связи, выход которого подклю чен к второму входу регулирующего эл мента, а второй вход - к источнику- и мерительного напряжения, выход регулирующего элемента через переключатель подключен к- первым выводам ключа, интегрирующего элемента и первому входу компаратора, второй вход ко торого подключен к источнику опорного напряжения, а третий вывод переключателя подключен к вторым выводам ключа и интегрирующего элемента, а через датчик напряжения - к второму ыводу источника питания, причем упавляющие выводы переключателя и ключа подключены к входу устрой .п-за, выходом которого является выход комаратора. На чертеже приведена структурная схема устро11ства для осуществления предлагаемого способа. Устройство содержит измеряемое сопротивление 1, сопротивление 2 подводящих проводов, образцовое сопротивление 3, регулирующий элемент 4, усилитель 5 обратной связи, источник 6 измерительного напряжения, переключатель 7, ключ 8, интегрирующий элемент 9, датчик 10 напряжения, источник И опорного напряжения, компаратор 12, источник 13 питания, паразитную емкость 14г входную клемму 15 устройства, клеммы 16 и 17 подключения измеряемой цепи, выходную клемму 18 устройства. При этом источник 13 питания через последовательно соединенные клеммы 16 и 17 для подключения измеряемой цепи и образцовое сопротивление 3 подключен к входам регулирующего элемента 4 и усилителя 5 обратной связи, выход которого подключен к второму входу регулирую- щего элемента 4, выход которого через переключатель 7 подключен к одному из выводов интегрирующего элемента 9, одному из выводов ключа 8 и одному из входов компаратора 12, к второму входукоторого подключен источник 11 опорного напряжения, при этом второй выход переключателя 7 подключен к другому выводу ключа 8, другому выводу интегрирующего элемента 9 и через датчик 10 напряжения к второму выводу источника 13 питания, причем .управляющие входы переключателя. 7 и ключа 8 подключены к входной клемме 15, а к второму входу усилителя 5 обратной связи подключен источник 6 измерительного напряжения. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 8 замкнут и шунтирует интегрирующий элемент 9, напряжение на нем равно нулю. К клеммам 16 и 17 устройства через сопротивление 2 подводящих проводов подключается измеряемое сопротивление 1. Через измеряемое сопротивление 1; сопротивление 2 подводящих проводов, образцовое сопротивление 3, регулирующий элемент 4, переключатель 7, датчик 10 напряжения и источник 13 питания протекает ток измерительное напряжение ис где Ug RX точника 6; измеряемое сопротивление;

г - сопротивление подводящих проводов;

RO - образцовое сопротивление. Усилитель 5 обратной связи изменяет сопротивление регулирующего элемента 4 таким образом, что суммарное напряжение на сопротивлениях 1-3 поддерживается постоянным и равным напряжению U(, источника б независимо от величины измеряемого сопротивления

Рх

При R О ток достигает максимального значения

..--f-V

Сопротивление датчика 10 напряжения определяется по формуле где и - напряжение источника 11 С учетом формулы (2) R, 2ой.(г + R ), -п На датчике 10 формируется напр ние Ug, пропорциональное току 1х с RCV I X в момент t на входную клемму устройства поступает команда нача измерения, по которой разь«лкается ключ 8, переключается переключател 7, в результате чего выход регули рующего элемента 4 подключается ч интегрирующий элемент 9 к датчику напряжения и начинается процесс и тегрирования тока 1 интегрируюиш элементом 9. Так как до момента t ток через интегрирующий элемент 9 и ключ 8 не протекает, то ост точное напряжение на элементе 9 .равно нулю. В момент tj равенства суммарног напряжения на датчике 10 напряжени и интегрирующем элементе 9 напряже нию Upp источника 11 компаратор 12 выдае сигнал. Длительность импульса с момента t до момента tj равна t t,-t, -: с, (6) где С - величина емкости интегриру щего элемента 9. С учетом формулы (5) и - R ). t а- X I

Подставив в формулу (7) ВЕлреокения (1) и (4), получим

(R.+R) U(r. .R),

cg(R -r+Ro-r-Re),, (8)

