CN1330966C - 高分辨率的便携式电位差计 - Google Patents

Abstract

一种用于直流电压测量的高分辨率的便携式电位差计，有工作回路、标准回路、测量回路组成，它的测量回路中，三只测量盘直接用导线连接，开关接触电阻及变差不在测量回路内，热电势的影响也排除在测量线路以外，解决了便携式电位差计分辨率达0.1μV问题。

Description

高分辨率的便携式电位差计

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，市场上无法买到分辨率达0.1μv的便携式电位差计，因为要达到0.1μv分辨率，零值时引线电阻，接触热电势，开关接触电阻及变差影响都不可忽略。

发明内容

本发明的目的，是设计一种便携式直流电位差计，它能最低限度减小零值引线电阻影响，使接触热电势影响可以忽略，测量回路中的开关不会引入变差，使仪器分辨率达0.1μv，同时保证有足够的量程，能有四至五位读数。

本发明是通过如下技术方案来实现：便携式电位差计采取二只步进盘及一只滑线盘。

第一步进盘有十个以上步进，能提供二位读数，二个步进盘让它们全部都有测量盘与代换盘及辅助盘，开关采用轻压力开关，全环通过电刷可与各档触点连接。

在第一盘中测量盘I有n个电阻串联，代换盘I’就有n+1电阻串联，开关档位有n+1档；第一盘的测量盘及代换盘电阻值相同，设为R。

在第二盘中，测量盘II和代换盘II’都是十个电阻串联，阻值是第一盘电阻的1/10都为0.1R，滑线盘在100个刻度时阻值是第II盘电阻的1/2，它制成105个刻度，加一段引到焊点上的电阻，所以要加上百分之十的阻值，即0.055R。滑线盘采用双滑线，一根用于测量，一根用于代换，使滑动时在电路中阻值不变。

让“未知”一端连接第一盘测量盘I的尾端电阻并接在开关的n+1档触点上，首端连接第二盘测量盘II尾端，测量盘II首端与滑线盘测量端首部相连，滑线盘尾部连接“未知”另一端。同时让测量盘I及测量盘II的“0”点都直接接在第三盘测量滑线的“0”点上，当所有测量盘置“0”时，零电势为零，引线电阻引起误差都在测量盘I及测量盘II的第一只电阻上，这可以让第一只电阻加引线电阻等于同名义值电阻阻值来解决。由于“未知”两端是直接连接，不存在接触电阻与变差。

在代换盘中，第三盘代换滑线的尾端接入工作回路的一端，代换盘I’及代换盘II’的尾端各串联一只电阻R₁及R₂进行并联要接入工作回路另一端时，由于第II盘电阻阻值是第I盘电阻的1/10，读取电压值也是1/10，所以要保证二个支路有相同的电流必须二个支路阻值相等，因此串联在第I盘中的电阻R₁+(n+1)R等于串联在第II盘中的电阻R₂+R，当代换盘I掷“0”时，II’盘无论掷在何档总阻不变，当I’盘不掷“0”档时，II’盘档位变动时，阻值是变化的，当II’盘从“0”依次到“10”时，相当于并联二个支路各有一只0.1R的电阻减少了，而并联一起后又串联了0.1R，所以从节点A到节点B之间增加了1/2×0.1R＝0.05R，为了保持电路总阻不变，第II盘增加辅助盘II”，由10×0.05R组成，第二盘每增加几档，辅助盘II”就减少几个0.05R的电阻，第一盘亦增加了一个辅助盘I”，第一盘掷“0”时，10×0.05R全部进入电路，当第一盘不掷“0”时，辅助盘II”随着第二盘示值增大而减少0.05R相应数量，这样可以保证阻值不变。因此，电阻R₁与R₂并联后，连接辅肋盘I”全环，辅助盘I”上第1点触点至第n+1点触点短接后接辅助盘II”全环，辅助盘第0点触点连接辅助盘II”第0点触点后通过10只0.05R电阻接入工作回路另一端。

