DE19581562B4

DE19581562B4 - Vierpolstandardwiderstand

Info

Publication number: DE19581562B4
Application number: DE19581562T
Authority: DE
Inventors: David Rodney White; Keith Jones
Original assignee: IND RES Ltd; Industrial Research Ltd
Current assignee: IND RES Ltd; Industrial Research Ltd
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2015-03-03
Also published as: US5867018A; WO1995023979A1; GB9618258D0; GB2301501A; AU1863895A; GB2301501B; DE19581562T1; JPH10502775A; NZ281731A

Abstract

Vierpolstandardwiderstand, der einen Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten hoher Genauigkeit für die Verwendung in der elektrischen Messtechnik zur Verfügung stellt, aufweisend
ein Netz aus mehreren Widerständen von wenigstens zwei verschiedenen Widerstandswerten;
externe Strom- und Spannungspole an irgendeiner der Seiten des Netzes aus mehreren Widerständen, über welche der Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten in Vierpol-Konfiguration gemessen werden kann; und
ein kombinierendes Netz, das Schalteinrichtungen aufweist zum Schalten von Vierpol-Verbindungen zu und zwischen jedem der Widerstände innerhalb des Netzes aus mehreren Widerständen, um die Widerstände in verschiedenen Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfigurationen zu verbinden, wobei sich ein Bereich mit einer Anzahl von Standardvierpolwiderstandswerten zwischen den externen Strom- und Spannungspolen ergibt, welche zahlenmäßig größer ist als die Anzahl der mehreren Widerstände.

Description

Diese Erfindung umfaßt ein Widerstandsnetz bzw. Widerstandnetzwerk, das einen Bereich genauer Widerstandswerte zur Verfügung stellt, was für die Auswertung der Genauigkeit und/oder Linearität von elektischen Widerstandsmeßinstrumenten verwendet werden kann.

Widerstandsnetze, die nützliche Eigenschaften aufweisen, werden unter vielen Gesichtspunkten der elektrischen Metrologie bzw. Meßtechnik für die Realisierung von elektrischen Meßstandards, die Auswertung von solchen Standards und die Auswertung von elektrischen Meßgeräten verwendet. Eine derartige Familie von Widerstandsnetzen bzw. Widerstandnetzwerken bei herkömmlicher Verwendung sind die 4-Pol-Reihen-Parallel-Aufbau-Widerstände (4-terminal series-parallel build-up resistors), die als Hamon-Widerstände bekannt sind. Der Grundaufbau des Hamon-Widerstandes wurde von Hamon 1954 vorgeschlagen (vgl. B. V. Hamon, "A 1–100 ohm build-up resistor for calibration of standard resistors", J. Sci. Instru., Bd. 31, Seiten 450–453, Dez. 1954). Drei der vier Schlüsselprinzipien, die Hamon in seinem Widerstandsnetz bzw. Widerstandnetzwerk zusammenbrachte, waren seit einiger Zeit bekannt. Die von einem Hamon-Widerstand ausgenutzten Prinzipien sind:
Der Vierpolwiderstand: Elektrische Widerstände, die in den meisten technischen Texten angegeben bzw. abgebildet sind, besitzen zwei Anschlüsse bzw. Anschlußklemmen. In einem derartigen Widerstand ist es unmöglich, elektrisch zwischen dem Widerstand selbst und dem Widerstand in den zwei mit ihm verbundenen Leitungen bzw. Leitern bzw. Drähten zu unterscheiden. Dies schränkt ernstlich die erreichbare Genauigkeit bei vielen Anwendungen ein. Für eine hohe Arbeitsgenauigkeit werden Vierpolwiderstände verwendet. Diese Widerstände weisen zwei Anschlüsse bzw. Anschlußklemmen, durch welche der Strom geführt wird, und zwei Anschlüsse bzw. Anschlußklemmen, an welchen die Spannung gemessen wird, auf. Das Verhältnis der Spannung zum Strom, der Widerstand, ist unabhängig von sämtlichen vier Leitungswiderständen. Dieses Prinzip ist wahrscheinlich Lord Kelvin zuzuschreiben.

Gleichwiderstände, die in Reihe und parallel verbunden bzw. geschaltet sind, um genaue Widerstandsverhältnisse zu realisieren: Es war bekannt, daß der Widerstand von N nominal gleichwertigen Reihen-Widerständen gleich ist zum N quadrierten Widerstand der N Parallel-Widerstände. Wenn die Werte der N Widerstände auf eine Gleichheit innerhalb einer vorgegebenen Toleranz eingestellt sind, ist dann weiterhin die Genauigkeit des Verhältnisses der Reihen- zu Parallel-Widerstände genau dem Quadrat der Toleranz. Zum Beispiel können 10 nominal gleiche 10-Ohm-Widerstände, die auf innerhalb 1 Teiles von 1000 (0.1%) angepaßt sind, in Reihe zur Herstellung eines 100-Ohm-Widerstandes oder parallel zur Herstellung eines 1-Ohm-Widerstandes verbunden bzw. geschaltet werden. Es kann gezeigt werden, daß das Verhältnis der zwei so hergestellten Widerstände auf 1 Teil von 1 000 000 (0.00001%) genau ist. Dieses Prinzip ist wahrscheinlich Lord Rayleigh zuzuschreiben.

