Измеритель малых сопротивлений

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для послеоперационного контроля качества электроконтактной сварки, контроля качества разборных электрических контактов в многоамперных токопроводах и в других случаях, когда требуется измерение малых величин сопротивлений. Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышении точности измерений малых сопротивлений. Поставленная задача по достижению технического результата решается тем, что в измеритель, содержащий источник стабилизированного тока, аналого-цифровой преобразователь, переключатель направления тока, цифровой индикатор, а также два токовых и два потенциальных зажима для подключения измеряемого сопротивления, введены прецизионный аналого-цифровой преобразователь, контроллер и шунт. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для послеоперационного контроля качества электроконтактной сварки, контроля качества разборных электрических контактов в многоамперных токопроводах и в других случаях, когда требуется измерение малых величин сопротивлений.

Известен "Измеритель малых сопротивлений" (См. а.с. N 1368810, кл. G 01 R 27/02, 1988 г.), содержащий два источника опорных напряжений противоположной полярности, входные аналоговые ключи, стабилизатор тока, усилитель постоянного напряжения, выходные аналоговые ключи, две ячейки аналоговой памяти, выполненные на запоминающих конденсаторах, операционный усилитель, выполняющий функцию согласующего блока, индикатор и блок управления, два токовых и два потенциальных зажима, соединенные с выходом стабилизатора тока и входом усилителя постоянного напряжения соответственно.

К недостаткам этого измерителя малых сопротивлений относится то, что в нем не обеспечивается строгая идентичность по величине обоих источников 1 опорного напряжения во времени и при изменении внешних условий. Кроме того, в нем не обеспечивается также строгая идентичность двух выходных каналов стабилизатора тока, формирующих последовательно импульсы постоянного тока одинаковой амплитуды, но противоположной полярности. Все это приводит к усложнению устройства в целом, а соответственно, и к снижению точности измерения.

Из известных из уровня техники аналогичных технических решений в качестве прототипа выбран "Измеритель малых сопротивлений" по патенту РФ N 2099722, кл. G 01 R 27/02, опубликован в 1997 г.

Известный измеритель малых сопротивлений содержит усилитель постоянного напряжения, цифровой индикатор, токовые и потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления, блок управления и последовательно соединенные источник опорного напряжения, аналоговый ключ, стабилизатор тока, а также содержит аналоговый переключатель (переключатель направления тока) и последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистровое запоминающее устройство, цифровой вычитатель.

Известный измеритель малых сопротивлений обладает следующими недостатками.

- Отсутствует контроль тока, протекающего через измеряемое сопротивление. Величина этого тока считается постоянной, стабильной во времени и равной заранее заданному значению. Под воздействием различных факторов, таких как старение элементов устройства, наличие помехи, изменение температуры окружающей среды и других, значение тока может измениться, что приведет к снижению точности измерения.

- Применение усилителя постоянного напряжения на входе АЦП с большим коэффициентом усиления (K_у = 100000 ... 1000000) и, следовательно, узким динамическим диапазоном входного сигнала может привести к тому, что во время измерения данный усилитель за счет термоэлектрических эффектов войдет в насыщение, что приведет к снижению точности измерения.

- Алгоритм измерения, принятый в прототипе, компенсирует погрешности, вызванные термоэлектрическими эффектами, но не компенсирует случайные погрешности измерения, вызванные различными помехами и шумами, также снижающими точность измерений.

Таким образом, известное устройство не может обеспечить высокую точность измерения.

Задача предлагаемого технического решения заключается в повышении точности измерений малых сопротивлений.

Поставленная задача решается тем, что в измеритель малых сопротивлений, содержащий источник стабилизированного тока, аналого-цифровой преобразователь, переключатель направления тока, цифровой индикатор, а также два токовых и два потенциальных зажима для подключения измеряемого сопротивления, причем выходы источника стабилизированного тока подключены к силовым входам переключателя направления тока, в него введены прецизионный аналого-цифровой преобразователь, контроллер и шунт, причем выходы контроллера подключены соответственно к цифровому индикатору и к входам блокировки и управления переключателя направления тока, один силовой выход которого соединен непосредственно с токовым зажимом для подключения измеряемого сопротивления, а другой силовой выход соединен со вторым токовым зажимом через шунт, подключенный одновременно к аналоговым входам аналого-цифрового преобразователя, а аналоговые входы прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с потенциальными зажимами для подключения измеряемого сопротивления, при этом интерфейсная группа входов/выходов аналого-цифрового преобразователя и интерфейсная группа входов/выходов прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с интерфейсной группой входов/выходов контроллера.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются прецизионный аналого-цифровой преобразователь, контроллер и шунт, а также новые связи между элементами.

