CN100516891C

CN100516891C - 二量程直流电位差计

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Publication number: CN100516891C
Application number: CNB2007100689546A
Authority: CN
Inventors: 张春雷; 方李
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: CN101055281A

Abstract

一种用于直流电压测量的二量程直流电位差计，它的第一步进盘由一只21×10Ω的测量盘与两只没有电阻的辅助盘组成，第二步进盘由环形电阻网构成测量盘，由10×0.5Ω电阻构成辅助盘，第三步进盘各由10×1Ω的测量盘与代换盘组成，第四步进盘的各个触点与第三步进盘中测量盘上的对应触点连接，与第三步进盘中测量盘上的电阻共用，在×0.1量程用100Ω电阻分流电流进行量程转换，最小分辨率达1μV，测量盘之间用导线连接，不通过开关切换，使电位差计测量时能够忽略变差及热电势影响。

Description

二量程直流电位差计

技术领域

本发明涉及对直流电压进行测量的仪器。

背景技术

当前对于有四个测量盘的直流电位差计，在四个测量盘之间的连接上，中间盘普遍采用开关切换，这样就产生接触电阻的变差，给分辨率带来限制。为了克服该问题，一般采用大电刷以增大接触面积，并采用银-铜复合材料；申请号200510062266.X公开了有四个测量盘的电位差计解决开关接触电阻变差的新方法，它的第一、第二步进盘各有测量盘与代换盘组成，测量盘与代换盘上的电阻阻值相同，测量盘每增加一个电阻，代换盘就减小相同电阻，它的第三、第四步进盘各有测量盘、代换盘与辅助盘组成，由于第三步进盘不置在10时，第四步进盘置不同示值时电路总阻是变化的，第三步进盘置在10时，第四步进盘置不同示值时电路总阻不变，为此第三步进盘除有测量盘、代换盘外，增加了辅助盘来区别步进盘置10及不置10两种情况的电路连接，第四步进盘也增加了辅助盘，上面有10只电阻来分别接入或切出若干个电阻使电路总阻不变。四个测量盘连接在两个测量端钮间，使步进盘开关上的电刷排除在测量回路之外，四个测量盘上的电阻之间不存在开关切换，也就不产生变差；由于电位差计步进盘开关每个步进转动15°角，每层可分布24个触点，第一步进盘的测量盘与代换盘是21个触点，需内外两层，每层都有电阻，内层电阻超差对维修带来不便，第四步进盘的测量盘、代换盘与辅助盘各半层，步进盘开关也需内外两层，内层也有电阻，维修也不方便。

