CN102998504A

CN102998504A - 一种有利于仪器生产企业管理的电位差计

Info

Publication number: CN102998504A
Application number: CN2012105288124A
Authority: CN
Inventors: 骆君
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-03-27

Abstract

一种用于直流电压测量的电位差计，它采用了六只测量盘都同用一串电阻，其余各步进开关尽可能统一，使电位差计所用电阻很少，电阻种类也少，步进开关也采用同种结构，使仪器生产企业管理方便，电位差计内部引线电阻上总电压降几乎为零，电压测量仪器测量时能够忽略零电势及热电势影响，测量盘开关步进切换时，开关接触电阻的变差，不在测量回路内，因此，本电位差计可以用于极微小电压的测量。

Description

一种有利于仪器生产企业管理的电位差计

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，在电压测量方面，精度低的地方用数字电压表直接测量，精度高的地方采用电位差计，电位差计按测量电压分为高电势电位差计与低电势电位差计，按电路原理分为桥式、分压式、串联代换式、电压叠加式、电流叠加式等等，电位差计精度从0.1级到0.002级有6个级别，电位差计主要由各种工作电流调节开关、温度补偿开关、测量步进开关与各种阻值线绕电阻组成，由于电位差计种类繁多，使仪器生产企业要库存大量的、各种各样的线绕电阻和多种式样的开关。线绕电阻除了人工老化还需自然老化，电位差计精度越高，所用线绕电阻自然老化时间越长；由于外形相同阻值相同的线绕电阻放在同一仓库里，很容易搞混。生产线上往往有精度不同的电位差计在生产，阻值及外形相的线绕电阻可能用在不同型号的电位差计上，如果自然老化时间长的线绕电阻用在低精度电位差计上就造成浪费，自然老化时间短的线绕电阻用在高精度电位差计上就制造了难以发现的次品，开关问题也一样，由于开关种类多，就造成库存量大，少了一种开关仪器就不能生产，这些都给仪器生产企业的管理带来很多不便。

发明内容

本发明的目的，是设计一种电位差计，把各种工作电流调节开关、温度补偿开关、各种测量步进开关统一成一种步进开关，测量步进开关上的电阻尽可能统一成一种电阻，这就大幅度的降低了原器件的种类，就可以降低企业库存，也方便了管理。