Die Vierpolverbindung: Vor der Veröffentlichung des Dokumentes von Hamon erwies sich das Reihen-Parallel-Prinzip von Rayleigh zur Ausnutzung schwierig. Für niedrige Widerstandswerte konnten die Wirkungen von Leitungs- und Kontaktwiderständen nicht ignoriert werden und schränkten die daraus resultierenden Fehler die Genauigkeit der Messungen ein. Hamon fand einen Weg heraus, um einen Vierpolwiderstand zu verwirklichen und auszunutzen, derart, daß, wenn ein Strom durch irgendein Paar von Leitungen geführt wird, die in den anderen zwei Leitungen erzeugte Spannung null ist. Hamon fand heraus, daß eine Vierpolverbindung bzw. Vierpolschaltung einfach verwirklicht werden kann, indem sichergestellt wird, daß drei der vier Leitungen zu einem Verbindungsblock in bezug auf die Vierte symmetrisch sind. Verschiedene erfolgreiche Geometrien für die Herstellung der Verbindung sind bekannt. Das US-Patent 3,252,091 offenbart eine solche Geometrie.

Eine Vierpolverbindung bzw. Vierpolschaltung kann verwendet werden, um jeden der (beispielsweise 10) Widerstände ständig in Reihe auf eine solche Weise zu verbinden bzw. zu schalten, daß erstens jeder Widerstand ein gutdefinierter Vierpolwiderstand ist, zweitens der Widerstand der (beispielsweise 10) Reihen-Widerstände genau gleich der Summe (der 10) ist, da die variablen Wirkungen der Kontaktwiderstände beseitigt sind, und es drittens mit der Verwendung eines kombinierenden Netzes bzw. Netzwerkes, wie unten dargestellt, möglich ist, die (10) Widerstände in ein Parallel-Netz zu verbinden bzw. zu schalten, derart, daß die Wirkungen der Leitungswiderstände vernachläßigbar sind.

Kombinierende Netze bzw. Netzwerke: Um die Parallel-Verbindung bzw. Parallel-Schaltung des Hamon-Widerstandes herzustellen, muß eine niedrige Widerstandsschaltung bzw. Widerstandsverbindung (jedoch praktischerweise nicht null) an jedem der Anschlüsse bzw. an jeder der Anschlußklemmen der (10) Widerstände erzeugt werden. Da der Widerstand der Schaltung bzw. Verbindung nicht null ist, können die Ströme durch jeden der Widerstände nicht gleich sein. Wenn die Ströme nicht gleich sind, dann ist der Meßwert für den Parallel-Widerstand fehlerhaft. Die Lösung besteht darin, bekannte Widerstände in den verschiedenen Leitungen bewußt einzuführen, so daß der Strom gleichmäßig (auf-)geteilt wird. Da der Vierpolwiderstand unabhängig von den Leitungswiderständen definiert wird, führt das kombinierende Netz (auch als ein Kompensations- oder Teilungsnetz bekannt) nicht unmittelbar zu einem Fehler. In der Praxis kann ein kombinierendes Netz in die Stromanschlüsse bzw. Stromanschlußklemmen oder die Spannungsanschlüsse bzw. Spannungsanschlußklemmen mit einer gleichen Wirkung oder in beiden für eine größere Wirkung eingeführt werden. Das Teilungsnetz-Prinzip wurde von Kelvin bei seiner Doppelbrücke verwendet (siehe US-Patent 3,252,091), wurde in Bezug auf die Parallel-Schaltung bzw. Parallel-Verbindung von Widerständen durch Brooks (siehe H. B. Brooks, Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs., 39, S. 549, 1920) und Wenner (siehe F. Wenner und E. Weibel, Bull. Nat. Bur. Stand., 11, S. 65, 1914) beschrieben und wurde von Kibble und Rayner (siehe B. P. Kibble und G. H. Rayner, "Coaxial AC Bridges", (Adam Hilger, Bristol), 1984) auf allgemeinere Weise beschrieben.

Der beschriebene Reihen-Parallel-Aufbau-Widerstand (oder Hamon-Widerstand) ist ein bedeutsames Element der elektrischen Metrologie geworden, seit Hamon die Idee beschrieb. Viele Varianten sind mit verschiedener Anzahl von Widerständen und gleichzeitiger Verwendung von Reihen- sowie Parallel-Kombinationen gebaut und beschrieben worden. Die Literaturstellen von Riley (siehe J. C. Riley, "The Accuracy of Series and Parallel Connections of Four-Terminal Resistors", IEEE Trans. Instrum. Meas., Bd. IM-16, Seiten 258–68, Sept. 1967), Page (siehe C. H. Page, "Errors in the series-parallel build up of four-terminal resistors", J. Res. Nat. Bur. Stand. Sect. C, Bd. 69, Seiten 181–9, Juli/Sept. 1965), Gorini (siehe I. Gorini, "Errors in the Parallel Connection of a 100:1 Series-Parallel Build-up of Fourier-terminal Resistors", IEEE Trans. Instrum. Meas., Bd. IM-21, Nr. 3, Aug. 1972) beschreiben ebenso wie Hamon mögliche Fehler und deren Minimierung bei der Realisierung von Hamon-Widerständen.

