CN109085427B - 一种模拟等效毫欧至微欧量级直流电阻的桥式电阻 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥式电阻，包括标称值相同的四个子电阻，四个子电阻依次连接成四边形，每一个子电阻作为桥臂电阻形成所述四边形的一个边，四边形的四个顶角上分别设置输出端子，四边形中任意两个对角的输出端子之间的输出电阻值与所述标称值一致。本发明提出的新型桥式电阻可完成以下三项任务：1.测定电阻的负载系数；2.模拟等效毫欧至微欧量级的直流电阻；3.模拟等效毫欧量级交流电阻；解决了目前电学计量领域中存在的技术难题。

Description

一种模拟等效毫欧至微欧量级直流电阻的桥式电阻

本申请是申请号：201510415463.9、申请日：2015年07月15日、申请人：北京东方计量测试研究所、发明名称：桥式电阻及其应用的分案申请。

技术领域

本发明涉及电学计量技术领域，特别是涉及一种模拟等效毫欧至微欧量级直流电阻的桥式电阻。

背景技术

目前在电学计量领域，存在三个突出的技术问题：

一、电阻负载系数的测定

电阻负载系数是电阻的关键技术指标，在电阻用于精密测量或作为仪器中的关键器件时具有重要作用，例如电阻作为分流器用于测量电流时，其功率往往较大或很大，分流器的负载效应成为电流测量误差的主要因素，但对其校准却通常在低功率下进行，不能得知分流器在大功率下的量值，既得不到分流器的负载系数。主要原因是难以找到已知负载效应的大功率标准电阻作为参考标准。

二、微欧姆计的校准

微欧姆计是用于测量低值电阻的仪器，校准微欧姆计需要毫欧至微欧量级的低值标准电阻，但毫欧至微欧量级的低值标准电阻研制极为困难，成为电学计量薄弱环节。

三、交流电阻测量仪的低量程校准

由于交流低值电阻受分布电感和涡流的影响明显，目前低值交流标准电阻的交直流差和时间常数都较大，在校准交流电阻测量仪的低阻量程时，数值偏差很大，分不清是被校交流电阻测量仪的误差还是标准电阻的误差，不能形成校准关系，成为电学计量的突出问题。

发明内容

本发明根据现有技术存在的问题，提供一种桥式电阻，有利于解决以下问题：1.测定电阻负载系数；2.模拟等效毫欧至微欧量级的直流电阻；3.模拟等效毫欧量级交流电阻。

本发明的技术方案是：

一种桥式电阻，其特征在于，包括标称值相同的四个子电阻，所述四个子电阻依次连接成四边形，每一个子电阻作为桥臂电阻形成所述四边形的一个边，所述四边形的四个顶角上分别设置输出端子，所述四边形中任意两个对角的输出端子之间的输出电阻值与所述标称值一致。

所述标称值相同的四个子电阻的阻值偏差均小于万分之一。

桥式电阻在测量电阻负载系数中的应用，其特征在于，测量所述桥式电阻的负载系数，得到已知负载系数的桥式标准电阻，利用已知负载系数的桥式标准电阻，测量待测电阻的负载系数；在直流电流比较仪式电桥的被测电阻端接入桥式电阻任意两对角输出端，所述直流电流比较仪式电桥的标准电阻端接入与桥式电阻任意两对角端输出电阻同标称的标准电阻，将所述桥式电阻的另两个对角端连接一交流电流源，改变交流电源的输出电流，直流电流比较仪式电桥可测得桥式电阻随输入交流电流变化而发生改变的量值，即得到桥式电阻的负载系数曲线，所述桥式电阻成为已知负载系数的桥式标准电阻；将已知负载系数的桥式标准电阻的两个对角端连接直流电流比较仪式电桥的标准电阻端，所述待测电阻负载系数的被测电阻连接于直流电流比较仪式电桥的被测电阻端，通过改变直流电流比较仪电桥的输出电流，即可由已知负载系数的桥式电阻测得被测电阻的负载系数。

所述直流电流比较仪式电桥的测量准确度达到10^-7量级。

所述桥式电阻随功率变化的曲线可以表征为电阻负载系数。

桥式电阻在校准微欧姆计中的应用，其特征在于，通过在所述桥式电阻的一个桥臂电阻上再并联调节电阻的方式，模拟等效毫欧至微欧量级的直流电阻，用于校准微欧姆计；将所述桥式电阻的一对对角输出端分别连接被校微欧姆计的电流正端、电流负端，另一对对角输出端分别连接被校微欧姆计的电压正端、电压负端，并将连接微欧姆计的电流负端和电压负端的两个端子之间的桥臂电阻并联相应的电阻；在微欧姆计的电流正、负端给桥式电阻的一对对角端施加电流I时，微欧姆计电压正、负端可测得桥式电阻的另一对角端的输出电压U，U/I可等效一微小电阻，当并联电阻阻值不同时，可等效不同的毫欧至微欧量级的直流电阻，实现在毫欧至微欧量级校准微欧姆计。

