Резистивный делитель напряжения постоянного тока Советский патент 1990 года по МПК G01R17/20 G01R35/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при производстве электроизмерительных приборов, их поверке и калибровке, а также для точных измерений в широком диапазоне напряжений.

Цель изобретения - повышение точности деления напряжения и эффективности использования схемных элементов делителя.

На фиг.1 представлена электрическая схема резистивного делителя напряжения; на фиг.2 - подстроечная резистивная схема; на фиг.З и 4 - мостовые измерительные схемы автономной подстройки и поверки делителя напряжения, образованные из цепи делителя.

На схемах обозначены зажимы 1 - о входа и выхода, резистивные элементы 7 - 35, образующие делитель и соединенные электрически с контактными гнездами 36 - 65, через которые посредством вилок 66 - 70 обеспечивается коммутация (преобразование) резистивных элементов 7 - 35 и их перестройка в мостовые измерительные схемы с нуль-органом 71 и источником 72 питания при автономной подстройке, поверке и работе делителя.

Выходная ступень между зажимами 5 и 6 выполнена на постоянном резисторе 34, последовательно которому подключена подстроечная резистивная схема 35, пред- став-ля ющая собой (фиг.2) две последовательно , включенные совокупности резисторов - Грубо и Точно, в.каждой из которых содержатся по два постоянных резистора 35-1, 35-2 и 35-3, 35-4, включенных параллельно друг другу, и один переменный

(подстроечный) резистор 35-5, 35-6 с последовательным подсоединением одного переменного резистора к одному постоянному резистору. Аналогичное схемное построение у всех подстроечных резистивных схем 16,18, 20, 31 и 33, входящих в другие ступени делителя напряжения.-

Входные ступени 1 - IV, ограниченные зажимами 1, 2; 2, 3; 3, 4 и 4, 5, соединены с выходной ступенью с помощью вилок 69 и

70.

Первая входная ступень выполнена на

постоянном резисторе 32 и подключенной к ему последовательно подстроечной рези- стивной схеме 33. Такое же построение третьей входной ступени, ограниченной за- 0 жимами 2 и 3, у которой также имеется постоянный резистор 19 и идентичная схеме 33 подстроечная резистивная схема 20.

Вторая и четвертая ступени, соответственно ограниченные зажимами 1,2 и 3,4, 5 содержат по трансферу из резисторов 21 - 29 и 7 - 14 (под которым понимается цепь резисторов, выполненная с возможностью ее преобразования из последовательного соединения резисторов в параллельное, и 0 наоборот), а также постоянные (дополнительные) резисторы 15,17 и 30 и идентичные подстроечные резистивные схемы 16, 18 и 31, подключенные соответственно по одной к одному из резисторов 15. 17 и 30. 25 Подстройка коэффициента деления делителя напряжения определяется в схеме моста (фиг.З и 4), плечи сравнения которого образованы подстраиваемой ступенью делителя напряжения и опорным элементом, 30 в качестве которого используют; при подстройке первых двух коэффициентов деления делителя - трансфер (резисторы 21 -29) второй входной ступени делителя напряжения, а при подстройке вторых двух коэффи- 35 циентов деления - последовательно включенные выходную, первую и вторую входные ступени делителя напряжения. Плечи отношения образованы первой и третьей входными, ступенями делителя и 40 цепью их постоянного резистора и подстроечной резистивной схемы второй или четвертой ступени делителя напряжения, При -этом методическая погрешность плеч отношения моста уст{заняется подстройкой их 45 сопротивления до получения равенства от- г.четов указателя равновесия моста при взаимной перестановке плеч отношения. Методическая погрешность делителя напряжения устраняется подстройкой ступени делителя напряжения до нулевого отсчета указателя равновесия моста и подстройкой ступени делителя напряжения и цепи резисторов, образующих плечи отношения моста, до получения нулевого отсчета указателя равновесия при взаимной перестановке одного из плеч отношения и плеча сравнения, образованного трансфером, с одновременным переключением параллельного соединения резисторов трансфера на последовательное.

При зтом формирование схемы моста; переключение и перестановка его плеч осуществляются с помощью вилок, причем используется один комплект вилок, при подстройке как первых, так и вторых двух коэффициентов деления делителя напряжения, а формирование рабочей схемы делителя напряжения осуществляется с помощью двух идентичных вилок. , При этом диапазон подстройки сопротивления цепи (второй или четвертой ступени делителя напряжения) выбирается таким, чтобы возникающее ограничение при подстройке сигнализировало о недопустимом изменении сопротивления резисторов опорного элемента, а необходимая дискретность подстройки сопротивления низкоомных ступеней делителя напряжения обеспечивается с помощью подстроеч- ной резистивной схемы.

