CN101710145B

CN101710145B - 多量程电压测量装置

Info

Publication number: CN101710145B
Application number: CN200910155430XA
Authority: CN
Inventors: 骆小君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-12-14
Also published as: CN101710145A

Abstract

一种用于直流电压测量有三个测量盘的多量程电压测量装置，它有二只步进盘和一只双滑线盘组成，电压测量装置内部的两个测量盘与测量滑线间用导线连接，不通过开关切换，使电压测量装置测量时不存在变差及热电势影响，通过改变接触量程转换电阻的位置及工作电流的大小获得四个量程，最小分辨率达0.1μV，且省去了第一步进盘的两只辅助盘。

Description

多量程电压测量装置

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

日前对于有三个测量盘的电压测量装置，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200720109904.3、200720107591.8、200720107586.7公开了有三个测量盘四量程的电压测量装置解决开关接触电阻的变差新方法，它的第一步进盘有一只测量盘与两只辅助盘组成，两个测量盘连接后与双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；由于第一步进盘有三层，使开关及仪器结构变得复杂，同时增加了仪器的高度。

发明内容

本发明的目的是设计一种多量程电压测量装置，在三个测量盘的连接上中间盘不通过开关切换，而且第一步进盘取消两只辅助盘。

本发明的技术方案这样采取：

电流从电压测量装置4.5V工作电源的正极经过节点F、B之间的两个步进盘、一个双滑线盘及量程转换电阻的电阻测量网络到双刀四掷量程转换开关K₁及调定电阻RN和可锁定的可调电阻，再经过可调电阻R_P1、R_P2、R_P3及可调电阻R_P4回到工作电源负极组成电压测量装置的工作回路；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到调定电阻及可锁定的可调电阻到标准电池E_N负极组成电压测量装置标准回路；电压测量装置用于连接被测量“U_X”的两个端钮，正极端钮经过两个测量盘及一个双滑线盘后，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到负极端钮组成电压测量装置补偿回路；其特征在于第一步进盘只有测量盘I，它有0、1、2、……22共23个档位，各档位触点间连接100Ω电阻一只；第三盘为双滑线盘，两根滑线粗细材质相同，阻值都是100Ω，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10Ω，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，0～9档位上面有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的另一端的连接点为电路节点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R₁₁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的第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只5Ω的电阻，辅助盘II’的电刷经过2050Ω电阻R₁₂后连接测量盘II的电刷，辅助盘II′的电刷连接测量盘I第22个触点，测量盘I的第0触点连接电路节点C，辅助盘II′第10触点与23000Ω电阻R₁₃的一端连接点为节点D，节点D经过50/7Ω电阻R₁₅后与1150Ω量程转换电阻r₁一端并联在节点F，节点F连接电压测量装置工作电源的正极；电阻R₁₃的另一端连接测量滑线III的始端第0触点，测量滑线III的末端第10触点经过900Ω电阻R₁₄后连接电路节点B；节点B与10350Ω量程转换电阻r₂一端并联在双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层×10量程触点及×0.1量程触点，量程转换电阻r₂的另一端与1150Ω量程转换电阻r₁的另一端并联在双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层×0.01量程及×1量程触点，双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-2层×1量程触点连接×10量程触点后，经过441Ω调定电阻RN₁和调节范围在0～0.6Ω可锁定的可调电阻R_P6连接标准电池E_N负极，双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-2层×0.01量程触点连接×0.1量程触点后，经过44100Ω调定电阻RN₂和调节范围在0～56Ω可锁定的可调电阻R_P5连接标准电池E_N负极，标准电池E_N负极经过由22只7680Ω电阻组成的可调电阻R_P1、由22只350Ω电阻组成的可调电阻R_P2、由22只15Ω电阻组成的可调电阻R_P3及调节范围在0～18Ω的可调电阻R_P4回到工作电源负极；双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层及K_1-2层两个常闭触点连接调定电阻RN高电势端；电压测量装置用于连接被测量“U_X”的两个端钮，正极端钮与测量盘I电刷连接，负极端钮经过双刀双掷开关K₂后与辅助滑线III′连接。

通过以上技术方案，第一步进盘省去了二只辅助盘，使电压测量装置结构简单，体积缩小，也降低了生产成本，同时在补偿回路内三只测量盘连接的线路上没有经过开关，所以不存在变差及热电势影响；第一步进盘及双滑线盘的电刷切换引起阻值变化不影响测量数值，只影响检流计阻尼，且与整个补偿回路的电阻变化比起来电刷切换引起阻值变化可以忽略。

附图说明

图1是本发明原理电路。

在图1中，22×100Ω的测量盘I，表示测量盘I由22只100Ω的电阻组成；同理，22×7680Ω的可调电阻R_P1，表示可调电阻R_P1由22只7680Ω电阻组成，22×350Ω的可调电阻R_P2，表示可调电阻R_P2由22只350Ω电阻组成，22×15Ω的可调电阻R_P3，表示可调电阻R_P3由22只15Ω电阻组成，10×5Ω的辅助盘II′，表示辅助盘II′由10只5Ω的电阻组成，测量盘II的电阻环形网内有“9×100Ω”，表示测量盘II的电阻环形网内电阻R₁～电阻R₉九只电阻阻值都是100Ω。

