Магазин сопротивления и проводимости

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .

РЕСПУБЛИК (я)ю G О1 R 27/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902968/21 (22) 17.10,90 (46) 07,07.93. Бюл. N. 25 (71) Кишиневский научно-исследовательский институт электроприборостроения (72) А.M.×åðíoâ, Е.Я.Бадинтер, И.И,Гришанов, С.К.Зотов и А.В.Торкунов (56) Авторское свидетельство СССР

М 924615, кл. G 01 R 27/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N. 1437798. кл. G 01 R 27/00, 1986, (54) МАГАЗИН СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРОВОДИМОСТИ

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, M преобразователей 4.1. 4.2.... 41, „„4.М напряжения в ток, М опорных резисторов 5.1, 5.2, ..., 5.i,. 5.М, M групп переключателей

6.1, 6,2...., 6i, ..., 6. М, содержащих А и (А + 1) ключей 7.1, 7.2, ..., 7,А: ...; М.О, М.f, ..., M.À + 1, резисторный делитель 8, выполненный на А одинаковых резисторах 9.1,,.!Ж 1826070 Al (57) Использование: в электроизмерительной и электромодулирующей технике, а именно в многозначных мерах электрических сопротивлений. Сущность изобретения: магазин сопротивления и проводимости содержит управляемый масштабный мультиреэистор, повторитель напряжения, инвертор, М преобразователей напряжения в ток, М групп переключателей (M 4), резисторный делитель. Ведение пяти токовых зажимов, пяти потенциальных зажимов и двухполюсного переключателя на два направления позволило увеличить рабочий диапазон и точ- 1 ность магазина, С 6 ил., 2 табл.

9.2, ..., 9.А с номинальным сопротивлением

R = Rs.1 - Яэ.з,.Яэ,A (на чертеже показан делитель 8 для системы счисления с основанием А = iO), Инвертор 3 выполнен на операционном усилителе 10, управляемом мультирезисторе 11 и подстраиваемом резисторе 12. 00

Устройство снабжено первым токовым зажимом 13, вторым токовым зажимом 14, 0 третьим токовым зажимом 15, четвертым то- С ковым зажимом 16 и пятым токовым зажимом 17.

С) 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:

1826070

1) управляемый масштабный мультирезистор 1 с устанавливаемым кодом Р ступенями сопротивления: (1) 5

Rp =10 Ом, где Р— целое число (или нуль) из следующего ряда

P = -3; -2; -1; 0; 1; 2; 3, ... 12; (2) . 2) кодоуправляемый преобразователь 10

24 напряжения 0 в напряжение р

p = - К(1 — О) - Х1 ... Ху ... Хм)0 =

=-К О, Х1, Xb ..., ÕM О, (3) 15 где 0 — входное напряжение конвертора 3;

К вЂ” коэффициент преобразования конвертора 3, устанавливаемый из ряда

= 10+2. -10+, -i: -10, -10 2. 10; -10 4. (4) 20

Х1, „,; Xb ..., Хм — показания переключателей

6,1, ..., 6.i, .„, 6.М, адекватные числу включенных ступеней делителя 8, X1, ..., Х, .„, Хм — показания переключа- 25 телей 6,1, ..., 6.I, „., 6.М, адекватные числу выкл оченных ступеней делителя 8 из корпуСОВ токов.

Далее в табл, 1 представлены три основные компоновки (1а, 2а и За) масштабного 30 ,мультирезистора 1 в преобразователя 24 напряжения 0 в напряжение «р (3), так же приведены схемы замещения (16, 26 и 36) укаэанных трех агрегатов (1а-2а-3а), Авторы прототипа (11 и экспертиза не 35 учли то, что ".„входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя имеет существенно меньшую величину, чем собственное входное сопротивление операционного усилителя" (36 с. 77). 40

В приборостроении и вычислительной технике наибольшее применение нашли операционные усилители с выходным напряжением р= +.10 В и выходным током

I = 1 0МА, При укаэанных выходных сигна- 45 лах сопротивление В2з резистора 23 принимают не более

10 4 м23макс = О -мм-1- амаамса 10 Ом, (5) откуда для получения коэффициентов 50 конверсии необходимо иметь сопротивление:

К=-10 R22 - 102 Ом

К=-10 622 10 OM

К =-1 R22 = 104 Ом

К=-10 R22 = 10 Ом (6)

К = -10 R22- 10 Ом

К =- 10 R22 =- 10 Ом

К=.10 822 - 10 Ом.