本发明的技术方案这样采取：

电位差计由步进开关及电阻组成，每只步进开关上有24个按圆周均匀分布可固定触点或定位钉的孔，固定后的触点一面可与电阻焊接，另一面通过刷架上的电刷与步进开关上的金属环接触，步进开关上的金属环是两只相互中心对称的、互不连通的半环，每只半环均可与导线焊接；步进开关按装配形式有三种：一，当步进开关的刷架装一把电刷，一只半环通过电刷按顺时针滑动可分别接触对应的触点是11个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，按顺时针组成0、1、2、……10有11个档位且每个步进阻值相同的步进开关，“0”档位按顺时针往前一个档位及“10”档位按顺时针往后一个档位的孔用定位钉固定，其余孔空着；二，当步进开关的刷架装一把电刷且两只半环用导线连接成一只全环，通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点是21个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，就组成0、1、2、……20有21个档位且每个步进阻值相同的步进开关，其余三个孔中间孔空着，旁边两个孔用定位钉固定；三，当两只半环不用导线连接，步进开关的刷架装两把相互中心对称的电刷，两只半环通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点都是11个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，就组成0、1、2、……10有11个档位两只具有每个步进阻值相同且同步的步进开关，步进开关其余两个孔用定位钉固定；电位差计有用于工作电流调节的步进开关R_P0、用于工作电流调节的步进开关R_P1、用于温度补偿的步进开关W₁、用于温度补偿的步进开关W₂，这些步进开关的刷架装一把电刷，半环对应11个触点上焊有10只0.01Ω电阻，按顺时针组成0、1、2、……10有11个档位；电位差计有刷架装一把电刷的步进开关R_P2，步进开关R_P2的半环对应11个触点上焊有10只0.1Ω电阻；步进开关R_P3的刷架装一把电刷，两只半环用导线连接成一只全环，通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点是21个，每相邻两个触点间焊接1Ω电阻一个，就组成0、1、2、……20有21个档位且每个步进阻值相同的步进开关；含测量盘I的步进开关有两只相互中心对称的半环，其中一只半环与对应的11个触点上焊有10只0.111111Ω电阻组成了测量盘I，另一只半环与对应的11个触点上同样焊有10只0.111111Ω电阻组成了代换盘I′；测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI是只有半环及与半环对应的11个触点，刷架上是一把电刷的步进开关；电位差计工作电流由外接13V工作电源E正极经过1KΩ电阻R₀后分成两路：一路连接1KΩ电阻R₁再连接步进开关步进开关R_P0的第“0”触点，另一路经过112Ω电阻R₁′后连接步进开关R_P0的第“10”触点，步进开关R_P0的半环连接步进开关R_P1的第“0”触点，步进开关R_P1的半环连接步进开关R_P2的第“0”触点，步进开关R_P2的半环连接步进开关R_P3的第“0”触点，其特征在于流进步进开关R_P3全环的电流分成二路：一路连接测量盘I第“0”触点为电路节点A，测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI上的各个触点与测量盘I上的对应触点连接，测量盘VI的半环连接10KΩ电阻R₆与测量盘V的半环连接1KΩ电阻R₅并联于电路节点B，再经过由9只10KΩ电阻串联成的电阻R₇与测量盘III的半环连接1KΩ电阻R₃、测量盘IV的半环连接10KΩ电阻R₄并联于电路节点C，再经过由8只10KΩ电阻串联成的电阻R₈、109Ω电阻R₉、由9只1KΩ电阻串联成的电阻R₁₀与测量盘II的半环连接10KΩ电阻R₂并联于电路节点D，代换盘I′的半环与测量盘I半环用导线连接，代换盘I′的第“10”触点经过998.88889Ω电阻R₁₁连接电路节点D，流进步进开关R_P3全环电流的另一路经过100Ω电阻R₁₂后连接电路节点D，节点D连接步进开关W₁第“10”触点，步进开关W₁第“0”触点经过1.1Ω电阻R₁₃后分两路：一路经过1KΩ电阻R₁₄连接步进开关W₂第“0”触点，另一路经过112Ω电阻R₁₅后与步进开关W₂第“10”触点连接，再连接外接13V工作电源E负极；用于连接外接标准电池E_N的正极端钮经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K与步进开关W₁的半环连接，连接外接标准电池E_N的负极端钮与步进开关W₂的半环连接，用于连接外接被测量U_X的正极端钮与节点A连接，连接外接被测量U_X的负极端钮经过两个常闭触点间接有检流计G的双刀双掷开关K与测量盘I的第“10”触点连接。

通过以上技术方案，测量盘I、测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI都没有代换盘，且测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI上都没有电阻，这就省去了大量的线绕电阻，六个测量盘误差独立，相同步进误差一致，这给调试与维修带来方便；线绕电阻种类少，工作电流调节开关、温度补偿盘的开关、测量盘的转动开关，都采用同一种步进开关，装配方式也大同小异，这方便了材料采购与生产安排，也降低了生产成本，它使电位差计结构简单，体积缩小，从而，当电位差计六个测量盘置“0”时，电位差计的内部线路总电势是A点电位，一点电位为“0”，所以本电位差计的零电势很小，所有测量盘各个支路热电势都串联在0.9V电压降上，因此热电势影响可以忽略，六只测量盘开关步进切换引起的变差不会引起连接外接被测量U_X的正、负极端钮之间的任何细微电压变化，所以本电位差计用于测量极微小的电压。

附图说明

图1是本电位差计原理电路图中粗黑线条表示步进开关的半环，双向箭头表示电刷，小圆圈表示触点，10×0.01Ω表示有10只0.01Ω电阻串联在一起，同理，10×0.1Ω表示有10只0.1Ω电阻串联在一起，9×10KΩ的电阻R₇表示电阻R₇有9只10KΩ电阻串联在一起，8×10KΩ的电阻R₈表示电阻R₈有8只10KΩ电阻串联在一起，9×1KΩ的电阻R₁₀表示电阻R₁₀有9只1KΩ电阻串联在一起。