Номинальные значения сопротивления резисторов, из которых состоит делитель напряжения, удовлетворяют следующим равенствам:

R7 R8 Rg Rio Rii Ri2 Ri3 Ri4 Ri5 + Ri6 Ri7 + Ri8 Ri9 + R20 900 (Рз + RSS);

(1)

R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 R30 + R31 R32 + R33 9x(R34 + +R35).

(2)

Коэффициенты деления делителя напряжения определяются из соотношений К,о R32 + R33 Н- R34 + R35 RBBIXR34 + RGS

KIOOO

RIII + RII + RI -f RBUX

вых

Rl9 + ... ч- R31 + R32 -f R33 + R34 + R35 R34 + R35

1000;

(5)

10

KlOOOO - V - + + RI - RBBIX

R

вых

15

R7-b... -f-Ras

R34 -b R35

10000

(6)

Порядок автономной подстройки и поверки. Нуль-орган 71 подключается к вход- ным зажимам 4 и 5, а источник 72 питания - к зажимам 3 и б, как показано на фиг.З, включается контактная вилка 66 в гнезда 51 53-55-57-59-64,50-52-54-56-58- 60, 61 - 62, 63 - 65. При этом образуется

мостовая схема, плечи сравнения которой образованы подстраиваемой ступенью 5-6 делителя напряжения и опорным элементом, образованными трансфером из параллельно соединенных резисторов 21 - 29,

плечи отношения образованы первой ступенью 4-5 и цепью резисторов 30 - 31 второй ступени 3-4 делителя напряжения. Отсчет «1 нуль-органа 71;

;

35

«1 S ( бз4,35 - (5з2,33 - 5о + (5зо,31 ) ,

(7)

40

где S - чувстви дельность мостовой схемы; 034.35 , (5з2,зз ,з1 - Относительные погрешности сопротивлений, образующих плечи моста;

Оо - относительная погрешность опорного элемента.

Поскольку подстройка и поверка ведутся по отношению к опорному элементу, то

можно принять (5о 0.

Устанавливается новый отсчет сп нуль- органа 71: d О изменением сопротивле- „ ния плеча 32, 33 отношения моста (первой ступени делителя напряжения). При этом из (7) получается

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при производстве электроизмерительных приборов, их поверке и калибровке. Цель изобретения - повышение точности деления напряжения и эффективности использования схемных элементов делителя. Устройство состоит из последовательно соединенных выходной и четырех входных ступеней, каждая из которых состоит из последовательно соединенных постоянных резисторов и подстроечных резистивных схем. В результате образуется схема деления постоянного напряжения на постоянных резисторах 7-34 и подстроечных резистивных схемах 16, 18, 20, 31, 33, 35, электрически соединенных с контактными гнездами 36-65. Через эти гнезда с помощью вилок 66-70 обеспечивается коммутация резисторов 7-35 и их престройка в мостовые измерительные схемы с нуль-органом и источником питания. Введение дополнительных ступеней деления напряжения, так и в качестве элементов плеч моста при автономной подстройке и поверке коэффициентов деления позволяют исключить использование внешних подключающих устройств, например мостов, потенциометров, а также погрешности измерения и настройки, вносимые внешними устройствами. 4 ил.

10;

K,

RBUX

(3)

R21 + ... + R3t R32 + R33 + R34 -Ь R35

R34 + R35

(4)

5з4,35 - (,зз + 5зо,31 (5о о .

55

(8)

100

Затем включается вилка 67 в гнезда 51- 53 - 55 - 57 - 59 - 64, 50 - 52 - 54 - 56 - 58- 63, 60 - 65, 61 - 62. При этом плечи отношения моста меняются местами, как показано на фиг.З (обозначение в скобках).

Отсчет Ой нуль-органа 71:

аа 8(бз4.з5+,.з1). (9)

Подстраиваетря другое плечо 30, 31 отношения мбста (цепь резисторов второй ступени делителя напряжения) регулировкой переменных резисторов подстроечной схемы 1 так, что новое показание нуль-органа

оа

f.

