Многозначная мера электрической проводимости-сопротивления Советский патент 1993 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться в качестве суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электрической проводимости и сопротивления.

Цель изобретения - повышение точности при увеличении пределов и количества воспроизводимых проводимостей и сопротивлений.

На фиг.1, 2, 3 представлены схемы многозначной меры электрической проводимости и сопротивления; на фиг.4 - подключения к внешним цепям для разных вариантов устройства.

Многозначная мера электрической проводимости и сопротивления (фиг.1) содержит первый и второй операционные усилители 1, 2, имитатор 3 проводимости, первый управляемый мультирезистор-трансфер 4, вывод которого присоединен к первому измерительному зажиму 5. второй управляемый мультирезистор-трансфер 6, вывод которого присоединен ко второму измерительному зажиму 7, магнитный компаратор 8 токов, двухполюсный переключатель 9 на два положения, третий управляемый мультирезистор-трансфер 10, третий измерительный зажим 11, общую шину 12, микропроцессорную систему 13 управления, обработки и представления информации с каналами 14 связи-диалога с оператором 15 и каналам 16 управления-информации первого мультире00

о VJ ю ел

зистора-трансфера 5, каналам 17 управления-информации второго мульти- резистора-трансфера 6, каналам 18 управления-информации третьего мульти- резистора-трансфера 10, каналам 19 управления-информации двухполюсного переключателя 9. При этом имитатор проводимости 3 выполнен на последовательно соединенных магазине 20 сопротивления, управляемом микропроцессорной системой 13 по каналу21 управления-информации и рези- сторном цифроанапоговом преобразователе 22, управляемом микропроцессорной системой 13 по каналу 23 управления-информации. Входящий в состав многозначной меры электрической проводимости сопротивлений магнитный компаратор 8 токов выполнен на двух сердечниках 25,26 с регулируемой обмоткой 28, чей канал 29 управления-информации подключен к микропроцессорной системе 13 управления, обработки и представления информации, постоянной обмоткой 30, детекторной обмоткой 31, включенной между входами детектора 32 баланса ампер-витков, двумя обмотками 33, 34 возбуждения, включенными последовательно и встречно между выходами генератора 35возбуждения.

Экраны-корпусэ операционных уеили- телей 1,2, мультирезисторов-трансфвроа 4, 6,10, имитатора 3 проводимости, магнитного компаратора токов 8 и двухполюсного переключателя 9 соединены с общей шиной 12 устройства.

Работа описанного устройства основана на преобразовании входного сигнала-напряжения U со стороны первого и второго измерительных зажимов б, 7 г выходной ток Is со стороны первого (базового) измери- тельного зажима 5 при равенстве потеици- алов первого и третьего измерительных зажимов 5,11, т.е., когда разность потенциалов между последними равна нулю, а именно:

U&-ii 0,

а)

а разность потенциалов между вторым и третьим измерительными зажимами равна 50 входному напряжению, т.е.:

U7-11

Ra

У Re1

(3)

где Re - сопротивление мультиреэистора- трансфераб,

Ток Н, протекая через обмотку 27 с числом витков

10

Wi-0,Xi...Xi,.Xk-WM,

(4)

где W - максимальное число витков обмотки 27,;.;,, .;:: Ч ., , V ., Уу.-- ,fv У/

Xi,...,Xi,...,Xk-показания 1-го,..., l-ro,.../ k-ro разрядных коммутаторов витков обмотки 27, - : -:- : -..- . . :-, создает в сердечниках 25. 26 магнитного компаратора 8 токов магнитодвижущую силу (МДС), компенсируемую противодействующей МДС feW, создаваемую выходным током (а детектора 32 баланса ампер-витков в обмотке 30 с постоянным числом W витков.;У -..::.:;;:.;. .;;. ::::- -, г в момент компенсаций указанных выше МДС определяется из равенства ампер-витков обмоток 27 и 30., а именно;

IrO, Xt..... « teW, откуда

2 - li -О, Xi...Xi...Xk ..

