Многозначная мера электрического сопротивления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/00 

ел

с

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электрического сопротивления - проводимости Цель изобретения - увеличение пределов и количества показаний меры сопротивлений и проводимостей при повышении их точности. Многозначная мера содержит два опе- рационных усилителя, магнитный компаратор токов, три масштабных управляемых мультирезистора, двухпозицион- ный переключатель на два направления при этом магнитный компаратор токов выполнен на двух магнитных сердечниках двух обмотках возбуждения, генераторе возбуждения, детекторной обмотке, детекторе баланса ампер-витков, регулируемой разрядной обмотке, регулируемой дополнительной обмотке, имеющей два регулирующих вывода 2 табл ,1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электрического сопротивления и проводимости.

Цель изобретения - увеличение пределов и количества показаний мер сопротивления и проводимости при повышении их точности.

На чертеже представлена структурная электрическая схема многозначной меры сопротивления и проводимости.

Многозначная мера сопротивления и проводимости содержит магнитный компаратор 1 токов, выполненный на двух магнитных сердечниках 2 и 3, двух обмотках 4 и 5 возбуждения, генераторе 6 возбуждения, детекторной обмотке 7, детекторе 8 баланса ампер-витков, регулируемой разрядной обмотке 9, число витков которой устанавливается кодами-сигналами по каналу 10

управления, регулируемой дополнительной обмотке 11, требуемые числа витков секций 12 и 13 которой устанавливаются кодами- сигналами соответственно по каналам 14 и 15 управления, операционный усилитель 16, дополнительный операционный усилитель 17, первый, второй и третий управляемые масштабные мультирезисторы 18, 19 и 20 управляющие каналы которыхявляются сигнальными входами 21, 22 и 23 для подачи сигналов управления, первый и второй токовые зажимы 24 и 25, первый и второй потенциальные зажимы 26 и 27, выходной зажим 28, двухполюсный переключатель 29 на два направления с каналом управления, который является входом 30 для подачи сигналов управления. Операционные усилители (ОУ) 16 и 17 имеют вход 31 для подачи сигналов управления компенсацией дрейфа нулей этих усилителей, причем входы 10, 14 15, 21, 22, 23, 30 и 31 подключены к микрох|

OJ

о ел о

00

процессорной системе 32 управления, обработки-представления информации.

Устройство работает следующим образом,

Работа предлагаемой многозначной меры сопротивления и проводимости основана на преобразовании тока внешней цепи, поступающего в эту меру через токовые зажимы 24 и 25, в напряжение на выходе устройства между его зажимами 26 и 27, а также в напряжение между зажимами 28 и 27.

Этот ток I, протекая через мультирези- стор 18, создает между зажимами 26 и 28 падение напряжения

U 1Ri,(1)

где RI -сопротивление мультирезистора 18.

Реагируя на сигнал (1), ОУ 16 устанавливает величину своего выходного тока 2 такой, что падение напряжения U2 на сопротивлении RZ мультирезистора 1У от этого тока становится равным сигналу (1), а именно:

IR Ui ,(2)

откуда следует, что ток

h (3)

При указанном на чертеже установе полюсов переключателя в первое направление ток I ОУ 16, протекая через обмотку 9, создает в сердечниках компаратора 1 магнитодвижущую силу (МДС), которая с помощью детекторной обмотки 7 и детектора

8компенсируется встречной МДС, создаваемой обмоткой 11, через которую протекает выходной ток 2 детектора 8.

Ток 2 определяется из равенства ампер-витков в обмотках 9 и 11:

liWg l2Wn,(4)

где I и 2 - токи соответственно в обмотках

9и 11;

Wg, WIT - количества витков соответственно обмоток 9 и 11.

Из (4) следует, что ток 2 И Wg . (5) После подстановки (3) в (5) последнее

принимает вид

I2 Wg .

