CN101034104B - 四量程便携式电位差计 - Google Patents
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Abstract
一种用于直流电压测量有三个测量盘的四量程便携式电位差计,它的第一步进盘由21×100Ω测量盘与无电阻的辅助盘组成,第二步进盘由10×100Ω环形电阻网构成测量盘,由10只5Ω电阻构成辅助盘,第三盘为双滑线盘,两个测量盘与测量滑线间用导线连接,不通过开关切换,使电位差计测量时不存在变差及热电势影响,分辨率达0.1μV,且省去了第一及第二步进盘的代换盘。
Description
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
当前对于有三个测量盘的电位差计,在三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;专利号ZL200520101772.0公布了有三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、代换盘与辅助盘组成,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,由于第一步进盘不置在0时,第二步进盘置不同示值时电路总阻是变化的,第一步进盘置在0时,第二步进盘置不同示值时电路总阻不变,为此第一步进盘除有测量盘、代换盘外,增加了辅助盘来区别步进盘置0及不置0两种情况的电路连接,第二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。两个测量盘连接后与滑线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,三个测量盘上的电阻之间不存在开关切换,也就不产生变差;由于第一、第二步进盘都有代换盘,增加了第一、第二步进盘开关的层数,从而增大了仪器的体积,也使开关及仪器结构变得复杂,特别是开关里层电阻出现超差时,给维修带来麻烦。
发明内容
本发明的目的是设计一种有三个测量盘的四量程便携式电位差计,在三个测量盘的连接上中间盘不通过开关切换,第一、第二步进盘取消代换盘,且有四个量程转换,使分辨率达0.1μV。
本发明的技术方案这样采取:电流从电位差计4.5V工作电源的正极经过由两个步进盘、一个双滑线盘及量程转换电阻组成的电阻测量网络到509Ω的调定电阻RN及0~1Ω可锁定的可调电阻RP3,再到420Ω电阻R0,经过0~20Ω可调电阻RP2及22×17Ω可调电阻RP1回到工作电源的负极组成电位差计工作回路;标准电池EN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RN及可锁定的可调电阻RP3,再经过100KΩ限流电阻R到标准电池EN负极组成电位差计标准回路;用于连接被测量的“UX”两个端钮,正极端钮经过两个测量盘及测量滑线的电阻网络后,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测量回路;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0、1触点间直接连接外,其余各档触点间连接100Ω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,辅助盘I’及辅助盘I”的0触点孤立,其余触点用导线连接;第三盘为双滑线盘,两根滑线粗细材质相同,阻值都是5Ω,其中一根为测量滑线III,另一根为辅助滑线III′,双滑线盘的刻度盘分10大格,每大格对应的阻值为0.5Ω,每大格分10小格,两根滑线电阻上的电刷是同一片金属刷片;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,测量盘II在0~9档位上有10个100Ω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,电阻R3另一端焊接第4个电阻R4一端,电阻R4另一端焊接第5个电阻R5一端,电阻R5另一端焊接第6个电阻R6一端,电阻R6另一端焊接第7个电阻R7一端,电阻R7另一端焊接第8个电阻R8一端,电阻R8另一端焊接第9个电阻R9一端,第9个电阻R9另一端与第10个电阻R10的一端连接点为电路节点A,第10个电阻R10另一端与第1个电阻R1的另一端与第三盘测量滑线III的0触点连接,测量滑线III的0触点为电路节点B,电阻R1与电阻R2的连接点经过160Ω电阻与第1触点连接,电阻R2与电阻R3的连接点经过90Ω电阻与第2触点连接,电阻R3与电阻R4的连接点经过40Ω电阻与第3触点连接,电阻R4与电阻R5的连接点经过10Ω电阻与第4触点连接,电阻