Kommerziell hergestellte Versionen von Hamon-Widerständen sind bekannt, um von einer Anzahl von Unternehmen einschließlich Leeds und Northrup (Australien), die der Ausgestaltung von Hamon in einigen Details gefolgt sind, Guildline Instruments (Kanada) und Electro Scientific Industries (USA) hergestellt zu werden.

Die hauptsächliche Verwendung für Hamon-Widerstände ist die Herstellung von Standards mit Gleichstrom-Widerstand zu Dekadenintervallen, zum Beispiel 1, 10, 100, 1000, 10000 Ohm etc. Messungen des Widerstandes für beispielsweise 1-Ohm-Kombination bedeuten, daß der Wert der Kombination bei den anderen Werten auch bekannt ist. Das Hauptattribut der Widerstände ist die sehr hohe Genauigkeit, mit welcher die Widerstandsverhältnisse realisiert werden können (so gut wie 1 Teil in 100 000 000). Hamon-Widerstände sind auch in Paaren verwendet worden, um genaue Spannungsverhältnisse herzustellen. Thompson (siehe A. M. Thompson, "Self checking Resitive Ratios", IEEE Trans. Instr. Meas., IM-27, 4, Seiten 423–5, Dez. 1978) beschreibt im allgemeinen deren Verwendung bei der Realisierung von genauen Spannungsteilern. Wie bei Aufbau-Widerständen bzw. Übergangswiderständen (build-up resistors) ist die Anpassung bzw. Abstimmung von gleichwertigen Widerständen auf die Leistung von Hamon-artigen Spannungsteilern kritisch.

Sämtliche Hamon-Netze weisen eine weite Redundanz in den ver wirklichten Widerständen auf, d.h. einige der nominalen Widerstandswerte können von mehr als einer Reihen-Parallel-Kombination der Komponentenwiderstände realisiert werden. Ein anderer Nachteil von Hamon-Widerständen, ob für Aufbau-Widerstände oder für Spannungsteiler, besteht darin, daß sie mit nominal gleichwertigen Widerständen versehen sind, um das Rayleigh-Prinzip auszunutzen, d.h. um genaue Widerstandsverhältnisse zu erzeugen. Hamon-Widerstände sind auch mit den Widerständen hergestellt, die ständig in Reihe (in der sogenannten "Leiter"-Form ("ladder" form)) verbunden bzw. geschaltet sind, so daß zwei der Anschlüsse bzw. Anschlußklemmen von jeder der Vierpolverbindungen bzw. Vierpolschaltungen nur als Strom- oder Spannungsanschlüsse verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ausführungsform eines Widerstandsnetzes bzw. Widerstandnetzwerkes zur Verfügung zu stellen, das die oben erwähnten Nachteile insbesondere in einem Hamon-Netz bzw. Hamon-Netzwerk beseitigt oder wenigstens vermindert.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegeben Vierpolstandwiderstand gelöst. Vortailhafte Weiterbildengen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–20 angegeben.

Ganz allgemein formuliert, umfasst die Erfindung einen Vierpolstandardwiderstand, der einen Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten hoher Genauigkeit für die Verwendung in der elektrischen Messtechnik zur Verfügung stellt, aufweisend ein Netz aus mehreren Widerständen von wenigstens zwei verschiedenen Widerstandswerten; externe Strom- und Spannungspole an irgendeiner der Seiten des Netzes aus mehreren Widerständen, über welche der Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten in Vierpol-Konfiguration gemessen werden kann; und ein kombinierendes Netz, das Schalteinrichtungen aufweist zum Schalten von Vierpol-Verbindungen zu und zwischen jedem der Widerstände innerhalb des Netzes aus mehreren Widerständen, um die Widerstände in verschiedenen Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfigurationen zu verbinden, wobei sich ein Bereich mit einer Anzahl von Standardvierpolwiderstandswerten zwischen den externen Strom- und Spannungspolen ergibt, welche zahlenmäßig größer ist als die Anzahl der mehreren Widerstände.

Netze bzw. Netzwerke der Erfindung umfassen wenigstens zwei bewußt ungleiche Widerstände. Netze bzw. Netzwerke der Erfindung können zum Beispiel als ein Stern, ein Ring oder eine Leiter oder einer Kombination daraus oder in anderen gewünschten Konfigurationen gemäß der Anzahl und des Bereiches von Widerständen, die notwendig sind, um von dem Netz bzw. Netzwerk realisiert zu werden, verbunden bzw. geschaltet werden. Netze bzw. Netzwerke können angeordnet und Widerstandswerte können (aus-)gewählt werden, um eine große Anzahl von Widerständen relativ zu der Anzahl von Komponentenwiderständen des Netzes bzw. Netzwerkes zu realisieren. In Netzen bzw. Netzwerken der Erfindung ist es daher möglich, eine geringe oder keine Redundanz in den Widerständen, die durch das Netz bzw. Netzwerk realisiert sind, zu haben.