(6)

После подстановки (3) в (6) последнее уравнение преобразуется к виду

30

35

te-0, Xi...Xi...Xk WMW1R6 1U.

00

Ток fa, поступая через двухполюсный переключатель 9 на вход операционного усилителя 2 с проводимостью Gat в цепи отрицательной обратной связи этого усилителя, приводит к появлению на выходе последнего напряжения р, равного падению напряжения от тока 12 на проводимости G2S., а именно: .. /. .. ,:; . :- -:;:, . :

Ч 1гб О, Xi.....Xk WwWV Gz . (8)

При выполнении условия (1) представляющий интерес выходной ток Is с зажима 5с учетом сопротивления R трансфера4

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначается для изготовления суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электрической проводимости-сопротивления. Цель повышение точности при увеличении пределов и количества воспроизводимых проаодимо- стей и сопротивлений, Мера содержит три измерительных зажима, два операционных усилителя (ОУ), имитатор проводимости, три управляемых масштабных мультирезисто- ров-трансферов, магнитный компаратор токов Кустерсэ, двухполюсный переключатель на два положения. Для уменьшения входной проводимости (увеличения входного сопротивления) введены третий ОУ и четвертый измерительный зажим, причем функцию второго измерительного зажима меры определяет четвертый измерительный зажим. Для увеличения рабочего напряжения и количества воспроизводимых при этом напряжении про- водимостей и сопротивлений, введены управ- ляемый высоковольтный масштабный делитель напряжения (ДН). пятый измерительный зажим, выполняющий функцию второго измерительного зажима и соединенный с зажимом высоковольтного сигнального входа ДН. 2 з.п.ф-лы, 4 ил. 1 табл. У Ё

U7-11 - U.

(2)

Приложенная ко второму и третьему зажимам, 11 разность потенциаловУт-н при нулевой разности потенциалов на входе операционного усилителя 1 создает в муль- тирезисторе-трансфере 6 ток

Js. U

0,Xi...Xi...Xk

WM

WRaG

-,{9)

55

откуда воспроизводимая (имитируемая) описываемым устройством проводимость

А.

и

О, Xi...Xi...Xk

WM

W Re G2S.R4

(Ю)

Проводимость G25 в (10) является суммой проводимости Сю мультирезистора- трансфера 10 и проводимости Сз имитатора 3, а именно:

-1

G2S.sGto + + 63,

(11)

где Rio Gio 1 - сопротивление мультирези- стора-трансфера 10.

С помощью масштабного канала 21 и цифрового канала 23 соответствующими кодами-командами микропроцессорной системы 13 проводимость Сз имитатора 3 регулируется по закону

G3 0,YiY2Y3Y4-Gj,

где 0,YiY2YsY4 - нормализованная мантиса числового значения проводимости имитатора 3,

Gj RJ - масштаб проводимости имитатора 3, определяемый как показание последнего при 0,YiY2YsY4 1,0000.

В описываемом устройстве с помощью каналов 18 и 21 кодами-командами микропроцессорной системы 13 выполняется управлением сопротивлением мультирезистора 10 в составе имитатора 3 так, что всегда выполняется.соотношение

Rj - ЮООРю,

03)

при котором с учетом (12) выражение (11) приводится к виду

Gas.

1

Rio

+ Сз

1 h YiY2Y3, Y4 10

-6

Rio Rio GioO+YiY2Y3,Y4-.10 e).

После подстановки (14) в (10) последнее уравнение примет вид

Gn

0,Xi...Xi...Xk

1 + YiYaY3, Y4 10

-6

WM

0, Xi...X|...Xk

1 +Yi Y2 Y3, Y4 (15)

где N1 WM/W - постоянный коэффициент, например, Mi 1 или 2, 5, 10.

