Измеритель сопротивлений

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для оперативного измерения сопротивлений в электрических цепях постоянного тока с общей минусовой шиной, например в локомотивах. Технический результат заключается в повышении точности и надежности результатов измерений, за счет того, что отсутствует гальваническая связь между объектом измерения и регулирующей частью измерителя, уменьшено множество резисторов и влияние их состояния. Суть изобретения состоит в получении нулевого магнитного потока путем автоматического регулирования токов в двух катушках измерителя с использованием принципа компенсации их магнитных полей по схеме мостового типа. При этом устройство содержит эталонное сопротивление, преобразователь напряжения в ток, пороговый элемент, резистивный делитель, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и датчик магнитного потока, соединенные по схеме регулирования. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для оперативного измерения сопротивлений в электрических цепях постоянного тока с общей минусовой шиной, например в локомотивах.

Известны измерительные устройства мостового типа (см., например, Измерения в промышленности: Справочник. Т.2. Способы измерения и температура, М. , Металлургия, 1990. - 384 с.), в которых измеряемое сопротивление является одним из плеч моста, к одной из его диагоналей подключается источник питания, а ко второй - нулевой индикатор.

В качестве прототипа принято устройство для контроля и измерения сопротивлений (авт. свид. СССР 1624351, Мкл. G 01 R 27/00).

Устройство имеет сложную измерительную схему с двумя следящими системами с компараторами, цифроаналоговыми преобразователями, реверсивными счетчиками, блоком кодированной уставки, ключами, операционными усилителями, резисторами и резистивным делителем, соединенными между собой.

Устройство требует предварительной настройки кода допускаемых значений контролируемого сопротивления, что практически заранее может быть неизвестным и усложняет процесс измерения.

Целью изобретения является уменьшение сложности измерителя и повышение надежности при измерениях в цепях, имеющих напряжения разного уровня.

Суть изобретения состоит в получении нулевого магнитного потока путем автоматического регулирования токов в двух катушках измерителя с использованием принципа компенсации их магнитных полей по схеме мостового типа. При этом устройство содержит эталонное сопротивление, преобразователь напряжения в ток, пороговый элемент, резистивный делитель, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и датчик магнитного потока, соединенные по схеме регулирования.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема измерителя.

Измеритель сопротивлений имеет резистор 1, являющийся эталонным (R_э), один из выводов которого подключен к входу смещения преобразователя напряжения в ток 2, последовательно соединенного с компенсационной катушкой 3. Конец компенсационной катушки 3 соединен с концом измерительной катушки 4, выводом резистивного делителя 5 и плюсовой клеммой 6 измерительной цепи. Компенсационная 3 и измерительная 4 катушки намотаны встречно и закреплены в непосредственной близости друг к другу так, чтобы наводимые ими магнитные поля совмещались, в частности на сердечнике 7.

Совместно с катушками 3 и 4 размещен датчик магнитного потока 8. При наличии сердечника 7 датчик магнитного потока 8 может быть выполнен в виде датчика Холла. В этом случае на сердечнике выполняется паз, в который устанавливается датчик Холла.

Начало измерительной катушки 4 соединено с клеммой 9 для подключения измеряемого сопротивления (R_и).

Другой вывод резистивного делителя 5 соединен с другим выводом резистора 1 и минусовой клеммой 10 измерительной цепи.

Вывод опорного напряжения резистивного делителя 5 соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 11, выход которого соединен с вторым входом преобразователя напряжения в ток 2.

Цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 11 подключен к выходу реверсивного счетчика 12.

Суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 12 соединены с одноименными выходами порогового элемента 13. Третий выход (равнозначности) порогового элемента 13 подключен, в частности, к входу дешифратора 14, соединенного последовательно с индикатором 15. Информационный вход дешифратора 14 соединен с входом цифроаналогового преобразователя.

Вход порогового элемента 13 подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 16 (АЦП), который соединен с выходом датчика магнитного потока 8.

Устройство работает следующим образом.

После подключения измерителя сопротивлений своими клеммам 6 и 10 к цепи питающего постоянного напряжения в компенсационной катушке 3 появляется ток, обусловленный некоторым конкретным напряжением питающей цепи и зависимый первоначально от сопротивления резистора 1, принятого за эталонный (R_э), и настройки резистивного делителя 5.

Соотношение напряжений на резистивном делителе 5 поддерживают в зависимости от конкретной величины напряжения в измеряемой цепи.

В пространстве вокруг компенсационной катушки 3 образуется магнитный поток.

Затем при подключении измеряемого сопротивления (R_и) к клеммам 9 и 10 в измерительной катушке 4 возникает встречный ток, который сопровождается магнитным потоком противоположного направления. Преобразователь магнитного потока 8, например датчик Холла, закрепленный в пазу сердечника 7, вырабатывает электрическое напряжение, пропорциональное величине суммарного магнитного потока в нем.

Аналого-цифровой преобразователь 16 образует цифровой код, который поступает на вход порогового элемента 13.