发明内容

本发明的目的是设计一种二量程电位差计，在四个测量盘的连接上不通过开关切换，第一步进盘取消代换盘，且使四个步进盘上的电阻都能装在开关外层，开关内层不焊有电阻。

本发明的技术方案这样采取：从电位差计3V工作电源的正极经过由四个步进盘上的电阻、量程转换电阻及量程转换开关组成的电阻测量网络到509Ω的调定电阻R_N及0～1Ω可锁定的可调电阻R_P3，再经过10×22Ω可调电阻R_P1及0～25Ω可调电阻R_P2回到工作电源的负极组成电位差计工作回路；标准电池E_N正极经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K₂到调定电阻R_N及可锁定的可调电阻R_P3，再经过75KΩ限流电阻R到标准电池E_N负极组成电位差计标准回路；用于连接被测量的“U_X”两个端钮，正极端钮经过四个测量盘电阻网络后，再经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K₂到负极端钮组成电位差计补偿回路；其特征在于第一步进盘有测量盘I，它有0、1、2、……22共23个档位，除第0、1档触点间直接连接外，其余各档触点间连接10Ω电阻一只，另有辅助盘I’及辅助盘I”，辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷用导线连接的点为电路节点B，辅助盘I’及辅助盘I”的第0档触点孤立，辅助盘I’其余所有档位的触点用导线连接，及辅助盘I”其余所有档位的触点用导线连接；第二步进盘由测量盘II与辅助盘II′组成，测量盘II有0、1、2、……10共11个档位，上面有电阻R₁～电阻R₁₁这11个11Ω的电阻，第1个电阻R₁一端焊接第2个电阻R₂一端，电阻R₂另一端焊接第3个电阻R₃一端……依次焊接，第10个电阻R₁₀另一端与第11个电阻R₁₁的一端连接点为电路节点C，第11个电阻R₁₁另一端与第1个电阻R₁的另一端连接于第三步进盘中测量盘III的第0档触点，第三步进盘中测量盘III的第0档触点为电路节点D，第二步进盘的测量盘II中，电阻R₁与电阻R₂的连接点经过20Ω电阻与第1档触点连接，电阻R₂与电阻R₃的连接点经过12Ω电阻与第2档触点连接，电阻R₃与电阻R₄的连接点经过6Ω电阻与第3档触点连接，电阻R₄与电阻R₅的连接点经过2Ω电阻与第4档触点连接，电阻R₅与电阻R₆的连接点与第5档触点连接，电阻R₆与电阻R₇的连接点与第6档触点连接，电阻R₇与电阻R₈的连接点经过2Ω电阻与第7档触点连接，电阻R₈与电阻R₉的连接点经过6Ω电阻与第8档触点连接，电阻R₉与电阻R₁₀的连接点经过12Ω电阻与第9档触点连接，电阻R₁₀与电阻R₁₁的连接点经过20Ω电阻与第10档触点连接，电阻R₁与电阻R₁₁连接的节点D点经过30Ω电阻与第0档触点连接，第二步进盘的辅助盘II′上是10×0.5Ω的电阻；第三步进盘由同是10×1Ω的测量盘III与代换盘III’组成，测量盘III的电刷与代换盘III’的电刷用导线连接；第四步进盘只有测量盘IV，它各个触点与测量盘III上的对应触点连接；辅助盘II′第10档触点与100Ω电阻R₁₇的一端并联于节点A，100Ω电阻R₁₇的另一端连接量程转换开关K₁中K_1-1层的×0.1量程触点，节点A连接电位差计工作电源的正极，辅助盘II′的第0档触点连接辅助盘I”的第0档触点，辅助盘II′的电刷连接辅助盘I”除第0档触点外的其它触点，测量盘II的电刷经过190Ω电阻R₁₂后连接辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷连接的节点B，辅助盘I’除第0档触点外的其他触点连接测量盘I第22档触点，测量盘I第0、1档触点与节点C连接，辅助盘I’的第0档触点经过220Ω电阻后与节点D连接，测量盘IV的电刷串联100kΩ电阻R₁₅后与284.725Ω电阻R₁₆一端的连接点为电路节点E，代换盘III’的第10档触点串联9995Ω电阻R₁₄后连接节点E，529.392Ω电阻R₁₃一端连接节点D、另一端连接节点E，284.725Ω电阻R₁₆的另一端连接于量程转换开关K₁中K_1-1层的×1量程触点，K_1-1层的×1量程触点与量程转换开关K₁中K_1-2层的×0.1量程触点用导线连接，K_1-2层的×0.1量程触点串联810Ω电阻R₁₈后与K_1-2层的×1量程触点并联在调定电阻R_N高电位一端，量程转换开关K₁中K_1-1层的常闭触点与K_1-2层的常闭触点用导线连接；用于连接被测量的“U_X”两个测量端钮，正极与测量盘I电刷连接，负极经过双刀双掷开关K₂后与测量盘III的第10档触点连接。

