УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроизмерительной техники, в частности к автоматизированным системам контроля и может быть использована в качестве измерительного прибора в различных областях науки и техники.
Известно устройство для измерения активного сопротивления путем преобразования его в частоту импульсов [SU 1327011 A1, МПК: G01R 27/00, опубл. 30.07.1987], содержащее источник тока, первый и второй выводы которого соединены с первыми выводами первого и второго эталонных резисторов соответственно. Вторые выводы эталонных резисторов подключены соответственно к первому и второму входам устройства, интегратор, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого является выходом устройства. Первый и второй входы первого переключателя соединены соответственно с первым и вторым выводами источника тока, а выход - с вторым входом компаратора, выход которого подключен к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, первый вход второго переключателя соединен с первым входом третьего переключателя и через первый соединительный провод - с первым входом устройства, второй вход - с вторым входом четвертого переключателя и через четвертый соединительный провод с вторым входом устройства. Первый вход четвертого переключателя через второй соединительный провод соединен с первым входом устройства, а второй вход третьего переключателя через третий соединительный провод - с вторым входом устройства. Выход второго переключателя соединен с входом интегратора. Выход третьего и четвертого переключателей соединены соответственно с выходом и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с общей точкой.
Недостатками данного устройства являются большое время измерения сопротивления порядка тераом (от нескольких секунд) и емкость образцового измерительного конденсатора, которая соизмерима с емкостью монтажа.
Известно устройство измерения больших сопротивлений [Электрические измерения: Учебник для вузов/ Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др.; Под ред. А.В. Фремке и Е.М. Душина. - 5-е изд., перераб. И доп. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980, с. 146-147], которое содержит источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с первым выводом вольтметра, первым выводом конденсатора и первым выводом баллистического гальванометра. Второй вывод источника опорного напряжения соединен со вторым выводом вольтметра и с первым выводом измеряемого сопротивления. Первый вывод переключателя соединен со вторым выводом измеряемого сопротивления. Второй вывод переключателя соединен со вторым выводом баллистического гальванометра, а третий - со вторым выводом конденсатора.
Недостатком указанного устройства является большое время измерения из-за отсутствия в схеме элементов автоматизации.
Известно устройство для измерения сопротивления [Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П. Орнатский. - 5-е изд., перераб. И доп. - К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986, с. 377-378], содержащее конденсатор, первый вывод которого соединен с первым входом устройства сравнения и первым выводом первого ключа. Второй вывод конденсатора соединен с первым выводом измеряемого сопротивления. Второй вывод измеряемого сопротивления соединен со вторым выводом первого ключа. Третий вывод первого ключа соединен с выходом источника опорного напряжения. Выход генератора квантующих импульсов соединен с первым выводом второго ключа. Четвертый вывод второго ключа соединен с входом счетчика, выход которого соединен с входом индикатора.
Недостатком этого устройства является зависимость времени измерения от величины измеряемого сопротивления и емкости конденсатора: с увеличением значения измеряемого сопротивления и/или емкости конденсатора увеличивается время измерения.
Известно устройство для измерения активного сопротивления [RU 123537 U1, МПК G01R 27/00 (2006.01), опубл. 27.12.2012], выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор тактовых импульсов, первый счетчик, индикатор, источник опорного напряжения, первый и второй ключи. Первый вывод конденсатора соединен с первым входом устройства сравнения и выходом операционного усилителя. Второй вывод конденсатора соединен с первым выводом измеряемого сопротивления, первым выводом образцового резистора и входом операционного усилителя. Второй вывод измеряемого сопротивления соединен с первым выводом второго ключа. Образцовый резистор соединен с первым выводом первого ключа. Первый вход устройства управления соединен с выходом устройства сравнения. Второй вход устройства управления соединен с выходом второго счетчика, выход устройства управления соединен с первым входом первого счетчика и вторыми выводами первого и второго ключей. Выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом первого счетчика и с входом второго счетчика. Выход источника опорного напряжения соединен с входом инвертора напряжения и входом масштабного преобразователя. Выход инвертора напряжения соединен с третьим выводом первого ключа. Выход масштабного преобразователя соединен с третьим выводом второго ключа. Выход первого счетчика соединен с входом дешифратора. Выход дешифратора соединен с входом индикатора. Выход операционного усилителя соединен с первым выводом конденсатора и первым входом устройства сравнения.