R5与电阻R6的连接点与第5触点连接,电阻R6与电阻R7的连接点经过10Ω电阻与第6触点连接,电阻R7与电阻R8的连接点经过40Ω电阻与第7触点连接,电阻R8与电阻R9的连接点经过90Ω电阻与第8触点连接,电阻R9与电阻R10的连接点经过160Ω电阻与第9触点连接,电阻R10与电阻R9的连接点节点A经过10Ω电阻后到节点C,节点C经过150Ω电阻后与第10触点连接,测量盘II的“0”触点经过250Ω电阻与节点B连接,第二步进盘的辅助盘II′上是10个阻值为5Ω的电阻,辅助盘II′第10触点及13Ω量程转换电阻R14的一端与电位差计工作电源的正极连接于节点D,辅助盘II′的0触点连接辅助盘I”的0触点,辅助盘II′的电刷连接辅助盘I”除0触点外的其它触点,测量盘II的电刷经过1950Ω电阻R12后连接辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷连接的连接点,辅助盘I’除0触点外的其他触点串联后连接测量盘I第22触点,测量盘I第0、1触点与节点C连接,辅助盘I’的0触点经过2200Ω电阻后与节点B连接,测量滑线III第10触点经过15Ω电阻R13后与量程转换开关K1-1的×10量程触点连接,117Ω量程转换电阻R15的一端连接量程转换开关K1-1的×1量程触点,另一端与量程转换开关K1-1的×0.1量程触点连接后与量程转换电阻R14的另一端连接于量程转换开关K1-1的×0.01量程触点;量程转换开关K1-2的×1量程触点与量程转换开关K1-1的×10量程触点用导线连接,量程转换开关K1-2的×1量程触点与量程转换开关K1-2的×0.1量程触点之间用117Ω量程转换电阻R16连接,量程转换开关K1-2的×0.1量程触点与量程转换开关K1-2的×0.01量程触点之间用11700Ω量程转换电阻R17连接,量程转换开关K1-3的×10量程触点与量程转换开关K1-3的×1量程触点之间用1053Ω辅助电阻R18连接,量程转换开关K1-3的×1量程触点与量程转换开关K1-3的×0.1量程触点之间用104.13Ω辅助电阻R19连接,104.013Ω辅助电阻R20的一端连接量程转换开关K1-3的×1量程触点,另一端与量程转换开关K1-3的×0.01量程触点连接,三刀四掷开关K1的三层:K1-1层、K1-2层及K1-3层的三个常闭触点用导线连接,量程转换开关K1-3的×10量程触点连接调定电阻RN高电位一端;用于连接被测量的“UX”两个测量端钮,正极与测量盘I电刷连接,负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后与辅助滑线III′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,就装在开关里层,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,每层分布24个触点,减去两档定位,第二步进盘的辅助盘II′及测量盘II各11个触点正好分布在开关的同一层,各占半周,电阻装在开关外层,电阻超差时卸下装上容易,这给调试与维修带来方便;这样使电位差计结构简单,体积缩小,也降低了生产成本;在电位差计内部测量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,当电位差计三个测量盘置“0”时,电位差计工作电流在B点汇合,零电势测量的是B点电位,在测量回路中,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;两根滑线电阻粗细材质相同,产生的热电势大小相等、方向相反,所以本电位差计热电势也很小,因此,在×0.01量程、分辨率达0.1μV时,测量时也能得到很好重复性,
附图说明
图1是本发明原理电路。
具体实施方式
在图1中,测量盘II在1~9触点之间有十只100Ω首尾相连的电阻环,当测量盘II置“5”时,测量盘II的电刷到节点B之间是5只100Ω电阻与5只100Ω电阻并联,并联后阻值最大为250Ω,所以5触点与电阻环上对应点直接连接,测量盘II的其它触点与节点B之间的电阻值都要成250Ω;当测量盘II置“4”或置“6”时,测量盘II的电刷到节点B之间是4只100Ω电阻与6只100Ω电阻并联,并联后阻值为240Ω,所以4、6触点经过10Ω电阻与电阻环上对应点连接;当测量盘II置“3”或置“7”时,测量盘II的电刷到节点B之间是3只100Ω电阻与7只100Ω电阻并联,并联后阻值为210Ω,所以3、7触点经过40Ω电阻与电阻环上对应点连接;当测量盘II置“2”或置“8”时,测量盘II的电刷到节点B之间是2只100Ω电阻与8只100Ω电阻并联,并联后阻值为160Ω,所以2、8触点经过90Ω电阻与电阻环上对应点连接;当测量盘II置“1”或置“9”时,测量盘II的电刷到节点B之间是1只100Ω电阻与9只100Ω电阻并联,并联后阻值为90Ω,所以1、9触点经过160Ω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B之间是250Ω电阻连接,当测量盘II置“10”,测量盘II的电刷到节点B之间是160Ω电阻加90Ω电阻环连接成250Ω电阻。