通过以上技术方案，第一步进盘不用代换盘，两层辅助盘上都没有电阻，可以装在开关里层，测量盘I装在开关外层；第二步进盘不用代换盘，开关每个步进转动15°角，第二步进盘的辅助盘II′及测量盘II各11个触点分布在开关的同一层，电阻装在开关外层，第三、第四步进盘都没有辅助盘，电阻可装在开关外层，电阻超差时卸下装上容易，这给调试与维修带来方便；这使电位差计结构简单，体积缩小，也降低了生产成本；在电位差计内部补偿回路与工作回路共有部份的线路上没有开关，所以不存在变差影响，当电位差计四个测量盘置“0”时，电位差计的零电势是D点的零电位，在补偿回路中，不存在工作电流流过引线电阻，所以本电位差计零电势很小，由于在电位差计内部补偿回路与工作回路共有部份的线路上没有开关切换，所以本电位差计热电势及可变热电势也很小。

附图说明

附图是本发明原理电路。

具体实施方式

图中，测量盘II在节点C与节点D之间是十一只11Ω首尾相连的电阻环，当测量盘II置“5”或置“6”时，测量盘II的电刷到节点D之间是5只11Ω电阻与6只11Ω电阻并联，并联后阻值最大为30Ω，测量盘II的其它触点到节点D之间的阻值都要连接到30Ω，第5、6触点与电阻环上对应点直接连接；当测量盘II置“4”或置“7”时，测量盘II的电刷到节点D之间是4只11Ω电阻与7只11Ω电阻并联，并联后阻值为28Ω，所以4、7触点经过2Ω电阻与电阻环上对应点连接；当测量盘II置“3”或置“8”时，测量盘II的电刷到节点D之间是3只11Ω电阻与8只11Ω电阻并联，并联后阻值为24Ω，所以3、8触点经过6Ω电阻与电阻环上对应点连接；当测量盘II置“2”或置“9”时，测量盘II的电刷到节点D之间是2只11Ω电阻与9只11Ω电阻并联，并联后阻值为18Ω，所以2、9触点经过12Ω电阻与电阻环上对应点连接；当测量盘II置“1”或置“10”时，测量盘II的电刷到节点D之间是1只11Ω电阻与10只11Ω电阻并联，并联后阻值为10Ω，所以1、10触点经过20Ω电阻与电阻环上对应点连接；当测量盘II置“0”，测量盘II的电刷到节点D之间是30Ω电阻连接。

第一步进盘置“0”、第二步进盘置“n”(n＝0，1，2，3……10)时，节点B与节点D之间的电阻值是两个同是220Ω的电阻并联，因此是110Ω。

第一步进盘置“n”(n＝0，1，2，3……22)、第二步进盘置“0”时，节点B与节点D之间的电阻值也是两个220Ω的电阻并联，因此阻值也是110Ω。

当第一、第二步进盘都不置“0”时，除第二步进盘置“10”外，节点B与节点D之间的电阻值的计算需要进行三角形-星形变换。

第二步进盘置“1”时，节点B与节点D之间电阻值的计算：设电阻(R₂+R₃+…+R₉+R₁₀)与电阻R₁₁两边阻值等效于电阻r₁，电阻R₁₁与电阻R₁两边阻值等效于电阻r₁’电阻(R₂+R₃+…+R₉+R₁₀)与电阻R₁两边阻值等效于电阻r₁”，等效于电阻r₁、r₁’、r₁”交点为Q₁：

则r₁＝(R₂+R₃+…+R₉+R₁₀)×R₁₁/(R₁+R₂+…+R₁₀+R₁₁)＝9×11×11/11×11Ω＝9Ω

r₁’＝R₁×R₁₁/(R₁+R₂+…+R₁₀+R₁₁)＝11×11/11×11Ω＝1Ω

r₁”＝(R₂+R₃+…+R₉+R₁₀)×R₁/(R₁+R₂+…+R₁₀+R₁₁)＝9×11×11/11×11Ω＝9Ω

节点B与节点D之间电阻值等于(210Ω+r₁)×(190Ω+20Ω+r₁”)/2×219Ω+r₁’＝219Ω/2+1Ω＝109.5Ω+1Ω＝110.5Ω

第二步进盘置“2”时，节点B与节点D之间电阻值的计算：设电阻(R₃+R₄+…+R₉+R₁₀)与电阻R₁₁两边阻值等效于电阻r₂，电阻R₁₁与电阻(R₁+R₂)两边阻值等效于电阻r₂’电阻(R₃+R₄+…+R₉+R₁₀)与电阻(R₁+R₂)两边阻值等效于电阻r₂”，等效于电阻r₂、r₂’、r₂”交点为Q₂：

