Способ измерения электрических сопротивлений резисторов мостом постоянного тока Советский патент 1990 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к особо точным электрическим измерениям на постоянном токе и поедназначено для использования в приборостроительной про- Умышленности, а гэкже в органах государственной и ведомственной поверочной службы.

Цель изобретения - повышение точности измерений при определении стабильности сопротивлений за счет исключения влияния температуры окружающей среды и самонагрева прецизионных резисторов проходящим через них толом.

На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы реализации способа.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема одинарно-двойного моста, включенного в схему двойного моста. Схема содержит одно из основных плеч 1, являющееся отсчетным, смежное с ним другое основное плечо 2, дополнительное плечо 3, являющееся также отсчетным, отсчетные декады которого механически спарены с отсчетными декадами основного плеча 1, другое дополнительное плечо 4, смежное с отсчетным дополнительным, четырех зажимное измеряемое сопсд со со

05 С5

ротивление 5, потенциальными выводами 6 подключенное к отсчетным основному и дополнительному плечам, блок 7 че- тырехзажимной тарной меры, потенциальные выводы 8 которой соединены с другим основным и дополнительным плечами, блок 9 нуль-индикатора, подключенный посредством зажимов 10 и 11 к вершинам основных и дополнительных плеч, блок J 12 питания с переключателем полярности, нагрузочным магазином и прибором для контроля величины тока, зажим 13, соединенный с одним из потенциальных выводов измеряемого сопротивления, перемычка 14, соединяющая один из потенциальных выводов блока тарной меры с одним из дополнительных плеч.

На фиг. 2 показана полная принципиальная схема одинарно-двойного мое- 2 та, необходимая для практического осу3

ществления способа применительно к одному из конкретных примеров его реализации - измерению сопротивления в 540 Ом в схеме двойного моста. Схема 2 содержит внешний блок 15 подключенный снаружи одним из выводов последовательно к отсчетному основному плечу 1 с помощью зажима 16, находящегося на наружной панели моста, внешний блок 17, подключаемый к другому основному плечу 2 последовательно с ним посредством зажима 18, находящегося на наружной панели моста, внешний блок 19, подключаемый снаружи к отсчетному дополнительному плечу 3 посредством зажима 20, находящегося на наружной панели моста, внешний блок 21, подключаемый одним из выводов к другому дополнительному плечу 4 последовательно с ним посредством зажима 22, находящегося также на наружной панели моста, зажим 23, подключаемый к другому выводу внешнего блока, соединенного одним из выводов с основным отсчетным плечом, образцовую меру 24, изображенную в виде четырехзажимного резистора, добавочное плечо 2Ь, соединенное посредством перемычки и Зажима 26 с зажимом внешнего блока, соединенного с основным отсчетным плечом, добавоч ные плечи 27 и 28, подключаемые попеременно посредством зажимов и перемычки 29 к внешним токовым зажимам 30 и 31 измеряемого сопротивления или образцовой меры, общая вершина добавочных плеч соединена с одним из выводов блока питания, другой вывод которого соединен с внешним токовым выводом

JQ з

20 30

35

25

9667

32 блока тарной меры, внешнюю перемычку 33, соединяющую внутренние токовые зажимы 34 и ЗЬ или 36 блока тарной меры и измеряемого сопротивления или образцовой меры, узел 37, соединяющий цепь одного из добавочных плеч с цепью внешнего блока, соединенного с основным отсчетным плечом, узлы 38 и 39, соединяющие потенциальные и токовые выводы измеряемого сопротивления и образцовой меры соответственно, резистор 40 невысокой точности, например около 100 Ом, включенный между узловой точкой, соединенной с внешним блоком основного отсчет- ного плеча и узловой точкой,соединен- ной с потенциальными и токовыми выводами измеряемого сопротивления или образцовой меры, перемычку 41, закорачивающую этот резистор, мост k2 установки.

На фиг. 2 штриховкой отмечены меры, погруженные в термостат.

Способ характеризуется следующими операциями.