Недостатком этого устройства является большая погрешность измерений.
Задачей полезной модели является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Указанная задача решена за счет того, что устройство для измерения активного сопротивления, также как в прототипе, содержит генератор тактовых импульсов, первый и второй счетчики, источник опорного напряжения, первый и второй ключи, при этом первый вывод конденсатора соединен с первым входом устройства сравнения и выходом операционного усилителя, второй вывод конденсатора соединен с первым выводом измеряемого сопротивления, первым выводом образцового резистора и входом операционного усилителя, второй вывод измеряемого сопротивления соединен с первым выводом второго ключа, образцовый резистор соединен с первым выводом первого ключа, первый вход устройства управления соединен с выходом устройства сравнения, второй вход устройства управления соединен с выходом второго счетчика, выход устройства управления соединен с первым входом первого счетчика и вторыми выводами первого и второго ключей, выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом первого счетчика и с входом второго счетчика, выход первого счетчика соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с входом индикатора.
Согласно полезной модели выход источника опорного напряжения соединен с входом инвертирующего усилителя и вторым ключом, выход инвертирующего усилителя соединен с третьим выводом первого ключа.
Использование в предложенном устройстве инвертирующего усилителя позволяет фиксировать время первого такта интегрирования, что позволяет уменьшить время измерения и увеличить точность измерения.
На фиг. 1 изображена блок схема устройства для измерения активного сопротивления.
Устройство для измерения активного сопротивления содержит источник опорного напряжения 1 (ИОН), к которому последовательно подключены инвертирующий усилитель 2 (ИУ), первый ключ 3 (К1), образцовый резистор 4, операционный усилитель 5 (ОУ), устройство сравнения 6 (УС), устройство управления 7 (УУ), первый счетчик 8 (Сч1), дешифратор 9 (Дш), индикатор 10 (Инд). В цепь обратной связи операционного усилителя 5 (ОУ) включен конденсатор 11. К источнику опорного напряжения 1 (ИОН) последовательно подсоединены второй ключ 12 (К2), измеряемое сопротивление 13, операционный усилитель 5 (ОУ).
К генератору тактовых импульсов 14 (ГТИ) последовательно подключены второй счетчик 15 (Сч2) и устройство управления 7 (УУ). Выход генератора тактовых импульсов 14 (ГТИ) связан со вторым входом первого счетчика 8 (Сч1). Второй выход устройства управления 7 (УУ) соединен с третьими выводами первого 3 (К1) и второго 12 (К2) ключей.
Использованы источник опорного напряжения 1 (ИОН), инвертирующий усилитель 2 (ИУ), первый 3 (К1) и второй 12 (К2) ключи, операционный усилитель 5 (ОУ), устройство сравнения 6 (УС), устройство управления 7 (УУ), первый 8 (Сч1) и второй 15 (Сч2) счетчики, дешифратор 9 (Дш), генератор тактовых импульсов 14 (ГТИ) компании Analog Devices; индикатор 10 (Инд) компании VISHAY.