则r₂＝8Ω r₂’＝2Ω r₂”＝16Ω

节点B与节点D之间电阻值等于(210Ω+r₂)×(190Ω+12Ω+r₂”)/2×218Ω+r₂’＝218Ω/2+2Ω＝109Ω+2Ω＝111Ω。

同理，第二步进盘置“3”时，节点B与节点D之间电阻值是111.5Ω，

第二步进盘置“4”时，节点B与节点D之间电阻值是112Ω，

第二步进盘置“5”时，节点B与节点D之间电阻值是112.5Ω，

......

第二步进盘置“10”时，节点B与节点D之间电阻值是115Ω。由于测量盘II每步进增加0.5Ω，因此辅助盘II′每步进减少0.5Ω，使电路总阻不变。

当第一或第二步进盘置“0”时，节点B与节点D之间的电阻值是110Ω，辅助盘II′的10×0.5Ω电阻全部进入电路，保持节点A与节点D之间的阻值是115Ω。

第三、第四步进盘置不同示值时，节点D与节点E间的阻值在500.2728Ω～500.2780Ω之间变化，节点E连接284.725Ω电阻R₁₆后，从节点A经过节点D到开关K₁的×1量程触点间的电阻值是900Ω，0.005Ω的阻值变化，对900Ω的相对变化是百万分之六，影响可以忽略。

电位差计工作电流标准化时电流是2mA，在×1量程时，2mA电流从节点A经过节点D到开关K₁的×1量程触点，100Ω电阻R₁₇没有分流电流。

节点B经过测量盘I到等效电阻r_n、r_n’、r_n”的交点Q_n(n＝1、2、3…10)与节点B经过190Ω电阻R₁₂到等效电阻交点Q_n电阻相等，所以流过测量盘I与190Ω电阻R₁₂的电流各为1mA。

在不考虑测量盘I时，对于测量盘II在节点C与节点D之间的十一只11Ω首尾相连的电阻环而言，测量盘II置“1”时电阻R₁与10只阻值同为11Ω电阻并联，流过电阻R₁₁的电流为1/11mA，节点C与节点D之间的电压U_CD＝1/11×11mV＝1mV；测量盘II置“2”时电阻(R₁+R₂)与9只阻值同为11Ω电阻并联，流过电阻R₁₁的电流为2/11mA，节点C与节点D之间的电压U_CD＝2/11×11mV＝2mV；同理，测量盘II置“n”时(n＝1、2、3…10)电阻节点C与节点D之间的电压U_CD＝n mV；测量盘II置“0”时，电流不经过电阻R₁₁，U_CD＝0 mV。

当测量盘I不置“0”时，流过测量盘I的电流在节点C、D之间的10mV电压叠加在测量盘II上，代替0、1触点间的电阻。当测量盘I置“0”时，电流不经过电阻R₁₁，U_CD＝0mV。