При современной технологии можно выполнить множители Ni, R4, Re, Gio в (12) с

погрешностями 5i, 64, дб, 5ю порядка 10,011 %, т.е. получить итоговую погрешность дпроизведения

NiR4 1R6 1Gio 10 pCM,

(16)

(где Р число из разряда: 1; 2; 3; 4;...; 14) не более значения 4 х 10,011 % 10,041 %, откуда следует, что для компенсации этой погрешности достаточно иметь подстройку от ±0,050 % до -0,050 %, что предусмотрено в возможности регулировки проводимости G2Ј в пределах

15 (000,0-999,9)-10 6 0-10

гЗ

(П)

После калибровки устройства, т.е. компенсации его начальной систематической погрешности соответствующей подстройкой YiY2Y3.Y4 10 относительного изменения проводимости громоздкое уравнение (12) шкалы устройства можно заменить более простым и удобным уравнением

Gn 0,Xi...Xi...Xk-10 pCH,(18) где постоянная - масштаб шкалы (18)

10 р См NiR6 1 .(19)

При использовании в устройстве в качестве первого, второго и третьего масштабных мультирезисторов-трансферов с точностями передачи сопротивлений (про- водимостей) порядка 107-108, использовании в устройстве магнитного компаратора токов с точностью порядка 10 и операционных усилителей с коэффициентом усиления более 107, устройство может быть реализовано с точностью 106-107 как серийное промышленное изделие.

Вторым отличительным положительным свойством устройства является.возможность простым переводом переключателя 9 во второе положение конвертировать знак воспроизводимой проводимости (сопротивления). Так в последнем случае полярность выходного тока IUI становится противоположного знака, в итоге чего будет имитироваться проводимость:

-0,Xi...Xi...Xk

.

(20)

Для реализации управляемых масштабных мультирезисторов-трансферов 4, 6, 10 могут быть использованы измерительные резисторы с техническими характеристиками, Указанными в таблице.

Описываемое устройство на базе указанных мультирезисторов-трансферов и перечисленных ранее составных частей обеспечивает моделирование более точных квазирезисторов с техническими характеристиками более высокими, чем указанные в таблице.

П р и м е р 1. При NI - 1; 0,Xi...Xi...Xk - 1j R6-102OM( B- 1BT);Gip- См ( А хЮ В 1 Вт); R4 - 10 Ом (1 А х 1 В 1 Вт) воспроизводимая устройством проводимость 6м O.Xi...Xi...Xk x Nt , . . 1

-

- 1 См

102 10 1 Вт) при наименьшей 10 ) квантования моReGioR4

(1 А х 1 В - ступени (Xk жет изменяться ступенями через ASn-Xk 1 rkGn-. См- . П р и м е р 2. При Ni I; 0,Xi...Xi...Xk - 1; R6 1070м( Ах Э-103В-1 Вт); Сю Ю СмСЗ-Ю 4 АхЗ-10 В- 1 Вт);

R4 - 101Z Ом СМОГ А х 3-10 В - 10 Вт) воспроизводимая устройством провоNiдимость Gn -O.Xi...Xi...Xk

1

1

Re 610 R4

м,

107 10

10

12

.

0,Xi...Xi...Xk-10°CM 0,Xi...Xi...Xk-10 1 См O.Xi...Xi...Xk-10 2CM

Если обеспечить возможность установа в мультирезиторе-трансфере 6 возможность установа сопротивления Re любого требуемого значения из ряда

, ,105,106,1070м, (21)

а в мультирезисторе трансфере 10 установа сопротивления Р любого требуемого значения из ряда

, 102, 103, 104, 105, 1060м, (22) в мультирезисторе-трансфере 5 установа сопротивления RA из ряда R4 - 10. 101.102, 105.10. Ю5,106,107 10е, 109,10fo, Ю11, Ю12,1013 Ом,(23) описываемое устройство может воспроиз- водить любую проводимость любого знака (+ или минус) из массива:

0,Xi...X|...Xk

-Np U

0,Xi...Xi...X

0,XiX2X4X5 10-1CM 0,Х1Х2ХзХ4-1р-12См

0,XiX2X

0,XiX2

O.Xi

1Q-13CM ЮГ14 См

См.

