CS249173B1

CS249173B1 - Connections for measuring small direct current currents using a resonant circuit

Info

Publication number: CS249173B1
Application number: CS885084A
Authority: CS
Inventors: Karel Knapp
Original assignee: Karel Knapp
Priority date: 1984-11-20
Filing date: 1984-11-20
Publication date: 1987-03-12

Abstract

Zapojení umožňuje měření malých stejnosměrných elektrických proudů ve velkém dynamickém rozsahu bez přepínání měřicích elementů pomocí rezonančního obvodu. Zapojení převádí elektrický proud na počet impulsů a využívá při tom, tlumených kmitů v rezonančním obvodu. Změnu citlivosti lze provést změnou referenčních proudů li a Ι2» které přísluší prvnímu a druhému zdroji referenčního proudu a změnou časů ti, t2 a tx. které odpovídají době, po kterou docnazí k integrováni obou referenčních proudů a neznámého proudu I_ měřeného zdroje v kondenzátorů, aniž by bylo nutno přepínat měřicí elementy, tj. kondenzátor, indukčnost a odpor. Měřicí cykly probíhají v deseti fázích, čímž se odstraňuje vliv dlouhodobých nestabilit měřicích elementů. Výstupní signál má digitální formu, a proto se nabízí spojeni a mikropočítačem. Zapojení představuje neobvyklý princip měření malých stejnosměrných elektrických proudůThe circuit enables the measurement of small direct currents in a large dynamic range without switching the measuring elements using a resonant circuit. The circuit converts the electric current into a number of pulses and uses the damped oscillations in the resonant circuit. The sensitivity can be changed by changing the reference currents li and Ι2» which belong to the first and second reference current sources and by changing the times ti, t2 and tx. which correspond to the time it takes to integrate both reference currents and the unknown current I_ of the measured source in the capacitors, without having to switch the measuring elements, i.e. capacitor, inductance and resistance. The measuring cycles take place in ten phases, which eliminates the influence of long-term instabilities of the measuring elements. The output signal is in digital form and therefore offers a connection to a microcomputer. The circuit represents an unusual principle for measuring small direct currents

Description

Vynález se týká zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů pomocí rezonančního obvodu, které umožňuje měřit uvedené proudy ve velkém dynamickém rozsahu bez přepínání měřicích elementů při eliminaci nestabilit těchto elementů.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a circuit for measuring small direct current electrical currents by means of a resonant circuit, which makes it possible to measure said currents over a large dynamic range without switching the measuring elements while eliminating instabilities of these elements.

Dosud běžně používaná zapojení pro měření malých proudů využívají jako měřicí elem&ty zpravidla málo stabilní vysokoohmové odpory, řidčeji integrační kondenzátory s dobrou izolací. Pro měření proudů ve větším dynamickém rozsahu je nutné přepínat tyto elementy o různých hodnotách, což bývá konstrukčně náročné. Výstupní signál takových zapojení mívá většinou formu napětí a k jeho digitalizaci je třeba příslušných převodníků.Commonly used circuits for measuring low currents have generally used low-resistance high-ohmic resistors, or less well integrated insulation capacitors, as measuring ele- ments. In order to measure currents in a larger dynamic range, it is necessary to switch these elements with different values, which is structurally demanding. The output signal of such wiring is usually in the form of a voltage and its digitalization requires appropriate converters.

Uvedený problém vhodnějším způsobem řeší zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů pomocí, rezonančního obvodu podle vynálezu. Podstatou vynálezu je, že první zdroj referenčního proudu je spojen s prvým kontaktem prvého spínače, jehož druhý kontakt je spojen jednak s druhým kontaktem druhého spínače, na jehož první kontakt je připojen druhý zdroj referenčního proudu a jednak s druhým kontaktem třetího spínače, k jehož prvnímu kontaktu je připojen zdroj měřeného proudu. Přitom druhé kontakty všech tří spínačů jsou společně připojeny k neuzemněnému vývodu kondenzátoru, který je současně připojen paralelně ke kontaktům čtvrtého spínače, jehož neuzemněný kontakt je připojen rovněž k prvému kontaktu pátého spínače, jehož druhý kontakt je spojen jednak s neuzemnéiíým vývodem indukčnosti a jednak s jedním vstupem komparátoru, na jehož druhý vstup je připojen zdroj prahovéhQ napětí a jeho výstup je připojen k čítači.This problem solves more suitably the circuitry for measuring small DC electrical currents by means of a resonant circuit according to the invention. It is an object of the present invention that the first reference current source is connected to a first contact of a first switch whose second contact is connected both to a second contact of a second switch whose first contact is connected to a second reference current source and to a second contact of a third switch. contact is connected to the measured current source. The second contacts of the three switches are connected together to an ungrounded capacitor terminal which is simultaneously connected in parallel to the contacts of the fourth switch, the ungrounded contact of which is also connected to the first contact of the fifth switch, the second contact of which is connected a comparator input, the second input of which is connected to a threshold voltage source and its output is connected to a counter.

