ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИМИТАТОР ДИСКРЕТНЫХ ПРИРАЩЕНИЙ ЗНАЧЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРА

Изобретение относится к измерительной технике в, частности, к метрологической аттестации многоканальных многофункциональных средств измерения электрических величин (Измерительно-вычислительных комплексов «ИВК»). Оно может быть использовано для задания физических высокоточных параметров сопротивления, напряжения и тока на вход ИВК, который предназначен для обслуживания тензорезисторных и терморезисторных датчиков, изменяющих свое сопротивление при вариации значения физического параметра, а также других типов датчиков с выходным сигналом напряжения или тока.
-6
Известны серийно выпускаемые отечественной промышленностью малогабаритные резисторы (от 100 Ом и выше), например, Р2-67, С2-29С и др. достаточно высокой точности (до 0,001%) и Т.К.С.=±(5-10)-10 1/°С.Соответствующие наборы таких резисторов (HP) при нормальной температуре (20±2°С) могут быть использованы на измерительных входах ИВК в качестве эквивалентов датчиков для проверки метрологических характеристик ИВК.
Основным недостатком применения таких последовательно соединенных наборов резисторов является низкая точность низкоомных резисторов (до десяти Ом), изготавливаемых с точностью не менее 0,5%, с помощью которых имитируется ступенчатое приращение сопротивления датчика. Аналогичная проблема возникает при изготовлении параллельных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, где для уменьшения шумов и повышения быстродействия используется последовательные низкоомные резистивные делители.
В основном при имитации ступенчатого изменения величины сопротивления эквивалента датчика используются шунтирующие резисторы, как выше указано, последовательные делители низкоомных резисторов, имитирующие ступенчатые приращения величины сопротивления датчика, применяются редко из-за низкой их точности (±0,5%). При этом подбор шунтирующих резисторов при выборе 10-40 приращений эквивалента датчика является довольно сложной задачей из-за подбора их номиналов, особенно при различных номиналах эквивалента (эталонного резистора) датчиков, например, 100, 120, 200, 400 и 800 Ом и разработки процесса автоматизации.
Известны устройства, выполненные на этом принципе:
- «Устройство для автоматизации исследований метрологических характеристик». Труды ЦАГИ, М., 1981, вып.2105, с.75 Беклемищев А.И. и Судаков В.А.;
- Авторское свидетельство СССР N 1551979, кл. G01В 7/18, 1987, Шевчук.В.
Эти устройства относятся к средствам измерения неэлектрических величин электрическими измерительными преобразователями и могут быть использованы для имитации ступенчатого приращения сопротивления эквивалента тензорезистивных или терморезистивных только одиночных датчиков при градуировке измерительных систем. Здесь достигается повышение точности за счет снижения влияния на выходной сигнал величины сопротивления имитатора переходного сопротивления коммутирующего элемента, включенного в последовательную цепь коммутации шунтирующего резистора, который выполняет скачкообразное изменение сопротивления имитатора (эталонного резистора) и позволяет снизить погрешность, вносимую за счет величины и нестабильности сопротивления коммутирующего элемента.
Все описанные в аналогах устройства решают частные задачи и не приспособлены для автоматической поверки многоканальных многофункциональных измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).
Этот фактор особенно важен при поверке метрологических характеристик ИВК.
Устройство, описанное в патенте RU №2023979, МПК G01B 7/18,
«Имитатор дискретного приращения сопротивления тензорезистора» является наиболее близким к заявляемому решению и используется в качестве прототипа, где приведено описание структуры и общих параметров построения и связи с входными и выходными измерительными цепями устройства. Питание имитатора осуществляется стабильным током, а сигнал снимается потенциальными шинами, но изменение параметра эталонного резистора достигается за счет шунтирования его в каждом конкретном случае подбираемым резистором, и решается задача компенсации переходного сопротивления бесконтактного ключа, выполненного на МОП-транзисторе.
Недостатками предложенного прототипа являются построение имитатора скачкообразного изменения эталонного резистора за счет набора трудно подбираемых различных номиналов шунтирующих резисторов, при имитации шкалы рабочего диапазона датчиков различного номинала и процесса автоматизации поверки ИВК, а также недостаточная точность воспроизведения приращения сопротивления за счет последовательного включения с шунтирующим сопротивлением коммутационного элемента и нестабильности его переходного сопротивления.
