Мера активного сопротивления

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве частотно-независимой меры активного сопротивления в диапазоне 1 - 100 кОм. Мера активного сопротивления содержит экранирующий корпус, внутри которого расположены диэлектрическая подложка и металлофольговый резистивный элемент с выводами, при этом металлофольговый резистивный элемент с выводами размещен на одной из сторон диэлектрической подложки. Мера активного сопротивления снабжена электропроводящей пластиной и RC-цепью, которая выполнена в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, при этом электропроводящая пластина размещена на диэлектрической подложке на другой из ее сторон, которая противоположна той стороне, на которой расположен металлофольговый резистивный элемент с выводами, и электрически соединена с корпусом, а RC-цепь подключена к выводам металлофольгового резистивного элемента с выводами. Изменение активного сопротивления меры уменьшено до тысячных долей процента при частотах до 100 кГц, постоянная времени не превышает нескольких наносекунд. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве образцовой частотнонезависимой меры активного сопротивления преимущественно в диапазоне средних значений сопротивления (1-100 кОм).

Одной из основных технических и метрологических характеристик образцовой меры является ее нестабильность. Меры активного сопротивления работают на переменном токе. Специфическими характеристиками точности здесь являются амплитудная и фазовая погрешности. Амплитудная погрешность определяет зависимость активного сопротивления меры от частоты протекающего через нее тока, обычно ее называют частотной погрешностью. Частотная погрешность образцовых мер активного сопротивления нормируется при частотах до 100 кГц. Например, для мер 1-го разряда она не должна превышать по абсолютному значению 0,01-0,001% (ГОСТ 8.028-86). Фазовая погрешность равна фазовому углу ϕ меры, который в свою очередь пропорционален постоянной времени τ (ϕ = ωτ). В безреактивных мерах сопротивления (в которых приняты меры по компенсации τ ) постоянная времени обычно составляет десятки и сотни наносекунд в зависимости от номинального значения меры.

Таким образом, точность меры на переменном токе определяется наряду с нестабильностью также ее частотной погрешностью и постоянной времени.

Особенность рассматриваемого диапазона средних значений сопротивления состоит в том, что частотная погрешность мер активного сопротивления является отрицательной, т.е. сопротивление уменьшается с ростом частоты. Это обусловлено в основном шунтирующим влиянием диэлектрической подложки (или диэлектрического каркаса), на которую нанесены (или намотаны) резистивные элементы. Сопротивление изоляции R_д диэлектрической подложки можно определить из известной формулы где ω - круговая частота, равная 2 πf ; f - частота; C_д - емкость диэлектрика; tgσ - тангенс угла диэлектрических потерь.

Отсюда видно, что с ростом частоты сопротивление R_д уменьшается и шунтирующий эффект возрастает, т.е. сопротивление меры уменьшается.

Из-за влияния емкости диэлектрической подложки постоянная времени мер в рассматриваемом диапазоне сопротивления также является отрицательной (в общем случае τ = L/R - RC, но здесь первый член чрезвычайно мал).

Известны меры активного сопротивления в виде безреактивных катушек сопротивления R361, выполненных из провода марки "манганин", намотанного на фарфоровом каркасе. С целью уменьшения постоянной времени в них использованы специальные виды намотки, секционирование и специальное соединение секций [1] . Значительные геометрические размеры мер, большое количество витков и диэлектрические потери в каркасе приводят к существенным частотным погрешностям порядка 0,02-0,5% уже при частотах 1-10 кГц; постоянная времени составляет 50-500 нс.

Более поздние меры активного сопротивления P770 - P772 выполнены из высокоомного провода и микропровода в стеклянной изоляции, намотанных на керамическом каркасе [2] . Это позволило несколько уменьшить размеры резистивного элемента и его "остаточные" реактивные параметры. Постоянная времени уменьшилась и составила 10-100 нс. Благодаря применению изоляционного каркаса с высокими диэлектрическими характеристиками частотная погрешность также уменьшилась и составила по абсолютному значению (0,01-0,05)% при частотах до 20 кГц. Однако указанные погрешности не удовлетворяют современным требованиям. Кроме того, нестабильность мер составляет 0,01-0,005%, что более чем на порядок хуже нестабильности мер сопротивления постоянного тока тех же номиналов.

Известна мера активного сопротивления с весьма малой частотной погрешностью (менее 0,01% на 20 кГц) и малой постоянной времени (менее 30 нс), выполненная в виде Т-образной цепи из трех резисторов [3]. Уменьшение частотной погрешности и постоянной времени в мере достигается шунтированием RC-цепью одного из резисторов. Меру можно реализовать только для больших сопротивлений, начиная с 1 МОм. Применение же шунтирующей RC - цепи в других известных мерах активного сопротивления не только не дает преимуществ, но и ухудшает свойства меры: подключение RC-цепи параллельно резистивному элементу меры уменьшает его сопротивление, а частотная погрешность меры итак является отрицательной. То же произойдет с постоянной времени меры: она станет более отрицательной, т.е. возрастет по абсолютному значению.