Zapojení podle vynálezu umožňuje měření malých proudů ve velkém dynamickém rozsahu bez přepínání měřicích elementů. Odstraňuje vliv dlouhodobých nestabilit těchto elementů a poskytuje výstupní signál v digitální formě.The circuitry according to the invention allows the measurement of small currents over a large dynamic range without switching the measuring elements. It eliminates the effects of long-term instabilities in these elements and provides an output signal in digital form.

249 173249 173

- 2 Zapojéní pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů pomocí rezonančního obvodu podle vynálezu je uvedeno na přiloženém výkresu.A wiring for measuring small DC electrical currents using a resonant circuit according to the invention is shown in the attached drawing.

První zdroj 1 referenčního proudu je spojen s prvním kontaktem 2 prvého spínače 2· Druhý kontakt ± prvého spínače 2 0® spojen jednak s druhým kontaktem 8 druhého spínače 2 a jednak s druhým kontaktem 12 třetího spínače 11. K prvnímu kontaktu 6 druhého spínače 2 je připojen druhý zdroj 2 referenčního proudu a k prvnímu . kontaktu 10 třetího spínače 11 je připojen zdroj 2 měřeného proudu. Druhé kontakty 4. 8 a 12 jsou dále připojeny k neuzemněnému vývodu kondenzátoru 22» který je současně paralelně připojen ke kontaktům 14 a 15 čtvrtého spínače 16. Přitom neuzemněný kontakt 14 čtvrtého spínače 16 je rovněž připojen k prvému kontaktu 17 pátého spínače 18, jehož druhý kontakt 19 je spojen jednak s neuzemněným vývodem indukčnosti 20 a jednak s prvním vstupem 21 komparátoru 22. Druhý vstup 23 komparátoru 22 je připojen na zdroj 24 prahového napětí a jeho výstup 25 je připojen na čítač 26.The first reference current source 1 is connected to the first contact 2 of the first switch 2. The second contact ± of the first switch 20 is connected both to the second contact 8 of the second switch 2 and to the second contact 12 of the third switch 11. a second reference current source 2 is connected to the first. contact 10 of the third switch 11 is connected to the source 2 of the measured current. The second contacts 4,8 and 12 are further connected to an ungrounded terminal of the capacitor 22 which is simultaneously connected in parallel to the contacts 14 and 15 of the fourth switch 16. The ungrounded contact 14 of the fourth switch 16 is also connected to the first contact 17 of the fifth switch 18. contact 19 is connected both to the ungrounded inductor terminal 20 and to the first input 21 of the comparator 22. The second input 23 of the comparator 22 is connected to a threshold voltage source 24 and its output 25 is connected to a counter 26.