Ток 12, поступая на входОУ 17ссопротив- лением Нз мультирезистора 20 в цепи обратной связи этого ОУ, приводит к появлению на выходе последнего напряжения р , равного падению напряжения на сопротивлении Рз от тока 2, а именно

.(7)

Ранее при описании компаратора отмечалось:

1) обмотка 9 имеет поразрядное управление числом витков, т.е.

Wg 0, Xi...Xj...X7 Wi.(8)

где Wi - сумма витков всех разрядов обмотки 9:;

Xi...Xi...Xy- показания 1...1 ... 7-го разрядов обмотки 9;

2) обмотка 11 имеет управляемые подстроечную и процентную секции 12 и 13, т.е. число Wn действующих ее витков может частично изменено в соответствии с уравнением

(1 ± y + YiY2, ), (9)

где Л/2 - число витков обмотки 11 при у О и YiY2Y3-10 6 0;

у- возможное относительное изменение числа витков секции 12 по отношению Л/2 при подстройке компаратора 1;

YI, Y2, Ya- показания 1, 2,3-го разрядов процентной секции 13 обмотки 11. После представления (7) в виде

f RiR 12R3(10)

и подстановки в (10) взамен Wg и Wn их значений согласно (8) и (9) получим, что воспроизводимое (имитируемое) между узлами 33 и 34 сопротивление

25

RH

Ј

RiR

-1

, ,ч,ха R3 WiW2 0,Xi...Xi..X7

х(1 ±у± Y1Y2Y3-10 6).(11)

При современной технологии можно получить погрешности д1,д2, от- 30 клонений действительных значений сопротивлений RI, R2, RS и отношения витков W1/W4 N4 по сравнению с их номинальными расчетными значениями RIH R2H RSH и N4H не более I 0,002 1%, т.е. обеспечить пре- 35 дельную погрешность ддействительного значения масштаба RiR 12R3N4 шкалы (11) по отношению расчетного номинального значения этого масштаба

RIH R3HN4H 10POM,(12)

40 где Р - целое число или нуль, не более

д макс 4 I 0,002 I % I 0,008 I %, (13) откуда очевидно, что для компенсациии б макс достаточно иметь регулировку у в пределах

45-0,0100% у 0,0100%(14)

с дискретностью 0,0001 %.

При выполнении условия компенсации у + 6 0(15)

выражение (11) можно заменить более удоб- 50 ным приближенным уравнением

Rm у 0,Xi...Xi...X7-10p(1 ±YiY2,Y3х10 6)0м,(16)

допустив при этом погрешность упрощения 55 задачи

5 уз (У макс)2 К)4)2 10

(17)

которая в 5 раз меньше погрешности отсчета единицы младшего разряда процентной секции 13 обмотки 11.

При установе переключателя 29 во второе положение (второе направление) полярность разности потенциалов умежду узлами 33 и 34 становится противоположного знака, т.е. в данном случае имитируется 5 (воспроизводится) сопротивление

Ru2 -р- -0,Xi...X,.X7-10p. (1 ±

±YiY2Y3lO 6)OM.(18)

В табл.1 наряду с (16) (вариант1) и (18) 10 (вариант 2) указаны еще четыре, т.е. всего шесть основных вариантов использования предлагаемого устройства, когда в качестве первого токового вывода (Ti), первого потенциального (ГН), второго потенциального 15 (П2) и второго токового (Т2) выводов используются указанные в данной таблице для каждого варианта зажимы устройства.

При варианте 3 (табл.1) воспроизводимое описываемой мерой сопротивление 20 между узлами 34 и 35

Низ Rl|+}/ Ri + O.Xi..X,...X710p

(1 ±YiY2 Y3-10 6)OM.(19)

При варианте 4 (табл 1) воспроизводи- 25 мое описываемой мерой сопротивление между узлами 34 и 35

Ruu R 1, Ri - О.Х1...Х, ..Х7-Ю (1t

±YiY2Y3-10 6)OM.(20) 30

Варианты 5 и 6 (табл.1) представляют случаи двухзажимного включения во внешнюю цепь описываемой меры сопротивления и проводимости, когда к воспроизводимым сопротивлением RHS и 35 Rue добавляется так называемое нулевое сопротивление

Ro 0.01 Ом,(21)

являющееся суммой сопротивлений соединительных проводников при нулевом пока- 40 зании меры в режиме воспроизведения сопротивления.