Der Nutzen und die Genauigkeit von Netzen bzw. Netzwerken der Erfindung ist nicht kritisch, abhängig von dem Grad, zu welchem die Widerstände zu deren nominalen Werten oder zueinander gleich sind. Dessen Leistung hängt von der Anpassung bzw. Abstimmung der kombinierenden Netze bzw. Netzwerke ab.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung, wobei:

1(a) einen Zweipolwiderstand zeigt,

1(b) einen Vierpolwiderstand zeigt,

2(a) die äquivalente Schaltung für eine vierpolverbindung bzw. Vierpolschaltung zeigt,

2(a) bis 2(e) verschiedene praktische Ausführungsformen einer Vierpolverbindung bzw. Vierpolschaltung zeigen,

3 ein Zehn-Widerstände-Hamon-Netz mit einem nicht dargestellten kombinierenden Netz zeigt,

4 ein Zehn-Widerstände-Hamon-Netz zeigt, das mit einem dargestellten kombinierenden Netz parallel verbunden bzw. geschaltet ist,

5 ein Vier-Widerstände-Sternnetz der Erfindung mit einem dargestellten kombinierenden Netz (ohne Schalter) zeigt,

6 ein Vier-Widerstände-Ringnetz der Erfindung mit einem dargestellten kombinierenden Netz (ohne Schalter) zeigt,

7 ein Sieben-Widerstände-Sternnetz der Erfindung mit einem dargestellten kombinierenden Netz (ohne Schalter) zeigt,

8 ein Drei-Widerstände-Sternnetz der Erfindung mit einem dargestellten kombinierenden Netz (ohne Schalter) zeigt,

9(a) bis 9(f) verschiedene kombinierende Netz-Kombinationen zeigen, die notwendig sind, verschiedene Widerstandswerte für das Vier-Widerstände-Sternnetz der 5 zu realisieren,

10 ein Schaltungsdiagramm einer Form eines Vier-Widerstände-Sternnetzes wie in den 5 und 9 mit einem kombinierenden Netz ist, das 8 Drei-Stellungs-(Ein-Aus-Ein)-Schalter verwendet, und

11 ein Flußdiagramm ist, das den Programmfluß für eine automatische Brückeneichung mit einem Widerstandsnetz der Erfindung darstellt.