С помощью микропроцессорной системы (13) любую из проводимостей массива (23) можно представить на дисплее 36 в виде эквивалентного сопротивления

Rn - Gn

-1

(25)

т.е. в конечном итоге представить массив (23) в виде следующего массива сопротивле- ний Р:

X(i,...X i...XV10°OM

Xi,...Xi...Xk-10+1OM Xi,...Xi...Xk 10+2OM

X Ji...X i... x k-ib b.M ХЧ....... Ом

(26)

X i,....X i...XV10+11OM

,+12 ,

Х 1,Х 2Х зХ 4-10 0м X i, X aXVIO 13 Ом ХЧ. Х гЮ+15Ом,

причем знак (+ или минус) сопротивления Rn из данного массива определяется установом переключателя 9 в соответствующее положение.

Микропроцессорная система 13 управления, обработки и представления информации избавляет персонал 15 от выполнения многих рутинных операций, программы реализации которых заранее могут быть введены в память системы 13 и использоваться по мере надобности. Например, необходимо воспроизвести сопро- тивление

-Xi,...Xi...Xk 10+pOM 0,

(27)

знак - (минус) которого, мантибсу Xi,...Xi...Xk и масштаб 10 Ом числового значения которого оператор 15 с помощью каналов 14 диалога устанавливает на дисплее 36 системы 13. Далее микропроцессорная система 13 трансформирует (26) согласно (24) в эквивалентную проводимость

-0,Xi...Xi...Xk-10 pCM,

(28)

50

55

для чего, как следует из сравнения (26) и (27), по сути надо выполнить только одну арифметическую операцию пересчета MaHTHCCbiXi,...Xi...Xk в мантиссу 0,Xi...Xi...Xk по формуле

0,Xi...Xi...Xk 1/Xli-...X i...X k.

(29)

поскольку конверсия знака при показателе Р производится автоматически, как и сме

на размерности Ом на См, а знак (входное сопротивление Рзэ-п 1/Сз9-п

(минус) в (27) остается неизменным, как вего намного больше входного сопротивле(26).ния Ry-11 1/67-11) первого варианта устВообще после перерасчета (28), всеройства.

остальные операции по имитации сопро-5 Во втором варианте при входном токе

тивления (26), т.е. проводимости (27) мик-Д| :S10 ° А операционного усилителя 38 и

ропроцессорная система (13) реализуетрабочем напряжении U (10 -10) В устройв устройстве без каких-либо обращений кства входная проводимость оператору (15).

В памяти микропроцессорной системы10 Д| -в и

13 можно заранее запрограммировать опти-6з9-п -д- (10 -10 ) См

мальные сочетания значений Re (21), RZ (22)10-10

и РА (23) для реализации любой шкалы из(32)

массивов (23) и (25), чем улучшается быстро-не менее чем в

действие устройства и устраняются промах15 7, я и я

персонала 1565-7:639-11 10 () 10-Ю4 раз

В разных внешних измерительных це-(33)

пях используются представленные на фиг. 1,меньше чем у первого варианта, имеющего

фиг.2 и фиг.З три варианта представляемойминимальную входную проводимость

многозначной меры электрической прово-20 i .7

ДИМОСТИ-СОПрОТИВЛеНИЯ.G5-7 R 5макс Ю См. (34)

Первый вариант устройства (фиг. 1) в любой вкешней цепи, а также в цепях второгоТретий вариант устройства получается, и третьего вариантов замещается эквива- ,KO™a B Устройство по второму варианту лентной схемой в виде треугольника 37 про- 25 (Фиг-2-а) вводится высоковольтный делитель водимостей 40 напряжения с зажимом 41, который становится пятым измерительным зажимом

Дб5-7б7-пб5-11,(30) устройства, выход делителя 40 подключается ко второму измерительному зажиму

где Gs-7 - (Gn) - проходная проводимость 30 39- а обш-ий ВЫВ°Д входа-выхода делителя (между зажимами 5 и 7);40 присоединяется к токовыводу третьего

67-и - входная проводимость (между измерительного зажима 11, канал 42 управ- зажимами 7 и 11);ления-информации делителя 40 подключавши - выходная проводимость (между ется к микропроцессорной системе 13 зажимами 5 и 11). 35 управления, обработки-представления инВторой вариант устройства (фиг.2.а) формации.