(10)

Тогда с учетом (9) и (10)

дз4 35 + -33 -f 934.35 - 2,33

(11)

Подставляем в (11) выражение для зо,31из(8):

дз435+ 33- 5о + (5з4,35 - 2,33

- ; 2

,35 + .33 - до - ,31

ЛИ

.,33.(12)

Затем регулировкой сопротивления плеча 34,35 сравнения моста (выходной ступени делителя напряжения), регулировкой переменных резистор JB подстроечной резистивной схемы 35.добиваются нового отсчета 02. нуль-органа: «2 О и тогда с учетом (12) из (9) получим

,33 0 .(1

Таким образом, выходная ступень делителя напряжения подстроена по опорному

элементу.

Затем включается вилка 68 в гнезда 50- 60, 61 - 64, 59 - 62, 63 - 65. При этом образуется мостовая схема, показанная на фиг.4, гДе по сравнению со схемой фиг.З производится взаимная перестановка плеча 30, 31 отношения моста и плеча сравнения - опорного элемента, образованного трансфером из постоянных резисторов 21 - 29 с одновременным переключением параллельного соединения резисторов трансфера на последовательное.

Относительная погрешность опорного элемента после Т1араллельно-последова- тельного преобразования с точностью до

величины второго порядка малости равна относительной погрешности опорного элемента до преобразования до, так как погрешность параллельно-последовательного

преобразования равна - сс где п i

число резисторов трансфера; сц - отклонение сопротивления 1-го резистора трансфе- pa от среднего значения сопротивления. Отсчет ссз нуль-органа 71:

Си S (44,,.). (14)

5 Регулировкой сопротивления плеча 32, 33 моста (первой ступени делителя напряжения) с помощью переменных резисторов подстроечной резистивной схемы 33 доби0

ваются нового показания оз нуль-органа: I «з

CQ - , затем регулировкой сопротивления плеча 30, 31 моста (цепи резисторов второй ступени делителя напряжения) с помощью переменных резисторов подстроеч- ной резистивной схемы 31 добиваются показания нуль-органа Оз 0.

После этого с учетом (12) и (13) из (14) получается

30

6}Ь,,,,(15)

т.е. выходная, первая и группа резисторов второй ступени делителя напряжения под5 строены по опорному элементу (цепочки резисторов второй ступени). Поскольку относительные погрешности всех ступеней равны, то получаем окончательно точные выражения, выраженные формулами (3) и (4)

0 для первых двух коэффициентов деления

Кю и Kioo.

Для формирования последовательного соединения ступеней делителя напряжения включается вилка 70 в гнезда 59 - 60, 61 5 62 и 63 - 64.

Аналогично производится подстройка двух других коэффициентов деления делителя напряжения Кюоои Kioooo регулировкой сопротивления третьей и четвертой ступе0 ней, причем в качестве опорного элемента используются подстроечные выходная, первая и вторая ступени делителя. Коммутация ступеней осуществляется теми же вилками

66-68,

55 Окончательно после подстройки и получаем также точные выражения для коэф- фициентов деления Kiooo и Kioooo по

формулам (5) и (6),

Аналогичным образом производится автономная поверка делителя напряжения.

только при поверке регулировка сопротивлений ступеней не проводится, а производятся только отсчеты показаний нуль-органа 71 «i , Cfe и Оз . Затем решением системы уравнений из выражений (7), (9) и (14) находят искомые относительные погрешности ступеней делителя и погрешности коэффициентов деления.

Для контроля чувствительности S схемы моста в ступенях делителя напряжения име- юtcя процентные сопротивления, включаемые кнопкой последовательно с резисторами ступени (не показаны). Процентное сопротивление вносит дополнительную погрешность, равную 0,01%, в относительную погрешность делителя напряжения и позволяет объективно оценивать чувствительность S схемы и регулировать последнюю, с помощью изменения выходного напряжения источника 72 питания.

Диапазон подстройки сопротивления цепи второй или четвертой ступени делителя напряжения с помощью подстроечных резистивных схем выбирается исходя из допустимой погрешности делителя напряжения, обусловленной при подстройке практически составляющей погрешности опорного элемента, обусловленной погрешностью параллельно-последовательного преобразования

.

1 1

(16)

вызванной отклонением сопротивления каждого i-ro сопротивления трансфера от среднего значения.

Поскольку для отклонений от среднего справедливо

,

1 1

то для К-го резистора цепочки

-Е

о

1

(17)

Заменив в (16) отклонения а некоторым средним значением а, кроме oic К-го резистора, получим выражение для погрешности последовательно-параллельного преобразования:

ар,

(18)

С учетом (17) составляющая погрешности параллельно-последовательного преобразования от изменения К-го резистора

Р8к

(19)

10

15

Таким образом, допустимое значение погрешности делителя напряжения, обусловленное изменением сопротивления опорного элемента от изменения сопротивления резистора трансфера, определяет диапазон подстройки ступеней делителя напряжения, т.е.