Die 1(a) zeigt einen Zweipolwiderstand. Die 1(b) zeigt einen Vierpolwiderstand, wobei die Leitungswiderstände r ebenso dargestellt sind. Die 2(a) zeigt die äquivalente Schaltung für eine Vierpolverbindung und die 2(b) bis 2(e) zeigen verschiedene praktische Ausführungsformen der Verbindung. Die 2(b) zeigt eine tetrahedrale bzw. vierflächige Anordnung, die 2(c) eine sphärische bzw. kugelförmige Anordnung, die 2(d) eine radiale zylindrische Anordnung, die 2(e) eine dreieckige Anordnung und die 2(f) eine axiale zylindrische Anordnung. Von der Geometrie der 2(e) wird angenommen, Gegenstand des US-Patents 3,252,091 zu sein.
Die 3 zeigt die äquivalente Schaltung für einen Hamon-Widerstand mit 10 Widerständen ohne ein kombinierendes Netz bzw. Netzwerk und die 4 zeigt einen vollständigen Hamon-Widerstand mit 10 Widerständen und einem kombinierenden Netz bzw. Netzwerk in den Spannungsleitungen, das mit den 10 Widerständen parallel verbunden bzw. geschaltet ist. In dem Hamon-Widerstand sind Widerstände von bzw. mit gleichem Wert sämtlich ständig in Reihe in einer Leiterform verbunden bzw. geschaltet, so daß zwei Anschlüsse bzw. Anschlußklemmen jeder der Vierpolverbindungen lediglich als Spannungsanschlüsse und nur zwei als Stromanschlüsse verwendet werden.
Die 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Netzes bzw. Netzwerkes der Erfindung, die ein Vierpol-Sternnetz ist, welches auch das kombinierende Netz zeigt. In diesem Netz sind bis zu fünfunddreißig verschiedene Vierpolwiderstandswerte als Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Kombinationen der vier Widerstände (36 einschließlich des Vierpol-Null-Widerstandes) verfügbar.
Die 6 zeigt eine andere Ausführungsform eines Netzes bzw. Netzwerkes der Erfindung, die ein Vierpol-Ringnetz umfaßt.
Die 7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Netzes bzw. Netzwerkes der Erfindung, die ein Sternnetz mit sieben Widerständen umfaßt, und die 8 zeigt ein Sternnetz mit drei Widerständen.
Die 9 zeigt die verschiedenen kombinierenden Netzverbindungen bzw. Netzschaltungen, die erforderlich sind, um sämtliche fünfunddreißig Kombinationen für das Sternnetz der Erfindung mit vier Widerständen aus der 5 zu realisieren. Vier verschiedene Werte sind von jedem der vier einzelnen Widerstände möglich, wie in der 9(a) gezeigt ist. Sechs weitere Werte sind aus sechs Kombinationen von jeweils zwei Reihen-Widerständen verfügbar, wie in der 9(b) gezeigt ist. Sechs weitere Werte sind aus sechs verschiedenen Kombinationen von jeweils zwei Parallel-Widerstände verfügbar, wie in der 9(c) gezeigt ist. Zwölf weitere Werte sind aus zwölf verschiedenen Kombinationen eines Reihen-Widerstandes mit zwei Parallel-Widerständen verfügbar, wie in der 9(d) gezeigt ist. Vier weitere Werte sind aus vier verschiedenen Kombinationen eines Reihen-Widerstandes mit drei Parallel-Widerständen verfügbar, wie in der 9(e) gezeigt ist. Drei weitere Werte sind aus drei Kombinationen von zwei parallelen Reihen-Widerständen mit zwei anderen Parallel-Widerständen verfügbar, wie in der 9(f) gezeigt ist.
Die 10 stellt ein Schaltungsdiagramm eines Sternnetzes mit vier Widerständen wie in der 5 und einem kombinierenden Netz dar, das acht Drei-Stellungs-(Ein-Aus-Ein)-Schalter verwendet, welche sämtliche der zu erhaltenden Widerstandswerte der Konfigurationen der 9 ermöglichen. In der 10 sind R_P1, R_P2, R_P3 und R_P4 vier Leitungswiderstände, die ein kombinierendes Netz bzw. Netzwerk in den Potentialleitungen bilden. Die Leitungswiderstände werden im allgemeinen, wie im Stand der Technik bekannt, verwendet, können aber bei Anwendungen mit geringer Genauigkeit nicht wesentlich sein. Die mit R1 bis R4 bezeichneten Schalter verbinden die Strom- und Spannungsanschlüsse des jeweiligen Widerstandes, während die mit R1 bis R4 bezeichneten Schalter die Anschlüsse der Vierpolverbindung verbinden, wenn erforderlich. Der Oberstrich (^–) ist das Symbol für eine logische Negation (nicht) und zeigt an, daß der Schalter nicht verwendet wird, wenn der korrespondierende Widerstand verbunden bzw. geschaltet ist. Die I- und V-Anschlüsse sind die koaxialen Verbindungen zu dem Netz.
Die Tabelle 1 zeigt 35 Kombinationen, die möglich sind, und Widerstandswerte, die mit einem Sternnetz bzw. Sternnetzwerk mit vier Widerständen gemäß der Erfindung, wie in den 5, 9 und 10 gezeigt, erhalten sind, wobei sämtliche Netzwiderstände verschiedene Werte aufweisen. In diesem Fall sind R1 = 81,1 Ω, R2 = 47,7 Ω, R3 = 33,3 Ω und R4 = 25,5 Ω. Die erste Spalte führt die Kombinationen in fallender Reihenfolge der Widerstände auf; die zweite Spalte führt die Kombination auf, bei welcher die Symbole + und // in Reihe bzw. parallel bedeuten; die dritte Spalte führt den resultierenden Widerstand auf; und die vierte Spalte zeigt an, welches der Verbindungsdiagramme bzw. Schaltungsdiagramme in der 9 zur Anwendung kommt.
Die Tabelle 2 zeigt 35 Kombinationen, die mit einem Sternnetz der Erfindung mit vier Widerständen, wie in der 5 gezeigt ist, möglich sind, wobei jeweils zwei der vier Netzwiderstände den gleichen Wert aufweisen. In diesem Fall sind R1 = R2 = 100 Ω und R3 = R4 = 100 Ω. Die Kombinationen ergeben 12 unterschiedliche Werte, die einfache rationale Vielfache von 100 Ohm sind.
Die Tabelle 3 zeigt ein anderes Beispiel von 35 Kombinationen, die mit einem Sternnetz der Erfindung mit vier Widerständen möglich sind, wobei sämtliche Widerstände von verschiedenen Werten sind. In diesem Fall sind R1 = 100 Ω, R2 = 50 Ω, R3 = 33 1/3 Ω und R4 = 25 Ω. Die Kombinationen ergeben 26 unterschiedliche Widerstandswerte, die einfache rationale Vielfache von 100 Ohm sind.