图2是六只测量盘的等效电路。

具体实施方式

在图1中，测量盘I与代换盘I′的电刷装在同一把刷架上，测量盘I每步进增加的电阻，等于代换盘I′减少的电阻，所以测量盘I转动时，电路总阻不变。

设流过R₁₁的电流为I₁，流过R₂的电流为I₂，流过R₃的电流为I₃，流过R₄的电流为I₄，流过R₅的电流为I₅，流过R₆的电流为I₆，因为10×0.111111Ω+998.88889Ω＝1000Ω R₂＝10(1.11111+R₁₁)，R₄＝10R₃，R₆＝10R₅，则有10I₂＝I₁，10I₄＝I₃，10I₆＝I₅，R₂与R₁₁的并联电阻、R₄与R₃的并联电阻、R₆与R₅的并联电阻都相等且为10000/11Ω；根据R₄、R₅、R₆、R₇的电路，在节点A、C之间有：

I₄R₄＝I₅R₅+(I₆+I₅)R₇ 10⁴I₄＝10I₆×10³+(I₆+10I₆)R₇

10⁴I₄＝10⁴I₆+11I₆×9×10⁴＝10⁴I₆+99×10⁴I₆＝100×10⁴I₆ 即：I₄＝100I₆，I₃＝1000I₆

根据R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₁₀的电路，在节点A、D之间有：

I₂R₂＝I₃R₃+(I₆+I₅+I₄+I₃)×89109 10⁴I₂＝10³I₃+(I₆+I₅+I₄+I₃)×89109

10⁴I₂＝10³I₃+1.111×I₃×89109＝10³I₃+99000.1×I₃＝100000.1×I₃ 即I₂＝10I₃

因此测量盘电流比I₁∶I₂∶I₃∶I₄∶I₅∶I₆＝10⁵∶10⁴∶10³∶10²∶10∶1

根据各个测量盘电流比，把测量盘那部分电路简化为图2的等效电路，在图2中，除测量盘I外，其余各测量盘转动时，电阻是变化的。节点A与节点D之间总电阻设为R_AD，各测量盘电阻变量为X，

1/R_AD＝1/(r₆+X)+1/(r₅+X)+1/(r₄+X)+1/(r₃+X)+1/(r₂+X)+1/1000

即1/R_AD＝1/(10⁸Ω+X)+1/(10⁷Ω+X)+1/(10⁶Ω+X)+1/(10⁵Ω+X)+1/(10⁴Ω+X)+1/1000

两边求导：(1/R_AD)′＝{1/(10⁸Ω+X)+1/(10⁷Ω+X)+1/(10⁶Ω+X)+1/(10⁵Ω+X)+1/(10⁴Ω+X)+1/1000}′

-R_AD′/R_AD ²＝{-1/(10⁸+X)²-1/(10⁷+X)²-1/(10⁶+X)²-1/(10⁵+X)²-1/(10⁴+X)²+0}

R_AD′＝{1/(10⁸+X)²+1/(10⁷+X)²+1/(10⁶+X)²+1/(10⁵+X)²+1/(10⁴+X)²}R_AB ²

电阻R_AD的导数是正值，所以各测量盘电阻变量增大时，节点A与节点B之间总阻值R_AD是增大的。各个步进盘置“0”示值时节点A与节点D之间阻值最小，各个步进盘置“10”示值时节点A与节点D之间阻值最大，当六只测量盘全置“0”时电阻R_A0 D阻值计算：

1/R_A0 D＝1/10²+1/10³+1/10⁴+1/10⁵+1/10⁶+1/10⁷+1/10⁸＝1111111/10⁸

R_A0 D＝90.000009Ω

当六只测量盘全置“10”时，各盘电刷移到测量盘I的第“10”触点，电阻R_AD阻值计算：

先把不含电阻R₁₂支路的总电阻R_A10 D计算：

1/R_A10 D＝1/10³+1/(1+10⁴)+1/(1+10⁵)+1/(1+10⁶)+1/(1+10⁷)+1/(1+10⁸)

≈111109.9899/10⁸

R_A10 D＝900.009Ω 节点A与节点D之间总电阻R_AD计算：

1/R_AD＝1/(1.11111+R_A10 D)+1/100＝0.01110973995 1/Ω R_AD＝90.0111Ω

它比最小阻值大0.0111Ω，对电位差计整个回路总阻变化了十万分之一，因此当电位差计精度不高于万分之一时，不管各个步进盘置何示值时节点A、D之间阻值变化都可以忽略。