Допустив ошибку (упрощение задачи) в пренебрежении (e прототипе) влиянием непосредственного шунтирования сопротивления R мультирезистора 1 сопротивлением 822 входа инвертора 3, автор и эксперт (11 оставили беэ учета то, что взамен одного сопротивления R в создании сигнала Uab (11 принимает в действительности параллельное соединение сопротивлЕний Rp u й2З.

Погрешность "упрощение задачи" в прототипе дуз определяется по формуле

« уз =(" + . ВР)Х

Rp 23 х100% — Р 1pp%, p) Откуда следует, что в прототипе рри разных значениях сопротивления Rp а именно

Rp В23 = 10 OM

Rp=10 Ом

Rp=10 Ом

Rp =10 0

R-=1 Ом

R =0,1 Ом дуз= 50% (8)

«гауз= 9%, (9)

hyз= 1% (10) дуз= 0,1 (11)

dyз= 0,01 % (12) ду.= 0,001%(13) I <3оу2 = 10 мА, (14) то при сопротивлениях включенных ступеней мультирезистора 1 разность потенциалов

Rp=1 Ом U=U ь=1 Ом 10 A=0,01 В

Rp=10 10м U=U ь=10 2 Ом 10 2 A=0,001 В

Rp=102 Ом 0=-0 b=10 Ом 10 А= 0.0001 В

Rp=10 Ом 0=0 b=10 Ом 10 A=-0,00001 В, и так далее, тогда как в заявляемом устройстве 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: 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 четырехэажимном 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

1826070 (19) R/R1=А = 10

НИ!=А =10

R/Rì = А = 10™, (20) 25

I> = Ui4/R5.i = KIRp/В5.1

Ij О!4/Я5,I = KIRp/R5 I

35 (24) разность потенциалов

Rp = 0,1 Ом(1=1 А) 0=0аь=1 Ом 1А=1В

RP =- 10 Ом(!=ЗА) U-Uab = 10 Ом ÇA=O,ЗВ

Rp = 10 Ом(1=10 А)0=14ь10 OM 10А=0,18

Rp=10 Ом(1=30 А) 0 = !.4ь=10 Ом ЗОА=О,OÇB, 5 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; 10

0,001 Ом и менее), Как и в прототипе (2а.б. фиг. 2 и 1) табл.

1) инвертор 3 свой входной сигнал

И.ь=.а =U (15) 15 преобразует в свой выходной сигнал

О!4 = KIRp = KU. (16) 20

Далее с выхода инвертора напряжение-сигнал Uld поступает на инвертирующие входы преобразователей 4,1. 4.2...., 4,M напряжения в токи

lм = О!4/R5,м = KIRp/R5,ì, (17) где R5. — сопротивление резистора 5.1, R5 i — сопротивление резистора 5.i, Н5.М вЂ” сопротивление резистора 5,М. 40

Токи I>, ..., 1, ..., 1м протекают от выходов соответствующих усилителей ОУ 4.1; ..., 4i,,..., 4.М через замкнутые контакты переключателей 6.1, ..., 6.1, ..., 6.М, вклю- 45 ченные резисторы-ступени делителя 8. опорные резисторы 5.1...., 5.i 5.М. Каждый из указанных контурных токов задается соответствующим сопротивлением R>, ..., Rb ..., йм резисторов 5,1, ..., 5.i, ..., 5.М в 50

1-м, ..., i-м...„М-м контурах цепи устройства.

Каждый из токов11 .... Ii Iм, проходя через соответствующее для него включен- 55 ное. число X>, ... Xb ..., Хм резисторных ступеней делителя 8, создает на последнем соответствующие падения напряжения:

U > = I t(À -. 1 - Х1)И = О!4 (А - 1 - Х!) R

R5. !

