Многодиапазонный вольтметр

 

Использование: измерения в электрических цепях с маломощным источником напряжения . Сущность изобретения: вольтметр содержит два коммутатора 1 и 5, измеритель 2, N последовательно соединенных резисторов 3,1, 3.2, .... 3.N; N-1 шунтов 4.2; 4.3,..., 4.N, первые выводы всех шунтов объединены и соединены с первым выводом измерителя 2, который является первым входом вольтметра, второй вывод измерителя 2 соединен с первым выводом резистора 3.1, второй вывод которого соединен с выводом первого неподвижного контакта 1.1 первого коммутатора 1, управляющие входы коммутаторов 1 и 5 объединены и соединены с управляющим входом вольтметра. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 и 19/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и. ф-лы, 3 ил.

R,lR

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4792071/21 (22) 18.12.89 (46) 30.08.92, Бюл. N 32 (71) Всесоюзный институт повышения квалификации руководящих и инженерно-технических работников в области стандартизации, качества продукции и метрологии (72) В.Л. Данилов, А.P. Усеинов и B.Ä. Нефе дов (56) Основы метрологии и электрические измерения под ред. Е.M. Душина, Л.: Энергоатомиздат, 1987.

В.О. Арутюнов. Электрические измерительные приборы и измерения. М.: Госэнергоиздат. 1958, с. 98, рис. 6-9в. (54) МНОГОДИАПАЗОННЫЙ ВОЛЬТМЕТР

Изобретение относится к приборам для измерения напряжения электрического тока и преимущественно может быть использовано для измерений в электрических цепях с маломощным источником напряжения, а также в качестве вторичного прибора для измерения электрических сигналов первичных преобразователей, преобразующих неэлектрические величины в напряжение.

Наиболее близким по своей технической сущности устройством является многодиапазонный вольтметр, содержащий первый коммутатор, измеритель и N последовательно соединенных резисторов, при этом первый вывод измерителя является первым входом вольтметра, второй вывод измерителя соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выводом первого неподвижного контакта первого коммутаторз, второй выЫ 1758566 А1 (57) Использование; измерения в электрических цепях с маломощным источником напряжения. Сущность изобретения; вольтметр содержит два коммутатора 1 и 5, измеритель 2, N последовательна соединенных резисторов 3.1, 3.2, ..., З,N; N-I шунтов

4.2; 4.3, ..., 4.N. первые выводы всех шунтов объединены и соединены с первьил выводом измерителя 2, который является первым входом вольтметра, второй выводизмерителя 2 соединен с первым выводом резистора

3.1, второй вывод которого соединен с выводом первого неподвижного контакта 1.1 первого коммутатора 1, управляющие входы коммутаторов 1 и 5 объединены и соединены с управляющим входом вольтметра, 1 з. вод1-го резистора(где!=1,2, ..., N) соединен с выводом I-ro неподвижного контакта первого коммутатора, вывод подвижного контакта которого является вторым входом вол ьтметра.

Главным недостатком прототипа является наличие зависимости величины его входного сопротивления и, как следствие, наличие методической погрешности измерений. от диапазона измерения из-за изменения величины добавочного сопротивления при переключении диапазона измерения.

Действительно, методическая погрешность измерений определяется формулой вида где 4 — сопротивление участка цепи с измеряемым напряжением;

1758566 ра;

R0 — входное сопротивление вольтметRnrug — действительное значение внутреннего сопротивления первичного преобразователя, вырабатывающего измеряемое напряжение (далее по тексту "первичный генератор напряжения"), Изменение диапазона измерения вольтметра производится переключением добавочных сопротивлений, что вызывает в прототипе соответствующее изменение входного сопротивления вольтметра. Подстановка в выражение (1) переменной величины сопротивления RB вызывает, в свою очередь, скачкообразное изменение величины методической погрешности в зависимости от диапазона измерения (см, фиг. 2) и не позволяет обеспечить одинаковую заданнуюточность измерений для Bcexäèàïàзонов измерения.

