Пристрій для виміру опору

Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру: - опору; - малих значень опору (десяті і тисячні частки Ома); - відхилень опору від заданого значення. Відомий пристрій для виміру температури [див. ав. св. №614340 G01K7/16], заснований на вимірі опору, що містить термометр опору, включений у ланцюг вимірювального джерела струму, компенсуюче джерело живлення, один із затисків якого через резистор і опір лінії зв'язку з'єднаний з першим потенційним виводом термометра опору, операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком, до неінвертуючого виходу якого через опір лінії зв'язку підключений другий потенційний вивід термометра опору, до інвертуючого входу операційного підсилювача і резистора порівняння через резистор підключене третє джерело напруги, інші затиски джерел напруги і резистора порівняння з'єднані з загальною шиною. Загальними ознаками пропонованого і відомого пристрою є чотирьохзатискне включення резистивного датчика, що забезпечує зменшення впливу сполучних проводів. Причиною, що заважає досягненню поставленої задачі у відомому пристрої є те, що через те, що струм третього джерела напруги розгалужується на резистори, що приводить до похибки, джерело струму і джерела напруги не взаємозалежні і не забезпечується однакова їхня залежність від зовнішніх впливів (при зміні напруги живлення пристрою, при зміні температури), включення компенсуючого джерела напруги не забезпечує компенсації впливу зміни опору лінії зв'язку, компенсуючий струм змінюється зі зміною опору. Пристрій [див. патент Великобританії №2107877 G01K7/20] містить схему подвійного моста, джерело струму, підключене до діагоналі моста через датчик струму. До вимірювальної діагоналі моста підключений диференціальний вольтметр. Загальними ознаками пропонованого і відомого пристрою є чотирьохзатискне включення резистивного датчика в схему моста. Причиною, що заважає досягненню поставленої задачі у відомому пристрої є введення додаткового резистора, що приводить до додаткової похибки, зв’язаної зі зміною характеристик резистора, нелінійність вихідного моста, що зв'язано зі зміною опору резистивного датчика, а також застосування диференціального вольтметра з додатковим входом для підключення виходів датчика струму; що суттєво обмежує можливість застосування пристрою. З відомих пристроїв для виміру опору найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, є пристрій для виміру температури [див. заявка України №2002032087 від 12.04.2002р.), що містить джерело живлення, операційний підсилювач, вимірюваний опір, перший вивід якого підключений до першого виходу джерела струму і через перший резистор до інвертуючого входу операційного підсилювача, між інвертуючим входом і виходом якого включений резистор зворотного зв'язку, а другий вивід вимірюваного опору з'єднаний з виходом першого комутатора і першим виводом другого резистора, другий вивід другого резистора з'єднаний із неінвертуючим входом операційного підсилювача і виходом другого комутатора, ланцюжок еталонних резисторів, кожен вивід якого підключений до відповідного входу першого І другого комутаторів, вхід ланцюжка еталонних резисторів з'єднаний із другим виходом джерела струму. Спільними ознаками прототипу І пропонованого пристрою є операційний підсилювач, інвертуючий вхід якого через перший резистор з'єднаний з першим виводом вимірюваного резистора, з першим виходом джерела струму, через резистор зворотного зв'язку з виходом операційного підсилювача і виходом пристрою, другий вивід вимірюваного резистора з'єднаний з виходом першого комутатора і першим виводом другого резистора, другий вивід якого з'єднаний із неінвертуючим входом операційного підсилювача і через третій резистор з виходом другого комутатора, перший ланцюжок еталонних резисторів, кожен вивід якого підключений до відповідного входу першого і другого комутаторів. Причиною, що заважає досягненню поставленої задачі є те, що у відомому пристрої обмежений діапазон виміру, а нескомпенсована частина вимірюваного опору залежить від похибки струму, що протікає через вимірюваний опір та похибки вимірювального пристрою. В основу винаходу поставлена задача, створити такий пристрій для виміру опору, у якому завдяки введенню нових елементів був би розширений діапазон виміру і зменшений вплив похибки вимірювального пристрою і похибки струму, що протікає через вимірюваний опір, на результат виміру. Розв'язання поставленої задачі досягається