Zapojení podle vynálezu převádí elektrický proud na počet impulsů, využívá přitom tlumených kmitů v rezonančním obvodu. Měření proudu v uvedeném zapojení má deeet fází. V první fázi je první kontakt 2 prvého spínače 2 spojen se třetím kontaktem 27 prvé ho spínače 2 ^a první kontakt 6 se třetím kontaktem 28 druhého spínače 2· První kontakt 10 je spojen se třetím kontaktem 29 třetího spínače 11, kontakty 14 a 15 čtvrtého spínače 16 jsou spojeny a rovněž kontakty 17 a 19 pátého spínače 18 jsou spojeny. V této fázi je rezonanční obvod, který tvoří kondenzátor 22» indukčnost 20 a odpor 30 zkratován, nastavují se počáteční podmínky a je nulován čítač 26. Ve druhé fázi dochází v kondenzátoru 13 k integrování referenčního proudu lj prvého zdroje 2 referenčního proudu po dobu t^· První kontakt 2 je spojen s druhým kontaktem £ prvního spínače 2, první kontakt 6 druhého spínače 2 3® spojen se třetím kontaktem 28 druhého spínače 2 ^a první kontakt 1.0 třetího spínače 21 je spojen se třetím kontaktem 29 třetího spínače 21· Kontakty 14 a 15 čtvrtého spínače 16 i kontakty 17 a 19 pátého spínače 18 jsou rozpojeny. Ve třetí fázi dochází k tlumeným volným kmitům v rezonančním obvodu. První a třetí kontakty 2 a 27. 6 a 28, 10 ad 29 prvního, druhého a třetího spínače 2» Σ ^a 11· Kontakt 17 a 19 pátého spínače 18 jsou spojeny a kontakty 14 a 15 čtvrtého spínače 16 jsou rozpojeny. Kmity jsou přivedeny na první vstup 21 kompar.ótoru 22. Na druhý vstup 23 komparátoru 22 je připojen zdroj 24The circuit according to the invention converts electrical current into a number of pulses, utilizing damped oscillations in the resonant circuit. The current measurement in said circuit has a deeet phase. In the first phase, the first contact 2 of the first switch 2 is connected to the third contact 27 of the first switch 2 ^{and the} first contact 6 to the third contact 28 of the second switch 2. The first contact 10 is connected to the third contact 29 of the third switch 11, contacts 14 and 15 of the fourth switch. 16 are connected and also the contacts 17 and 19 of the fifth switch 18 are connected. In this phase, the resonant circuit which forms the capacitor 22, the inductance 20 and the resistor 30 is shorted, the initial conditions are set and the counter 26 is reset. In the second phase, the capacitor 13 integrates the reference current 1j of the first reference current source 2 for The first contact 2 is connected to the second contact 6 of the first switch 2, the first contact 6 of the second switch 23 is connected to the third contact 28 of the second switch 2 ^{and the} first contact 1.0 of the third switch 21 is connected to the third contact 29 of the third switch 21. 15 of the fourth switch 16 and the contacts 17 and 19 of the fifth switch 18 are open. In the third phase, damped free oscillations occur in the resonant circuit. The first and third contacts 2 and 27. 6 and 28, 10 and 29 of the first, second and third switches 2 ' ^and 11 ' The oscillations are applied to the first input 21 of the comparator 22. A second source 24 is connected to the second input 23 of the comparator 22.