Совокупность существенных признаков позволила в предлагаемом устройстве: - осуществлять постоянный контроль тока, протекающего через измеряемый резистор, посредством измерения падения напряжения на образцовом резисторе R_ш; - измерения падений напряжения на измеряемом резисторе R_x производить прецизионным АЦП с широким динамическим диапазоном; - после окончания цикла измерения выполнять статистическую обработку результатов, хранящихся в памяти контроллера.

Уменьшение влияния помех возможно при статистической обработке многократных измерений. Статистическая обработка результатов измерений - универсальное средство, позволяющее уменьшить влияние помех и шумов независимо от точки их приложения (См. Э. И. Гитис, Е.А. Пискулов. Аналого-цифровые преобразователи. Учебное пособие для вузов. М. Энергоиздат. 1981. Стр.72).

Таким образом, предложенная схема измерителя обеспечивает высокую точность измерения малых сопротивлений, при этом в измерителе взят за основу алгоритм измерения, принятый в прототипе, по которому значение измеряемой величины определяется как полуразность двух последовательно осуществляемых отсчетов (результатов измерения): 1-й отсчет выполняется при одном направлении рабочего тока; 2-й - при обратном направлении. При этом на конечный результат измерения не оказывают влияния погрешности, вызванные наличием помех в виде постоянного напряжения (термоЭДС, смещение нуля АЦП и др.), а также значительно уменьшаются погрешности, вызванные наличием помех в виде переменного напряжения (случайные помехи и шумы как во входном сигнале, так и внутри АЦП).

В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемый измеритель малых сопротивлений позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерений малых сопротивлений, и отвечает критерию "новизна".

Применение измерителя малых сопротивлений в электроизмерительной технике для контроля качества электроконтактной сварки или для контроля качества разборных электрических контактов в многоамперных токопроводах обеспечивает ему соответствие критерию "промышленная применимость".

Предлагаемый измеритель малых сопротивлений поясняется чертежами, где: - на фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого измерителя малых сопротивлений; - на фиг. 2 приведен пример реализации переключателя направления тока; - на фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма, поясняющая работу измерителя малых сопротивлений.

Измеритель малых сопротивлений (фиг. 1) содержит источник 1 стабилизированного тока, переключатель 2 направления тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, прецизионный аналого-цифровой преобразователь 4, контроллер 5, цифровой индикатор 6, шунт (R_ш) 7, два токовых 8 и 9 и два потенциальных 10 и 11 зажима для подключения измеряемого сопротивления (R_x) 12.

Выходы источника 1 стабилизированного тока соединены с силовыми входами переключателя 2 направления тока, управляющие входы которого подключены к контроллеру 5. Один силовой выход переключателя 2 направления тока соединен непосредственно с токовым зажимом 8 для подключения измеряемого сопротивления (R_x) 12. Другой силовой выход переключателя 2 направления тока соединен со вторым токовым зажимом 9 через шунт (R_ш) 7, который подключен также к аналоговым входам аналого-цифрового преобразователя 3. Аналоговые входы прецизионного аналого-цифрового преобразователя 4 соединены с потенциальными зажимами 10 и 11. Интерфейсная группа входов/выходов аналого-цифрового преобразователя 3 и интерфейсная группа входов/выходов прецизионного аналого-цифрового преобразователя 4 соединены с интерфейсной группой входов/выходов контроллера 5, соответствующий выход которого соединен с цифровым индикатором 6.

В качестве источника стабилизированного тока возможно использование блока питания стабилизирующего ЕК100.18.00, выпускаемого 000 "Силовая электроника" г. Москва (См. Блок питания стабилизирующий ЕК100.18.00. Паспорт. Приложение 1).

Переключатель направления тока может быть выполнен на основе двух модулей полумоста с оптической развязкой 5П64П-50-0,6-Д22 производства ЗАО "ПРОТОН-ИМПУЛЬС" г. Орел (См. Модуль полумоста с оптической развязкой 5П64П-50-0,6-Д22. Этикетка. ЗАО "ПРОТОН". Приложение 2).