тим, що пристрій для виміру опору, що містить операційний підсилювач, інвертуючий вхід якого через перший резистор з'єднаний з першим виводом вимірюваного резистора, з першим виходом джерела струму, через резистор зворотного зв'язку з виходом операційного підсилювача і виходом пристрою, другий вивід вимірюваного резистора з'єднаний з виходом першого комутатора і першим виводом другого резистора, другий вивід якого з'єднаний із неінвертуючим входом операційного підсилювача і через третій резистор з виходом другого комутатора, перший ланцюжок еталонних резисторів, кожен вивід якого загальним виходом пристрою, виводи першого 4.1-4.n і другого 5.1-5.n ланцюжків еталонних резисторів з'єднані з відповідними входами комутаторів 2,6 і 3,7. Пристрій працює в такий спосіб. Струм з першого виводу джерела струму 8 протікає через: вимірюваний резистор 1, комутатор 2, відповідний вивід ланцюжка еталонних резисторів 4.1-4.n, вхід другого ланцюжка еталонних резисторів 5.15.m, другий вихід джерела струму 8. Частково струм від джерела струму 8 розгалужується і протікає через: другий резистор 10, і третій резистор 11, вихід другого комутатора 6, відповідний вивід резистора першого ланцюжка еталонних резисторів 4.1-4.n. Таким чином, до інвертуючого входу операційного підсилювача 13 прикладено напругу UA, а до неінвертуючого входу операційного підсилювача 13 прикладено напругу UB. Напруга UА на першому потенційному виводі вимірюваного опору дорівнює: é æ (R 3 + R 4 + R k 2 ) × R k1 U A = I × êR x + R k ç ç R +R +R +R ê 2 3 k2 è k1 ë де Rx - вимірюваний опір; ö ÷+ ÷ ø l,p ù i, j = 0 ú û å R i, j ú , Rk1 - опір проводів і перехідного опору комутатора 2; Rk2 - опір проводів і перехідного опору комутатора 3; R2 - резистор 10; R3 - резистор 11; l,p å Ri, j i, j=0 - опір частини ланцюжків еталонних резисторів 4.1 -4.n I 5.1-5.m; l.p - покажчики числа підключених еталонних резисторів; I - струм джерела живлення, що протікає через вимірюваний опір. Напруга UB на неінвертуючому вході операційного підсилювача 13 дорівнює: l,p æ ö R 4 + Rk2 + å R i, j ÷. UB = I × ç Rk1 × ç ÷ R 4 + R 3 + R k 2 + R k 1 i, j =0 è ø Напруга на виході операційного підсилювача 13 визначається з виразу: (1) DUвих.=UВ×K(+)-UA×K(-). R1 K( - ) = ; а K (+ ) = K( - ) + 1; R4 R - резистор 12; R – резистор 9. де 2 3 Після підстановки значень UA і UB в (1) і перетворення рівняння (1), DUвих має такий вигляд: é l,p R k1(R 4 + R k 2 - R 3 × K ( - ) ) ù D Uвих . = I × ê å R i, j - R x × K ( - ) + ú. R k1 + R k 2 + R 4 + R 3 ú êi, j = 0 ë û (2) Для виключення третього члена рівняння (2) приймаємо, що R4+Rk2=R3×K(-), тоді R k1(R 4 + Rk 2 - R3 × K ( - ) ) R 3 + R4 + R k1 + Rk 2 æ l,p ö = 0, a DUвих. = I × ç å Ri, j - R x × K ( - ) ÷. ç i,j =0 ÷ è ø У такий спосіб: l, p å R x = R i, j i, j = 0 (3) D U вих . . I × K (- ) K (-) Як видно з виразу (3), перший член рівняння не залежить від струму I, що дозволяє знизити вимоги до джерела струму 8 практично без утрати точності виміру, оскільки друга складова рівняння (3) складає малу частину від значення, причому, похибка буде тим менша, чим менше буде значення Ri,j. Вихідна напруга операційного підсилювача 13 визначається різницею ΔRx значень опорів Rx i Rx0: ΔRx=Rx-Rx0, l, p å де R x0 DR x = = R K (-) i, j = 0 i, j ; DUвих. . I × K( - ) Похибка d 0 визначення значення Rx0 визначається точністю резисторів Ri,j, R1,R4 і не залежить від похибки i струму I (нульовий режим виміру). Похибка d(DRx) визначення значення ΔRx визначається похибкою приладу, що вимірює значення DUвих., похибкою струму I, похибкою R1 і R4. Відносна похибка DRx визначається виразом: dR x ö æ ÷ ç ÷ ç ÷ ç 1 ÷+ = d(K ( - ) ) + [d( I) + d( D Uвих . )] × ç l,p ÷ ç ÷ ç I × å R i, j ÷ ç i,j = 0 - 1÷ ç DUвих . ø è æ ç ç æ l,p ö ç 1 d ç å R i,j ÷ × ç ç i, j= 0 ÷ ç D Uвих . è ø ç 1l,p ç I × å R i, j ç i, j = 0 è ö ÷ ÷ ÷ ÷. ÷ ÷ ÷ ÷ ø Похибка dRx може бути істотно зменшена вибором режиму робота комутаторів шляхом зменшення значення Ri,j. Розглянемо приклад. Rx=(0.724 Оm=7·0.1+2·0.01+0.004)Оm і K(-)=100, тоді R1=7×0.1×100=70Оm, Rp+2×0.01×100=2Оm. l,p å R i, j R x0 = i,= 0 j K (- ) = 72 = 0 . 72 Om 100 DR x = D Uвих . DUвих. = . I × K ( -) I × 100 Тоді , Для градуювання вимірювального приладу в омах необхідно, щоб I·K(-)=1, тоді з огляду на те, що K(-)=100, приймаємо I=10mA. 4 DR x = = 0 .004Om. 10 × 100 У такий спосіб Rx=0.724Om DUвих.=DRx×I×K(-)=0.004·10·100=4mV. Тоді DUвих. I× З наведеного приклада видно, що l,p å Ri, j = 4 = 0.0055