Der Bereich von Widerstandswerten, mit einem Netz der Erfindung realisierbar, kann für jede besondere Verwendung durch Wahl der Widerstandswerte des Netzes und Kombination von Netzverbindungen bzw. Netzschaltungen maßgeschneidert bzw. kundenspezifisch ausgestaltet werden. Ein Netz, das für die Eichung bzw. Kalibrierung von Widerstandsthermometriebrücken, welche über einen engen bzw. kleinen Bereich arbeiten, geeignet ist, kann abgeleitet werden, indem für die Werte der 35 Kombinationen gefordert wird, daß sie so gleich wie möglich beabstandet sind. Wenn das Kriterium der Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird, um die besten Werte für die Vierkomponenten-Widerstände in einem Sternnetz mit vier Widerständen zu bestimmen, wird dann zum Beispiel die optimale Beabstandung der Kombinationen mit den vier Widerständen in dem Verhältnis R₁ = 0.625 490 2 R_max, R₂ = 0.374 509 8 R_max, R₃ = 0.288 491 1 R_max und R₄ = 0.222 675 2 R_max, wobei R_max der Widerstand der größten Kombination (R₁ + R₂) ist. Der Bereich der Widerstände, der von einem Netz abgedeckt wird, basierend auf diesen Verhältnissen, ist näherungsweise 8 bis 1.
Widerstandsnetze der Erfindung können auch ausgebildet sein, um einen Satz von Widerständen, die sämtlich rationale Vielfache voneinander sind, zu erzeugen. Zum Beispiel verwirklicht ein Vier-Widerstände-Netz, das vier Widerstände in dem Verhältnis 2:2:1:1 benutzt, 12 unterschiedliche Widerstandswerte, welche rationale Vielfache voneinander (siehe Tabelle 2) sind, und realisieren vier Widerstände in dem Verhältnis 12:6:4:3 26 unterschiedliche Widerstände (Tabelle 3).
Mit der geeigneten Wahl von Widerstandswerten und Kombination eines Netzes kann ein Schalten des Netzes erreicht werden, um die Wahrscheinlichkeit, daß sämtliche 10 Ziffern bzw. numerischen Zeichen (0 bis 9) an jeder (dezimalen) Stelle bzw. Ziffer einer Brückenanzeige bzw. Brückenablesung bzw. (ein-) lesenden Brücke (bridge reading) auftreten, zu maximieren. Gleichzeitig können in dem Fall einer binären, oktalen oder anderen Basisbrücke sämtliche oder nahezu sämtliche Ziffern einer jeder Stelle erhalten werden. Da bei den meisten Brücken jede Stelle mit den Komponententeilern in der Brücke funktionell verknüpft ist bzw. wird, stellt die Erfindung eine zusätzliche wertvolle bzw. nützliche Information zur Verfügung, die zu bestätigen hilft, daß die Brücke richtig funktioniert. Die Tabelle 4 gibt die Werte von vier Widerständen, die in einem Sternnetz der Erfindung mit vier Widerständen verwendet werden können, und eine Häufigkeitstabelle, die die Häufigkeit von jeder Ziffer jeder Stelle in den 35 Kombinationen angibt, an. Die vier gegebenen Widerstandswerte approximieren auch das Verteilungskriterium, das oben in (e) angegeben ist.
Die Tabelle 4 ist für ein Vier-Widerstände-Sternnetz, das Widerstände mit den Werten R1 = 81.819 354, R2 = 48.178 636, R3 = 36.515 784 und R4 = 31.242 214 verwendet. Das Netz ergibt 35 Kombinationen mit 35 unterschiedlichen Widerständen, welche jede Stelle einer idealen 8-Stellen-Brücke (dezimal) (über-)prüfen bzw. ausüben (exercise), wie in der Tabelle gezeigt ist. Die Tabelle führt die Häufigkeit eines Auftretens von jeder Ziffer (0 bis 9) an jeder Stelle auf. Das Netz ist für eine Brücke mit einer maximalen Anzeige bzw. Ablesung von 1.299 999 9 ausgebildet.
Tabelle für eine Stellenprüfung (Digit exercise table)
Netze der Erfindung können auch für Wechselstrommessungen sowie Gleichstrommessungen verwendet werden. Während bei Gleichstrommessungen die Definition bzw. Auflösung des Vierpolwiderstandes ausreichend ist, um einen Widerstand mit höchster Genauigkeit zu definieren, besteht jedoch für Wechselstromwiderstände das zusätzliche Erfordernis, die elektromagnetischen Felder um die leitenden Elemente eines Widerstandes herum zu bestimmen. Daher werden koaxiale Definitionen bzw. Bestimmungen der Wechselstromwiderstände und Impedanzen verwendet (siehe Kibble und Raynor, die oben erwähnt sind) und sind die Definitionen derart, daß Reihen-Kombinationen von Widerständen nicht genau realisiert werden können. Da Widerstands- und Konduktanzbrücken nur den Realteil (im Gegensatz zu dem Blind- oder Imaginärteil) von Impedanzen messen, sind die Formeln für die Reihen-Kombinationen (in dem Fall von Konduktanzbrücken) und Parallel-Kombinationen (in dem Fall von Widerstandsbrücken) von Widerständen angenähert. Daher besteht bei Wechselstromanwendungen eine progressive bzw. fortschreitende Abnahme in der Genauigkeit des Netzes mit zunehmender Frequenz. Bei sorgfältiger Beachtung der Wechselstromeigenschaften der Komponenten und der koaxialen Definition des Netzes sind Genauigkeiten von größer als 1 Teil von 1000 000 000 bei Gleichstrom erreichbar, auf 1 Teil von 1 000 000 bei 10 kHz fallend. Daher hängt der Nutzen der Netze der Erfindung für Gleichstromanwendungen von der geforderten Genauigkeit und der Betriebsfrequenz ab.
Netze der Erfindung können entweder ein von Hand geschaltetes kombinierendes Netz oder ein kombinierendes Netz, das automatisch entsprechend von Softwarebefehlen bzw. Programmsteuerungen geschaltet wird, welche über eine Computerschnittstelle empfangen werden, umfassen.
Die 11 zeigt ein Beispiel eines einfachen Flußdiagramms, das die Abfolge von Operationen bzw. Verfahrensschritten, welche beim Verwenden eines automatisierten Netzes abgearbeitet werden sollen, darstellt.