0
1
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В первом такте интегрирования первый ключ 3 (К1) разомкнут, а второй ключ 12 (К2) замкнут. С выхода источника опорного напряжения 1 (ИОН) опорное напряжение U через измеряемое сопротивление 13 поступает на вход операционного усилителя 5 (ОУ), в цепь обратной связи которого включен конденсатор 11. Время интегрирования t (первого такта) фиксируют с помощью устройства управления 7 (УУ), второго счетчика 15 (Сч2) и генератора тактовых импульсов 14 (ГТИ). Напряжение на выходе операционного усилителя 5 (ОУ), в цепь обратной связи которого включен конденсатор 11, по окончанию первого такта интегрирования выражается формулой [Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, с. 127]:
I
где U - напряжение на выходе операционного усилителя 5 (ОУ) по окончанию первого такта интегрирования;
1
τ - постоянная времени интегрирования интегратора, образованного операционным усилителем 5 (ОУ) (в цепь обратной связи которого включен конденсатор 11) и измеряемым сопротивлением 13, в первом такте интегрирования;
1
t - время интегрирования первого такта;
x
R - измеряемое сопротивление 13;
C - емкость конденсатора 11;
0
U - напряжение с выхода источника опорного напряжения 1 (ИОН);
0
После окончания первого такта устройство управления 7 (УУ) запускает первый счетчик 8 (Сч1) и одновременно переключает ключи в положение первый ключ 3 (К1) замкнут, второй ключ 12 (К2) разомкнут. С этого момента начинается второй такт интегрирования. С выхода источника опорного напряжения 1 (ИОН) подают опорное напряжение U на вход инвертирующего усилителя 2 (ИУ), который инвертирует напряжение (меняет полярность напряжения на противоположную) и усиливает уровень сигнала. Сигнал с выхода инвертирующего усилителя 2 (ИУ) через образцовый резистор 4 поступает на вход операционного усилителя 5 (ОУ), в цепь обратной связи которого включен конденсатор 11. Напряжение на выходе операционного усилителя 5 (ОУ) по окончанию второго такта интегрирования выражается формулой [Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, с. 127]:
II
где U - напряжение на выходе операционного усилителя 5 (ОУ) по окончанию второго такта интегрирования;
где k - коэф. усиления ИУ
2
где τ - постоянная времени интегрирования интегратора, образованного операционным усилителем 5 (ОУ) (в цепь обратной связи которого включен конденсатор 11) и образцовым резистором 4, во втором такте интегрирования;
x
t - время интегрирования второго такта;
ИУ
U - напряжение с выхода инвертирующего усилителя 2 (ИУ);
0
R - образцовый резистор 4.
I
II
Исходя из того, что U=U (так как в начале второго такта напряжение на выходе операционного усилителя 5 (ОУ) равно значению напряжения на выходе операционного усилителя 5 (ОУ) по окончанию первого такта), приравняем выражения (1) и (2):
Из выражения (3) зависимость времени второго такта интегрирования от величины измеряемого сопротивления 13:
x
Выражение (4) показывает, что в данном случае достигается обратная зависимость времени второго такта от величины измеряемого сопротивления. За время t первый счетчик 8 (Сч1) подсчитывает количество импульсов, которые поступают с выхода генератора тактовых импульсов 14 (ГТИ):
ГИ
x
N=f·t,
x
где N - количество импульсов, подсчитанное первым счетчиком 8 (Сч2) за время второго такта t;
ГИ
f - частота генератора тактовых импульсов 14 (ГТИ).
Сигнал с выхода операционного усилителя 5 (ОУ) поступает на вход устройства сравнения 6 (УС), где сравнивается с ранее заданным сигналом (в данном случае с нулевым уровнем напряжения). Второй такт интегрирования длится до тех пор, пока на вход устройства управления 7 (УУ) с выхода устройства сравнения 6 (УС) не поступит сигнал о равенстве сравниваемых сигналов. Одновременно с этим с выхода устройства управления 7 (УУ) подается сигнал на вход первого счетчика 8 (Сч1) о прекращении счета, после чего информация с выхода первого счетчика 8 (Сч1) поступает на вход дешифратора 9 (Дш), где преобразуется в необходимый код, который поступает на вход индикатора, с помощью которого происходит визуальное отображение измеренного значения активного сопротивления 10 (Инд).