В качестве аналогово-цифровых преобразователей (АЦП и прецизионного АЦП) возможно использование двухканального варианта платы прецизионного вольтметра сигналов постоянного тока ЛА-И24 производимого ЗАО "Руднев-Шиляев" г. Москва. Эта плата, содержащая два канала 24-х разрядного АЦП и предназначенная для высокоточных измерений, рассчитана на использование в составе цифровых вычислительных машин (См. Платы сбора и контроля ввода-вывода аналоговой и цифровой информации. Каталог продукции Центра АЦП ЗАО "Руднев-Шиляев" 1999 г. Москва. Стр.38. Приложение 3).

Контроллер, управляющий работой всех остальных узлов, может состоять, например, из процессорной платы PCA-6135 и платы дискретного ввода/вывода PCL-724, объединенных при помощи кросс-платы PCA-6104. Все платы производства фирмы Advantech (Тайвань) (См. Все необходимое для автоматизации на базе PC. Каталог фирмы Advantech. Русское издание. Том 91. 1999 г. стр.4-19, 10-32, 4-18).

В качестве цифрового индикатора может быть использован вакуумно-флуоресцентный знакосинтезирующий дисплей модели 03602-105-05220 серии Century фирмы IEE (США) (См. Современные технологии автоматизации N 1, 1998 г. Издательство "СТА-ПРЕСС". Москва. Индекс по каталогу "Роспечати" - 72419. Стр. 114-120).

В качестве образцового резистора Rш можно использовать, например, калиброванный шунт 75ШСМ3-10-0,5 (См. Справочник по электроизмерительным приборам. Под редакцией К.К. Илюнина. Л. Энергия. 1973. Стр. 660).

Измеритель малых сопротивлений работает следующим образом. В исходном состоянии переключатель 2 направления тока находится в разомкнутом состоянии, когда его выходы заблокированы. Ток через измеряемое сопротивление R_x 12 не протекает. На цифровом индикаторе 6 отображается значение предыдущего измерения или символ о готовности к работе.

На управляющий вход переключателя 2 направления тока с выхода контроллера 5 подается сигнал, устанавливающий переключатель 2 в одно из возможных положений: прямое направление тока или обратное направление тока. Затем с выхода контроллера 5 подается сигнал, разблокирующий выходы переключателя 2 направления тока. Через образцовое сопротивление R_ш 7 и измеряемое сопротивление R_x 12 начинает протекать ток от источника 1 стабилизированного тока. По командам контроллера 5 АЦП 3 измеряет падение напряжения на образцовом резисторе R_ш 7, а прецизионный АЦП 4 измеряет падение напряжения на измеряемом сопротивлении R_x 12. После преобразования в цифровой код результаты измерений записываются в память контроллера 5. Эти замеры производятся многократно с целью последующей статистической обработки результатов (См. Новицкий П. В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л. Энергоатомиздат. 1985. Глава четвертая. Методы статистической обработки многократных отсчетов. Стр. 120). После проведения заданного количества замеров при протекании тока в одном направлении контроллер 5 переводит переключатель 2 направления тока в разомкнутое состояние, блокируя его силовые выходы.

Затем контроллер 5 подает сигнал на управляющий вход переключателя 2 направления тока, устанавливающий переключатель 2 в положение, обеспечивающее протекание тока в обратном направлении, после чего разблокирует его силовые выходы. Через образцовое сопротивление R_ш 7 и измеряемое сопротивление R_x 12 начинает протекать ток от источника 1 стабилизированного тока, в обратном направлении. По командам контроллера 5 производятся замеры, аналогичные замерам при прямом направлении тока. После проведения заданного количества замеров контроллер 5 переводит переключатель 2 направления тока в разомкнутое состояние, блокируя его выходы.

На этом цикл измерений заканчивается, и начинается цикл статистической обработки результатов измерений и вычисления величины сопротивления.

По окончании цикла измерений в памяти контроллера оказываются записанными данные, состоящие из: - массива результатов замеров падения напряжения на измеряемом сопротивлении R_x при прямом направлении тока; - массива результатов замеров падения напряжения на измеряемом сопротивлении R_x при обратном направлении тока; - массива результатов замеров величины прямого тока;
- массива результатов замеров величины обратного тока.