Весь диапазон измеряемых сопротивлений, например от 10 до 10 Ом, разделяют на поддиапазоны, например 10- 100, 100-500, 500-700 Ом и т.д. в зависимости от конкретной измерительной задачи. В дальнейшем границы между поддиапазонами могут уточняться. Далее подбирают ориентировочные сопротивления плеч моста, соответствующие расчетным значениям подлежащих измерению сопротивлений в пределах какого-либо поддиапазона с учетом наибольших нагрузок на измеряемое сопротивление fj, например в пределах 500 - 700 Ом, с нагрузкой до 1 Вт. При этом избегают схем со значительной асимметрией плеч, т.к. схемы должны обладать достаточной чувствительностью также и при измерении образцовой меры 24, находящейся под меньшей нагрузкой, чем измеряемое сопротивление 5« Кроме того, номинальное сопротивление от- счетного плеча 1 (фиг. 1) для удобства снятия относительного отсчета, которому отдают предпочтение перед отсчетом абсолютным, должно иметь простые значения вида 1000, 2000, 5000 и т.п.

Операции согласно способу показаны на примере поддиапазона 500-700 Ом, являющегося достаточно типичным. При подборе ориентировочных величин плеч

40

45

50

55

исходят из схемы, показанной на фиг.1, включенной как одинарный или двойной

мост, что при предварительном подборе плеч не имеет значения. В качестве плеча 1 ориентировочно выбирают сопротивление 2000 Ом, в качестве блока 7 тарной меры - сопротивление порядка 50 Ом, в качестве плеча 2 - сопротивления примерно в пределах 200-1 0 Ом. Наибольшая нагрузка на блок 7 тарной меры приходится в начале поддиапазона - при 500 Ом. Поэтому ее строят из двух мер Р331 по 100 Ом, соединенных параллельно. Тогда нагрузка на каждую из них не превысит 0,05 Вт, что допустимо. На плечо 1 приходится нагрузка примерно 0,25-0,3 Вт. Поэтому для перераспределения нагрузок это плечо строят из комбинации, показанной на фиг. 2 (внешний блок 15), ко1

ных 2000 Ом, например магазином типа Р3026-1 кл. 0,002. Сопротивление внешнего блока 17 равно 181,82 Ом, Поэтому на плече 2 выставляют всего 3,36 Ом. Сопротивления дополнительных плеч 3 и Ц (фиг. 1 и 2) уравнивают до сопротивлений основных плеч с помощью внешних блоков 19 и 21, подключаемых

последовательно с дополнительными плечами 3 и k посредством зажимов 20 и 22, находящихся на наружной панели моста 42 в том случае, если на дополнительных плечах 3 и k недостает сопротивлений. Внешние блоки 19 и 21

представляют собой в общем случае магазины сопротивления, например, кл. 0,02. В данном примере на дополнительном плече 3 выставляют 1000 Ом, на

Изобретение относится к особо точным электрическим измерениям на постоянном токе и предназначено для использования в приборостроении, а также в органах государственной и ведомственной поверочной службы. Цель изобретения - повышение точности измерений и производительности труда при определении стабильности сопротивлений за счет исключения влияния температуры окружающей среды и самонагрева прецизионных резисторов проходящим через них током - достигается тем, что полученные расчетным путем значения плеч моста, необходимые для измерения какого-либо сопротивления, уменьшают не менее, чем в десять раз. Полученные уменьшенные значения плеч выставляют на мосте. Затем восстанавливают сопротивления плеч до расчетных значений с помощью внешних блоков, построенных в основном из однозначных мер электрического сопротивления или их комбинаций, конструктивно предназначенных для эксплуатации в масляной среде. После этого указанные внешние блоки погружают в масляный термостат. При этом достигается такая же точность, как если бы все плечи моста находились в масляном термостате. 2 ил.