Из формулы (8) видно, что длительность импульса t, формируемая устройством с момента t до момента t , прямо пропорциональна величине R

(9)

t k R, где k с - const, коэффициент о пропорциональности. Из формулы (8) видно, что длительность импульса t зависит от соотношения напряжений Uj,n и Up не зависит от их абсолютной величины. Из этого следует, что если источники оп UQ построить в виде резистивных делителей, подключенных к источнику 13 питания, то результат измерения (длительность t, ) не будет зависеть от напряжения питания. Таким образом, измеряя длитель-- ность t импульса с учетом коэффициента пропорциональности, можно определить величину R)(. При R О напряжение U на датчике 10 равно напряжению ,„ источника 11. В результате этого суммарное напряжение на датчике 10 и интегрирующем элементе 9 в момент t-, равно напряжению Ugr; и компаратор 12 сразу выдает сигнал. При этом длительность импульса t равна нулю. Введение образцового сопротивления 3 позволяет ограничить ток, протекающий в устройстве при R 0. При этом удается увеличить напряжение, которое необходимо поддерживать на входе регулирующего элемента 4, благодаря чему снижаются требования к стабильности параметров усилителя 5 и регулирующего элемента 4 и повышается точность измерения. Например, при измерительном токе равном 10 мА и измеряемом сопротивлении RX 0,1-1 Ом без сопротивления 3 напряжение на входе элемента 4 необходимо поддерживать на уровне 1-10 МБ, при этом дрейф напряжения смещения усилителя 5 равный 1 мВ, увеличивает погрешность измерения сопротивления на 1,0 м на 10%, а сопротивление 0,1 м до 1001, т.е. делает невозможным измерение 0,1 Ом. При величине сопротивления 3, капример, 10 Ом, измерительном токе Ю мА и сопротивлении RK - 0,1-1 Ом на входе элемента 4 необходимо поддерживать напряжение на уровне 100110 мВ, при этом дрейф напряжения смещения усилителя 5, равный 1 мВ, увеличивает погрешность измерения до 1%. Таким образом, нестабильность параметров усилителя 5 и регулирующего элемента 4 в предлагаемом устройстве влияет на погрешность измерения сопротивлений в меньшей степени. Введение датчика 10 напряжения по воляет учесть влияние на результат и мерения как образцового сопротивлени 3, так и сопротивления 2 подводящих проводов. При МНОГОКаНсШЬНОЙ СИСТеме измерения подводящие провода долж ны быть прокалиброваны. Так как до появления команды начала измерения на клемме 16 устройства выход регулирующего элемента 4 через переключатель 7 и датчик 10 напряжения подключен к источнику 13 питания, то переходной процесс при подключении измеряемой цепи с паразитной емкостью 14 протекает быстро Isa счет малого переходного сопротивлекия цепи заряда. В момент tf появления команды начала из(«рения в измеряемой цепи переходный процесс отсутствует, так как напряжение на ней поддерживается постоянным. Благодаря .этому устройство обладает высоким быстродействием и полным отсутствием влияния паразитных реактивностей на результат измерения. Предложенный способ измерения сопротивлении и устройство для его осу ществления позволяют расширить диапазон измерения сопротивлений в области низкоомных сопротивлений за счет увеличения измерительного напряжения без увеличения тока, протекающего через измеряемое сопротивление, при этом падение напряжения на измеряемом сопротивлении не измеряется . Повышается точность измерений за счет компенсации влияния сопротивления подводящих проводов и активного сопротивления элементов устройства, на результат измерения. Увеличивается скорость измерений за счет исключения влияния паразитных реактивных составляющих на результат измерения и большой скорости переходного процесса в момент подключения измеряемой цепи. Упрощается аппаратурная реализация за счет снижения требований к измерительному усилителю и отсутствию отдельного аналого-цифрового преобразователя. Технико-экономический эффект применения предлагаемого устройства заключается в том, что повышается точность измерения сопротивлений, особенно в области малых значений, а также значительно (в 10-50 раз) уменьшается время, затрачиваемое на измерение сопротивления . Благодаря указанным преимуществам изобретение повышает эффективность автоматических систем измерения сопротивлений и сокращает время испытаний объектрв контроля.