Квазимостовой измеритель сопротивления Советский патент 1985 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники, используемым в качестве прецизионных измерителей сопротивления (омметров) и проводимости (симмен метров), и является усовершенствованием известного устройства по авт. св. СССР № 568898. Целью изобретения является повы шение точности и надежности за счет компенсации погрешностей плеч относительным изменением сопротивления управляемого резистора, а та же за счет применения трансферов. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 электрическая схема трансфера. Устройство содержит зажимы 1 и 2 для подключения объекта измерения 3 (R X ( X регулируемый источник 4 напряжения U, нуль-орган 5 с входной проводимостью GHP и порогом чувствительности дО, общую шину 6, операционный усилитель 7 с выходным напряжением ср , звездообразный резисторный делител 8 напряжения, представляемый схемой замещения в виде треугольника проводимостей G, |U G, G(/i), (1) где PJ 0,Х,,..,Х(,,..,Х„ коэффициент преобразования де лителя по основному его выходу; коэффициент преобразования делителя по дополнительному его выходу; G - выходная проводимость звездорезисторного делителя напряжения; G,y - входная проводимость шунт рабочих плеч-проводимостей 0 и JUG делителя напряжения. Первая ступенчатая мера 9 сопро тивления образует первое масштабно плечо с сопротивлением К,;.вторая ступенчатая мера 10 сопротивления образует второе масштабное плечо с сопротивлением третье масштаб ное плечо 11 с сопротивлением R (1+ у) - R (2) образовано пос ледовательным соединением постоянн го по сопротивлению резистора 12 и резистора 13 с-управляемым сопроти лением. Устройство содержит также канал 14управления резистором 13, канал 15управления делителем 8 со стороны нуль-органа, канал 16 управления первой ступенчатой мерой 9, канал. 17 управления второй ступенчатой мерой 10, канал 18 управления регулируемым источником 4. Квазистовой измеритель сопротивления содержит многоконтурную измерительную цепь, составленную из перечисленных ранее составных элементов. Первый контур измерительной цепи устройства образован последовательным соединением регулируемого источника 4, объекта измерения 3 нуль-органа 5. Второй контур измерительной цепи устройства образован последовательным соединением регулируемого источника 4, второго масштабного плеча и входа операционного усилителя 7. Третий контур измерительной цепи устройства образован.соединением выхода операционного усилителя 7, первого масштабного плеча и нуль-органа 5. Четвертый контур измерительной цепи устройства образован соединением выхода операционного усилителя 7 с входом делителя 8. Пятый контур измерительной цепи устройства образован соединением выхода делителя 8 через третье масштабное плечо с входом операционного усилителя 7. Устройство работает следующим образом. После подключения объекта измерения 3 с сопротивлением RX к эажрмам 1 и 2 и включения источника 4 с напряжением и под действием последнего через сопротивление R ji и нуль-орган 5 с входной проводимостью СноНачинает протекать ток первого контура и : (R,+ I/G. ) ( Этот ток (3) в нуль-органе 5 вначала частично (а затем полностью) компенсируется током третьего контура1 (f : ( 1/0„ ) (4) В итоге (3) и (4) протекающий через нуль-орган 5 ток Чо 1 - Ь (5) может быть изменением тока 1 доведен до нулевого (т.е) квазимост может быть уравновешен)

I, - ч о (6)

Но

В момент равновесия, когда вьшолняется условие (6), падение напряжения на входе нуль-органа 5 будет

Ди а О ,(7)

вследствие чего в измерительной цепи установятся следующие соотношения характеризующих его величин

(8)

Ц R; (9)

Ij

При учете (6) и (8) и (9) следует,

J

f что

i:i

(10)

-R,

q.

(11)

откуда R R,- .

Отношение величин U/tp в свою очередь можно определить из равенства токов второго и четвертого контуров

(12)

1 If ,

при учете, что ток второго контура

(13)

и : R,

Ц /Мер: R(1±y) , (14) следует, что

и : R2 (MCf: R, (1 ±у),(15) откуда

и :(f ;uR2 Дз (ИУ (16) После подстановки (16) и (11) получим условие равновесия рассматриваемой измерительной цепи

R , R2 1

|U.

(17)

1

R

i Известно, что действительные значения сопротивлений плеч моста R, К, Кз с номинальными значениями сопротивлений этих плеч RJHOM 2 ном. 3 ио гл связаны соотйошенияйиR RI,,.. 1 - 5i) ; R. Rflu. (1 - z) ; (1 -6j) , где-0, ,02,0 - относительные погреш ности соответствующих сопротивлений. После подстановки (18), (19), (20 в (17) ряда преобразований и пренебрежения членами второго порядка малости получим окончательное г1фажение уравнения равновесия измерительной цепи

614

Кд /UR гном эном ( + S, ±У )(21)

Как следует из (21), в квазимостоном измерителе сопротивления относительным изменением сопротивления резистора 13 можно скомпенсировать влияние погрешностей плеч R,, Rj, Rg т.е. установить сумму погрешностей плеч и компенсирующего их изменения, равной нулю

- g, - 2 9, + у - о (22) Таким образом, вследствие компенсир тощего влияния У результирующая погрешностей плеч квазимостового измерителя сопротивления может быть уменьшена до уровня погрешности внешней образцовой меры, подключаемой на время калибровки вместо R к зажимам 1 и 2.