Дальнейшее уменьшение частотной погрешности и постоянной времени у мер активного сопротивления при одновременном повышении их стабильности возможно при использовании металлофольговых резисторов. Резистивный элемент в них изготавливается из плоской резистивной высокоомной фольги в виде прямоугольных меандров. Высокая плотность резистивных полос и малая толщина, составляющая единицы и десятки микрометров, приводят к резкому уменьшению гоеметрических размеров меры, что позволяет применять ее при повышенных частотах. Нестабильность мер составляет 0,001-0,00005% и находится на уровне показателей самых точных мер сопротивления постоянного тока, а в ряде случаев превосходит его.

Известна мера активного сопротивления, которая по совокупности существенных признаков наиболее близка заявляемой мере и принята нами за прототип [4] . Известная мера (фиг. 1) содержит экранирующий корпус, внутри которого расположены диэлектрическая подложка и металлофольговый резистивный элемент с выводами, при этом металлофольговый резистивный элемент с выводами размещен на одной из сторон диэлектрической подложки. В известной мере происходит шунтирование металлофольгового резистивного элемента с выводами диэлектрической подложкой. Активная проводимость диэлектрической подложки увеличивает частотную погрешность меры, а емкость увеличивает постоянную времени. Так, для меры MC-3006 10 кОм кл. точности 0,001 частотная погрешность составляет -(0,08-0,12)% на частоте 100 кГц, а постоянная времени -(40-60) нс.

Задачей настоящего изобретения является создание меры активного сопротивления, обладающей малыми частотной погрешностью и постоянной времени. Это достигается благодаря уменьшению шунтирующего влияния диэлектрической подложки на металлофольговый резистивный элемент с выводами.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что мера активного сопротивления, содержащая экранирующий корпус, внутри которого расположены диэлектрическая подложка и металлофольговый резистивный элемент с выводами, при этом металлофольговый резистивный элемент с выводами размещен на одной из сторон диэлектрической подложки, снабжена электропроводящей пластиной и RC-цепью, которая выполнена в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, при этом электропроводящая пластина размещена на диэлектрической подложке на другой из ее сторон, которая противоположна той стороне, на которой расположен металлофольговый резистивный элемент с выводами, и электрически соединена с корпусом, а RC-цепь подключена к выводам металлофольгового резистивного элемента с выводами.

В предлагаемой мере существенно снижена частотная погрешность, а постоянная времени практически сведена к нулю. Снижение частотной погрешности достигается благодаря тому, что электропроводящая пластина, подключенная к корпусу, переворачивает знак частотной погрешности (она становится положительной, т. е. теперь сопротивление возрастает с ростом частоты), а RC-цепь компенсирует это изменение за счет шунтирования металлофольгового резистивного элемента с выводами. Оставшаяся нескомпенсированной часть частотной погрешности зависит от подбора элементов RC-цепи, чувствительности измерительной аппаратуры и может быть уменьшена по сравнению с прототипом на 1,5-2 порядка. Уменьшение постоянной времени достигается за счет того, что при наличии электропроводящей пластины емкость диэлектрической подложки пересчитывается в эквивалентную последовательную индуктивность, что соответствует положительной постоянной времени. Положительное τ компенсируется за счет емкости той же RC-цепи.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - мера-прототип; на фиг. 2 - предлагаемая мера активного сопротивления; на фиг. 3 - электрическая схема замещения предлагаемой меры; на фиг. 4 - эквивалентное преобразование электрической схемы.

Предлагаемая мера содержит (фиг. 2) экранирующий корпус 1, диэлектрическую подложку 2, и размещенный на ней металлофольговый резистивный элемент 3 с двумя парами токовых и потенциальных выводов 4 и 5. С другой стороны диэлектрической подложки 2 размещена электропроводящая пластина 6, электрически соединенная с корпусом 1, а к выводам 4 и 5 подключена RC - цепь из последовательно соединенных конденсатора 7 и резистора 8.

