Магазин сопротивления и проводимости Советский патент 1993 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к электроизмерительной электромоделирующей технике, а именно к многозначным мерам электрического сопротивления (магазинам).

Цель изобретения - повышение точности и увеличение рабочего диапазона.

На чертеже представлена структурная электрическая схема магазина сопротивления и проводимости.

Магазин сопротивления содержит управляемый масштабный мультирезистор 1 с первым полюсом а и вторым полюсом Ь, первым повторителем напряжения на базе операционного усилителя 2. инвертора 3, М преобразователей 4.1. 42..., 414.М напряжения в ток, М опорных резисторов 5.1.

5.25.i5.М, М групп переключателей

6.1,6.26i, ...6.M, содержащих А и (А+ 1)

ключей 7.1. 7.2, ... 7 А, ..; М.О, М.1

М А + 1, резисторный делитель 8. выполненный на А одинаковых резисторах 9.1,

9.29.А с номинальным сопротивлением

R Rg i Rg.2 ...Rg.A (на чертеже показан делитель 8 для системы счисления с основанием А 10).

Инвертор 3 выполнен на операционном усилителе 10, управляемом мультирезисторе 11 и подстраиваемом резисторе 12.

Устройство снабжено первым токовым зажимом 13, вторым токовым зажимом f4, третьим токовым зажимом 15. четвертым токовым зажимом 16 и пятым токовым зажимом 17.

В устройстве имеется первая потенциальная клемма 18. вторая потенциальная клемма 19, третья потенциальная клемма 20, четвертая потенциальная клемма 21 и пятая потенциальная клемма 22, переключатель 2П2Н 23.

Представленную на чертеже схему можно разделить на две субсистемы

00

го о о ч

о

1) управляемый масштабный мультире- зистор 1 с устанавливаемым кодом Р ступенями сопротивления:

Rp 10Р Ом,

0)

где Р - целое число (или нуль) из следующего ряда,

Р -3;-2;-1;0; 1:2:3;... 12; (2) 2) кодоуправляемый преобразователь 24 напряжения U в напряжение р

--K()-Xi ... Xi... Хм)и

-К 0, XiXi, ..., XwU,(3)

где U - входное напряжение конвертора 3; К - коэффициент преобразования конвертора 3, устанавливаемый из ряда

К -ю+2; -1: (4)

XiXi, ...,Хм - показания переключателей

6,16.I, ..., 6.М, адекватные числу включенных ступеней делителя 8;

XiХ|Хм - показания переключателей 6.16.16.М, адекватные числу

выключенных ступеней делителя 8 из корпусов токов.

Далее в табл. 1 представлены три основные компоновки (1а, 2а и За) масштабного .мультирезистора 1 в преобразователя 24 напряжения U в напряжение (р (3), так же приведены схемы замещения (16, 26 и 36) указанных трех агрегатов (1а-2а-3а).

Авторы прототипа 1 и экспертиза не учлито, что .„входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя имеет существенно меньшую величину, чем собственное входное сопротивление операционного усилителя 36 с. 77.

В приборостроении и вычислительной технике наибольшее применение нашли операционные усилители с выходным напряжением tp ± 10 В и выходным током I ±10мА. При указанных выходных сигналах сопротивление R23 резистора 23 принимают не более

В23м3кс - - QJ 1°а01 - Ю4 Ом, (5)

откуда для получения коэффициентов конверсии необходимо иметь сопротивление :

K -1(f2 К -10 К -1 К К

к - юR22 -102 Ом

R22 - Ю3 Ом

R22 1040м

Н22 Ю5Ом (6)

Я22 1060м

R22- 1070м

R22- 1080м.

Допустив ошибку (упрощение задачи) в пренебрежении (в прототипе) влиянием непосредственного шунтирования сопротивления R мультирезистора 1 сопротивлением R22 входа инвертора 3, автор и эксперт 1 оставили без учета то, что взамен одного сопротивления R в создании сигнала Dab 1 принимает в действительности параллельное соединение сопротивлений Rp и R23.

Погрешность упрощение задачи в прототипе 5у3 определяется по формуле

5

0

5

(5у:

Rp + R23 .100%, (7)

откуда следует, что в прототипе при разных значениях сопротивления Rp, а именно

4

Rp R23 ЮчОм Rp 103Ом Rp 1020м Rp 10 6м R 1 Ом R-0.1 Ом

5уз 50% (8) (9) (Ю) (,1% (11) ,01% (12) ,001%(13)

т.е. только в (12) указанной погрешностью можно пренебречь, если класс точности прототипа не лучше 0,05%.