Ein seit langer Zeit bestehendes Problem bei der elektrischen Metrologie ist die Eichung bzw. Kalibrierung und Verifizierung von Gleichstromwiderstandsbrücken hoher Genauigkeit. Die Betriebsfrequenz der Brücken ist sehr niedrig, typischerweise geringer als 200 Hz. Vor dieser Erfindung wurden die zuverlässigsten Verfahren auf Gleichstromspannungsteiler (notwendigerweise von einer größeren Genauigkeit als die Brücke) gestützt, die verwendet werden, um die in der Brücke als Komponenten verwendeten Spannungsteiler zu (über-)prüfen oder um variable Widerstände zu simulieren (siehe Kibble und Raynor, die oben zitiert sind). Dies kann eine Dissassemblierung (dissassembling) der Brücke nach sich ziehen, um einen Zugang zu den Teilerkomponenten zu gewinnen, oder eine Bildung einer Schaltung bzw. eines Schaltkreises von ähnlicher Komplexität und größerer Genauigkeit als die Brücke selbst zur Folge haben, wobei beide Verfahren sehr teuer sind. Das Verfahren, welches die Dissasemblierung (dissassembly) der Brücke mit sich bringt, ist auch nicht förderlich, um die Zuverlässigkeit der Brücke aufrechtzuerhalten.
Bei Verwendung eines Netzes der Erfindung, wie zum Beispiel des Vier-Widerstände-Sternes, der in der 5 gezeigt ist, ist es möglich, 35 (oder in dem Fall von einigen Elementen der Familie von Netzen mehr) Vierpolwiderstände zu realisieren, die sämtlich verschieden sind, einen großen Bereich der Leistungsfähigkeit der Brücke abdecken und durch die gewöhnlichen Formeln für Reihen- und Parallel-Kombinationen interreliert werden, sämtlich bei verhältnismäßig geringen Kosten.
Aus den 35 Messungen, die mit der Brücke unter Test vorgenommen werden, ist es möglich, gleichzeitig Werte für die Widerstände mit vier Komponenten und die Fehler in den Widerstandsmessungen, die mit der Brücke erfolgt sind, (zum Beispiel durch fehlerquadratische Kurvenermittlung (least squares fitting)) zu berechnen. Aufgrund einer Bereitstellung der Einrichtungen, um gleichzeitig zu erreichen bzw. herauszufinden, daß eine Brücke korrekt funktioniert, und die Relativwerte für dessen Komponentenwiderstände bzw. Widerstandskomponenten zu bestimmen, wird das Netz als selbsteichend bzw. selbstkalibrierend beschrieben. Für die oben beschriebene besondere Anwendung stellt die Erfindung eine Verbesserung gegenüber früheren Geräten und Verfahren nicht nur hinsichtlich der Kosten, sondern auch hinsichtlich des Grades bzw. Ausmaßes, mit welchem sie die Brücke (über-)prüft bzw. ausübt. Bei zum Beispiel 35 tatsächlich zufälligen Wahlen (oder ebenso Wahlen entsprechend obigen (m)) von Widerständen besteht zum Beispiel eine hohe Wahrscheinlichkeit darin, daß sämtliche zehn möglichen Ziffern (0 bis 9) an sämtlichen Stellen der Brückenanzeige auftreten. Da jede Stelle bei den meisten Brücken mit den Komponententeilern in der Brücke funktionell verknüpft sind bzw. werden, stellt die Erfindung eine zusätzliche wertvolle bzw. nützliche Information zur Verfügung, die zu bestätigen hilft, daß die Brücke richtig funktioniert.
Dies steht im Widerspruch mit den anderen zwei Verfahren zum (Über-)Prüfen von Brücken, bei welchen die Brücke typischerweise an weniger gleich beabstandeten Verhältnissen (zum Beispiel Anzeigen bzw. Ablesungen (readings) nahe 0,1, 0,2, 0,3, ..., 1.0) geprüft bzw. ausgeübt wird (is exercised). Es sind Fehler bekannt, die in bzw. an Widerstandsbrücken auftreten, welche nicht mit derartig nicht-zufälligen Werten ermittelt werden und welche sich bei Verwendung der Erfindung mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit ermittelt lassen.
Herkömmlicherweise sind Hamon-Widerstände aus drei wesentlichen Gründen nicht für diese Anwendungen verwendet worden. Da sie ausgebildet sind, um Widerstände zu realisieren, deren Werte weit getrennt sind, fallen erstens sehr wenige der möglichen Kombinationen in einen nützlichen Bereich der Brücke. Zweitens sind die wenigen Widerstände, die in den verwertbaren Bereich einer Brücke fallen, oftmals gleich, zum Beispiel in Intervallen wie 0,1, 0,2, 0,3, ..., 1,0, beabstandet, so daß die Brücke nur an einigen wenigen verwandten Punkten in deren Bereich geprüft bzw. ausgeübt wird. Um die gleiche Genauigkeit wie jedes der anderen Verfahren zu erreichen, müssen viele Wiederholungen der Messungen vorgenommen werden. In den meisten elektrischen Meßgeräten wurden die für Wechselstrommessungen verwendeten Frequenzen drittens für ausreichend hoch angesehen, um die Funktion der Hamon-Widerstände relativ zu den Brückentechniken, welche für eine Genauigkeit in dem Bereich von wenigen Teilen von 1 000 000 000 geeignet sind, zu beeinträchtigen. Daher sind Hamon-Widerstände herkömmlicherweise nur für Gleichstrominstrumente und nicht für Wechselstromanwendungen in Betracht gezogen worden.
Netze der Erfindung können auch verwendet werden, um ein Widerstandsmeßgerät, Widerstands-, Konduktanz- und Audiofrequenzimpedanzbrücken umfassend, zu verifizieren oder zu eichen bzw. zu kalibrieren. Sie können ebenso zum Beispiel in selbsteichenden bzw. selbstkalibrierenden digitalen Spannungsmessern verwendet werden. Ein Netz bzw. Netzwerk der Erfindung kann auch als ein Simulator für widerstandsbehaftete Sensoren bei geringen Kosten und hoher Wirksamkeit verwendbar sein und darüber hinaus bei der Verifizierung der Sensorinstrumentierung zur Anwendung kommen.
Die vorhergehenden Ausführungen beschreiben die Erfindung. Die Erfindung schließt auch die Kombination eines Netzes der Erfindung mit einem Hamon- oder dergleichen -Netz ein, um ein Kombinationsnetz zu bilden.