总结以上所述，本发明技术方案是：它把可调电阻Rp，调定电阻RN及用于测量的两个步进盘与一个滑线盘串联在电位差计工作回路中，把标准电池，检流计及调定电阻RN串联在电位差计标准回路中，把电位差计测量端正极到用于测量的两个步进盘与一个滑线盘及检流计再到电位差计测量端负极组成电位差计测量回路；其特征在于第一步进盘是有测量盘I、代换盘I’及辅助盘I”，第二步进盘有测量盘II、代换盘II’及辅助盘II”，测量回路的一端按极性连接测量盘I的尾部电阻，测量盘I首部连接第二盘测量盘II的第十只电阻，测量盘I的电阻数量是n只，代换盘I’有n+1只电阻，测量盘I的第“1”档触点直接焊在测量盘II第十只电阻尾部，“0”档直接焊在滑线盘测量用滑线的“0”点并与测量盘II第一只电阻相连，测量盘II的“0”档也直接焊在测量用滑线的“0”点上，测量用滑线的尾部与测量回路另一端点相连；把代换用滑线III’的尾部连接在工作回路的一端D，把第一步进盘的代换盘I’串联一只电阻R₁，第二盘代换盘II’串联一只电阻R₂，使R₁+(n+1)R＝R₂+10×0.1R，R是第一步进盘每只电阻值，0.1R是第二只步进盘每只电阻值，同时使滑线盘二根滑线阻值是0.055R；代换盘I’与代换盘II’各串联电阻R₁及R₂后并联在A点并与第一步进盘的辅助盘I”的全环连接，第一步进盘的辅助盘I”的“0”点外所有触点连接后与第二步进盘的辅助盘II”的全环相连，辅助盘II”的10只步进电阻是由十只0.05R电阻串联而成，辅助盘II”第0点触点与辅助盘I”“0”点相连，辅助盘II”第10只步进电阻接入工作回路另一端C。

经如上布线，第一盘、第二盘开关的接触热电势仅影响1.5V的电源电压，对测量端影响可以忽略。第三盘双滑线盘热电热及接触热电势都大小相等，方向相反，因此影响也可以忽略。在总测量电路两端并联若干个电阻后，可以进行量程变换。

技术方案实现如下：把可调电阻RP₁和RP₂，调定电阻RN及由两个步进盘、一个滑线盘、三个量程转换用电阻组成的电阻测量网络串联在电位差计工作回路中，把标准电池到放大器检流计及调定电阻RN串联在电位差计标准回路中，把电位差计测量端负极到用于测量的两个步进盘、一个滑线盘、三个量程转换用电阻组成的电阻测量网络到放大器、检流计再到电位差计测量端正极组成电位差计测量回路；其特征在于第一步进盘的代换盘I’是21只4Ω电阻串联后，串联51.56Ω电阻连接于A，第二步进盘的代换盘II’的10只0.4Ω电阻串联后与131.56Ω电阻串联并连接于A，再与第一步进盘的辅助盘I”全环相连，第一步进盘的辅助盘I”的“0”点外所有触点连接后与辅助盘II”全环相连，辅助盘II”的10只步进电阻是由十只0.2Ω电阻串联而成，辅助盘I”的“0”点与辅助盘II”的“0”点相连，辅助盘II”的第10点接到工作回路的另一端C，第一步进盘的测量盘I是20只4Ω电阻串联后首端连接第二步进盘的测量盘II的10只0.4Ω串联的第10只电阻，测量盘II的第一只电阻接测量滑线“0”点，测量盘I及测量盘II的“0”直接接测量滑线的“0”点，测量盘I的“1”直接接测量盘II的第10只电阻，测量用滑线0.22Ω的尾部与测量盘I尾部电阻接测量的“未知”两端，阻值同样为0.22Ω的代换用滑线III”尾部接于D点，并有7Ω电阻，63Ω电阻及630Ω电阻按顺序连接后并联在C及D，代换滑线III’的尾部连接630Ω电阻接在量程转换开关×10触点，电阻630Ω与63Ω电阻连接在量程转换开关×1触点，63Ω电阻与7Ω电阻连接在量程转换开关×0.1触点，并在该量程时串联42.298Ω电阻在电路中。

附图说明

图1是二个步进盘与一个滑线盘组成的电位差计的电路原理图

图2是实际实施的分辨率达0.1μv电路图

图中I是第一盘测量盘，I’是第一盘代换盘，I”是第一盘辅助盘

II是第二盘测量盘，II’是第二盘代换盘，II”是第二盘辅助盘

III是第三盘测量用滑线，III’是第三盘代换用滑线

1是不饱和标准电池2是放大器3是检流计RN是调定电阻RP是可调电阻，图中粗黑线表示全环。

具体实施方式

在图中，电流流过测量电路到调定电阻，再到可调电阻回到电源是工作回路i₁，从测量端正极到第一盘的测量盘I再到测量盘II及测量滑线盘III，经过检流计3到测量端负极是测量回路i₂，从标准电池1正极到检流计3经过调定电阻回到标准电阻负极是标准回路的i₃。