Заявляемый магазин сопротивления

выгодно отличается от прототипа тем, что величина его рабочего тока (фиг. 2) при четырехзажимном подключении (2,а; 2,в) не ограничивается величиной максимально допустимого тока выхода первого повторителя-усилителя 2 Ioy2 10 мА). Если в прототипе (2а, фиг. 2 и 1, табл. 1) рабочий ток

I 1оу2 10 мА,

(14)

то при сопротивлениях включенных ступеней мультирезистора 1

разность потенциалов Rp-1 Ом Ом- ,01 В

vi

,-2

v2

Ом ,001 В Ом LNUab 10 2 Ом А 0.0001 В Ом Ом ,00001 В,

и так далее, тогда как в заявляемом уст- ройстве при совместном использовании токовых 15 и 16 рабочий ток магазина определяется величиной максимально допустимого тока для соответствующей ступени сопротивления мультирезистора 1 (2,в, фиг, 2 и 3) табл. 1), а именно:

Rp 0,1 Ом( А)

разность потенциалов Ом 1А 1В

Rp Ом() LHUab Ом ,ЗВ Rp Ом( A) 2 Ом-10А 0,1В Rp 10 3Oi4l 30A) и иаь Ю 3ОмЗОА 0,ОЗВ,

что соответственно в 100, 300, 1000 и 3000 раз больше, чем у прототипа. Это позволяет расширить диапазон магазина в сторону малых сопротивлений (при R 1; 0,1: 0,01; 0,001 Ом и менее).

Как и в прототипе (2а.б. фиг. 2 и 1) табл. 1) инвертор 3 свой входной сигнал

Uab.IRp U

(15)

Ui li(A- 1 -Xi)R Uid Ui h(A - 1 - Xi)R - Utd

UM IM(A - XM) Did

R5 R

R5.I R

RS.M

сумма которых

10

+ ... + Ui+ ...+ UM при выполнении условий:

(19)

R-/R1-A 1- R/Rl R/RM 10

M

(20)

Использование: в электроизмерительной и электромодулирующей технике, а именно в многозначных мерах электрических сопротивлений. Сущность изобретения: магазин сопротивления и проводимости содержит управляемый масштабный мультирезистор, повторитель напряжения, инвертор. М преобразователей напряжения в ток, М групп переключателей (М 4), резисторный делитель. Ведение пяти токовых зажимов, пяти потенциальных зажимов и двухполюсного переключателя на два направления позволило увеличить рабочий диапазон и точность магазина, С 6 ил., 2 табл.

преобразует в свой выходной сигнал

Uid KIRp KU.(16)

Далее с выхода инвертора напряжение-сигнал Uld поступает на инвертирующие входы преобразователей 4.1. 4.24.М напряжения в токи

li Uid/R5.i KIRp/R5.i

li - Uid/R5.i - KIRp/Rg.i

lM Uid/R5.M KIRp/R5.M, (17) где Rs.1 - сопротивление резистора 5.1,

RS.I сопротивление резистора 5.I,

RS.M сопротивление резистора 5.М.

Ток.и hIjIM протекают от выходов соответствующих усилителей ОУ 4.1,

..., 4i 4.M через замкнутые контакты

переключателей 6.1 6.16.М. включенные резисторы-ступени делителя 8,- опорные резисторы 5.15.i5.M. Каждый из указанных контурных токов задается соответствующим сопротивлением RI,

..., RiRM резисторов 5,15.1, .... 5.М в

1-мi-мМ-м контурах цепи устройства.

Каждый из токов ИdIM. проходя

через соответствующее для него включенное, число Xi Xi Хм резисторных

стугтеней делителя 8, создает на последнем соответствующие падения напряжения:

где A 10 - основание принятой системы счисления;

Xi - число исключенных ступеней сопротивления R делителя 8 из контура тока h декадным переключателей 6.1;

Xi - число исключенных ступеней сопротивления R делителя 8 из контура тока fi декадным переключателем 6.I:

Хм - число исключенных ступеней сопротивления R делителя 8 из контура тока 1м декадным переключателем 6.М, как итоговое падение напряжения (U) на делителе 8 определяется по формуле

(1-0,Xi,...,XiХм),

(21)

35

которую с учетом (12) можно представить следующим образом

(1-0,XiXi,..., Хм).

(22)

При К 0 напряжение U с полярностью, противоположной полярности напряжению иаь, прикладывается между выходом и инвертирующим входом повторителя-усилителя 2 и повторяется последним между полюсом f и b как напряжение Кгь Uj, (23) также противоположное по полярности падению напряжения на включенной ступени сопротивлении Rp масштабного мультирё- зистора 1.