Утечка тока с металлофольгового резистивного элемента 3 на электропроводящую пластину 6 обусловлены наличием емкости и активной проводимости диэлектрической подложки 2. В общем случае эти параметры являются распределенными, но для расчетов их можно представить в виде сосредоточенных емкости C_д и активной проводимости G_д, приложенных в центре металлофольгового резистивного элемента 3 (фиг. 3). Металлофольговый резистивный элемент 3 при этом представляют в виде последовательного соединения двух резисторов, каждый из которых имеет сопротивление, равное 0,5 R_м, где R_м - сопротивление меры. Кроме того, на электрической схеме обозначены: R_ш - сопротивление части диэлектрической подложки 2, шунтирующее сопротивление меры и обусловленное токами утечки между соседними резистивными полосками по поверхности диэлектрической подложки, C_ш - емкость металлофольгового резистивного элемента 3, обусловленная емкостью между его выводами 4 и 5 и емкостью между резистивными полосами по воздуху и частично через диэлектрическую подложку 2; C и R - емкость и сопротивление конденсатора 7 и резистора 8 соответственно.

Экранированная мера представляет собой трехполюсник. Современные мосты переменного тока, для поверки которых предназначена предлагаемая мера, построены таким образом, что в них измеряется проходное сопротивление трехполюсника.

Учтем влияние диэлектрической подложки 2 на комплексное проходное сопротивление Z_м между выводами 4 и 5. Для этого преобразуем звезду из трех элементов: 0,5R_м; 0,5R_м и Y_д = G_д + jωC_д - в треугольник (фиг. 4); (1) Представляя Z_м = R_м + j ω L_м, получаем значения вносимых сопротивления R' и индуктивности L в виде: (2) ,(3)
где tgσ_д- тангенс угла диэлектрических потерь подложки, равный G_д/ ω C_д.

Формула (2) подтверждает вывод о том, что влияние диэлектрической подложки 2 при наличии электропроводящей пластины 6, имеющей потенциал экрана, проявляется в увеличении активного сопротивления меры с ростом частоты, т.е. знак частотной погрешности по сравнению с прототипом изменяется на противоположный. Знак постоянной времени тоже изменяется, т.к. вносимая индуктивность L соответствует положительной постоянной времени.

Преобразуем последовательную RC-цепь из конденсатора 7 и резистора 8 в параллельную цепь с параметрами R_р и C_р:
R_р = R (1 + 1 / tg² σ ) (4)
C_р = C/(1 + tg² σ) ,(5)
где tg σ = ωRC .

Емкость и сопротивление последовательной RC-цепи имеют значения: C = 1-20 пФ, R = 30 кОм - 1 МОм при частотах 1 - 10 кГц.

Наибольшее значение tgσ соответствует мере 100 кОм на 20 кГц, при этом C= 1 пФ, R=820 кОм. Соответственно tgσ=6,3 · 2·10E4·8,2·10E5· 1,1E-12 ≈ 0,1. Поэтому можно пренебречь значением tg²σ по сравнению с единицей в формуле (5) и единицей по сравнению с величиной 1 / tg²σ в формуле (4), после чего получают
C_р = C, (6)
(7)
Относительную частотную погрешность меры σf с учетом всех влияющих величин можно представить в виде:
σ_f== (σ₁-σ₂)-σ₃=σ_п-σ_з , (8)
где
(9)
(10)
(11)
Постоянная времени меры t равна:
τ=(τ₁-τ₂)-τ₃=τ_п-τ_з ,(12)
где
(13)
τ₂=R_мC_ш (14)
τ₃= R_м·C (15)
В формулы (8) и (12) входят члены с противоположными знаками, поэтому подбором величин C_д, C и R (при заданном tgσ_д подложки 2) можно добиться компенсации частотной погрешности и постоянной времени.

Процесс настройки состоит в следующем. После введения в меру электропроводящей пластины 6 подбирают на максимальной рабочей частоте емкость C так, чтобы новые значения частотной погрешности σ_п= σ₁- σ₂ (см. ф-лу (8)) и постоянной времени τ_п=τ₁-τ₂ (см. ф-лу (12)) стали положительными. Очевидно, что этого можно достигнуть, изменяя толщину или диэлектрическую проницаемость подложки 2. Набор материалов, из которых изготавливают диэлектрическую подложку металлофольговых резисторов, ограничен: это стеклоцемент с примесью, диэлектрическая проницаемость которого ε_r=7-8. Исходя из приемлемых габаритных размеров и технологических особенностей производства, толщину диэлектрической подложки можно изменять в ограниченных пределах 1,5-4 мм. Поэтому изменением емкости C_д невозможно обеспечить полную компенсацию частотной погрешности или постоянной времени, а тем более невозможно скомпенсировать обе эти величины.

Подключают к выводам 4 и 5 последовательную RC-цепь из конденсатора 7 и резистора 8. Емкость C конденсатора 7 устанавливают из условия полной компенсации величины τ_п, приравняв нулю формулу (12) с учетом ф-лы (15)
(16)
Сопротивление R резистора 8 получают из условия полной компенсации величины σ_п , приравняв нулю формулу (8) с учетом формулы (11)
(17)
Заметим, что компенсирующее сопротивление R обратно пропорционально величине ω², поэтому компенсация частотной погрешности проявляется на частотах, близких верхней границе частотного диапазона, а с уменьшением частоты влияние сопротивления R практически пропадает. Это способствует сохранению точности меры на низких частотах (в т.ч. при аттестации ее на постоянном токе).