第一步进盘置“0”、第二步进盘置“n”(n=0,1,2,3……9,10)时,辅助盘I′的电刷与节点B之间的电阻值是两个同是2200Ω的电阻并联,因此是1100Ω。
第一步进盘置“n”(n=0,1,2,3……22)、第二步进盘置“0”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间的电阻值是两个同是2200Ω的电阻并联,因此是1100Ω。
当第一、第二步进盘都不置“0”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间的电阻值的计算,除第二步进盘置“9、10”外,都需要进行三角形-星形变换。
第二步进盘置“1”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值的计算:设电阻(R2+R3+…+R9)与电阻R10两边阻值等效于电阻r1,电阻R10与电阻R1两边阻值等效于电阻r1’电阻(R2+R3+…+R9)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/(R1+R2+…+R10)=800×100/1000Ω=80Ω
r1’=R1×R10/(R1+R2+…+R10)=100×100/10×100Ω=10Ω
r1”=(R2+R3+…+R9)×R1/(R1+R2+…+R10)=800×100/1000Ω=80Ω辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值等于(2110Ω+r1)×(2110Ω+r1”)/(2×2190)Ω+r1’=2190Ω/2+10Ω=1095Ω+10Ω=1105Ω
第二步进盘置“2”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值的计算:设电阻(R3+R4+…+R9)与电阻R10两边阻值等效于电阻r2,电阻R10与电阻(R1+R2)两边阻值等效于电阻r2’电阻(R3+R4+…+R9)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=70Ω r2’=20Ω r2”=140Ω
辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值等于(2110Ω+r2)×(1950Ω+90Ω+r2”)/(2×2180)Ω+r2’=2180Ω/2+20Ω=1090Ω+20Ω=1110Ω。
同理,第二步进盘置“3”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值是1115Ω,
第二步进盘置“4”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值是1120Ω,
第二步进盘置“5”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值是1125Ω,
……
第二步进盘置“9”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值是(2110/2+90)Ω=1145Ω
第二步进盘置“10”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间电阻值是(2100/2+10+90)Ω=1150Ω。由于测量盘II每步进增加5Ω,因此辅助盘II′每步进减少5Ω,使电路总阻不变;当第一或第二步进盘置“0”时,辅助盘I′的电刷与节点B之间的电阻值是1100Ω,辅助盘II′的10×5Ω电阻全部进入电路。
在×10量程,电位差计工作电流标准化时的电流是2mA,2mA电流流过辅助盘II′的第10点经过节点B到测量滑线III第10点,测量盘II置“n”(n=1,2,3…8)时,辅助盘l′的电刷经过测量盘I到等效于电阻rn、rn’、rn”的交点Qn(n=1、2、3…8)与经过1950Ω电阻R12到交点Qn电阻值相等,所以流过测量盘I与1950Ω电阻R12的电流各为1mA;测量盘II置“9”时,辅助盘I′的电刷经过测量盘I到节点A的电阻值与经过1950Ω电阻R12到节点A的电阻值都等于2110Ω,所以流过测量盘I与1950Ω电阻R12的电流各为1mA,测量盘II置“10”时,辅助盘I′的电刷经过测量盘I到节点C的电阻值与经过1950Ω电阻R12到节点C的电阻值都等于2100Ω,所以流过测量盘I与1950Ω电阻R12的电流也各为1mA。
