Цифровой омметр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в цифровых микроомметрах. Устройство содержит управляющий блок (2), соединенный с цифровым блоком (1), нуль-орган (17), первый интегратор, состоящий из резистора (14), конденсатора (15) и усилителя (16), источник питания (3), подключенный к последовательно соединенным образцовому (4) и измерительному (5) сопротивлениям, второй интегратор, состоящий из резистора (8), конденсатора (10) и усилителя (11), входы которого через ключи (6, 7) соединены с образцовым сопротивлением (4), а выход второго интегратора через ключи (12, 13) соединен с входом первого интегратора. При этом, исключением стабилизатора тока упрощается устройство, уменьшается потребление электроэнергии, повышается помехоустойчивость. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в цифровых микроомметрах.

Известен способ измерения сопротивлений, в том числе их малых значений, называемый способом амперметра и вольтметра, устройство для реализации которого содержит источник питания, вольтметр и амперметр, соединенные с измеряемым сопротивлением электрически (Измерение в электронике: Справочник В. А. Кузнецов. В.А. Долгих, В.М. Коневских и др. под редакцией В.А.Кузнецова М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 512, с ил).

Недостатками этого устройства являются низкие производительность и экономичность, высокая стоимость устройства, большие габариты и масса, обусловленные тем, что устройство представляет собой отдельные приборы.

Известно устройство измерения сопротивлений, выполненное по дифференциально-разрядной схеме (Илюкевич А.М. Техника электрометрии М.: Энергия, 1976, с ил). В данной схеме сравнивается скорость разряда конденсаторов через образцовое и измеряемое сопротивление.

Недостатками этого устройства, при измерении малых сопротивлений, является сложность измерения (сравнения) времени разряда. Обусловлено это тем, что постоянная времени разряда RC-цепи при сопротивлениях, лежащих в 10^-4 - 10^-7 Ом будет находиться в области 10^-5 - 10^-9 с, что является предельным для технических измерений параметров времени. Во-вторых, для заряда конденсатора до напряжения, приемлемого для технических измерений, необходим значительных ток, находящийся в области 10¹ - 10³ А.

Известен цифровой омметр, использующий принцип измерения времени интегрирования напряжения через измеряемое сопротивление (Илюкович А.М. Техника электрометрии. М.: Энергия 1976). Недостатком этого цифрового омметра, при измерении малых сопротивлений является, также как в предыдущем аналоге, сложность измерения времени разряда, обусловленная малой величиной постоянной времени интегрирования и необходимостью стабилизации тока через образцовое сопротивление.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является цифровой омметр, содержащий управляющий блок, соединенный с цифровым блоком, нуль-органом и первым ключом, связанным с неинвертирующим входов усилителя интегратора с конденсатором, и через нуль-орган с выходом упомянутого усилителя интегратора, а также источник питания, подключенный к последовательно соединенному образцовому резистору, выводы которого через второй ключ соединены с управляющим блоком и измеряемому сопротивлению, выводы которого через третий ключ подсоединены к управляющему блоку, вход интегратора связан со вторым ключом, а неинвертирующий вход усилителя интегратора через конденсатор соединен с третьим ключом (авт. св. 586402, G 01 R 27/00.10.11.77).

Принцип работы известного устройства, принятого за прототип, основан на измерении времени интегрирования, которое зависит от величины измеряемого сопротивления Недостатками известного устройства, принято за прототип, являются низкие надежность, точность измерения и экономичность при измерении малых сопротивлений, большие габариты и масса обусловленные наличием в схеме источника питания устройства, конструктивно сложного узла, стабилизатора и фильтра.

Наличие в устройстве стабилизатора и фильтра вызвано тем, что требуется постоянство и равенство условий интегрирования в течение времени первого и второго тактов, а это требует высокой стабильности тока, проходящего через измеряемое и образцовое сопротивления, в том числе отсутствие пульсации. При измерении малых сопротивлений требуемая величина тока через измеряемое и образцовое сопротивления может достигать больших величин, что в свою очередь усложняет узел стабилизатора и фильтра.

Заявляемое решение направлено на повышение надежности, точности измерения и экономичности, уменьшение габаритов и массы.