电位差计2mA工作电流经过第一、第二步进盘到节点D后分成三路：一路经过测量盘IV，另一路经过代换盘III’，再一路经过529.392Ω电阻R₁₃，三路电流汇合于节点E。第三、第四步进盘置不同示值时节点D与节点E之间阻值是变化的，第三、第四步进盘置“0”示值时节点D与节点E之间阻值最小，第三、第四步进盘置“10”示值时节点D与节点E之间阻值最大，为此取中间值，当第三、第四步进盘置“5”示值时节点D与节点E之间阻值在没有电阻R₁₃并联时是(10⁵÷11+5)Ω，为了使流过第三、第四步进盘的总电流是0.11mA，用529.392Ω电阻R₁₃分流1.89mA的电流；第三、第四步进盘置“0”示值时，流过第三、第四步进盘的总电流是0.11001mA，第三、第四步进盘置“10”示值时，流过第三、第四步进盘的总电流是0.10999mA，误差为万分之一，影响可以忽略；流过电阻R₁₄与电阻R₁₅的电流比准确值是10，在第三、第四步进盘置“0”示值时，流过电阻R₁₄与电阻R₁₅的电流比值是9.995，在第三、第四步进盘置“10”示值时，流过电阻R₁₄与电阻R₁₅的电流比值是10.005，误差为万分之五，由于是最后两盘，影响也可以忽略。

工作电流标准化时，第一步进盘置n₁、第二步进盘置n₂、第三步进盘置n₃、第四步进盘置n₄，这时“U_x”两个测量端钮间电压为：

U_x＝1×10n₁+1×n₂/11×11+0.1×n₃+0.01×n₄(mV)

＝10n₁+n₂+0.1n₃+0.01n₄ (mV)

在×0.1量程时，从节点A经过节点D到开关K₁的×1量程触点间的900Ω电阻与100Ω电阻R₁₇并联，因此流过辅助盘II′的电流是0.2mA，流过电阻R₁₇的电流是1.8mA，并联减小的阻值通过串联810Ω电阻R₁₈来保持电路阻值不变。这时第一步进盘置n₁、第二步进盘置n₂、第三步进盘置n₃、第四步进盘置n₄，“U_x”两个测量端钮间电压为：

U_x＝0.1×10n₁+0.1×n₂/11×11+0.01×n₃+0.001×n₄(mV)

＝1n₁+0.1n₂+0.01n₃+0.001n₄ (mV)

由于标准电池的电动势是离散的，在1.0188V～1.0196V之间，标准化的工作电流为2mA，因此调定电阻R_N取509Ω，外加0～1Ω可锁定的可调电阻R_P3，可以覆盖标准电池电动势的变化范围。

节点A到调定电阻R_N高电位一端阻值是900Ω，509Ω的调定电阻R_N与0～1Ω可调电阻R_P3和是510Ω，共计1410Ω，承担约2.82V电压；电位差计采用两组干电池供电，干电池新的时候电动势约为1.65V，用旧了电流不稳，为了使干电池在新、旧情况下都能使电位差计的工作电流调节到标准化，为此，取可调电阻R_P1为10×22Ω、可调电阻R_P2为0～25Ω，干电池电压使用范围在2.82V～3.31V之间。

电位差计的标准电流是这样获得：把200mV标准信号电压按极性与电位差计“U_x”两个测量端钮连接，电位差计各步进盘总示值与标准信号电压值相同，双刀双掷开关K₂掷向左边，调节可调电阻R_P1及可调电阻R_P2，使检流计G指零；再将双刀双掷开关K₂掷向右边，调节可调电阻R_P3，使检流计G指零，再重复一次后，把可调电阻R_P3锁定，这时电位差计的工作电流就标准化。