С учетом изложенного воспроизводимое мерой сопротивление при варианте 5 (табл.1)45

RMS Ro + Rns Ro + Ri + 0 Xi...X,..,X7-10p- (11 ±YiY2Y3-10 40M,(22)

а при варианте 6 (табл.1) сопротивление 50 этой меры

RU 6 Ro +RiH Ro + Ri - O.Xi...Xj ..X 10Р (1 ± YiY2Y3.)OM .(23)

При двухзажимном использовании описываемой меры помимо нулевого сопротив- 55 ления Р0 последней необходимо учитывать также сопротивление двух проводников для подключения меры к внешней цепи, т.е. итоговая поправка с учетом суммы

указанных сопротивлений может быть по рядка 0,010 Ом при вариации ±0,001 Ом. Поэтому при точностях Т 105- 107 эту меру следует применять при двухзажимном подключении в случае воспроизведения его сопротивлений более 10 Ом, при потребности воспроизведения сопротивлений менее 104 Ом следует использовать данную меру при четырехзажимном подключении к внешней цепи.

Компаратор 1 может в каждом разряде обмотки 9 иметь ступень 4 с отдельным включением. Эти отрицательные единицы можно использовать для компенсации членов RI в (19) - (23), т.е. для приведения последних к виду (16) или (18).

Представление результатов (16), (18) - (23) на дисплее 36 микропроцессорной системы 32 управления, обработки-представления информации не является новой операцией, поэтому не рассматривается.

Все возможные случаи программирования и оптимизации разных операций использования описываемой меры являются производными от основных вариантов табл.1. Часть из этих возможностей рассматривается далее для показа существенных отличий и преимуществ этой меры по отношению известных ее аналогов.

Предлагаемое устройство пригодно для воспроизведения сопротивлений (проводи- мостей) свыше 10 Ом (менее 0,1 См) при больших рабочих токах, т.е. для использования в электрических цепях в качестве супер- прецизионных квазирезисторов с мощностями рассеивания в 10 и более раз больше, чем у реальных измерительных резисторов согласно табл.2.

П р и м е р 1. При O.Xi...Xj 1 и YiY2,Y3 0, Ri 100м(0,1Ах 1В 0,1 Вт); R2 102 Ом(0,01Ах1В 0,01 Вт); Rs 103 Ом (0,01 А х 10 В 0,1 Вт) воспроизводимое мерой сопротивление

Rm Ri R 12Rs-1 - 10-10 2 103 1020м (0,1 Ах 10В 1 Вт)(24)

П р и м е р 2. При 0,Xi ..X 1 и YiY2Y3 0,

10

1056м( 10Z В 0,1 Вт) воспроизводимое мерой сопротивление

RHI R3-1 .105-1 103 Ом

Ri 10 Ом (0,1 Ах 1В 0,1 Вт); R2 Ом ( Ах 1В 10 3Вт);Нз

(0,1Ах Вт).

0;

ПримерЗ. При О, Х1...

(25) 1 и Y1Y2.Y3Ri 10 Ом (0,1 Ах 1В 0,1 Вт); R2 10

);Рз

18

v5

10°Ом(

Ом( 1В

х 103 В Вт) воспроизводимое мерой

сопротивление

,-1

г5 1 n8 1 гИ

Rin Ri R 2R3 1 10 10 010° 10чОм (0,1 Ах 105 В 102Вт)(26)

Вообще данная мера может воспроизвести любое сопротивление (проводимость) из массива

°Л, ..X,....7-(00ll±Y,-.,1,Vj- 0-s|OM) ОЛ.. V . Хг ОЧ ЛаЛ 10 ) 0,Х,.. ,;.. X, 10(, W lOA.; О.Х,. Л, ,.IOp(U4.Ye)Vj..