Ui = li(A — 1 - X))R = Ut4 (А - 1 — ХУ) (18) R

R5.(0М=1М(А-Хм)=0!4 (А-1-ХМ), R

R5.M сумма которых

U =U>+...+Ui+...+UM, при выполнении условий: где А = 10 — основание принятой системы счисления; .

Х1 — число исключенных ступеней сопротивления Я делителя 8 из контура тока 11 декадным переключателей 6.1;

X! — число исключенных ступеней сопротивления R делителя 8 из контура тока !! декадным переключателем 6.1;

Хм —. число исключенных ступеней сопротивления R делителя 8 из контура тока

IM декадным переключателем 6.М, как итоговое падение напряжения (U ) на делителе 8 определяется по формуле

Q= Ui4(1 -О,X1, ..., Х!, ..., Хм), (21) которую с учетом (12) можно представить следующим образом

U = К!КО(1 - 0;Х!...„Xb..., Хм), (22) При К (О напряжение U с полярностью, противоположной полярности напряжению

Uab, прикладывается между выходом и инвертирующим входом повторителя-усилителя 2 и повторяется последним между полюсом f и Ь как напряжение Ufb = 0, (23) также противоположное по полярности падению напряжения на включенной ступени сопротивлении Rp масштабного мультирезистора 1.

Итоговое напряжение на пути прохож-. дения рабочего тока I между полюсами а и f равно:

Uaf = Uab+ Ubf - Uab+ 0 =

IRp + KIRp(1 - О,Х1, ..., Хь ..,. Хм) =

-11:!Р(1 + К - К О,Х1, ..., Xb ..., Хм). откуда в соответствии с законом Ома воспроизводимое (имитируемое) между пол юсами а и f току сопротивление

Raf - Uaf/1- Rp(K+ 1- К О.Х!...„Хь ..., Хм), (25) 1826070

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

Ra>=+OX,.„. Хь „„Хм Rp =

=+ 0,X>...„Х, ..., Ху 10 Ом, (26) Д Ta Tc Td = Д 6сдбасбад, (31) Rat(0) = О,Х1, ..., Х, ..., XM 1 Ом

Вам(-1) = 0,X1, ..., Хь „„Ху 10 Ом

Rý((-2) = О,Х1...., Х, .„. XM 10 См

Ra (3) = О,Х1, ..., Х1...., Хм 10 Ом, (27) т.е. от минимального сопротивления при

М=5:

Raf(-3) =0,00001 10 = 1 10 Ом(28) до максимального сопротивления

Rar(1) = 0,9, „„9, ..., 9 1 Ом» 1 Ом, (29) тогда как по изложенным ранее доказательствам прототип может иметь только шкалу

Дu 0, (32) Rp = О,Xr, ..., Х, ..., XM 1 Ом, (30) в результате чего испытательное напряже40 ние омметра или квазимоста

uac-=-u-hu =- u, (33) Gac= — =-К О,X1, ..., Хь ..., Хм, (35) где Р может быть любым целым числом (или нулем) в пределах от -3 до О.

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: 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 низкоомная мера при четырех- и трехзажимном подключениях к внешней цепи согласно 3-4 (табл, 2, тогда как прототип предназначен только для двухзажимного 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 приведена ном в табл. 1 соединении 3 управляемого масштабного мультирезистора 1 и преобразователя 23 напряжения 0 в напряжение р

При этом данный вариант рассматриваемо5 го 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

10 всего рассматривать после замены блоксхемы ДТаТсТд в указанных схемах на эквивалентный треугольник проводимостей. а именно, где Gcd — входная проводимость ДТаТсТд;

Gac — ПрОХОДНая ПРОВОДИМОСТЬ ДТаТсТд;

Gad выходная проводимость ДТаТсТд;

20 т.е. после получения схем на фиг. 5 и 6, из которых видно следующее:

1) измеряемой является проходная проводимость Gac, 2) ВХОдмая ПрОВОдИМОСтЬ Gcd яВЛяЕтСя

25 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 30, ее влиянием при условии малости этого эффекта можно пренебречь.