Claims

Vierpolstandardwiderstand, der einen Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten hoher Genauigkeit für die Verwendung in der elektrischen Messtechnik zur Verfügung stellt, aufweisend ein Netz aus mehreren Widerständen von wenigstens zwei verschiedenen Widerstandswerten; externe Strom- und Spannungspole an irgendeiner der Seiten des Netzes aus mehreren Widerständen, über welche der Bereich von Standardvierpolwiderstandswerten in Vierpol-Konfiguration gemessen werden kann; und ein kombinierendes Netz, das Schalteinrichtungen aufweist zum Schalten von Vierpol-Verbindungen zu und zwischen jedem der Widerstände innerhalb des Netzes aus mehreren Widerständen, um die Widerstände in verschiedenen Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfigurationen zu verbinden, wobei sich ein Bereich mit einer Anzahl von Standardvierpolwiderstandswerten zwischen den externen Strom- und Spannungspolen ergibt, welche zahlenmäßig größer ist als die Anzahl der mehreren Widerstände.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem die Schalteinrichtungen rechnersteuerbar sind.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem das Netz Teil einer elektrischen Brücke ist und im wesentlichen sämtliche zwei, acht oder zehn oder anderen Ziffern an jeder binären, oktalen oder dezimalen oder anderen Basisstelle der Brückenanzeige auftreten.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl von Standardvierpolwiderstandswerten über das Netz wenigstens zweifach so groß ist wie die Anzahl der mehreren Widerstände.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Widerstände ein erstes Paar von Widerständen mit jeweils einem ersten Widerstandswert und ein zweites Paar von Widerständen mit jeweils einem zweiten Widerstandswert aufweisen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 5, bei dem die mehreren Widerstände in einer Stern-, Ring- oder Leiterkonfiguration angeordnet sind, um das Netz zu bilden.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 6, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens zwölf Widerstandwerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 5, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens zwölf Widerstandswerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 5, bei dem die mehreren Widerstände in einer Stern-Konfiguration angeordnet sind, um das Netz zu bilden.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Widerstände wenigstens vier Widerstände sämtlich von verschiedenen Werten umfassen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 10, bei dem die mehreren Widerstände in einer Stern-Konfiguration angeordnet sind, um das Netz zu bilden.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 10, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens sechsundzwanzig Widerstandswerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 10, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens fünfunddreißig Widerstandswerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 10, bei dem die mehreren Widerstände in einer Stern-, Ring- oder Leiterkonfiguration angeordnet sind, um das Netz zu bilden.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 14, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens sechsundzwanzig Widerstandswerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 14, bei dem das kombinierende Netz schaltbar ist, um wenigstens fünfunddreißig Widerstandswerte aus dem Netz bereitzustellen.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 1, bei dem das Netz Standardvierpolwiderstandswerte bereitstellt, die sämtlich rationale Vielfache voneinander sind.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 11, bei dem bei den Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfigurationen nur einige der mehreren Widerstände durch die Schalteinrichtungen verbunden sind.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 11, bei dem bei den Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfigurationen sämtliche der mehreren Widerstände durch die Schalteinrichtungen verbunden sind.
Vierpolstandardwiderstand nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Schalteinrichtungen zum Schalten von Vierpol-Verbindungen in verschiedenen Konfigurationen, bei denen sämtliche der besagten Widerstände durch die Schalteinrichtungen verbunden sind, und in Konfigurationen, bei denen nur einige der besagten Widerstände durch die Schalteinrichtungen verbunden sind, angeordnet sind.