С помощью микропроцессорной системы 32 любое из сопротивлений Ri i.массива (27) можно представить на дисплее 36 в виде эквивалентной проводимости

Си R-. ,(28)

т.е. преобразовать массив (27) в следующий массив проводимостей:

х „. х|...х; O U + V.VI.V.-W- ICMJ

Х „...Х ,... Xi-IO- flt. 10-)См;

х;,...х ;. .х;.ю 4iixv4,v« i c«;(29)

;,.. Х.Х СГ ЧиУД, ю- |См.

Таким образом, микропроцессорная система 32 обеспечивает возможность использования описанного устройства в качестве меры проводимости, поскольку персонал 37 при помощи каналов 38 диалога может на дисплее 36 микропроцессорной системы 32 установить числовое значение требуемой проводимости Си . Затем микропроцессорная система 32 сама произведет пересчет этой проводимости в эквивалентное сопротивление

Ru .(30)

а также установ его величины в моделирующей цепи меры с отображением числового значения этой величины на дисплее отдельно или в виде выражения

Й„-0,У,...Х;.. X, U/(UY,Y.j,Yj-tO s)OM--

, (31)

х ,,...х ,,.. х ,((1,,

Уже в настоящее время производства новых средств измерения и их элементов требуется выполнение технологических и поверочных измерений не хуже стотысячных и миллионных долей результатов измерений.

На базе изобретения за счет его архитектуры (взаимного расположения и соединений составных частей) и выбора в качестве последних мультирезисторов- трансферов, современных ОУ с коэффициентом усиления более 10 и магнитного компаратора с точностью Т 108, микропроцессорной системы управления, обработки-представления информации могут быть выполнены сверхпрецизионные многопредельные многозначные меры электрического сопротивления и проводимости,

пригодные для использования в промышленных условиях и на подвижных объектах. На базе, описанной меры может быть реализован как калибратор тока, так и ка- либратор напряжения идентичных классов точности, что и данная мера.

Формула изобретения Многозначная мера электрического сопротивления содержащая операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой источников питания операционного усилителя, магнитный компаратор токов, выполненный на двух

магнитных сердечниках с регулируемой разрядной обмоткой, первый вывод которой соединен с выходом операционного усилителя, детекторной обмоткой, выводы которой соединены с входами детектора

баланса ампер-витков, один выход которого соединен с первым выводом дополнительной обмотки, а также первый и второй токовые зажимы, отличающаяся тем, что, с целью увеличения пределов и количества

показаний меры сопротивлений и проводимости при повышении их точности, в нее введены первый и второй потенциальные зажимы, соединенные соответственно с первым и вторым токовыми зажимами, дополнительный операционный усилитель, первый, второй, третий масштабные управляемые мультирезисторы, двухполюсный переключатель на два направления, при этом магнитный компаратор токов дополнительно содержит генератор возбуждения и две обмотки возбуждения, соединенные последовательно и встречно между выходами генератора возбуждения, а дополнительная обмотка выполнена регулируемой, причем

первый и второй выводы являются регулирующими, при этом второй регулирующий вывод регулируемой дополнительной обмотки и второй выход детектора баланса ампер- витков через первый и второй нормально

замкнутые контакты двухполюсного переключателя на два направления подключены соответственно к второму токовому зажиму и инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя, а через первый и

второй нормально разомкнутые контакты - соответственно к инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя и второму токовому зажиму, при этом неинвертирующий вход дополнительного

операционного усилителя соединен с общей точкой источников питания дополнительного операционного усилителя и с вторым токовым и потенциальным зажимами, первый токовый зажим соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя и инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя через соответственно первый, второй и третий масштабные управляемые мультиТаблица 1 Основные варианты использования предлагаемого устройства

резисторы соединены с вторым выводом регулируемой разрядной обмотки магнитного компаратора токов, являющимся выходным зажимом многозначной меры электрического сопротивления.

a -s as a s t s s

#

jЈ

л о о /д

zv

Z.4