在图1中，测量盘I及测量盘II的“0”档直接与第三盘测量滑线起始点连接于一点，这样三盘掷“0”时，测量回路与工作回路仅交汇于第三盘测量滑线起始点处，所以这时零电势为“0”。测量盘间的引线电阻都加在测量盘的第一只电阻上，因此要求测量盘I及测量盘II的第1只电阻加上引线电阻等于该盘要求的电阻值是R或0.1R，三个测量盘用导线直接连接，中间没有开关连接，所以不必考虑接触电阻及变差，三只测量盘与代换盘之间的开关热电势及接触电势，对电源电压高低有影响，由于电源电压在1V以上，而电工仪器生产厂的轻压力开关热电势＜0.2μv，因此影响在10^-7量级可以忽略。

第二盘电阻是第一盘电阻阻值的十分之一，要使测量电压也是十分之一，必须两者电流相等，也就是R₁+(n+1)R＝R₂+10×0.1R，当辅助盘I”掷“0”时，节点A及B间阻值是(R₂+R)/2，当辅助盘I”不掷“0”时，节点A及B之间的阻值随第二盘开关变动而变化的，设第二盘掷m点，这时R_AB＝[R₂+(10+m)×0.1R]/2+m×0.1R＝(R₂+R)/2+0.05mR，当m＝0时，R_AB＝(R₂+R)/2

当m＝10时，R_AB＝(R₂+R)/2+0.5R，m每增加1档，R_AB增加0.05R阻值。

在本实际例中，第一盘有n个阻值为R的电阻串联测量盘I，由(n+1)个电阻阻值为R串联成代换盘I’及辅助盘I”组成，第二盘各由10个阻值为0.1R串联成测量盘及代换盘及10只阻值为0.05R串联成的辅助盘II”；辅助盘II”第10只电阻接入工作电流回路i1中，第1只电阻接辅助盘I”的“0”点，金属全环接通辅助盘I”的第1点～第n+1点所有触点，辅助盘I”金属全环连接A点，第三盘代换滑线III’尾端接入工作回路i₁的另一端，测量盘I的n只电阻尾端与测量滑线III的尾端连接在测量回路中，第一盘的测量盘第1点不能有电阻R连接是因为前面有10×0.1R的电阻承担着。

图2是实际电位差计电路图，第一盘的测量盘I由20只4Ω电阻串联成，代换盘由21只4Ω电阻串联后通过R₁＝51.56Ω电阻与第二盘连接于A点，第二盘的代换盘及测量盘各由10只0.4Ω电阻串联成，代换盘II串联131.56Ω电阻与A点连接，第二盘的辅助盘II”是10只0.2Ω电阻串联成，第三盘是二级阻值为0.27Ω的双滑线盘。第一盘、第二盘、第三盘连接方式同图1实施例，节点C、A、B、C间电阻R_CABC＝70Ω(不考虑与其并联的电阻)，与它并联是电阻R₃＝7Ω，电阻R₄＝63Ω，电阻R₅＝630Ω，在量程开关K_1-1掷向×1、×10时，节点C、D间R_CD＝63.636Ω，当开关K指向×0.1量程，并联电阻减少了42.298Ω，因此在该量程中增加一个42.298Ω电阻。工作电流设计为5.5mA，当RP₁＝0、RP₂＝0时，电路总阻为63.636Ω+185.4Ω＝249.036Ω，这时电源电压为249.036Ω×5.5mV＝1.37V，电池用旧后，只要高于1.37V，电位差计能正常工作，新电池电压有1.65伏，这时要求电阻值为1.65V÷0.0055A＝300Ω，也就是要求RP₁加RP₂有51Ω调节范围，现RP₁有50Ω可调，RP₂有3Ω可调节，能达到要求。

当开关K掷×10量程时，电流流过第一盘、第二盘总电流是5mA，每盘2.5mA，三个测量盘都掷在满度值测量最大值为21×10mV+10×1mV+1.05mV，分辨率10μV，开关K掷×0.1量程时，流过测量盘电流减少到百分之一，这时测量最大值是21×0.1mV+10×0.01mV+0.0105mV，即这时测量范围是0～2.2105mV，最小分辨率0.1μV。