Если этот код "превышает заданный уровень" для порогового элемента 13, то появляется импульс на выходе "Суммирование", который поступает в реверсивный счетчик 12.

Реверсивный счетчик 12 увеличивает накопленную информацию и вырабатывает соответствующий цифровой код, который поступает на вход цифроаналогового преобразователя 11.

Если код, поступивший от АЦП 16, "меньше заданного уровня" для порогового элемента 13, то появляется импульс на выходе "Вычитание", который поступает в реверсивный счетчик 12 по другому входу.

Реверсивный счетчик 12 уменьшает накопленную информацию и вырабатывает другой цифровой код, который поступает подобным образом на вход цифроаналогового преобразователя 11.

Если упоминаемый код "совпадает с заданным уровнем" для порогового элемента 13, то появляется импульс на выходе "Равнозначность", который поступает на вход дешифратора 14 и разрешает преобразование его в натуральную форму и индикацию.

Изменения кодов зависят от "недокомпенсации, перекомпенсации или точной компенсации" суммарного магнитного поля катушек 3 и 4.

Изменения поля являются следствием регулирования тока, выполняемого с помощью преобразователя напряжения в ток 2, включенного между ЦАП 11 и компенсационной катушкой 3.

Математические зависимости показывают, что результаты измерения по данной схеме не зависят от величины питающего напряжения.

Так M₁=C_Mn₁I₁=C_Mn₁U/R_И (1) Здесь I₁ - ток, протекающий через измерительную катушку 4; С_м - магнитная постоянная; n₁ - количество витков измерительной катушки 4 (как правило, n₁=1); U - напряжение в измеряемой цепи; R_И - величина измеряемого сопротивления.

Магнитный поток, создаваемый компенсационной катушкой, равен M₂=C_Mn₂I₂=C_Mn₂UN/N_maxR_Э = C_Mn₂UNR₂/(N_maxR_Э(R₁+R₂)), (2)
где I₂ - ток в компенсационной катушке 3;
n₂ - количество витков в компенсационной катушке 3;
R_э - значение эталонного сопротивления;
R₁ и R₂ - значения сопротивлений плеч резистивного делителя 5;
N_max - максимальный код на входе цифроаналогового преобразователя 11;
N - текущий код на входе этого же преобразователя.

Как следует из выражения (2), магнитный поток в компенсационной катушке 3 зависит от напряжения на выходе делителя 5. Это напряжение подается как опорное для цифроаналогового преобразователя 11. В результате из выражений (1) и (2) можно получить величину измеряемого сопротивления
R_И=n₁N_maxR_Э(R₁+R₂)/n₂NR₂. (3)
Как видно из выражения (3), значение измеряемого сопротивления не зависит от питающего напряжения U. Из этого же выражения следует, что значения выходного кода N обратно пропорциональны величине измеряемого сопротивления, поэтому цифроаналоговый преобразователь 11 пересчитывает код по обратной функции. На практике цифроаналоговый преобразователь 11 выполнен на PIC-процессоре, поэтому такой пересчет не составляет особого труда и не влияет на точность измерения.

В предлагаемом изобретении отсутствует гальваническая связь между объектом измерения и регулирующей частью измерителя; уменьшено множество резисторов и влияние их состояния, что повышает точность и надежность результатов измерений.

Формула изобретения

Измеритель сопротивлений, содержащий резистор, плюсовую и общую минусовую клеммы, к которым подключены выводы резистивного делителя, имеющего промежуточный вывод опорного напряжения, цифро-аналоговый преобразователь, цифровой вход которого соединен с реверсивным счетчиком, соединенным с блоком кодированной уставки, компенсационный преобразователь, элементы регулирования и клемму подключения измеряемого сопротивления, отличающийся тем, что он дополнен преобразователем напряжения в ток, блок кодированной уставки выполнен в виде порогового элемента, снабженного суммирующим и вычитающим выходами, соединенными с соответствующими входами реверсивного счетчика, а также выходом равнозначности, компенсационный преобразователь представлен, по крайней мере, измерительной и компенсационной катушками, выполненными с встречной намоткой, которые закреплены совместно, в частности, на сердечнике, и одноименными выводами присоединены к плюсовой клемме, другой вывод измерительной катушки соединен с упомянутой клеммой подключения измеряемого сопротивления, а другой вывод компенсационной катушки соединен с выходом преобразователя напряжения в ток, элементы регулирования представлены цепочкой из последовательно соединенных датчика магнитного потока, размещенного совместно с вышеупомянутыми катушками и аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом порогового элемента, вход смещения преобразователя напряжения в ток соединен через резистор с общей минусовой клеммой, а информационный вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого соединен с промежуточным выводом опорного напряжения резистивного делителя, при наличии импульса на выходе равнозначности порогового элемента значение кода на цифровом входе цифроаналогового преобразователя является величиной обратно пропорциональной величине измеряемого сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1