Экспериментальная проверка проводилась на трех серийно выпускаемых мерах сопротивления MC - 300σ 10 кОм, по конструкции полностью соответствующих прототипу. Резистивный элемент мер представляет собой высокоомную фольгу с рисунком в виде прямоугольного меандра, нанесенную на подложку из стеклоцемента (см. фиг. 1). Внешние размеры резистивного элемента 20x30 мм. Диэлектрические параметры подложки: ε_r= 7,5, tgσ_д= 0,01-0,15; толщина 3 мм.

Измерения проводились на аппаратуре ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, содержащей мост-компаратор МКС-1 и меры с известными частотными характеристиками, на частоте 100 кГц. Суммарная погрешность аппаратуры составила: по R 0,003%, по τ- 0,3 нс. Отметим, что указанные точности соответствуют предельным возможностям современных средств измерений. Частотную погрешность мер определяли как разность между активным сопротивлением на 100 кГц и сопротивлением на постоянном токе. По результатам измерений частотная погрешность мер MC - 3006 составила σʹ= -(0,08-0,12)%, постоянная времени τʹ= - (40-60) нс.

Толщина диэлектрической подложки затем была уменьшена до 1,5 мм. Кроме того, в каждой мере на противоположной резистивному слою стороне диэлектрической подложки была размещена электропроводящая пластина в виде осажденного слоя меди, электрически соединенного с металлическим корпусом с помощью проводника. Емкость диэлектрической подложки C_д, рассчитанная по формуле плоского конденсатора, составила 27 пФ. Подстановка этого значения в ф-лы (9) и (13) дает:
σ₁= 0,045 - 0,070%, τ₁= 70 нс.

Эти величины являются положительными и близкими по абсолютному значению первоначальным значениям σʹ и τʹ , следовательно, можно ожидать, что результирующие частотная погрешность σ_п и постоянная времени t_п будут также положительными. Здесь следует отметить, что величины σ₁ и τ₁ могут быть меньше по абсолютному значению первоначальных величин σʹ и τʹ , т.к. после введения металлической поверхности шунтирующий эффект диэлектрической подложки существенно ослабляется, вследствие чего величины σ₂ и τ₂ составят лишь часть от σʹ и τʹ .
Результаты измерений подтверждают положительный знак величин σ_п и τ_п (таблица, графа 3).

Значения C и R последовательной RC-цепи определяют по формулам (16) и (17):
C = 1-1,5 пФ (принято 1,5 пФ);
R = 33-55 кОм.

Окончательные значения частотной погрешности и постоянной времени:
σ_f = ±(0,001 - 0,005)%;
t = - (0,3 - 5) нс.

Сравнение данных, приведенных в таблице, показывает, что частотная погрешность мер уменьшена в (25 - 80) раз, т.е. приблизительно на 1,5 - 2 порядка. Постоянная времени уменьшена до уровня, соответствующего чувствительности и погрешности средства измерений.

Таким образом, в предлагаемой мере устраняется влияние диэлектрической подложки на металлофольговый резистивный элемент, что позволяет создавать меры с частотной зависимостью, не превышающей тысячные доли процента на 100 кГц, и с постоянной времени, практически близкой нулю.

Источники информации
1. Нестеренко А. Д. Основы расчета электроизмерительных схем уравновешивания. Киев, 1960, Изд. АН УССР.

2. Катушки электрического сопротивления измерительные безреактивные типа КСИБ Р765-Р772. ВТУ ОПИ. 534.070-68.

3. Патент РФ N 2028631 от 9.02.95. Мера большого сопротивления. Авторы: Клионский М.Д., Клебанов И.Я., др.

4. Меры электрического сопротивления однозначные типов MC 3005, MC 3006, MC 3007 ТУ 303-10.0035-91.

Формула изобретения

Мера активного сопротивления, содержащая экранирующий корпус, внутри которого расположены диэлектрическая подложка и металлофольговый резистивный элемент с выводами, при этом металлофольговый резистивный элемент с выводами размещен на одной из сторон диэлектрической подложки, отличающаяся тем, что мера активного сопротивления снабжена электропроводящей пластиной и RC-цепью, которая выполнена в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, при этом электропроводящая пластина размещена на диэлектрической подложке на другой из ее сторон, которая противоположна той стороне, на которой расположен металлофольговый резистивный элемент с выводами, и электрически соединена с корпусом, а RC-цепь подключена к выводам металлофольгового резистивного элемента с выводами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5