RU1826070C - Магазин сопротивлени и проводимости - Google Patents

Abstract

Использование: в электроизмерительной и электромодулирующей технике, а именно в многозначных мерах электрических сопротивлений . Сущность изобретени : магазин сопротивлени  и проводимости содержит управл емый масштабный мультирезистор, повторитель напр жени , инвертор. М преобразователей напр жени  в ток, М групп переключателей (М 4), резисторный делитель . Ведение п ти токовых зажимов, п ти потенциальных зажимов и двухполюсного переключател  на два направлени  позволило увеличить рабочий диапазон и точность магазина, С 6 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной электромоделирующей технике, а именно к многозначным мерам электрического сопротивлени  (магазинам).

Цель изобретени  - повышение точности и увеличение рабочего диапазона.

На чертеже представлена структурна  электрическа  схема магазина сопротивлени  и проводимости.

Магазин сопротивлени  содержит управл емый масштабный мультирезистор 1 с первым полюсом а и вторым полюсом Ь, первым повторителем напр жени  на базе операционного усилител  2. инвертора 3, М преобразователей 4.1. 42..., 414.М напр жени  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 дл  системы счислени  с основанием А 10).

Инвертор 3 выполнен на операционном усилителе 10, управл емом 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 п тым токовым зажимом 17.

В устройстве имеетс  перва  потенциальна  клемма 18. втора  потенциальна  клемма 19, треть  потенциальна  клемма 20, четверта  потенциальна  клемма 21 и п та  потенциальна  клемма 22, переключатель 2П2Н 23.

Представленную на чертеже схему можно разделить на две субсистемы

00

го о о ч

о

1) управл емый масштабный мультире- зистор 1 с устанавливаемым кодом Р ступен ми сопротивлени :

Rp 10Р Ом,

0)

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

Р -3;-2;-1;0; 1:2:3;... 12; (2) 2) кодоуправл емый преобразователь 24 напр жени  U в напр жение р

--K()-Xi ... Xi... Хм)и

-К 0, XiXi, ..., XwU,(3)

где U - входное напр жение конвертора 3; К - коэффициент преобразовани  конвертора 3, устанавливаемый из р да

К -ю+2; -1: (4)

XiXi, ...,Хм - показани  переключателей

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

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

выключенных ступеней делител  8 из корпусов токов.

Далее в табл. 1 представлены три основные компоновки (1а, 2а и За) масштабного .мультирезистора 1 в преобразовател  24 напр жени  U в напр жение (р (3), так же приведены схемы замещени  (16, 26 и 36) указанных трех агрегатов (1а-2а-3а).

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

В приборостроении и вычислительной технике наибольшее применение нашли операционные усилители с выходным напр жением 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 дл  получени  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) вли нием непосредственного шунтировани  сопротивлени  R мультирезистора 1 сопротивлением R22 входа инвертора 3, автор и эксперт 1 оставили без учета то, что взамен одного сопротивлени  R в создании сигнала Dab 1 принимает в действительности параллельное соединение сопротивлений Rp и R23.

Погрешность упрощение задачи в прототипе 5у3 определ етс  по формуле

5

0

5

(5у:

Rp + R23 .100%, (7)

откуда следует, что в прототипе при разных значени х сопротивлени  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%.

За вл емый магазин сопротивлени 

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

I 1оу2 10 мА,

(14)

то при сопротивлени х 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 за вл емом уст- ройстве при совместном использовании токовых 15 и 16 рабочий ток магазина определ етс  величиной максимально допустимого тока дл  соответствующей ступени сопротивлени  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 позвол ет 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)

преобразует в свой выходной сигнал

Uid KIRp KU.(16)

Далее с выхода инвертора напр жение-сигнал Uld поступает на инвертирующие входы преобразователей 4.1. 4.24.М напр жени  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 делител  8,- опорные резисторы 5.15.i5.M. Каждый из указанных контурных токов задаетс  соответствующим сопротивлением RI,

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

1-мi-мМ-м контурах цепи устройства .

Каждый из токов ИdIM. проход 

через соответствующее дл  него включенное , число Xi Xi Хм резисторных

стугтеней делител  8, создает на последнем соответствующие падени  напр жени :

где A 10 - основание прин той системы счислени ;

Xi - число исключенных ступеней сопротивлени  R делител  8 из контура тока h декадным переключателей 6.1;

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

Хм - число исключенных ступеней сопротивлени  R делител  8 из контура тока 1м декадным переключателем 6.М, как итоговое падение напр жени  (U) на делителе 8 определ етс  по формуле

(1-0,Xi,...,XiХм),

(21)

35

которую с учетом (12) можно представить следующим образом

(1-0,XiXi,..., Хм).

(22)

При К 0 напр жение U с пол рностью, противоположной пол рности напр жению иаь, прикладываетс  между выходом и инвертирующим входом повторител -усилител  2 и повтор етс  последним между полюсом f и b как напр жение Кгь Uj, (23) также противоположное по пол рности падению напр жени  на включенной ступени сопротивлении Rp масштабного мультирё- зистора 1.

Итоговое напр жение на пути прохождени  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 за вленного магазина сопротивлени   вл етс  то, что при К -1 его сопротивление Raf, согласно (25), может быть определено по предельно простой и удобной дл  пользовани  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 за вленное устройство может быть использовано,как и прототип, дл  воспроизведени  отрицательных сопротивлений .

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

1) может воспроизводить любое сопротивление из следующего массива:

т.е. от минимального сопротивлени  при

М 5:

,-з.