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，所以第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，所以第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，所以第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，所以第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，所以第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的第0触点到节点B之间是250Ω电阻连接，当测量盘II置“10”，测量盘II的第10触点到节点B之间是160Ω电阻加90Ω电阻环连接成250Ω电阻。

第二步进盘的测量盘II的电刷与辅助盘II′的电刷是同步的，第二步进盘置“0”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间的电阻值是两个同是2300Ω的电阻并联，因此是1150Ω。

当第二步进盘不置“0”、“9”及“10”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间的电阻值的计算，都需要进行三角形-星形变换。

第二步进盘置“1”时，辅助盘II′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/(10×100)Ω＝10Ω

r₁”＝(R₂+R₃+…+R₉)×R₁/(R₁+R₂+…+R₁₀)＝800×100/1000Ω＝80Ω

辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值等于(2210Ω+r₁)×(2210Ω+r₁”)/(2×2290)Ω+r₁’＝2290Ω/2+10Ω＝1145Ω+10Ω＝1155Ω

第二步进盘置“2”时，辅助盘II′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II′的电刷与节点B之间电阻值等于(2210Ω+r₂)×(2050Ω+90Ω+r₂”)/(2×2280)Ω+r₂’＝2280Ω/2+20Ω＝1140Ω+20Ω＝1160Ω。

同理，第二步进盘置“3”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值是1165Ω，

第二步进盘置“4”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值是1170Ω，

第二步进盘置“5”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值是1175Ω，

……

第二步进盘置“9”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值是(2210/2+90)Ω＝1195Ω，第二步进盘置“10”时，辅助盘II′的电刷与节点B之间电阻值是(2200/2+100)Ω＝1200Ω。

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。

电压测量装置标准工作电流有两个：在×10、×1量程时，标准工作电流是2.31mA，在×0.1、×0.01量程时，标准工作电流是0.0231mA。

节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B的电阻是1200Ω，节点D经过测量滑线III到节点B的电阻是2400Ω，节点D经过测量滑线III到节点B的电阻值是节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B的电阻值的20倍，节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B的总电流是节点D经过测量滑线III到节点B电流的20倍，在×10量程，节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B与节点D经过测量滑线III到节点B的并联电阻为1200×24000/(1200+24000)Ω＝800/7Ω，加上50/7Ω电阻R₁₅总共1150Ω，并联在节点F与节点B之间的另一支路1150Ω量程转换电阻r₁与10350Ω量程转换电阻r₂之和是11500Ω，因此电压测量装置标准工作电流的10/11流过电阻R₁₅、节点D到节点B，1/11流过1150Ω量程转换电阻r₁、电阻r₂到节点B；在×1量程，节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B与节点D经过测量滑线III到节点B的并联电阻为1200×24000/(1200+24000)Ω＝800/7Ω，加上50/7Ω电阻R₁₅有1150Ω，串联10350Ω量程转换电阻r₂之和是11500Ω，与1150Ω量程转换电阻r₁并联，因此电压测量装置工作电流的1/11流过电阻R₁₅、节点D到节点B，经过电阻r₂到开关K₁的×1量程触点，10/11流过1150Ω量程转换电阻r₁到开关K₁的×1量程触点，电压测量装置工作电流标准化时的电流为2.31mA，在×10量程，2.1mA电流经过节点D到节点B，0.21mA电流流过1150Ω量程转换电阻r₁与10350Ω量程转换电阻r₂；在×1量程，0.21mA电流经过节点D到节点B，2.1mA电流流过1150Ω量程转换电阻r₁。在×1量程，流过节点D到节点B的电流是在×10量程时的1/10。

在×10量程，节点D经过第一、第二两个步进盘到节点B的总电流是2mA，测量滑线III上电流是0.1mA；根据三角形-星形变换，辅助盘II′电刷经过测量盘I到等效电阻r_n、r_n’、r_n”的交点Q_n(n＝1、2、3…9)的电阻与辅助盘II′电刷经过2050Ω电阻R₁₂到交点Q_n的电阻相等，所以流过测量盘I与2050Ω电阻R₁₂的电流各为1mA；测量盘II置“10”时，辅助盘II′电刷经过测量盘I到节点C的电阻与辅助盘II′电刷经过2050Ω电阻R₁₂到节点C的电阻都等于2200Ω，所以流过测量盘I与2050Ω电阻R₁₂的电流也各为1mA。

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U_AB＝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U_AB＝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U_AB＝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U_AB＝90mV加1Ω电阻R₁₁上10mV，共100mV；流过测量滑线III的电流是0.1mA，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“U_x”两个测量端钮间电压为：

U_x＝1×100n₁+1×100+n₂/10×100-0.1×900-0.1×10×(10-n₃)(mV)

＝100n₁+100+10n₂-90-10+n₃ (mV)

＝100n₁+10n₂+n₃ (mV)

在×1量程时，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“U_x”两个测量端钮间电压为：

U_x＝10n₁+n₂+0.1n₃ (mV)