получается после ввода в состав первогоТретий вариант устройства замещается варианта 37 операционного усилителя 38 и эквивалентной схемой в виде треугольника четвертого измерительного зажима 39, под- 42 проводимостей (фиг.З.б) соединения инвертирующего входа усили- 40 А г г г

теля 39 к зажиму, неинвертирующего входаЛ 65-41641-1165-11, (35) и вывода с общей точки источников питания этого усилителя ко второму измерительному где Gs-4i - 65-7 M - проходная проводи- зажиму7. мость (между зажимами 5 и 1 Т); а М - коэфВторой вариант устройства замещается 45 Фициент деления (масштаб) делителя 40,- эквивалентной схемой в виде треугольника , G41-11 R «-..-входная проводимость 40 (фиг.2,6) проводимостей(между зажимами 41 и 11). a R40 - входное

сопротивление делителя 40;

А 65-39639-1165-11,(31) 65-11 выходная проводимость

50 (между зажимами 5 и 11), a R4 - сопротивле- где 65-39(-G5-7-6n) - проходная проводи- ние мультирезистора-трансфера 4. мость (между зажимами 5 и 39):. Третий вариант по сравнению с первым

бзэ-п - входная проводимость (между и вторым вариантами устройства имеет ра- зажимами39и11);бочее напряжение в

65-11 - входная проводимость (между 552 3 1П4 1П5 П(Л зажимами5и 11). М-10, 10 ,10 , 10 .10 (36)

От первого второй вариант отличается

тем, что входная проводимость Озв-и его Раз больше, а проходную проводимость намного меньше входной проводимости 67- G5 «1 в М Раз меньше- т-е- с помощью делителя 40 можно в дополнении к массивам (23)

и (25) получить еще 10 массивов воспроизводимых проводимостей и сопротивлений с разными пределами.

Для синтеза, калибровки и поверки современных и новых измерителей электрического сопротивления и проводимости требуются приведенные на фиг.1-3 три варианта описанного устройства.

Первый вариант устройства применим для поверки низковольтных омметров 43 (1/фиг,4) или симансметров 48 (2/фиг.4), когда в качестве измеряемого образцового элемента используется проходное сопротивление G 15-11 или проводимость GS-II. При этом поверяемые омметры и симанс- метры могут быть инвертами, т.е. иметь одинаковый состав, а именно:

44 - операционный усилитель,

45 - масштабный мультирезистор,

46 - источник питания,

47 - выходной прибор, но разную архитектуру, т.е. взаимное расположение и связи составных частей.

В случае поверки омметра 43 (1/фиг.4) входная проводимость Gy-11 является только нагрузкой выхода операционного усилителя 44,

Для поверки низковольтного четырех- плечевого моста 49, содержащего два масштабных плеча 50 и 51, уравновешивающее плечо-магазин 52 проводимостей, источник питания 49 и нулевой орган 53, предпочтительней второй вариант устройства 40, когда достаточно малая входная проводимость Сзэ-п оказывает пренебрежимо малое влияние на проводимость масштабного плеча 51.

При поверке высоковольтного омметра 54, содержащего в отличие от низковольтного омметра 43 высоковольтный источник 55 напряжения U, предназначен третий вариант устройства 42 (4/фиг.4), В этом случае входная проводимость G41-11 является нагрузкой источника 55, а измеряется проходная проводимость Gs-41.