六个测量盘并联电阻是900Ω，与六个测量盘并联的电阻R₁₂是100Ω，所以工作电流的1/10流过并联的六个测量盘，工作电流的9/10流过电阻R₁₂。

由于10⁶Ω、10⁷Ω、10⁸Ω线绕电阻企业几乎不可能生产，即使能生产，步进开关材料也不能达到绝缘要求，所以实际生产的电位差计六个测量盘实际电路不能采用等效电路。

外接饱和标准电池E_N电动势约为1.0186V，温度每增加1℃，输出电压约减小40μV，要求与外接饱和标准电池E_N电动势相等的是温度补偿盘W₁、电阻R₁₃、电阻R₁₄、温度补偿盘W₂电压和。

电位差计标准工作电流设计成10mA，112Ω电阻R₁₅与1KΩ电阻R₁₄串联10×0.01Ω电阻后并联，因此流过电阻R₁₄电流是1.0071mA，1.1Ω电阻R₁₃与1KΩ电阻R₁₄上的电压降是1.0181V，温度补偿盘W₁每步进补偿100μV，温度补偿盘W₂每步进补偿10μV，使用电位差计测量过程是这样的：先校准工作电流，即把标准电池与电位差计外接标准电池的两个接线柱按极性连接，看看标准电池有1/10℃温度计上的温度，查表就可以知道标准电池电动势值，也可以按每增加1℃从1.0186V减小40μV来估算，然后调节温度补偿盘W₁和温度补偿盘W₂，使温度补偿盘W₁与温度补偿盘W₂间电压读数值与外接标准电池电动势值相等，两个常闭触点间接有检流计G的双刀双掷开关K掷向右边，检流计G产生了偏转，通过调节用于调节工作电流的步进开关R_P3、步进开关R_P2、步进开关R_P1、步进开关R_P0使检流计G指零，这时工作电流就标准化了，为10mA；把电位差计用于连接被测量U_X的正极端钮、负极端钮与被测量按极性连接，两个常闭触点间接有检流计G的双刀双掷开关K掷向左边，这时检流计G产生了偏转，通过调节测量盘I、测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI使检流计G指零，这时六个测量盘的读数值就被测量的电压值。

由于六个测量盘都共用测量盘I上的电阻，所以六个测量盘每个盘的步进电阻值相同，电流比：测量盘I∶测量盘II∶测量盘III∶测量盘IV∶测量盘V∶测量盘VI＝10⁵∶10⁴∶10³∶10²∶10∶1，也是六个步进盘每个步进的电压比，10mA标准工作电流流经六个测量盘的总电流是1mA。

六个测量盘同时增加一个步进，连接被测量U_X的两个端钮间增加电压0.111111mV，则，测量盘I增加10^-1mV：测量盘II增加10^-2mV：测量盘III增加10^-3mV：测量盘IV增加10^-4mV：测量盘V增加10^-5mV：测量盘VI增加10^-6mV，当工作电流标准化后，第I测量盘掷n₁，第II测量盘掷n₂，第III测量盘掷n₃，第IV测量盘掷n₄，第V测量盘掷n₅，第VI测量盘掷n₆，开关K掷向左边，这时位于测量的两个端钮间电压为：

U_X＝0.1×n₁+0.01n₂+0.001n₃+0.0001n₄+0.00001n₅+0.000001n₆(mv)

电位差计工作电压为13V，宜采用高稳定电源UJ49a，步进开关R_p3的一个步进是步进开关R_p2的十个步进，步进开关R_p2的一个步进是步进开关R_p1的十个步进，步进开关R_p0上10×0.01Ω电阻通过112Ω电阻R₁′并联，起到相当于10×0.001Ω电阻的效果，步进开关R_p0上的电流是1.0071mA，步进开关R_p0上十个步进，略大于步进开关R_p1的一个步进，通过这些步进开关的调节，可以把工作电流准确调节到10mA。