若需等效0.1Ω至1mΩ的毫欧级电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻一般为10Ω，并联电阻的范围在240Ω至30kΩ；若需等效100μΩ至10μΩ的微欧级电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻一般为1Ω，并联电阻的范围在24kΩ至300kΩ。

桥式电阻在校准交流电阻测量仪中的应用，其特征在于，通过在所述桥式电阻的一个桥臂电阻上再并联调节电阻的方式，模拟等效毫欧量级交流电阻，用于交流电阻测量仪的低量程校准；将所述桥式电阻的一对对角输出端分别连接被校交流电阻测量仪的电流正端、电流负端，另一对对角输出端分别连接被校交流电阻测量仪的电压正端、电压负端，并将连接交流电阻测量仪的电流负端和电压负端的两个端子之间的桥臂电阻并联相应阻值的电阻；在交流电阻测量仪的电流正、负端给桥式电阻的一对对角端施加电流I，交流电阻测量仪电压正、负端可测得桥式电阻的另一对角端的输出电压U，U/I可等效一微小电阻，当并联电阻阻值不同时，可等效不同的毫欧量级的电阻，实现在毫欧量级校准交流电阻测量仪。

若需等效1Ω至10mΩ的毫欧级电阻，桥式电阻的桥臂电阻一般为100Ω，并联电阻的范围2.4kΩ至300kΩ.

本发明的技术效果：

本发明提供了一种新的电阻形式，即包括标称值相同的四个子电阻，四个子电阻依次连接成四边形，每一个子电阻作为桥臂电阻形成四边形的一个边，四边形的四个顶角上分别设置输出端子，四边形中任意两个对角的输出端子之间的输出电阻值与所述标称值一致。利用本发明提出的新型桥式电阻可完成以下三项任务，解决了目前电学计量领域中存在的技术难题。

1)完成电阻负载系数的测定，主要应用对象是作为分流器的电阻，当电阻作为分流器用于测量电流时，其功率往往较大或很大，但对其校准却通常在低功率下进行，不能得知分流器在大功率下的量值，既得不到分流器电阻的负载系数。分流器的负载效应成为电流测量误差的主要因素，其主要原因是难以找到已知负载系数的大功率标准电阻作为参考标准。利用本发明提出的桥式电阻，可在较大功率下首先得到桥式电阻的负载系数，从而得到已知负载系数的参考电阻，再以此桥式电阻为标准测定其他电阻的负载系数。

2)模拟毫欧至微欧量级的低值直流电阻，可以用于校准微欧姆计。由于校准微欧姆计需要毫欧至微欧量级的低值标准电阻，而实际的毫欧至微欧量级的低值标准电阻研制又极为困难，利用本发明提出的桥式电阻，在其中一个桥臂电阻上再并联相应的电阻，使桥式电阻的桥臂出现不平衡量，通入电流后，产生电压差，电压与电流的比值可以等效低值电阻，实现微欧姆计的校准。

3)模拟毫欧量级的低值交流电阻，可以用于交流电阻测量仪的低量程校准，克服了目前低值交流标准电阻的交直流差和时间常数都较大的缺陷，解决了交流电阻测量仪的低量程校准问题。其原理与模拟低值直流电阻一致，不同之处是所用桥式电阻的桥臂电阻较大，并联电阻的阻值也较大，不宜产生微欧量级的电阻，适合于毫欧量级的模拟等效，可满足实际校准的需要。

附图说明

图1是本发明的桥式电阻的结构示意图。

图2是本发明测量桥式电阻负载系数的示意图。

图3是本发明应用桥式电阻测量待测电阻负载系数的示意图。

图4是本发明的应用桥式电阻校准微欧姆计的示意图。

图5是本发明的应用桥式电阻校准交流电阻测量仪低量程的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，是本发明的桥式电阻的结构示意图。所述桥式电阻包括标称值相同的四个子电阻R1、R2、R3、R4，四个子电阻R1、R2、R3、R4依次连接成四边形，每一个子电阻作为桥臂电阻形成四边形的一个边，四边形的四个顶角上分别设置输出端子A、B、C、D，四边形中任意两个对角的输出端子之间的输出电阻值与所述标称值一致。本实施例中，所述标称值相同的四个子电阻的阻值偏差均小于万分之一。