每批生产的标准电池的电动势是离散的，在1.0188V～1.0196V之间，在×10、×1量程时，标准化的工作电流为2.31mA，因此调定电阻R_N取441Ω，外加0～0.6Ω可锁定的可调电阻R_P6，可以覆盖标准电池电动势的变化范围。

2.31mA标准电流是这样确定的：把2V标准信号电压按极性与电压测量装置“U_x”两个测量端钮连接，电压测量装置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R_P1、可调电阻R_P2、可调电阻R_P3、可调电阻R_P4，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_P6，使检流计G指零，这时把可调电阻R_P6锁定；电压测量装置今后使用时依此为在×10、×1量程时标准。

在×0.1、×0.01量程时，标准化的工作电流为0.0231mA，因此调定电阻R_N取44100Ω，外加0～56Ω可锁定的可调电阻R_P5，也可以覆盖标准电池电动势的变化范围。

0.0231mA标准电流是这样确定的：把20mV标准信号电压按极性与电压测量装置“U_x”两个测量端钮连接，电压测量装置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R_P1、可调电阻R_P2、可调电阻R_P3、可调电阻R_P4，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_P5，使检流计G指零，这时把可调电阻R_P5锁定；电压测量装置今后使用时依此为在×0.1、×0.01量程时标准。

在×0.1量程时，节点D经过两个步进盘到节点B的电流是0.02mA，节点D经过双滑线盘到节点B的电流是0.001mA，都是×10量程时的1/100，当第一步进盘置n₁、第二步进盘置n₂、第三盘置n₃时(n₃表示大格示值)“U_x”两个测量端钮间电压为：U_x＝n₁+0.1n₂+0.01n₃ (mV)

在×0.01量程时，节点D经过两个步进盘到节点B的电流是0.002mA，节点D经过双滑线盘到节点B的电流是0.0001mA，都是×10量程时的1/1000，当第一步进盘置n₁、第二步进盘置n₂、第三盘置n₃时(n₃表示大格示值)“U_x”两个测量端钮间电压为：U_x＝0.1n₁+0.01n₂+0.001n₃(mV)第三盘每小格示值为0.1μV。

Claims

1.一种多量程电压测量装置，电流从电压测量装置4.5V工作电源的正极经过节点F、B之间的两个步进盘、一个双滑线盘及量程转换电阻的电阻测量网络到双刀四掷量程转换开关K₁及调定电阻RN和可锁定的可调电阻，再经过可调电阻R_P1、R_P2、R_P3及可调电阻R_P4回到工作电源负极组成电压测量装置的工作回路；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到调定电阻及可锁定的可调电阻到标准电池E_N负极组成电压测量装置标准回路；电压测量装置用于连接被测量“U_X”的两个端钮，正极端钮经过两个测量盘及一个双滑线盘后，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到负极端钮组成电压测量装置补偿回路；其特征在于第一步进盘只有测量盘I，它有0、1、2、……22共23个档位，各档位触点间连接100Ω电阻一只；第三盘为双滑线盘，两根滑线粗细材质相同，阻值都是100Ω，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10Ω，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，0～9档位上面有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的另一端的连接点为电路节点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R₁₁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的第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只5Ω的电阻，辅助盘II’的电刷经过2050Ω电阻R₁₂后连接测量盘II的电刷，辅助盘II′的电刷连接测量盘I第22个触点，测量盘I的第0触点连接电路节点C，辅助盘II′第10触点与23000Ω电阻R₁₃的一端连接点为节点D，节点D经过50/7Ω电阻R₁₅后与1150Ω量程转换电阻r₁一端并联在节点F，节点F连接电压测量装置工作电源的正极；电阻R₁₃的另一端连接测量滑线III的始端第0触点，测量滑线III的末端第10触点经过900Ω电阻R₁₄后连接电路节点B；节点B与10350Ω量程转换电阻r₂一端并联在双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层×10量程触点及×0.1量程触点，量程转换电阻r₂的另一端与1150Ω量程转换电阻r₁的另一端并联在双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层×0.01量程及×1量程触点，双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-2层×1量程触点连接×10量程触点后，经过441Ω调定电阻RN₁和调节范围在0～0.6Ω可锁定的可调电阻R_P6连接标准电池E_N负极，双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-2层×0.01量程触点连接×0.1量程触点后，经过44100Ω调定电阻RN₂和调节范围在0～56Ω可锁定的可调电阻R_P5连接标准电池E_N负极，标准电池E_N负极经过由22只7680Ω电阻组成的可调电阻R_P1、由22只350Ω电阻组成的可调电阻R_P2、由22只15Ω电阻组成的可调电阻R_P3及调节范围在0～18Ω的可调电阻R_P4回到工作电源负极；双刀四掷量程转换开关K₁的K_1-1层及K_1-2层两个常闭触点连接调定电阻RN高电势端；电压测量装置用于连接被测量“U_X”的两个端钮，正极端钮与测量盘I电刷连接，负极端钮经过双刀双掷开关K₂后与辅助滑线III′连接。