,-8

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

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 упрощени  задачи в 0,01 % дл  случа  (30);

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

3)может быть использован как низкоом- на  мера при четырех- и трехзажимном подключени х к внешней цепи согласно 3-4 (табл. 2, тогда как прототип предназначен только дл  двухэажиммого подключени  (1), табл. 1).

Дополнительным преимуществом за вленного устройства  вл етс  то, что оно может быть использовано как широкодиапазонна  многозначна  мера электрической проводимости малых значений (электрического сопротивлени  больших значений).

Указанное новое применение за вл емого устройства реализуетс  при приведенном в табл. 1 соединении 3 управл емого масштабного мультирезистора 1 и преобразовател  23 напр жени  U в напр жение р. При этом данный вариант рассматриваемого устройства к внешнему омметру подключаетс  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 - входна  проводимость ДТаТсТа;

Gac - проходна  проводимость ATaTcTd;

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

1)измер емой  вл етс  проходна  проводимость GacJ

2)входна  проводимость Gcd  вл етс  лишь нагрузкой дл  источников питани  24,

ее вли нием можно пренебречь;

3)выходна  проводимость Gad в омметре шунтирует вход операционного усилител  26, в квазимосте - вход нулевого органа

30, ее вли нием при условии малости этого эффекта можно пренебречь.

Особенностью мер проводимости (сопротивлени ) типа ATaTcTd  вл етс  то, что они примен ютс  в измерительных цел х

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

Д U

О,

(32)

в результате чего испытательное напр же- 40 ние омметра или квазимоста

Uac U - Д U

U,

(33)

равно напр жению U источника 24.

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

50

а -#- -К O.XiXiХм U/Rp.(34)

Р

откуда следует, что проходна  проводимость

Gac

55

«c -{j -K O.Xi. ...X,Хм, (35)

пр мо пропорциональна коэффициенту конверсии К, цифровому показанию О.Хь .... Xt, .... Хм преобразовател  23. включенной проводимости Rp масштабного мультирезистора 1 с виртуальным множеством ступеней сопротивлени 

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 воспроизводима  проводимость определ етс  по наиболее простой формуле

Gac + 0,XiXi. ...;Хм Rp 1.(38)

котора  при учете изменени  масштаба Rp

по р ду (37) представл ет 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 воспроизводима  проводимость определ етс  по формуле:

Gac(P,K) 0,XiXiХм G(p.K), (40)

где масштабный множитель С(р,к) К,

(40а)

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

Следует отметить, что при измерении К в сторону уменьшени  растет мощность рассе ни  на имитируемой проводимости в . , поскольку в раз увеличиваетс  рабо-, чее (испытательное) напр жение магазина при том же рабочем токе.

Например, при К -1 при рабочих токе la 0.01 А и напр жении р 10 В мощность рассе ни  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 напр жении ОУ 2 испытательное напр жение

Ucd :K 10 х 10В 100В,(42)

.

5

10

5

0

а мощность рассе ни  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 уменьшени  К.

При агрегировани за вл емого устройства с управл ющей микро-ЭВМ можно его низкоомные шкалы сопротивлени  и дольносимеисные шкалы проводимости конвертировать в соответствующие шкалы больших проводимостей с большими рабочими .токами и больших сопротивлений с большими рабочими напр жени ми, что представл ет интерес дл  многих случаев метрологической практики и измерительной техники.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Магазин сопротивлени  и проводимости , содержащий управл емый масштабный мультирезистор, два токовых зажима, повторитель напр жени , выполненный в виде операционного усилител  с источником питани  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 прин той системы счислени ), М разр дных однополюсных коммутаторов (где М 2:4), каждый из которых выполнен в виде (N + 1)

   кодоуправл емых ключей (или шаговых переключателей ) с (N + 1) выходами, М разр дных преобразователей напр жение в ток, каждый из которых выполнен в виде операционного усилител , общий вывод и неинвертирующий вход которого объединен и через опорный резистор соединен с общей шиной, выходы разр дных преобразователей напр жени  в ток соединены с соответствующими входами-полюсами разр дных

   однополюсных коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими промежуточными выводами резистивного делител , вход которого соединен с третьим токовым зажимом, который соединен с выходом повторител  напр жени , инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делител , отличающийс  тем, что. с целью увеличени  точности и рабочего диапазона, в него введены три

   токовых vt п ть потенциальных зажимов, двухполюсный переключатель на два направлени  и инвертор, выполненный на операционном усилителе с бипол рным источником питани , управл емом мулыирезисторе и подстраиваемом резисторе, первый токовый зажим магазина соединен с токовым выводом первого полюса управл емого масштабного здультирезистора токовый вывод второго полюса которого соединен с вторым токовым зажимом, третий токовый зажим подключен к токовыводу общей шины бипол рного источника питани  инвертора, вход которого соединен с четвертым токовым зажимом и первым выходом  ереого направлени  двухполюсного переключател , первый полюс которого соединен с второй потенциальной клеммой, вторым потенциальным выводом первого полюса управл емого масштабного му ьти- резистора, первый потенциальный вывод первого полюса которого соединен с первой

   потенциальной клеммой, п тый токовый зажим соединен с объединенным неинвертирующим входом и выводом средней точки питани  операционного усилител  повторител  напр жени , с п той потенциальной клеммой и вторым выходом второго направлени  двухполюсного переключател , второй полюс которого соединен с четвертой потенциальной клеммой и вторым потенциальным

   выводом второго полюса управл емого масштабного мультирезистора, первый потенциальный вывод второго полюса которого соединен с третьей потенциальной клеммой , первый выход второго направлени 

   двухполюсного переключател  соединен с первым потенциальным выводом полюса общей шины питани  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