Итоговое напряжение на пути прохождения рабочего тока I между полюсами а и f равно: Uaf Uab + Ubf Uab + DЈ

- IRp + (1 - O.X1. .... XiXM)

-Шр(1 + К - К O.XiXiХм),(24)

55 откуда в соответствии с законом Ома воспроизводимое (имитируемое) между полюсами а и f току I сопротивление

Raf - Uaf/l - Rp(K+ 1 - К 0,XiXiХм). (25)

Особенностью заявленного магазина сопротивления является то, что при К -1 его сопротивление Raf, согласно (25), может быть определено по предельно простой и удобной для пользования формуле

Raf + Q,XlХ|XM RP

+0,XiXiХм ЮрОм,(26)

где Р может быть любым целым числом (или нулем) в пределах от -3 до 0.

При К -1 заявленное устройство может быть использовано,как и прототип, для воспроизведения отрицательных сопротивлений.

По сравнению с прототипом, заявляемое устройство (вариант 2в, фиг. 2) обладает следующими преимуществами:

1) может воспроизводить любое сопротивление из следующего массива:

т.е. от минимального сопротивления при

М 5:

,-з.

,-8

Raf(-3) 0,00001 Ю ь Ом (28) до максимального сопротивления

Raf(1) 0,999 1 Ом 1 Ом, (29)

тогда как по изложенным ранее доказательствам прототип может иметь только шкалу

Rp 0,XiXiХм 10м,

(30)

при классах точности не лучше 0,05-0,1 (%) из-за погрешности упрощения задачи в 0,01 % для случая (30);

2)может иметь рабочие токи намного больше, чем у прототипа;

3)может быть использован как низкоом- ная мера при четырех- и трехзажимном подключениях к внешней цепи согласно 3-4 (табл. 2, тогда как прототип предназначен только для двухэажиммого подключения (1), табл. 1).

Дополнительным преимуществом заявленного устройства является то, что оно может быть использовано как широкодиапазонная многозначная мера электрической проводимости малых значений (электрического сопротивления больших значений).

Указанное новое применение заявляемого устройства реализуется при приведенном в табл. 1 соединении 3 управляемого масштабного мультирезистора 1 и преобразователя 23 напряжения U в напряжение р. При этом данный вариант рассматриваемого устройства к внешнему омметру подключается по схеме согласно фиг. 3, а к более точному квазимосту согласно фиг. 4.

Работу трехзажимного устройства согласно фиг. 2 в схемах на фиг. 3 и 4 лучше

всего рассматривать после замены блок- схемы ATaTcTd в указанных схемах на эквивалентный треугольник проводимостей, а именно:

15

ATaTcTd AGcdGacGad,

(31)

где Gcd - входная проводимость ДТаТсТа;

Gac - проходная проводимость ATaTcTd;

Gad - выходная проводимость ДТаТсТа; т.е. после получения схем на фиг. 5 и 6, из которых видно следующее:

1)измеряемой является проходная проводимость GacJ

2)входная проводимость Gcd является лишь нагрузкой для источников питания 24,

ее влиянием можно пренебречь;

3)выходная проводимость Gad в омметре шунтирует вход операционного усилителя 26, в квазимосте - вход нулевого органа

30, ее влиянием при условии малости этого эффекта можно пренебречь.

Особенностью мер проводимости (сопротивления) типа ATaTcTd является то, что они применяются в измерительных целях

при эквипотенциальных зажимах ч и 1ь т.е. при

Д U

О,

(32)

в результате чего испытательное напряже- 40 ние омметра или квазимоста

Uac U - Д U

U,

(33)

равно напряжению U источника 24.

При выполнении усл овий (3) и (32) 45 представляющий интерес выходной ток ATaTcTd

50

а -#- -К O.XiXiХм U/Rp.(34)

Р

откуда следует, что проходная проводимость

Gac

55

«c -{j -K O.Xi. ...X,Хм, (35)

прямо пропорциональна коэффициенту конверсии К, цифровому показанию О.Хь .... Xt, .... Хм преобразователя 23. включенной проводимости Rp масштабного мультирезистора 1 с виртуальным множеством ступеней сопротивления

RP 10+1; 10+2; ..., 10+р:...: 10+11; 1(f 12Ом.

(36) или проводимости

10 2; ...; Ю р;...; 10 12см

(37)

При К -1 воспроизводимая проводимость определяется по наиболее простой формуле

Gac + 0,XiXi. ...;Хм Rp 1.(38)

которая при учете изменения масштаба Rp

по ряду (37) представляет следующий мае-

сив образцовых проводимостей:

Gac(1) - 0,XiXiХм см

г2

Gac(2) O.XiXiХм 1СГ см

Gac(P) 0,XlX(Хм 1(T CM (39)

1-11

Gac(11) - 0,XiX|Хм 10 CM

Gac(12) 0,XiXiХм

CM.