Особенностью мер проводимости (сопротивления) типа ДТаТсТд является то, что они применяются в измерительных цепях

35 при эквипотенциальных зажимах 12 и It, т.е. при равно напряжению 0 источника 24.

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

ДТаТсТд

la- — -=-к О,х1, ..., х, ..., хм u/Rp.(34) р

50 откуда следует, что проходная проводимость

55 прямо пропорциональна коэффициенту конверсии К, цифровому показанию "О.X>, ..., Хь ..., Хм" преобразователя 23. включенной проводимости Rp масштабного мультире-1

1826070

20

G

10+1. 10+2, 10+3., ip+p, 10+11. 10 I2 о (36) или проводимости

10i,102 10з 10 10ii 10-12 (37)

При К = -1 воспроизводимая проводимость определяется по наиболее простой формуле

Gac=+O.Xc....,XI,..., Õì Rp, (38) которая при учете изменения масштаба Rp по ряду (37} представляет следующий массив образцовых проводимостей: бас(1) = О,Х1...., Хь ..., Хм 10 см

Gac(2) = О,x), ..., x), .„, xM 10 2 см

6ас(Р) = О,X), .„, Хл .., XM 10 см (39) Gac(11) = О,X1, „., Х, ..., Ху 10 см

6,(12) =ОXi, ..., XI...., XM 10 см

Информационный массив (39) может быть при IKI 1 сдвинут в К раз, т.е, в самом общем виде воспроизводимая проводимость определяется по формуле: бдс(Р, К) = О,Х, ..., Хл ..,, XM G(p,K), (40) где масштабный множитель

В табл. 2 приведены значения масштабного множителя 6(р,к) для возможных Сочетаний Rp = 10д и К разных значений

-р согласно (37} и (6).

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

Например, при К = -1 при рабочих токе

I = 0,01 А и напряжении р = 10 В мощность рассеяния имитируемой проводимости будет

P = rp 4 = 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

Uсд = p:К = 10 p = 10 х 10 В - 100 В,(42) а мощность рассеяния имитируемой проводимости в К раз меньшей согласно (35) будет Р = Uàä là = 100 В 0.01 А — 1 В г. (43) и т.д., no мере уменьшения К.

При агрегировани заявляемого устройства с управляющей микро-3ВМ 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, по25 вторитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с источником питания со средней точкой, резистивный делитель, выполненный в виде последовательно соединенных N равнономинальных

30 резисторов с (N+ 1) промежуточными выводами (где К >(А - 1), а А — основание принятой системы счисления), M разрядных однополюсных коммутаторов (где М = 4), каждый из которых выполнен в виде (N+ 1)

35 кодоуправляемых ключей (или шаговых переключателей) с (N+ 1) выходами, M разрядных преобразователей напряжение в ток, каждый из которых выполнен в виде операционного усилителя, общий. вывод и неин40 вертирующий вход которого объединен и через опорный резистор соединен с общей шиной, выходы разрядных преобразователей напряжения е ток соединены с соответствукицими входами-полюсами разрядных

45 однополюсных коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими промежуточными выводами резистивного делителя, вход которого соединен с третьим токовым зажимом, который соединен с вы60 ходом повторителя напряжения, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя, отличающийся тем, что. с целью увеличения точности и рабочего диапазона. в него введены три

56 токовых и пять потенциальных зажимов, двухполюсный переключатель на два направления и инвертор, выполненный на операционном усилителе с биполярным источником питания, управляемом мультире1826070

Таблица 1 эисторе и подстраиваемом реэисторе, первый токовый зажим магазина соединен с токовым выводом nepeoro полюса управляемого масштабного мультирезистора,.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 авреого направления двухполюсного переключателя, первый полюс которого соединен с второй потенциальной клеммой, вторым потенциальным выводом первого полюса управляемого масштабного мультирезистерв, 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 повтори5 теля напряжения, с пятой потенциальной клеммой и вторым выходом второго направления двухполюсного переключателя, второй полюс которого соединен с четвертой потенциальной клеммой и вторым потенциальным

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

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

18260 70

1826070

18260ТО

Составитель И. Дорук

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор С. Пекарь

Редактор С, Никольская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2319 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5