Claims

1.一种有利于仪器生产企业管理的电位差计，电位差计由步进开关及电阻组成，每只步进开关上有24个按圆周均匀分布可固定触点或定位钉的孔，固定后的触点一面可与电阻焊接，另一面通过刷架上的电刷与步进开关上的金属环接触，步进开关上的金属环是两只相互中心对称的、互不连通的半环，每只半环均可与导线焊接；步进开关按装配形式有三种：一，当步进开关的刷架装一把电刷，一只半环通过电刷按顺时针滑动可分别接触对应的触点是11个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，按顺时针组成0、1、2、……10有11个档位且每个步进阻值相同的步进开关，“0”档位按顺时针往前一个档位及“10”档位按顺时针往后一个档位的孔用定位钉固定，其余孔空着；二，当步进开关的刷架装一把电刷且两只半环用导线连接成一只全环，通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点是21个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，就组成0、1、2、……20有21个档位且每个步进阻值相同的步进开关，其余三个孔中间孔空着，旁边两个孔用定位钉固定；三，当两只半环不用导线连接，步进开关的刷架装两把相互中心对称的电刷，两只半环通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点都是11个，每相邻两个触点间焊接相同阻值的电阻一个，就组成0、1、2、……10有11个档位两只具有每个步进阻值相同且同步的步进开关，步进开关其余两个孔用定位钉固定；电位差计有用于工作电流调节的步进开关R_P0、用于工作电流调节的步进开关R_P1、用于温度补偿的步进开关W₁、用于温度补偿的步进开关W₂，这些步进开关的刷架装一把电刷，半环对应11个触点上焊有10只0.01Ω电阻，按顺时针组成0、1、2、……10有11个档位；电位差计有刷架装一把电刷的步进开关R_P2，步进开关R_P2的半环对应11个触点上焊有10只0.1Ω电阻；步进开关R_P3的刷架装一把电刷，两只半环用导线连接成一只全环，通过电刷按顺时针滑动分别接触对应的触点是21个，每相邻两个触点间焊接1Ω电阻一个，就组成0、1、2、……20有21个档位且每个步进阻值相同的步进开关；含测量盘I的步进开关有两只相互中心对称的半环，其中一只半环与对应的11个触点上焊有10只0.111111Ω电阻组成了测量盘I，另一只半环与对应的11个触点上同样焊有10只0.111111Ω电阻组成了代换盘I′；测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI是只有半环及与半环对应的11个触点，刷架上是一把电刷的步进开关；电位差计工作电流由外接13V工作电源E正极经过1KΩ电阻R₀后分成两路：一路连接1KΩ电阻R₁再连接步进开关步进开关R_P0的第“0”触点，另一路经过112Ω电阻R₁′后连接步进开关R_P0的第“10”触点，步进开关R_P0的半环连接步进开关R_P1的第“0”触点，步进开关R_P1的半环连接步进开关R_P2的第“0”触点，步进开关R_P2的半环连接步进开关R_P3的第“0”触点，其特征在于流进步进开关R_P3全环的电流分成二路：一路连接测量盘I第“0”触点为电路节点A，测量盘II、测量盘III、测量盘IV、测量盘V、测量盘VI上的各个触点与测量盘I上的对应触点连接，测量盘VI的半环连接10KΩ电阻R₆与测量盘V的半环连接1KΩ电阻R₅并联于电路节点B，再经过由9只10KΩ电阻串联成的电阻R₇与测量盘III的半环连接1KΩ电阻R₃、测量盘IV的半环连接10KΩ电阻R₄并联于电路节点C，再经过由8只10KΩ电阻串联成的电阻R₈、109Ω电阻R₉、由9只1KΩ电阻串联成的电阻R₁₀与测量盘II的半环连接10KΩ电阻R₂并联于电路节点D，代换盘I′的半环与测量盘I半环用导线连接，代换盘I′的第“10”触点经过998.88889Ω电阻R₁₁连接电路节点D，流进步进开关R_P3全环电流的另一路经过100Ω电阻R₁₂后连接电路节点D，节点D连接步进开关W₁第“10”触点，步进开关W₁第“0”触点经过1.1Ω电阻R₁₃后分两路：一路经过1KΩ电阻R₁₄连接步进开关W₂第“0”触点，另一路经过112Ω电阻R₁₅后与步进开关W₂第“10”触点连接，再连接外接13V工作电源E负极；用于连接外接标准电池E_N的正极端钮经过两个常闭触点之间接有检流计G的双刀双掷开关K与步进开关W₁的半环连接，连接外接标准电池E_N的负极端钮与步进开关W₂的半环连接，用于连接外接被测量U_X的正极端钮与节点A连接，连接外接被测量U_X的负极端钮经过两个常闭触点间接有检流计G的双刀双掷开关K与测量盘I的第“10”触点连接。