桥式电阻的应用之一是，测量所述桥式电阻的负载系数，得到已知负载系数的桥式标准电阻，利用已知负载系数的桥式标准电阻，测量待测电阻的负载系数。当桥式电阻接入直流电流比较仪式电桥与标准电阻进行比较测量时，将桥式电阻的另两个对角端连接一交流电流源AC，由于是交流电流，直流电流比较仪式电桥测量不到其电流量值，但能测量到加入交流电流后桥式电阻发生的改变，利用这一特性，可完成测定电阻的负载系数任务；具体是，在直流电流比较仪式电桥的被测电阻端接入桥式电阻任意两对角输出端，直流电流比较仪式电桥的标准电阻端接入与桥式电阻任意两对角端输出电阻同标称的标准电阻，将所述桥式电阻的另两个对角端连接一交流电流源，改变交流电源的输出电流，直流电流比较仪式电桥可测得桥式电阻随输入交流电流变化而发生改变的量值，即得到桥式电阻的负载系数曲线，所述桥式电阻成为已知负载系数的桥式标准电阻；将已知负载系数的桥式标准电阻的两个对角端连接直流电流比较仪式电桥的标准电阻端，所述待测电阻负载系数的被测电阻连接于直流电流比较仪式电桥的被测电阻端，通过改变电流比较仪电桥的输出电流，即可由已知负载系数的桥式电阻测得被测电阻的负载系数。其中，直流电流比较仪式电桥是采用磁调制与磁检测技术使二次电流按比例自动跟踪一次电流的高准确度比例标准，测量准确度通常可达10^-7量级，采用其作为电桥比例可以分辨出电阻负载效应的微小变化，实现负载系数的准确测量。

如图2所示，是测量桥式电阻负载系数的示意图。图2中，在直流电流比较仪式电桥1的标准电阻端KLMN以四端方式连接一个标准电阻Rs(K为电流正端，L为电压正端，M为电流负端，N为电压负端)，Rs与所述桥式电阻任意两对角端输出电阻同标称，直流电流比较仪式电桥1的被测电阻端PQTW四端接入桥式电阻任意两对角输出端，(其中电流正端P、电压正端Q接桥式电阻的一端，电压负端T、电流负端W接桥式电阻的另一对角端)，将桥式电阻的另两个对角端连接一交流电流源AC，改变交流电源的输出电流，当交流电流发生改变时，由于是交流电流，直流电流比较仪式电桥测量不到其电流量值，标准电阻端功率也未发生改变，但桥式电阻的功率随着电流的增加而加大，产生负载效应，其电阻量值发生改变，直流电流比较仪式电桥可测得桥式电阻的阻值随输入交流电流变化而发生的改变，得到桥式电阻的负载系数曲线，即得到桥式电阻的负载系数，桥式电阻成为已知负载系数的标准电阻。在这里，桥式电阻随功率变化的曲线可以表征为负载系数。

如图3所示，是应用桥式电阻测量电阻负载系数的示意图。将已知负载系数的桥式标准电阻的两个对角端连接直流电流比较仪式电桥1的标准电阻端KLMN(以四端方式接入)，所述待测电阻负载系数的被测电阻Rx连接于直流电流比较仪式电桥1的被测电阻端PQTW(以四端方式接入)，通过改变电流比较仪式电桥的输出电流，即可由已知负载系数的桥式电阻测得被测电阻的负载系数。

桥式电阻的应用之二是，当所述桥式电阻四边形电阻的任意两个对角端子施加电流，而另外两个对角端子测量电压时，在电阻测量仪上呈现出零电阻或微小电阻，利用这一特性，通过在所述桥式电阻的一个桥臂电阻上再并联调节电阻的方式，模拟等效毫欧至微欧量级的直流电阻，用于校准微欧姆计。