当测量盘I置“0”时,对于测量盘II在1~9触点之间的十只100Ω首尾相连的电阻环而言,测量盘II置“1”时电阻R1与9只阻值同为100Ω电阻并联,流过电阻R10的电流为1/10mA,节点A与节点B之间的电压UAB=1/10×100mV=10mV;测量盘II置“2”时电阻(R1+R2)与8只阻值同为100Ω电阻并联,流过电阻R10的电流为2/10mA,节点A与节点B之间的电压UAB=2/10×100mV=20mV;同理,测量盘II置“n”时(n=1、2、3…9)电阻节点A与节点B之间的电压UAB=n×10mV;测量盘II置10”时,节点A与节点B之间90Ω电阻上的电压UAB=90mV加10Ω电阻R11上10mV,共100mV;当测量盘I及测量盘II置“0”时,电流不经过电阻R10,UAB=0mV;当测量盘I不置“0”时流过测量盘I的电流在节点C、B之间的100mV电压叠加在测量盘II上,代替0、1触点间的电阻,工作电流标准化时,第一步进盘置n1、第二步进盘置n2、第三盘置n3(n3表示大格示值)这时“Ux”两个测量端钮间电压为:
Ux=1×100n1+1×n2/10×100+2×0.5n3(mV)
=100n1+10n2+n3(mV)
×1量程时,节点D经过节点B到测量滑线III第10点之间的1155Ω电阻串联了电阻R13之和是1170Ω与其并联的电阻R14与电阻R15的阻值和是130Ω,1170Ω是130Ω的9倍,因此,1/10的工作电流即0.2mA电流流过节点D经过节点B到测量滑线III第10点,并联后减小的电阻值通过串联进1053Ω辅助电阻R18来保持电路总阻不变。
当第一步进盘置n1、第二步进盘置n2、第三盘置n3(n3表示大格示值)这时“Ux”两个测量端钮间电压为:
Ux=10n1+n2+0.1n3(mV)
×0.1量程时,节点D经过节点B到测量滑线III第10点之间的1155Ω电阻串联了电阻R13及电阻R16之和是1287Ω与其并联的电阻R14是13Ω,1287Ω是13Ω的99倍,因此,1/100的工作电流即0.02mA电流流过节点D经过节点B到测量滑线III第10点,并联后减小的电阻值通过串联进104.13Ω辅助电阻R19和1053Ω辅助电阻R18来保持电路总阻不变。
当第一步进盘置n1、第二步进盘置n2、第三盘置n3(n3表示大格示值)这时“Ux”两个测量端钮间电压为:
Ux=n1+0.1n2+0.01n3(mV)
×0.01量程时,节点D经过节点B到测量滑线III第10点之间的1155Ω电阻串联了电阻R13、电阻R16及电阻R17之和是12987Ω与其并联的电阻R14是13Ω,12987Ω是13Ω的999倍,因此,1/1000的工作电流即0.002mA电流流过节点D经过节点B到测量滑线III第10点,并联后减小的电阻值通过串联进104.013Ω辅助电阻R20和1053Ω辅助电阻R18来保持电路总阻不变。
当第一步进盘置n1、第二步进盘置n2、第三盘置n3(n3表示大格示值)这时“Ux”两个测量端钮间电压为:
Ux=0.1n1+0.01n2+0.001n3(mV)
第三盘n3的1μV为1大格值,每小格为0.1μV。
每批生产的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RN取509Ω,外加0~1Ω可锁定的可调电阻RP3,可以覆盖标准电池电动势的变化范围。
干电池新的时候电动势约为1.65V,用旧到1.4V以下时,电流不稳,本电位差计电源采用三组干电池串联成4.5V,电动势范围在4.2~4.95V之间,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,为此电阻R0取420Ω,取可调电阻RP1为22×17Ω,取可调电阻RP2为0~20Ω。
标准电流是这样确定的:把2V标准信号电压按极性与电位差计“Ux”两个测量端钮连接,电位差计各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RP1及可调电阻RP2,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RP3,再使检流计G指零,这时把可调电阻RP3锁定;电位差计今后使用时依此为标准。
Claims (1)