торая имеет номинальное сопротивление 20 внешнем блоке 19 - тоже 1000 ОМ, на

1900 Ом, чтобы в сумме с отсчетным . плечом 1 составить 2000 Ом. В этом случае во всем поддиапазоне 500 - 700 Ом -нагрузка на меры внешнего блока 15 не превышает 0,05 Вт. Тогда наг-25 ружают в термостат. Если сопротивле- рузка на плечо 2 (фиг. Ьи2) не превысит 0,03 Вт. После этого выбирают схему моста. Она определяется сопротивлениями выводов измеряемых сопротивлений .Мели ими можно пренебречь, зо

ния выводов столь значительны, что простое применение двойного моста недостаточно для исключения их влияния, то следует применить так называемое раздельное уравновешивание плеч моечто определяется не только их величи- та, для реализации которого мосты МИС

ной, но и сопротивлениями подобранных плеч, а также характером решаемой задачи, то выбирают схему одинарного моста. В качестве конкретного примера в поддиапазоне 500-700 Ом показана для измерения Ом при нагрузке 1,0 Вт схема двойного моста. Поэтому плечи 1 и 2 (фиг. 1) .становятся основными плечами двойного моста. Однако вместо расчетных 2000 Ом на плече 1 (фиг. 2) выставляют 100 Ом, а расчета мое значение восстанавливают с помощь внешнего блока 15, подключаемого к основному отсчетному плечу снаружи с помощью зажима 16, находящегося на наружной панели моста. Реализация способа показывается на базе использования моста типа МИС, входящего в состав установки УМИС, укомплектованной масляным термостатом с автоматическим поддержанием заданной температуры. Расчетное сопротивление основного плеча 2 (фиг. 1) 185, 18 Ом. Его сопротивление уменьшают до нескольких Ом, а до расчётного знамения доводят с помощью внешнего блока 17. состоящего из двух мер Р331 по 100 Ом, соединенных последовательно и зашунтирован

дополнительном плече 4 - 185,18 Ом, а на внешнем блоке 21-0 Ом.

Затем внешние блоки 15 и 17, блок 7 тарной меры, образцовую меру 2k погружают в термостат. Если сопротивле-

ния выводов столь значительны, что простое применение двойного моста недостаточно для исключения их влияния, то следует применить так называемое раздельное уравновешивание плеч мое35

ддо

45

5

имеют необходимые схемные и конструктивные решения, позволяющие с предельно высокой точностью исключить эти влияния. Вводят три добавочных плеча 25,27,28. Добавочные плечи 25 и 27 подключают с помощью зажимов и перемычек 26,23 и 29,30 к узлам 37 и 38 при подключении измеряемого сопротивления 5 в мост, а добавочные плечи 25 и 28 - с помощью зажимов и перемычек 26,23 и 29,31 к узлам 37 и 39 при подключении в мост образцовой меры 2k. Расчетная величина отношения добавочного плеча 25 к сопротивлению добавочного плеча 27 или 28 равна отношению смежных с ними основного плеча и образцовой меры 2k.

После описанных приемов по подготовке измерительной схемы подключают к мосту измеряемое сопротивление 5 и дают на него полную нагрузку 1,0 Вт. Уравновешивают мост с помощью спаренных отсчетных основного и дополнительного плеч 1 и 3 и фиксируют отсчет. Затем отключают от одного из зажимов перемычку 41 и вводят в цепь, находящуюся между узлами 37 и 38, резистор с сопротивлением порядка 100 Ом.

Добиваются, подбирая сопротивление дополнительного плеча 27, чтобы отсчет при включенном сопротивлении 0 отличался бы от предыдущего отсчета,

1

когда резистор 0 закорочен, например, не более чем на 0,001%. Затем вновь перемычкой М закорачивают резистор 40. Далее разрывают цепь перемычки 33 и с помощью имеющихся в цепях дополнительных плеч 3 и 4 низкоомных подстроечных магазинов вновь уравновешивают схему. После этого восстанавливают цепь перемычки 33, уравновешивают мост и получают отсчет, оконча- 1 тельный при включении в мост измеряемого сопротивления 5.

В качестве добавочных плеч 27 и 28 можно применять магазины кл. 0,02- |0,05, в качестве плеча 25 - также ма-2 газин или однозначную меру сопротивления. При выборе номинальных сопротивлений добавочных плеч учитывают, что следует избежать перегрузки плеча 2J при нагрузке измеряемого соп- 2 ротивления 5 до 1,0 Вт. Поэтому номинальное сопротивление его выбирают обычно меньшим, чем измеряемое сопротивление, с учетом допустимой на его секции нагрузки. По этой же причине 3 добавочное плечо 27 может быть построено из смешанного соединения однозначных мер или из комбинации таких мер с магазином сопротивления.