Предложено техническое решение для повышения точности и быстродействия прецизионного имитатора дискретных приращений значений сопротивлений резистора для выбранного ряда номиналов сопротивления датчиков в диапазоне 100-800 Ом, когда используется один последовательный прецизионный резистивный делитель, последовательно включенный с эталонным резистором, что приводит к универсальности применения предлагаемого устройства для имитации ступенчатого приращения значений сопротивления, напряжения и тока при имитации любого типа датчиков.
Технический результат достигается тем, что в прецизионном имитаторе дискретных приращений значений сопротивлений резистора, содержащим эталонный резистор с токовым и потенциальным выводами на каждом из концов, токовый вывод с одного конца эталонного резистора соединен с токовым входом дополнительного последовательного резистивного делителя, состоящего из n последовательно включенных равных по номиналу прецизионных резисторов, причем потенциальный вывод с общей точки соединения эталонного резистора и последовательного резистивного делителя, а также с точек соединения резисторов делителя и потенциальный вывод с другого его конца, поочередно подключены к входам дополнительного мультиплексора, общий выход которого и потенциальный вывод с другого конца эталонного резистора являются выходом прецизионного имитатора, причем последовательный прецизионный резистивный делитель зашунтирован прецизионным резистором, равным по номиналу резистору последовательного резистивного делителя и подключенному своими выводами к общей точке соединения эталонного резистора и последовательного резистивного делителя, а также к его второму выводу, имеющего токовый и потенциальный выводы
На фиг.1 показана схема прецизионного имитатора дискретных приращений значений сопротивлениия резистора.
Н
Имитатор состоит из последовательного соединения эталонного резистора R, одного из выбранных номиналов эквивалента датчика
Н
R=100÷800 Ом, с последовательным делителем из n резисторов R(1+5) зашунтированным резистором R(1+δ) и дополнительного мультиплексора где:
(1÷10) - резистор R(1+5) (например, выбранный номинал 11,22 Ом) с погрешностью изготовления не более ±0,05%;
(11) - шунтирующий резистор R(1+5) (например, выбранный номинал 11,22 Ом) с погрешностью изготовления не более ±0,05%;
Н
(12) - эталонный резистор R с погрешностью изготовления не более±0.01% (имитатор датчика);
(13) мультиплексор.
I - стабильный ток внешнего взвешенного источника питания прецизионного имитатора дискретных приращений значений сопротивлений резистора;
1
U - напряжение, снимаемое с R(1+5);
10
U - напряжение, снимаемое с 10×R(1+5);
δ - максимальная погрешность резистора не более±0.05%.
Прецизионный имитатор дискретных приращений значений сопротивлений резистора работает следующим образом: при шунтировании n-последовательного делителя резистором (11) R(1+δ) (при выбранных номиналах резистора (11,22) Ом эквивалентное сопротивление делителя (для десятиразрядного делителя) будет равно:
При этом:
э1
э10
R…R - эквивалентные сопротивления резистивного делителя, с которых снимаются выходные напряжения (без учета падения напряжения на эталонном резисторе, которое в итоге суммируется):
Для двух типов, используемых десятиразрядных резистивных делителей:
R=11 Ом±0,05% и R=22 Ом±0,05%:
э1
э10
R=1 Ом±0.05%÷R=10 Ом±0.05%
э1
э10
R=2 Ом±0.05%÷R=22 Ом±0.05%
э1
э10
В этом случае получается погрешность формируемых значений (R-R) на порядок меньше погрешности серийно выпускаемых низкоомных резисторов (R≤10 Ом), имеющих погрешность ≥±0.5%, при этом в настоящее время промышленность освоила выпуск резисторов с номиналом более 10 Ом класса ±0.05%.
1
10
Входы мультиплексора (13) поочередно подключают точки соединения резисторов (1, 2, 3-10, n), с которых снимаются напряжения (U÷U, un), поступающие на общий выход мультиплексора. Напряжение U, снимаемое с выхода мультиплексора (13) и потенциального вывода одного конца эталонного резистора (12) поступает на вход внешнего инструментального операционного усилителя с большим входным сопротивлением, что исключает влияние сопротивлений ключей мультиплексора (13). Так как используется высокоточный низкоомный последовательный делитель, что особенно важно для построения параллельных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, то это обеспечивает достаточно высокое быстродействие за счет уменьшения длительности переходных процессов.
Для автоматизации процесса калибровки измерительных систем разработан автоматический калибратор мер (АКМ), использующийся для воспроизведения приращения сопротивления, напряжения и тока для измерительно-вычислительного комплекса «Тензор», (см. например, статья «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса «ТЕНЗОР» в журнале «Датчики и системы», 2006 г. №8. стр.34-36, где основой АКМ является предлагаемое техническое решение.