Особенно;. эффективное устройство, если его масштабные плечи выполнить в виде мультирезисторов-трансферов (малогабаритных переходных мер сопротивления без подстроечных резисторных элементов). Например, первое и второе масштабные плечи (в отдельных случаях и третье масштабное плечо) можно реализовать одиночными резисторами, группами, резисторов (мультирезисторами и трансферами - наборами равнономинальных по сопротивлению резисторов с переключающими устройствами для соединений зтих резисторов) по однородным схемам а,б,в согласно фиг.2. В данном устройстве трансферы без подстроечных резисторов впервые применяются для моделирввания масштабного множителя с одним общим подстроёчным элементом для одной группы трансферов. Каждый трансфер по отдельности является источником трех инвариант-сопротивлений: основного инвариант-сопротив ления при структуре соединений резисторных элементов по однородной схеме согласно фиг. 2а RU, (1/R,+ 1/Ra+ I/R, H/V второго инвариант-сопротивления при структуре соединений резисторных элементов по однородной схеме со.гласно фиг.2 о

Ru2 ( 1/R2+ 1/ + (1/R4+ 1/R + 1/R )+ (

H-I/RO)-; (24$ третьего инвариант-сопротивления при структуре соединений резисторных элементов по однородной схеме согласно фиг.2Ь RU3 S,+ R2+ Кз+ + R,p . (2 Теоретические и экспериментальные исследования дали следзтощие резуль таты: наиболее вероятной системати ческой погрешностью 10-секционного трансфера из резисторов с допуском i о будет погрешность ST- 8/ -лГГ ; (26 вариация погрешности трансфера при переходе RU,- R R ц , будет величиной второго порядка малости, поскольку она не более (27 Например, если 10-злементный . трансфер выполнить из резисторов с погрешностью S (+ 0,01%), то согласно (26) компенсируемая систематическая погрешность этого трансфера будет 0,003%, а ее (некомпенсируемая) вариация согласно (27) будет менее (0,003x0,01) 10-8(), что 0,01%:0,000001% 10000 раз меньшая величина, чем S - допуск по сопротивлению для р зистора - элемента трансфера. Таким образом, если плечи измерительной цепи устройства выполнить в виде трансферов, то его погрешность в целом при указанной структуре его цепи может быть скомпенсирована до уровня результирующей вариации систематических погрешностей указанных плеч, что по крайней мере в 10-100 раз меньше суммы систематических погрешностей плеч изме рительной цепи прототипа и предлагаемого устройства.Отмеченное свойство предлагаемого устройства позволяет при реализации имеющихся измерительных резисторов с допуском по сопротивлению в 0,02 - 0,01% выполнить как омметр (сименсметр) класса точности намного лучше, чем 0,01%, например 0,005% или 0,002%, 0,001%.

Современные прецизионные измерительные резисторы имеют частоту отказов г.- „М р ft 10 ... 10 используемые совместно с измерительными резисторами подстроечные резисторы имеют частоту отказов Л пр 2- 10- ,(29) вследствие чего суммарная частота отказов плеча цепи в виде последог вательного соединения измерительного постоянного и регулируемого подстроечного резисторов р 71 пр 20-10(30) Для уменьшения частоты отказов ; простейшего составного плеча цепей классических мостов-омметров и немостового омметра-прототипа приходится прибегать к двух- и даже трехкратному резервированию, т.е. использовать для реализации плеча помимо основного ещё соответственно двух или трех аналоговых резервных плеч из двух резисторов (постоянного и подстроечного). Трансфер при 10 основных и 3-х резервных постоянных резисторах обеспечивает в предлагаемом устройстве масштабирования на трех пределах измерения с такой же надежностью расход 13:3 4(3) резистора /предел, (31) тогда как в традиционных мостах в квазимостовом прототипе- омметре для этого расходует (2x4):10 « 0,8 резисторов/предел. Более высокая точность и надежность устройства обеспечивается структурой измерительной цепи и реализацией плеч последней в виде мультирезисторов-трансферов. Устройство легко превратить в квазимост-сго1енс1 етр, для чего достаточно поменять местами входы делителя 8 и второго масштабного плеча. Полученный в результате такой перестановки (инверсии) новый инверт квазимост - сименсметр сохраняет такое же количество по точности и надежности. Оба устройства не требуют применения дефицитных высокопрецизионных резисторов и высококачественных дорогих изоляторов, что обеспечивает экономию денежных средств и лимитируемых материалов,упрощает конструкцию и технологию описанных квАзимостовых измерителей.

КВАЗИМОСТОВОЙ ИЗЖРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПС авт.св. 568898, отличающийся тем, что, с целью повышения.точности и надежности, между выходом звездообразного резисторного делителя напряжения и входом операционного усилителя введены последовательно-соединенные постоянный по сопротивлению резистор и резистор с управляемым сопротивлением, а каждая из ступенчатых мер сопротивления выполнена в виде мультирезисторов трансферов. сл X) эо 95 У

Фиг. 2