Целью изобретения является сохранение заданной точности измерений во всех диапазонах измерений вольтметра путем обеспечения независимости методической погрешности от диапазона измерений.

Указанная цель достигается тем, что в прототип дополнительно введены второй коммутатор и К-1 щунтов, при этом первые выводы всех шунтов объединены и соединены с первым выводом измерителя, второй вывод j-го шунта соединен с выводом )-ro неподвижного контакта второго коммутатора, вывод подвижного контакта которого соединен со вторым входом многодиапазонного вольтметра, управляющие входы обоих коммутаторов обьединены и соединены с управляющим входом вольтметра, при этом величина сопротивления первого резистора определяется по формуле

Вд! = Rnnip Ru (2) где Rnrep — расчетное значение сопротивления обьекта контроля;

Ru — сопротивление измерителя, а сопротивление шунтов определяется выражением

1 ш! — О"

Uxi

Rm1 —, (3) где j = 2, 3...Д N; кроме i 1; = j;

U4i — конечное значение i-го диапазона измерения; !

« — ток полного отклонения измерителя.

Схема заявленного устройства изображена на фиг. 1, где обозначено; первый коммутатор 1, при этом его неподвижные контакты имеют обозначения 1.1, 1.2, ..., 1.! 1, а подвижный контакт — 1.П; измеритель

2; N последовательно соединенных резисторов 3.1, 3.2, .„, З.N; N-1 шунтов 4.2, 4.3, ..., 4.М; второй коммутатор 5, при этом его неподвижные контакты имеют обозначения

5 5.1, 5,2...„5.N, а подвижный контакт — 5.П.

На фиг. 2 и 3 — графики, иллюстрирующие работу вольтметра.

Измеритель 2, как и в прототипе, может быть выбран из любой измерительной сис10 темы, например магнитоэлектрической системы. Его ток полного отклонения !По и конечные значения напряжения каждого 1го диапазона измерения определяется задачей измерения и могут быть найдены, как

15 и в прототипе, либо по методике, изложенной, например, в источнике, либо непосредственно измерением этих параметров прототипа.

Первый и второй коммутаторы 1 и 5

20 идентичны по своей функциональной схеме.

Реализация этой схемы на любой элементной базе не влияет на достижение цели изобретения, т. е, вид элементной базы коммутаторов не содержит существенных

25 признаков. Управляющие входы коммутаторов могут быть выполнены как и управляющий вход вольтметра в виде поворотного вала механической передачи угла поворота многоконтактного переключателя или в ви30 де кнопок кнопочного многоконтактного переключателя, либо е виде управляющих схем электронных переключателей, при этом вид исполнения управляющего входа не влияет на достижение цели.

35 Конструкция резисторов 3,1, 3.2, ..., 3.N и шунтов 4.2, 4.3, ...,4,N также не существенна для достижения цели изобретения, но значения их сопротивлений должны выбираться с учетом выражений (2) и (3), 40 Устройство работает следующим образом.

Пусть подвижные контакты 1.П и 5.П коммутаторов 1 и 5 установлены с помощью управляющего входа вольтметра соответст45 венно в положения 1.1 и 5.1, при этом входное сопротивление вольтметра будет равно R> = Ru+ Rzg или с учетом выражения (2)

Ra = и +(Rnrep Ru) = пгнр.

При переключении вольтметра в f-ый

5D диапазон измерений входное сопротивление вольтметра станет равным выражению следующего вида:

"в! +,) =1+ 1, 1= 1,2,...N.. (4) ! !и! + Rш!