В заключение следует отметить, что выходная проводимость Gs-11 R 4 во всех случаях (1-4/фиг.4) входит в состав общей проводимости диагоналей индикации всех поверяемых приборов и влияет на чувствительность последних в разной мере в зависимости от того, насколько в суммарной проводимости диагонали индикации существенен вес этой составляющей.

В настоящее время освоен серийный выпуск измерительных резисторов до 10 Ом, что позволяет выбирать сопротивление R4 такими, чтобы влиянием проводимости G5-11 R 4 можно было пренебречь. Внедрение описанных суперточных средств

метрологического обеспечения позволит решить проблему не только материального обеспечения области точных измерений проводимостей и сопротивлений, но и проблему обеспечения этой области соответствующими специалистами, поскольку при новых мерах проводимости-сопротивления на базе представленного изобретения снижаются требования к классности и опыту

0 обслуживающего персонала.

Новые меры на базе данного изобретения могут эксплуатироваться в промышленных условиях и на подвижном транспорте, что обеспечит их широкое применение.

5 Формула из обретения

0 точкой источников питания первого операционного усилителя, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей точке источников питания второго операционного усилителя, а ин5 вертирующий вход через имитатор проводимости соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом первого управляемого масштабного мультирезистора-трансфера, второй вывод

0 которого подключен к первому измерительному зажиму, а также второй управляемый масштабный мультиреэистор-трансфер, первый вывод которого подключен к второму измерительному зажиму устройства,

5 при этом имитатор проводимости выполнен на последовательно соединенных магазине сопротивлений и резисторном цифроаналоговом преобразователе, экраны первого и второго управляемых масш0 табных мультирезисторов-трансферов, общий вывод и экран имитатора проводимости, а также третий измерительный зажим подключены к общей шине устройства, о т- л и чающаяся тем, что, с целью повыше5 ния точности при увеличении пределов и количества воспроизводимых проводимостей и сопротивлений введены двухполюсный переключатель на два положения, третий управляемый масштабный мультире0 зистор-трансфер. включенный параллельно имитатору проводимости, магазин сопротивления которого выполнен в виде управляемого масштабного мультирезистора, а также введен магнитный компаратор токов Кустерса,

5 выполненный на двух сердечниках с регулируемой обмоткой, постоянной обмоткой, детекторной обмоткой, включенной между входами детектора баланса ампер-витков, двумя обмотками возбуждения, включенными последовательно и встречно между выходами генератора возбуждения, при этом первый выход детектора баланса ампер- витков соединен с первым выводом постоянной обмотки, второй вывод которой и второй выход детектора баланса ампер-витков через нормально замкнутые контакты двухполюсного переключателя на два положения соединены соответственно с. корпусом двухполюсного переключателя на два положения и инвертирующим входом второго one- рационного усилителя, а через нормально разомкнутые контакты - соответственно с инвертирующим входом второго операционного усилителя и корпусом двухполюсного переключателя на два положения, соединенным с общей шиной устройства, которая подключена к корпусу третьего управляемого масштабного мультирезистора-трансфера и к корпусу магнитного компаратора токов Кустерса, j; j- гулирующий вывод регулируемой обмотки кс торого соединен с выходом, а один из выводов - с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с вторым выводом второго управляемого масштабного мультирезистора-трансфера, при этом т- вертирующий вход первого операционного усилителя подключен к третьему измерительному зажиму устройства, а входы управления первого, второго, третьего уп- рзвляемых масштабных мультирезисторов- трансферов, магнитного компаратора токов

Значения рабочих напряжений U В (токов I AJ для резисторов с сопротивлением R Ом при мощностях

рассеяния

Кустерса, двухполюсного переключателя на два положения, управляемого масштабного Мультирезистора и резисторного цифроана- логового преобразователя в состав имитатора проводимости являются входами для подачи соответствующих сигналов управления.

s

з:

$

y

I

Ф-ЧТПТ IIII h

45

&

«Vj

V-k

Т

8

V

I

a

M

ъ

ч

A

Јi

фиг.2

фигЗ

$9 Су-за 5

$)