Далее сопротивление 5 и добавочное плечо 27 отключают и взамен их вклю- чают добавочное плечо 28 и образцовую меру 2k, но подав на нее существенно меньшую нагрузку, чем 1,0 Вт, например 0,05-0,1 Вт, не превышающую допус-ад Для подключения его катушек по нарастающим ступеням. Сопротивления, равные единицам Ом, десятым и сотым долям Ом выставляют на основном плече 2 собственно моста 2.

Существенным фактором повышения точности измерений, присущим данному способу, является снижение температурных погрешностей, приводящее одновременно к повышению производительности труда при измерении сопротивлений серий резисторов. Действительно, не менее 90% номинальных сопротивлений основных плеч погружается в термостат, в котором температурный режим поддерживается со стабильностью на порядок выше, чем в окружающем воздушном пространстве, также подлежащем термоста- тированию. Повышение стабильности результатов измерений, приводящее к потимую величину. Повторяют те же операции, что и при подключении в мост измеряемого сопротивления 5. За расчетную величину принимают разность окончательными отсчетами при измере-« нии на мосте образцовой меры 2k и сопротивления 5 или изменение таких разностей в течение определенных интервалов времени.

Если сопротивлениями выводов можно пренебречь, то измерения следует проводить в схеме одинарного моста. Для перехода к нему отключают перемычку 14 от вывода 8, один из выводов блока нуль-индикатора 9 отключают от зажима 11 и переключают к зажиму 13, добавочное плечо 25 отключают от зажима 23, сняв с него перемычку 26, и оставляют подключенным к мосту одно из добавоч50

55

0

5

0 5 30

or

96678

ных плеч 27 или 28, которое превращается в добавочное сопротивление в цепи блока питания 12. В схеме одинарного моста блок 7 тарной меры является третьим, при этом полностью внешним плечом, подключаемым к мосту снаружи.

Для уменьшения влияния токов утечки в конце диапазона, например при измерении 100 000 Ом, при построении внешних блоков отдают предпочтение такому их варианту из числа возможных, сообразуясь одновременно со вместимостью термостата, в котором составляющие их меры имеют меньшие сопротивления. Например, если номинальное сопротивление внешнего блока 15 равно 50 000 Ом, то предпочтительнее построить его из пяти последовательно соединенных мер по 10 000 Ом, чем из двух параллельно включенных мер по 100 000 Ом.

При измерении любых других сопротивлений в пределах данного поддиапазона схемы внешнего блока 15 и блока 7 Тарной меры оставляют неизменными, а суммарное сопротивление основного плеча 2 и внешнего блока 17 изменяют от 200 до Ом. Во внешнем блоке 17 должно быть сосредоточено не менее чем yO/j суммарного сопрбтивления его и основного плеча 2. Этого достигают путем построения внешнего блока 17 из последовательно соединенной меры Р 331 в 100 Ом и однодекадного магазина 10x10 Ом, погруженных в термостат. Этот магазин должен иметь металлический маслонепроницаемый корпус и зажимы или штепсельные коммутаторы

вышению точности измерений, позволяет отказаться от практиковавшихся ранее многократных измерений сопротивлений каждого резистора способом замещения г с последующим усреднением результата измерений, стремясь таким образом повысить точность измерений. Наблюдавшееся повторение результатов измерений на уровне точности, недостижимой ра- ю нее в течение нескольких часов, позволяет ограничиться единичным измерением, что существенно сокращает время каждого цикла измерений. Измерение сопротивления образцовой меры в по- is рядке контроля можно выполнять на установке всего несколько раз в день. Следует отметить, что изменение результата измерений даже на 0,00001% во время их выполнения позволяет су- 20 дить о смещении температуры в термог стате из-за изменения режима термоста- тирования.

Наличие добавочных плеч в ряде случаев избавляет от необходимости произ-25 водить каждый раз подстроечные операции для исключения влияния сопротивления выводов и ограничиваться лишь традиционной подстройкой дополнительных, плеч 3 и k двойного моста, что являет-зо

НЙЕ

11

I

{/

ся дополнительным фактором повышения производительности труда.

(Формула изобретения

10

11 Ч

бф

UW

Д

8

Фиг.1

-tri3±i