В ходе решения задачи получен следующий технический результат: уменьшено потребление электроэнергии, повышена помехоустойчивость, упрощены схема и конструкция.

Указанные результаты обеспечиваются тем, что в цифровом омметре, содержащем последовательно соединенные образцовое и измеряемое сопротивления, подключенные к источнику питания, первый интегратор, выход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к выводу измеряемого сопротивления, соединенному с питанием, другой вывод которого соединен с первым выводом первого переключателя, второй вывод которого подключен к инвертирующему входу первого интегратора второй переключатель, первый вывод которого подключен к выводу измеряемого сопротивления, соединенному с питанием, а второй вывод - к другому выводу измеряемого сопротивления, а также первый ключ, управляющий блок и цифровой блок, вход запуска-остановки и выход готовности которого подключен соответственно к выходу и входу управляющего блока, имеющего выходы управления первым и вторым переключателями и первым ключом, а также вход для приема сигнала окончания второго такта подключений к выходу нуль-органа, согласно изобретению введены второй интегратор, второй и третий ключи, причем второй ключ включен параллельно накапливающему конденсатору второго интегратора, выход которого через третий ключ соединен с третьим выводом первого переключателя, инвертирующий вход через первый ключ соединен с выводом образцового сопротивления, соединенным с питанием, а неинвертирующий вход с третьим выводом второго переключателя, неинвертирующий вход первого интегратора соединен с выводом измеряемого сопротивления, соединенным с питанием, входы управления второго и третьего ключа подключены к выходам блока управления.

Введение в устройство второго интегратора позволяет второй такт измерения производить без участия тока, проходящего через измеряемое и образцовое сопротивления, а также, так как интегрирование в первом такте происходит одновременно на образцовом и измеряемом сопротивлениях, это исключает требование к стабильности тока и в первом такте. Все это позволяет исключить стабилизатор тока и фильтр, что упрощает конструкцию цифрового омметра, а следовательно, повышает его надежность. Кроме того, исключение стабилизатора повышает экономичность, так как стабилизатор выделяет часть электроэнергии в виде тепла. Второй интегратор позволяет выбрать период интегрирования в первом такте, кратный периоду помехи, в том числе и с помощью фазовой автоподстройки частоты, что приводит к повышению помехоустойчивости и тем самым к повышению точности измерения.

Введение второго интегратора, исключающего конструктивно сложный и громоздкий стабилизатор тока и фильтр, в два раза уменьшает массу, в шесть раз объем, в два-три раза повышает точность заявляемого цифрового омметра по сравнению с выпускаемыми промышленностью приборами, например, микроомметром Ф-415 или Ф-4104.

На чертеже представлена схема предлагаемого омметра. Она включает в себя цифровой блок 1, управляющий блок 2, источник питания 3, к которому присоединены последовательно включенные образцовое 4 и измеряемое 5 сопротивления. Выводы образцового сопротивления 4 через ключ 6 и переключатель 7 соединены со входами дополнительного интегратора, состоящего из резистора 8, ключа 9, конденсатора 10 и усилителя 11. Выход дополнительного интегратора через ключ 12 соединен с выводом переключателя 13, который переключает инвертирующий вход основного интегратора, состоящего из резистора 14, конденсатора 15 и усилителя 16 от выхода дополнительного интегратора к выводу измеряемого сопротивление 5. К выходу основного интегратора присоединен вход нуль-органа 17. Прямой вход усилителя 16, второй вход нуль-органа 17 и вывод переключателя 7 соединены с выводом измеряемого сопротивления, соединенным с питанием. Управляющий блок 2 имеет входы, соединенные с выходом нуль-органа 17 и выходом цифрового блока 1, а также выходы, по которым производится управление ключами 6, 9, 12, переключателями 7, 13 и цифровым блоком 1.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 9 замкнут, ключи 6, 12 разомкнуты, переключатель 7 находится в нижнем положении, переключатель 13 в верхнем положении. Конденсаторы 10, 15 интеграторов разряжены. При переходе от исходного состояния к первому такту ключ 9 размыкается, ключ 6 замыкается, переключатель 7 переходит в верхнее положение, переключатель 13 в нижнее положение. При этом на входе дополнительного интегратора появится напряжение, равное падению напряжения на образцовом сопротивлении 4, соответственно на входе основного интегратора появится напряжение, равное падению напряжения на измеряемом сопротивлении 5.