-А -(n-lf -Од-

а

(20)

где в качестве а. принимается нормируемое значение погрешности резисторов трансфера (отклонение от номинального), задаваемое в технической документации на применяемые резисторы.

Таким образом, возникающее ограничение при подстройке - выход за диапазон подстройки - сигнализирует о недопустимом изменении резисторов опорного элемента.

Дискретность подстройки низкоомных ступеней делителей напряжения обусловливается разрешающей способностью // подстроечных резисторов, составляющей порядка 0,5 - 1 % от номинального значения сопротивления подстроечного резистора. Поскольку при дискретности подстройки d 10 сопротивления низкоомной ступени, например Рвых 1 кОм, необходимое общее сопротивление подстроечного резистора составляет 0,1 Ом при разрешающей способности 0,001 Ом. Практически таких рези- сторов не существует.

Включение подстроечного резистора с последовательно соединенным постоянным резистором и параллельно ему соединенным другим постоянным резистором образует резистивную схему точной подстройки.

На фиг.2 показана резистивная под- строечная схема 35, состоящая из двух схем точной и грубой подстройки.

Рассмотрим работу схемы на примере точной подстройки. Последовательно с под- строечным резистором 35-6 включен после- довательный резистор 35-3 и параллельно им включен резистор 35-4. Номинальные значения сопротивлений последовательного 35-3 и параллельного 35-4 резисторов находят исходя из номинального значения сопротивления имеющегося подстроечного

резистора 35-6, дискретности подстройки d и допустимой нелинейности подстройки в по формулам

4

(1-4#)R35-6

R

вых

id

(21)

R35.-6

-R35

(22)

где в- нелинейность подстройки (в относительных единицах);

Rebix сопротивление подстраиваемой ступени делителя напряжения;

d - необходимая дискретность подстройки сопротивления (в относительных единицах);

jU- разрешающая способность переменного резистора.

Аналогично рассчитываются значения сопротивлений резисторов 35-1 и 35-2 грубой схемы подстройки и схем подстройки сопротивлений других ступеней делителей напряжения.

Повышение точности делителя напряжения достигается за счет следующих факторов.

Автономности подстройки и поверки. Не вносятся погрешности из-за наличия и вариаций переходных сопротивлений внешних подключающих устройств, что происходит при настройке других делителей напряжения с помощью внешних мостов, потенциометров и т.п. Автономность подстройки и поверки позволяют исключить погрешности, которые возникают при подстройке делителей с помощью внешних мостов и потенциометров: за счет изменения режима измерений (токов и напряжений) при измерении различающихся сопротивлений плеч делителя и ограниченных возможностей по точности и чувствительности мостов и потенциометров.

Комплектность настройки. Все резисторы плеч моста Целителя) одновременно присутствуют при всех переключениях, измерениях, т.е. происходит взаимная подстройка. При иных способах и реализующих эти способы устройствах плечи делителя подстраиваются раздельно при отключении неподстраиваемых плеч, что способствует возникновению дополнительных погрешностей от нагрева рабочим током, термо-ЭДС, от кратковременной нестабильности резисторов,

Более полное использование схемных элементов делителя происходит за счет того, что одни и те же функциональные элементы делителя (резисторы, резистивные схемы) используются как элементы ступеней делителя

и как элементы плеч моста при автономной подстройке делителя и поверке коэффициентов деления делителя.

20

Формула изобретения

Резистивный делитель напряжения постоянного тока, содержащий последовательно соединенные выходную ступень на постоянном резисторе, первую входную

ступень из цепочки постоянных резисторов, схемы подстроечного и дополнительного резисторов и резистивный измерительный мост, отличающийся тем, что, с целью повышения точности деления напряжения и

эффективности использования схемных элементов делителя, последовательно с первой входной ступенью включены по меньшей мере три дополнительно введенные входные ступени, каждая из которых

состоит из последовательно соединенных постоянных резисторов и схемы подстроеч- ных резисторов, причем схемы подстроеч- ных резисторов второй и четвертой входных ступеней идентичны соответственно схемам подстроечных резисторов первой и третьей входных ступеней, а вся цепь резисторов всех ступеней, образующих делитель, выполнена с возможностью ее преобразования вчетырехплечий резистивный измерительный мост.

rpgSo

Фиг.г

Фие.З