Информационный массив (39) может быть при |К| 5й 1 сдвинут в К раз, т.е. в самом общем виде воспроизводимая проводимость определяется по формуле:

Gac(P,K) 0,XiXiХм G(p.K), (40)

где масштабный множитель С(р,к) К,

(40а)

В табл. 2 приведены значения масштабного множителя G(p,K) для возможных сочетаний Rp 10jx и К разных значений согласно (37) и (6).

Следует отметить, что при измерении К в сторону уменьшения растет мощность рассеяния на имитируемой проводимости в . , поскольку в раз увеличивается рабо-, чее (испытательное) напряжение магазина при том же рабочем токе.

Например, при К -1 при рабочих токе la 0.01 А и напряжении р 10 В мощность рассеяния имитируемой проводимости будет

Р у la 10 В х 0.01 А 0,1 Вт. (41)

При К -0.1 и тех же рабочих токах и напряжении ОУ 2 испытательное напряжение

Ucd :K 10 х 10В 100В,(42)

.

5

10

5

0

а мощность рассеяния имитируемой проводимости в К раз меньшей согласно (35) будет

Р Uad la 100 В 0.01 А - 1 Вт. (43)

и т.д., по мере уменьшения К.

При агрегировани заявляемого устройства с управляющей микро-ЭВМ можно его низкоомные шкалы сопротивления и дольносимеисные шкалы проводимости конвертировать в соответствующие шкалы больших проводимостей с большими рабочими .токами и больших сопротивлений с большими рабочими напряжениями, что представляет интерес для многих случаев метрологической практики и измерительной техники.

Формула изобретения

Магазин сопротивления и проводимости, содержащий управляемый масштабный мультирезистор, два токовых зажима, повторитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с источником питания со средней точкой, резистивный де- литель, выполненный в виде последовательно соединенных N равнономинальных

резисторов с (Ы + 1) промежуточными выводами (где N (А -1), а А - основание принятой системы счисления), М разрядных однополюсных коммутаторов (где М 2:4), каждый из которых выполнен в виде (N + 1)

кодоуправляемых ключей (или шаговых переключателей) с (N + 1) выходами, М разрядных преобразователей напряжение в ток, каждый из которых выполнен в виде операционного усилителя, общий вывод и неинвертирующий вход которого объединен и через опорный резистор соединен с общей шиной, выходы разрядных преобразователей напряжения в ток соединены с соответствующими входами-полюсами разрядных

однополюсных коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими промежуточными выводами резистивного делителя, вход которого соединен с третьим токовым зажимом, который соединен с выходом повторителя напряжения, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя, отличающийся тем, что. с целью увеличения точности и рабочего диапазона, в него введены три

токовых vt пять потенциальных зажимов, двухполюсный переключатель на два направления и инвертор, выполненный на операционном усилителе с биполярным источником питания, управляемом мулыирезисторе и подстраиваемом резисторе, первый токовый зажим магазина соединен с токовым выводом первого полюса управляемого масштабного здультирезистора токовый вывод второго полюса которого соединен с вторым токовым зажимом, третий токовый зажим подключен к токовыводу общей шины биполярного источника питания инвертора, вход которого соединен с четвертым токовым зажимом и первым выходом яереого направления двухполюсного переключателя, первый полюс которого соединен с второй потенциальной клеммой, вторым потенциальным выводом первого полюса управляемого масштабного муяьти- резистора, первый потенциальный вывод первого полюса которого соединен с первой

потенциальной клеммой, пятый токовый зажим соединен с объединенным неинвертирующим входом и выводом средней точки питания операционного усилителя повторителя напряжения, с пятой потенциальной клеммой и вторым выходом второго направления двухполюсного переключателя, второй полюс которого соединен с четвертой потенциальной клеммой и вторым потенциальным

выводом второго полюса управляемого масштабного мультирезистора, первый потенциальный вывод второго полюса которого соединен с третьей потенциальной клеммой, первый выход второго направления

двухполюсного переключателя соединен с первым потенциальным выводом полюса общей шины питания инвертора.

Таблица 1

Таблица.2

9 f

дФ5 нииТшп- -Ф/$

6/e 3-// л

/

(6

(

/5 О

&.

-/

л

1

Xf

т;

i

нииТшп- -Ф/$

6/e 3-// л

/

V

м

П

0

f

;

Ј л

т

Фиг./

0109281

1826070