Начнется процесс одновременного интегрирования этих напряжений основным и дополнительным интеграторами. Время интегрирования задается блоком управления 2. Зависимость величины напряжения на выходе интеграторов, в первом такте, от времени описывается следующими равенствами: , где U_o(i); U_g(i) - значения напряжений на выходе основного и дополнительного интеграторов R_x; R_o - измеряемое и образцовое сопротивления k₁; k₂ - постоянные времени интегрирования, равные R₈, C₁₀, R₁₄, C₁₅ - элементы схемы.

По истечению заданного блоком управления 2 времени, в момент t₁ схема переходит ко второму такту. При этом блок управления запускает цифровой блок 1, размыкает ключ 6, ключ 12 замыкает, переключатель 13 переводит в верхнее положение. На вход основного интегратора подается напряжение с выхода дополнительного интегратора, которое остается постоянным в течение всего второго такта.

Основной интегратор начнет интегрировать, причем в обратном первому такту направлении. Напряжение на выходе основного интегратора начнет уменьшаться до нуля.

Этот момент обозначим t₂, фиксируется нуль-органом 17. С его выхода на блок управления выдается сигнал, который является признаком окончания второго такта.

Блок управления останавливает цифровой блок 1 и переводит ключи и переключатели в исходное состояние, в котором конденсатор 10 разряжается через ключ 9. Измеренный цифровым блоком 1 интервал времени прямо пропорционален величине измеряемого сопротивления.

Зависимость напряжения на выходе основного интегратора от времени во втором такте описывается формулой (3): ,
Принимая во внимание, что величина напряжения U_o(i) на выходе дополнительного интегратора в течение второго такта остается постоянной, и процесс интегрирования во втором такте оканчивается по условию U_o(ii)=0, проведем преобразования:
,
,
U_o(ii)=U_o(i)-k₂ · U_g(i) · (t₂-t₁)
По условию окончания интегрирования во втором такте имеем:
U_o(i)=k₂ · U_g(i) · (t₂-t₁)
Подставляя из формул (1) и (2) значения U_o(i) и U_o(i) в формулу (4), получаем:
R_x=(t₂ - t₁) · k₁ · R_o
Из формулы (5) и из предыдущих выражений видно, что интервал времени между t₂ и t₁ пропорционален измеряемому сопротивлению и не зависит от стабильности. Формы тока, а также от времени интегрирования в первом такте. Все это позволяет отказаться от стабилизатора и фильтра в источнике питания 3, а также позволяет создать прибор с временем интегрирования, кратным периоду помехи.

Формула изобретения

Цифровой омметр, содержащий последовательно соединенные образцовое и измеряемое сопротивления, подключенные к источнику питания, первый интегратор, выход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к выводу измеряемого сопротивления, соединенному с источником питания, другой вывод которого соединен с первым выводом первого переключателя, второй вывод которого подключен к инвертирующему входу первого интегратора, второй переключатель, первый вывод которого подключен к выводу измеряемого сопротивления, соединенному с источником питания, а второй вывод - к другому выводу измеряемого сопротивления, а также первый ключ, управляющий блок и цифровой блок, вход управления и выход которого подключены соответственно к выходу и входу управляющего блока, имеющего выходы управления первым и вторым переключателями и первым ключом, а также вход для приема сигнала перехода в исходное состояние, подключенный к выходу нуль-органа, отличающийся тем, что введены второй интегратор, второй и третий ключи, причем второй ключ включен параллельно накапливающему конденсатору второго интегратора, выход которого через третий ключ соединен с третьим выводом первого переключателя, инвертирующий вход через первый ключ соединен с выводом образцового сопротивления, соединенным с источником питания, а неинвертирующий вход - с третьим выводом второго переключателя, неинвертирующий вход первого интегратора соединен с источником питания, входы управления второго и третьего ключей подключены к выходам блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1