校准时，把量程开关K₁掷向×10量程，扳键开关K₂掷向“未知”，测量盘显示200mV，在“未知”端按极性接入200mV标准信号，这时不平衡的电压信号通过放大器2放大后用检统计3显示。通过调节RP₁及RP₂使检流计指零，这时工作电流是准确的5.5mA；再把板键开关K₂掷向“标准”，不饱和标准电池1与调定电阻RN上的电压不平衡，通过调节0.4Ω电位器使之平衡，并将电位器锁定，以后去测量时，它就是一个标准信号，电阻R₆为了减小标准回路电流，电阻R₇、R₈、R₉为了在三个量程时检流计灵敏度基本相等：×0.1量程信号最弱，它把全部信号放大，×10量程信号最强，信号提取量为R₉/(R₇+R₈+R₉)，信号提取最少，量程开关掷“断”时切断工作电流1.5V电源及放大器2的9V电源。

Claims (2)

1，一种高分辨率的便携式电位差计，它把可调电阻Rp，调定电阻RN及用于测量的两个步进盘与一个滑线盘串联在电位差计工作回路中，把标准电池(1)，检流计(3)及调定电阻RN串联在电位差计标准回路中，把电位差计测量端正极到用于测量的两个步进盘与一个滑线盘及检流计(3)再到电位差计测量端负极组成电位差计测量回路；其特征在于第一步进盘是有测量盘I、代换盘I’及辅助盘I”，第二步进盘有测量盘II、代换盘II’及辅助盘II”，测量回路的一端按极性连接测量盘I的尾部电阻，测量盘I首部连接第二盘测量盘II的第十只电阻，测量盘I的电阻数量是n只，代换盘I’有n+1只电阻，测量盘I的第“1”档触点直接焊在测量盘II第十只电阻尾部，“0”档直接焊在滑线盘测量用滑线的“0”点并与测量盘II第一只电阻相连，测量盘II的“0”档也直接焊在测量用滑线的“0”点上，测量用滑线的尾部与测量回路另一端点相连；把代换用滑线III’的尾部连接在工作回路的一端D，把第一步进盘的代换盘I’串联一只电阻R₁，第二盘代换盘II’串联一只电阻R₂，R₁+(n+1)R＝R₂+10×0.1R，R是第一步进盘每只电阻阻值，0.1R是第二只步进盘每只电阻值，同时使滑线盘二根滑线阻值是0.055R；代换盘I’与代换盘II’各串联电阻R₁及R₂后并联在A点并与第一步进盘的辅助盘I”的全环连接，第一步进盘的辅助盘I”的“0”点外所有触点连接后与第二步进盘的辅助盘II”的全环相连，辅助盘II”的10只步进电阻是由十只0.05R电阻串联而成，辅助盘II”的“0”点与辅助盘I”“0”点相连，辅助盘II”第10点连接工作回路另一端C。

2，一种高分辨率的便携式电位差计，它把可调电阻RP1和RP2，调定电阻RN及由两个步进盘、一个滑线盘、三个量程转换用电阻组成的电阻测量网络串联在电位差计工作回路中，把标准电池(1)到放大器(2)、检流计(3)及调定电阻RN串联在电位差计标准回路中，把电位差计测量端负极到用于测量的两个步进盘、一个滑线盘、三个量程转换用电阻组成的电阻测量网络到放大器(2)、检流计(3)再到电位差计测量端正极组成电位差计测量回路；其特征在于第一步进盘的代换盘I’是21只4Ω电阻串联后，串联51.56Ω电阻连接于A，第二步进盘的代换盘II’的10只0.4Ω电阻串联后与131.56Ω电阻串联并连接于A，再与第一步进盘的辅助盘I”全环相连，第一步进盘的辅助盘I”的“0”点外所有触点连接后与辅助盘II”全环相连，辅助盘II”的10只步进电阻是由十只0.2Ω电阻串联而成，辅助盘I”的“0”点与辅助盘II”的“0”点相连，辅助盘II”的第10点接到工作回路的另一端C，第一步进盘的测量盘I是20只4Ω电阻串联后首端连接第二步进盘的测量盘II的10只0.4Ω串联的第10只电阻，测量盘II的第一只电阻接测量滑线“0”点，测量盘I及测量盘II的“0”直接接测量滑线的“0”点，测量盘I的“1”直接接测量盘II的第10只电阻，测量用滑线0.22Ω的尾部与测量盘I尾部电阻接测量的“未知”两端，阻值同样为0.22Ω的代换用滑线III”尾部接于D点，并有7Ω电阻，63Ω电阻及630Ω电阻按顺序连接后并联在C及D，代换滑线III’的尾部连接630Ω电阻接在量程转换开关×10触点，电阻630Ω与63Ω电阻连接在量程转换开关×1触点，63Ω电阻与7Ω电阻连接在量程转换开关×0.1触点，并在该量程时串联42.298Ω电阻在电路中。