Каждый из этих массивов данных подвергается статистической обработке с целью нахождения более точного, усредненного результата по каждому массиву измерений (См. там же). Эта обработка позволяет уменьшить влияние шумов и помех, являющихся основной составляющей случайной погрешности аналого-цифрового преобразования, источник которых может находиться как внутри аналого-цифровых преобразователей, так и вне их (См. Э.И. Гитус, Е.А. Пискулов. Аналого-цифровые преобразователи. М. Энергоиздат. 1981).

Основной проблемой прецизионных измерений являются термоэлектрические эффекты, возникающие из-за контактных разностей потенциалов разнородных металлов, находящихся при различной температуре (См. Интегральные микросхемы. Операционные усилители. Том I. М. Издательская фирма "Физико-математическая литература" ВО "Наука". 1993. Стр.77). Результатом термоэлектрических эффектов является смещение нуля аналого-цифрового преобразователя. В реальных условиях проведения измерения изменение температуры окружающей среды, а следовательно, и температуры контактных соединений в измерительной цепи происходит во много раз медленнее самого процесса измерения. Поэтому смещение нуля АЦП, связанное с термоэлектрическими эффектами для данного измерения, можно считать постоянным. Для исключения влияния этого смещения на результат измерения измерения производят два раза. Сначала измеряют падение напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении тока в одном направлении, а затем - падение напряжения при прохождении тока в противоположном направлении. Результат измерения определяют как модуль полуразности этих замеров:
U = |(U1-U2)/2| (1)
где U₁ - статистически обработанный усредненный результат измерения падения напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении тока в одном (прямом) направлении,
U₂ - статистически обработанный усредненный результат измерения падения напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении тока в противоположном (обратном) направлении.

В свою очередь:
U₁ = +U_и + U_с, (2)
а
U₂ = -U_и + U_с, (3)
где U_и - падение напряжение непосредственно на измеряемом сопротивлении (+U_и - при прямом направлении тока, -U_и - обратном направлении тока),
U_с - напряжение смещения нуля АЦП за счет термоэлектрических эффектов.

Подставляя (2) и (3) в (1), получим:

Аналогичным образом вычисляется значение величины тока от источника стабилизированного тока I, пропускаемого через измеряемое сопротивление в процессе измерений:
I = |(I1-I2)/2| (5).
где I₁ - статисчически обработанный усредненный результат измерения тока при прохождении тока в одном (прямом) направлении через измеряемое сопротивление,
I₂ - статистически обработанный усредненный результат измерения тока при прохождении тока в противоположном (обратном) направлении через измеряемое сопротивление.

Величина измеряемого сопротивления определяется по закону Ома:
R_x = U/I. (6)
На этом процесс вычислений заканчивается, и результат выводится на цифровой индикатор.

Проведенные испытания предлагаемого измерителя малых сопротивлений показали, что прибор обеспечивает измерение малых сопротивлений в диапазоне от 5 мОм до 0,03 мкОм с основной погрешностью, приведенной к точке измерения:
- в поддиапазоне 5 мОм - 0,1 мкОм 1%;
- в поддиапазоне 0,1 мкОм - 0,5 мкОм 3%,
- в поддиапазоне 0,5 мкОм - 0,05 мкОм 8%;
- в поддиапазоне 0,05 мкОм - 0,03 мкОм 21%.

Таким образом, предлагаемый измеритель обеспечивает измерение малых сопротивлений микроомного диапазона с более высокой точностью.

Формула изобретения

Измеритель малых сопротивлений, содержащий источник стабилизированного тока, аналого-цифровой преобразователь, переключатель направления тока, цифровой индикатор, а также два токовых и два потенциальных зажима для подключения измеряемого сопротивления, причем выходы источника стабилизированного тока подключены к силовым входам переключателя направления тока, отличающийся тем, что в него введены прецизионный аналого-цифровой преобразователь, контроллер и шунт, причем выходы контроллера подключены соответственно к цифровому индикатору и входам блокировки и управления переключателя направления тока, один силовой выход которого соединен непосредственно с первым токовым зажимом для подключения измеряемого сопротивления, а другой силовой выход соединен со вторым токовым зажимом для подключения измеряемого сопротивления через шунт, подключенный одновременно к аналоговым входам аналого-цифрового преобразователя, а аналоговые входы прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с потенциальными зажимами для подключения измеряемого сопротивления, при этом интерфейсная группа входов/выходов аналого-цифрового преобразователя и интерфейсная группа входов/выходов прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с интерфейсной группой входов/выходов контроллера.

РИСУНКИ

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