55 где Яи! = Uvi/!по, а остальные обозначения такие же как в выражении (3). В этом случае выбор значения сопротивления шунта в соответствии с выражением (3) обеспечивает равенство входного сопротивления R, 1758566 вольтметра сопротивлению Впгнр на всех диапазонах измерений, Данный факт подтверждается аналитически путем подстановки выражения (3) в выражение (4) и последующих эквивалентных преобразований выражения (4), т. е, обеспечивается выполнение равенства следующего вида:

Re = Впгнр (5)

Подстановка этого значения сопротивления в выражение (1) показывает, что методическая погрешность измерений на всехдиапазонах измерений будет определяться выражением вида д—

RotRnrep

+ Ro пгнр + о7 пгнд и, поскольку величины Ro, Rnrep, Кпгнд являются постоянными в каждом диапазоне измерений вольтметра, то методическая погрешность будет так>ке постоянной на всех диапазонах, Уровень этой погрешности может быть выбран путем выбора значения сопротивления Впгнр, Прототип имеет еще один недостаток, который состоит в изменении чувствительности измерительной цепи первичный преобразовательь-многодиапазонный вольтметр из-за изменения КПД этой цепи при переключении диапазонов измерений, Действительно, чувствительность Яч цепи определяется выражением:

Sq = 8пгнд Se g, (б) где Кпгнд, Se — чувств. тельность соответственно первичного генератора напря>кенил и вол ьтметра;

11 — КПД измерительной цепи, определяемое выражением 1 {7)

Re + пгнд

Изменение величины сопротивления R приводит к изменению КПД цепи и, как следствие, вызывает изменение эквивалентной чувствительности вольтметра.

Для устранения этого недостатка в заявленном устройстве дополнительно предложено выбирать величины сопротивления первого резистора и шунтов из условия равенства расчетного и действительного значений сопротивления обьекта контроля, т. е. из условия Епгнр = Кпгнд.

Действительно, при соблюдении указанного равенства КПД B соответствии с выражением (5) станет равным своему максимальному значению, т. е. равна 0,5, следовательно эквивалентная чувствительность вольтметра (Se y ) будет равна максимально возможной величине 0,5 Se, Сохранение заданной точности измерений на всех диапазонах измерений упрощает эксплуатацию многодиапазонного

55 вольтметра за счет устранения повторений расчетов методической погрешности длл каждого из диапазонов измерений.

Повышение чувствительности вольтметра обеспечивается повышением КПД измерительной цепи.

Полученные полезные эффекты особенно резко проявляются в таких измерительных цепях, в которых вольтметр подключается либо к маломощному источнику напряжения, либо к первичному преобразователю неэлектрических величин, вырабатывающему напряжение, например к термопаре. Для таких первичных генераторов напря>кения характерны относительно малое значение чувствительности и резкал зависимость КПД от величины нагрузки, которой в данном случае является сам вольтметр.

Формула изобретения

1, Многодиапазонный вольтметр, содержащий первый коммутатор, измеритель и N последовательно соединенных резисторов, при этом первый вывод измерителя являетсл первым входом вольтметра, второй вывод измерителя соединен с первым BblBQдом первого резистора, второй вывод которого соединен с выводом первого неподвижного контакта первого коммутатора, второй вывод i-ro резистора (где i =- 1, 2, „„N) соединен с выводом 1-го неподвижного контакта первого коммутатора, вывод подвижного контакта которого явллется вторым входом вольтметра, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью сохранения заданной точности измерения во всех диапазонах измеряемых напряжений путем обеспечения независимости методической погрешности от диапазона измерений, в него дополнительно введены второй коммутатор и Й-1 шунтов, при этом первые выводы всех шунтов объединены и соединены с первым выводом измерителя, второй вывод j-го шунта соединен с выводом j-го неподвижного контакта второго коммутатора, вывод подвижного контакта которого соединен с вторым входом многодиапазонного вольтметра, управляющие входы обоих коммутаторов обьединены и соединены с управляющим входам вольтметра, при этом величина сопротивления первого резистора определяется па формуле г д1 = Впгнр Ви где Кпгнр — расчетное значение сопротивления объекта контроля;

R — сопротивление измерителя, а сопротивление шунта апределлется выражением:

R1- =m

1758566

RUj

Ок

Ок -In Rnn

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения чувствительности многодиапазонного вольтметра, величины сопротивлений резисторов и шун5 тов выбираются из условия равенства расчетного и действительного значений сопротивления объекта контроля, 1758566 ziz, -

Составитель В. Данилов

Редактор Е. Егорова Техред M.Moðãåíòàë Корректор + Ревская

Заказ 2997 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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