1.一种四量程便携式电位差计,电流从电位差计4.5V工作电源的正极经过由两个步进盘、一个双滑线盘及量程转换电阻组成的电阻测量网络到509Ω的调定电阻RN及0~1Ω可锁定的可调电阻RP3,再到420Ω电阻R0,经过0~20Ω可调电阻RP2及22×17Ω可调电阻RP1回到工作电源的负极组成电位差计工作回路;标准电池EN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RN及可锁定的可调电阻RP3,再经过100KΩ限流电阻R到标准电池EN负极组成电位差计标准回路;用于连接被测量的“UX”两个端钮,正极端钮经过两个测量盘及测量滑线的电阻网络后,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测量回路;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0、1触点间直接连接外,其余各档触点间连接100Ω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,辅助盘I’及辅助盘I”的0触点孤立,其余触点用导线连接;第三盘为双滑线盘,两根滑线粗细材质相同,阻值都是5Ω,其中一根为测量滑线III,另一根为辅助滑线III′,双滑线盘的刻度盘分10大格,每大格对应的阻值为0.5Ω,每大格分10小格,两根滑线电阻上的电刷是同一片金属刷片;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,测量盘II在0~9档位上有10个100Ω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,电阻R3另一端焊接第4个电阻R4一端,电阻R4另一端焊接第5个电阻R5一端,电阻R5另一端焊接第6个电阻R6一端,电阻R6另一端焊接第7个电阻R7一端,电阻R7另一端焊接第8个电阻R8一端,电阻R8另一端焊接第9个电阻R9一端,第9个电阻R9另一端与第10个电阻R10的一端连接点为电路节点A,第10个电阻R10另一端与第1个电阻R1的另一端与第三盘测量滑线III的0触点连接,测量滑线III的0触点为电路节点B,电阻R1与电阻R2的连接点经过160Ω电阻与第1触点连接,电阻R2与电阻R3的连接点经过90Ω电阻与第2触点连接,电阻R3与电阻R4的连接点经过40Ω电阻与第3触点连接,电阻R4与电阻R5的连接点经过10Ω电阻与第4触点连接,电阻R5与电阻R6的连接点与第5触点连接,电阻R6与电阻R7的连接点经过10Ω电阻与第6触点连接,电阻R7与电阻R8的连接点经过40Ω电阻与第7触点连接,电阻R8与电阻R9的连接点经过90Ω电阻与第8触点连接,电阻R9与电阻R10的连接点经过160Ω电阻与第9触点连接,电阻R10与电阻R9的连接点节点A经过10Ω电阻后到节点C,节点C经过150Ω电阻后与第10触点连接,测量盘II的“0”触点经过250Ω电阻与节点B连接,第二步进盘的辅助盘II′上是10个阻值为5Ω的电阻,辅助盘II′第10触点及13Ω量程转换电阻R14的一端与电位差计工作电源的正极连接于节点D,辅助盘II′的0触点连接辅助盘I”的0触点,辅助盘II′的电刷连接辅助盘I”除0触点外的其它触点,测量盘II的电刷经过1950Ω电阻R12后连接辅助盘I’的电刷与辅助盘I”的电刷连接的连接点,辅助盘I’除0触点外的其他触点串联后连接测量盘I第22触点,测量盘I第0、1触点与节点C连接,辅助盘I’的0触点经过2200Ω电阻后与节点B连接,测量滑线III第10触点经过15Ω电阻R13后与量程转换开关K1-1的×10量程触点连接,117Ω量程转换电阻R15的一端连接量程转换开关K1-1的×1量程触点,另一端与量程转换开关K1-1的×0.1量程触点连接后与量程转换电阻R14的另一端连接于量程转换开关K1-1的×0.01量程触点;量程转换开关K1-2的×1量程触点与量程转换开关K1-1的×10量程触点用导线连接,量程转换开关K1-2的×1量程触点与量程转换开关K1-2的×0.1量程触点之间用117Ω量程转换电阻R16连接,量程转换开关K1-2的×0.1量程触点与量程转换开关K1-2的×0.01量程触点之间用11700Ω量程转换电阻R17连接,量程转换开关K1-3的×10量程触点与量程转换开关K1-3的×1量程触点之间用1053Ω辅助电阻R18连接,量程转换开关K1-3的×1量程触点与量程转换开关K1-3的×0.1量程触点之间用104.13Ω辅助电阻R19连接,104.013Ω辅助电阻R20的一端连接量程转换开关K1-3的×1量程触点,另一端与量程转换开关K1-3的×0.01量程触点连接,三刀四掷开关K1的三层:K1-1层、K1-2层及K1-3层的三个常闭触点用导线连接,量程转换开关K1-3的×10量程触点连接调定电阻RN高电位一端;用于连接被测量的“UX”两个测量端钮,正极与测量盘I电刷连接,负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后与辅助滑线III′连接。
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