如图4所示，是本发明的应用桥式电阻校准微欧姆计的示意图。图4中，桥式电阻的一对对角输出端A端、B端分别连接被校微欧姆计的电流正端I+、电流负端I-，另一对对角输出端C端、D端分别连接被校微欧姆计的电压正端V+、电压负端V-，并将连接微欧姆计的电流负端和电压负端的两个端子B端、D端之间的再并联相应阻值的电阻Rm，在微欧姆计的电流正、负端给桥式电阻的一对对角端施加电流I时，微欧姆计电压正、负端可测得桥式电阻的另一对角端的输出电压U，U/I可等效一微小电阻；当并联电阻Rm的阻值不同时，可等效不同的毫欧至微欧量级的直流电阻，实现在毫欧至微欧量级校准微欧姆计。图4中，桥式电阻的B端子和D端子之间的桥臂电阻上并联一电阻，如果在桥式电阻的A、B端加入一电流I，在C、D端可测量得到电压U，当四个桥臂电阻绝对相等时，U为零，当四个桥臂电阻存在差异时，U不为零，U/I可以等效一个低值电阻。通过在一个桥臂上并联电阻的方式可调节C、D端的电压输出，得到不同量值的U，从而等效不同的低值电阻。若需等效0.1Ω至1mΩ的毫欧级电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻一般为10Ω，并联电阻的阻值量级范围在240Ω至30kΩ；若需等效100μΩ至10μΩ的微欧级电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻一般为1Ω，并联电阻的阻值量级范围在24kΩ至300kΩ。例如，当所述桥式电阻的每一个桥臂上的电阻为10Ω时，若要模拟等效0.1Ω，则应在BD桥臂上并联一个245Ω的电阻；同理，若要模拟等效0.01Ω，则应在BD桥臂上并联一个2495Ω的电阻；若要模拟等效0.001Ω，则应在BD桥臂上并联一个24995Ω的电阻。

同样道理，桥式电阻的应用之三是，通过在所述桥式电阻的一个桥臂电阻上再并联调节电阻的方式，模拟毫欧量级交流电阻，用于交流电阻测量仪的低量程校准。

如图5所示，是本发明的应用桥式电阻校准低值交流电阻测量仪的示意图。图5中，所述桥式电阻的一对对角输出端A端、B端分别连接被校交流电阻测量仪的电流正端I+、电流负端I-，另一对对角输出端C端、D端分别连接被校交流电阻测量仪的电压正端V+、电压负端V-，并将连接交流电阻测量仪的电流负端和电压负端的B端、D端两个端子之间的桥臂电阻并联相应阻值的电阻Rn，在交流电阻测量仪的电流正、负端给桥式电阻的一对对角端施加电流I，交流电阻测量仪电压正、负端可测得桥式电阻的另一对角端的输出电压U，U/I可等效一微小电阻，当并联电阻阻值不同时，可等效不同的毫欧量级的电阻，实现在毫欧量级校准交流电阻测量仪。其原理与模拟直流低值电阻一致，不同之处是其桥臂电阻应大于10Ω，最好选用100Ω。由于10Ω电阻的分布电感影响较大，而在100Ω中的分布电感和分布电容可相互抵消，效果较好，但因桥式电阻的桥臂电阻较大，并联调节电阻的阻值也较大，不宜产生微欧量级的电阻，适合于毫欧量级的模拟等效，可满足实际校准的需要。若需等效1Ω至10mΩ的毫欧级电阻，桥式电阻的桥臂电阻一般为100Ω，并联电阻的阻值量级范围2.4kΩ至300kΩ。例如，当所述桥式电阻的桥臂电阻为100Ω时，若要模拟等效1Ω，则应在桥臂上并联一个2450Ω的电阻，同理，若要模拟等效0.1Ω，则应并联一个24950Ω的电阻；若要模拟等效0.01Ω，则应并联一个249950Ω的电阻。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟等效毫欧至微欧量级直流电阻的桥式电阻，其特征在于，包括标称值相同的四个子电阻，所述四个子电阻依次连接成四边形，每一个子电阻作为桥臂电阻形成所述四边形的一个边，所述四边形的四个顶角上分别设置输出端子，所述四边形中任意两个对角的输出端子之间的输出电阻值与所述标称值一致；通过在所述桥式电阻的一个桥臂电阻上再并联调节电阻的方式，模拟等效毫欧至微欧量级的直流电阻，用于校准微欧姆计；将所述桥式电阻的一对对角输出端分别连接被校微欧姆计的电流正端、电流负端，另一对对角输出端分别连接被校微欧姆计的电压正端、电压负端，并将连接微欧姆计的电流负端和电压负端的两个端子之间的桥臂电阻并联相应的电阻；微欧姆计的电流正、负端给桥式电阻的一对对角端施加电流I，微欧姆计电压正、负端可测得桥式电阻的另一对角端的输出电压U，U/I可等效一微小电阻，当并联电阻阻值不同时，可等效不同的毫欧至微欧量级的直流电阻，实现在毫欧至微欧量级校准微欧姆计。

2.根据权利要求1所述的桥式电阻，其特征在于，所述标称值相同的四个子电阻的阻值偏差均小于万分之一。

3.根据权利要求2所述的桥式电阻的应用，其特征在于，若需等效0.1Ω至1mΩ的毫欧级直流电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻为10Ω，并联电阻的阻值量级范围在240Ω至30kΩ；若需等效100μΩ至10μΩ的微欧级直流电阻，所述桥式电阻的桥臂电阻为1Ω，并联电阻的阻值量级范围在24kΩ至300kΩ。

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