Claims

1，一种二量程直流电位差计，从电位差计3V工作电源的正极经过由四个步进盘上的电阻、量程转换电阻及量程转换开关组成的电阻测量网络到509Ω的调定电阻R_N及0～1Ω可锁定的可调电阻R_P3，再经过10×22Ω可调电阻R_P1及0～25Ω可调电阻R_P2回到工作电源的负极组成电位差计工作回路；标准电池E_N正极经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K₂到调定电阻R_N及可锁定的可调电阻R_P3，再经过75KΩ限流电阻R到标准电池E_N负极组成电位差计标准回路；用于连接被测量的“U_X”两个端钮，正极端钮经过四个测量盘电阻网络后，再经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K₂到负极端钮组成电位差计补偿回路；其特征在于第一步进盘有测量盘I，它有0、1、2、……22共23个档位，除第0、1档触点间直接连接外，其余各档触点间连接10Ω电阻一只，另有辅助盘I’及辅助盘I”，辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷用导线连接的点为电路节点B，辅助盘I’及辅助盘I”的第0档触点孤立，辅助盘I’其余所有档位的触点用导线连接，及辅助盘I”其余所有档位的触点用导线连接；第二步进盘由测量盘II与辅助盘II′组成，测量盘II有0、1、2、……10共11个档位，上面有电阻R₁～电阻R₁₁这11个11Ω的电阻，第1个电阻R₁一端焊接第2个电阻R₂一端，电阻R₂另一端焊接第3个电阻R₃一端……依次焊接，第10个电阻R₁₀另一端与第11个电阻R₁₁的一端连接点为电路节点C，第11个电阻R₁₁另一端与第1个电阻R₁的另一端连接于第三步进盘中测量盘III的第0档触点，第三步进盘中测量盘III的第0档触点为电路节点D，第二步进盘的测量盘II中，电阻R₁与电阻R₂的连接点经过20Ω电阻与第1档触点连接，电阻R₂与电阻R₃的连接点经过12Ω电阻与第2档触点连接，电阻R₃与电阻R₄的连接点经过6Ω电阻与第3档触点连接，电阻R₄与电阻R₅的连接点经过2Ω电阻与第4档触点连接，电阻R₅与电阻R₆的连接点与第5档触点连接，电阻R₆与电阻R₇的连接点与第6档触点连接，电阻R₇与电阻R₈的连接点经过2Ω电阻与第7档触点连接，电阻R₈与电阻R₉的连接点经过6Ω电阻与第8档触点连接，电阻R₉与电阻R₁₀的连接点经过12Ω电阻与第9档触点连接，电阻R₁₀与电阻R₁₁的连接点经过20Ω电阻与第10档触点连接，电阻R₁与电阻R₁₁连接的节点D点经过30Ω电阻与第0档触点连接，第二步进盘的辅助盘II′上是10×0.5Ω的电阻；第三步进盘由同是10×1Ω的测量盘III与代换盘III’组成，测量盘III的电刷与代换盘III’的电刷用导线连接；第四步进盘只有测量盘IV，它各个触点与测量盘III上的对应触点连接；辅助盘II′第10档触点与100Ω电阻R₁₇的一端并联于节点A，100Ω电阻R₁₇的另一端连接量程转换开关K₁中K_1-1层的×0.1量程触点，节点A连接电位差计工作电源的正极，辅助盘II′的第0档触点连接辅助盘I”的第0档触点，辅助盘II′的电刷连接辅助盘I”除第0档触点外的其它触点，测量盘II的电刷经过190Ω电阻R₁₂后连接辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷连接的节点B，辅助盘I’除第0档触点外的其他触点连接测量盘I第22档触点，测量盘I第0、1档触点与节点C连接，辅助盘I’的第0档触点经过220Ω电阻后与节点D连接，测量盘IV的电刷串联100k Ω电阻R₁₅后与284.725Ω电阻R₁₆一端的连接点为电路节点E，代换盘III’的第10档触点串联9995Ω电阻R₁₄后连接节点E，529.392Ω电阻R₁₃一端连接节点D、另一端连接节点E，284.725Ω电阻R₁₆的另一端连接于量程转换开关K₁中K_1-1层的×1量程触点，K_1-1层的×1量程触点与量程转换开关K₁中K_1-2层的×0.1量程触点用导线连接，K_1-2层的×0.1量程触点串联810Ω电阻R₁₈后与K_1-2层的×1量程触点并联在调定电阻R_N高电位一端，量程转换开关K₁中K_1-1层的常闭触点与K_1-2层的常闭触点用导线连接；用于连接被测量的“U_X”两个测量端钮，正极与测量盘I电刷连接，负极经过双刀双掷开关K₂后与测量盘III的第10档触点连接。