249 173249 173

- 3 prahového napětí. Kmity, jejichž amplituda je větší než prahové napětí U_p, se přenesou z výstupu 23 komparátoru 22 jako impulsy do čítače 26. Počet N^ těchto impulsů, které byly načteny do čítače 26 v průběhu třetí fáze, musí být zapamatován. Čtvrtá fáze je shodná s první fází, nastavují se počáteční podmínky a je vynulován čítač 26. V páté fázi dochází k integrování referenčního proudu lg druhého zdroje 2 referenčního proudu po dobu t₂'. Velikosti proudů 1-^ a I₂ musí být známé a je výhodné, jsou-li různé. První a třetí kontakty 2 a 27. 6 a 8, 10 a 29 prvního, druhého a třetího spínače X, X a 11 jsou spojeny, kontakty 14 a 13 čtvrtého spínače 16 a kontakty 17 a 19 pátého spínače 18 jsou rozpojeny. V šesté fázi dochází k tlumeným volným kmitům v rezonančním obvodu. Kontakty jsou spojeny stejně jako ve třetí fázi. Do čítače 26 se načte N₂ impulsů. Sedmá fáze je shodná s první a čtvrtou fází. V osmé fázi je po dobu t^ integrován neznámý proud Ι_χ zdroje měřeného proudu. První a 'třetí kontakty 2 a 27. 6 a 28 prvého a druhého spínače i a X a první a druhý kontakt 10 a 12 třetího spínače 11 jsou spojeny, kontakty 14 a 13 čtvrtého spínače 16 i kontakty 17 a 19 pátého spínače- 18 jsou rozpojeny. V deváté fázi dochází k tlumeným volným kmitům v rezonančním obvodu. Kontakty jsou spojeny stejně jako ve třetí a šesté fázi. Do čítače 26 se načte N^ impulsů. V desáté fázi se provede výpočet velikosti měřeného proudu I podle vztahu /1/ :- 3 threshold voltage. Oscillations whose amplitude is greater than the threshold voltage U _p are transferred from the output 23 of the comparator 22 as pulses to the counter 26. The number of pulses N ^, which were loaded into the counter 26 during the third phase, must be stored. The fourth phase is identical to the first phase, the initial conditions are set and the counter 26 is reset. In the fifth phase, the reference current 1g of the second reference current source 2 is integrated for a time t ₂ '. Sizes currents I1 and _I2 must be known and it is preferred if they are different. The first and third contacts 2 and 27. 6 and 8, 10 and 29 of the first, second and third switches X, X and 11 are connected, the contacts 14 and 13 of the fourth switch 16 and the contacts 17 and 19 of the fifth switch 18 are open. In the sixth phase, damped free oscillations occur in the resonant circuit. Contacts are connected in the same way as in the third phase. N ₂ pulses are read into counter 26. The seventh phase is identical to the first and fourth phases. In the eighth phase, the unknown current Ι _{χ of} the measured current source is integrated for t ^. The first and third contacts 2 and 27, 6 and 28 of the first and second switches i and X and the first and second contacts 10 and 12 of the third switch 11 are closed, the contacts 14 and 13 of the fourth switch 16 and the contacts 17 and 19 of the fifth switch 18 are open. . In the ninth phase, damped free oscillations occur in the resonant circuit. The contacts are connected in the same way as in the third and sixth phases. N counts of pulses are read into counter 26. In the tenth phase, the measured current I is calculated according to (1):

^II^,t2 ^I I ^{, t} 2

I = I, . -jr χ 1 t, /1/I = I,. -jr χ 1 t / 1 /

Popsané zapojení umožňuje měření malých proudů ve velkém' dynamickém rozsahu. Změnu citlivosti lze provést změnou referenčních proudů I₁ a I₂ a Časů t^, t₂, t^, aniž by bylo nutné přepínat měřicí elementy, to je kondenzátor 13. indukčnost 20 a odpor 30. Činnost v měřicích cyklech s výše uvedenými deseti fázemi odstraňuje vliv dlouhodobých nestabilit měřicích elementů. Na přesnost měření má vliv přesnost a stabilita referenčních proudů a I₂· Tyto proudy lze generovat například kapacitními metodami a vyhnout se tak použití nestabilních vysokoohmových odporů. V případě generování referenčních proudů pomocí odporů je výhodné používat jediný odpor pro oba proudy.The disclosed circuitry allows the measurement of small currents over a large dynamic range. The sensitivity can be changed by changing the reference currents I ₁ and I ₂ and the times t ^, t ₂ , t ^ without switching the measuring elements, ie capacitor 13, inductance 20 and resistance 30. Operation in the measuring cycles with the above ten phase eliminates the influence of long-term instabilities of the measuring elements. The accuracy of measurement is influenced by the accuracy and stability of the reference currents and I ₂ · These currents can be generated, for example, by capacitive methods, avoiding the use of unstable high ohmic resistors. In the case of generating reference currents using resistors, it is preferable to use a single resistor for both currents.

248 173248 173

- 4 Výstupní signál zapojení má digitální formu - stav čítače 26 a vyžaduje další číslicové zpracování. Zde se nabízí spojení s mikropočítačem, který současně může zastávat funkci řídicího obvodu pro olrládání kontaktů.- 4 The wiring output signal has a digital form - counter state 26 and requires further digital processing. There is a connection to a microcomputer, which can also act as a control circuit for contact lining.

Zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů pomocí rezonančního obvodu podle vynálezu představuje neobvyklý princip měření malých stejnosměrných elektrických proudů. Může se stát základem pikoampérmetrů řízených mikropočítačem a určei^ch pro experimenty na výzkumných a vývojových pracovištích v řadě oblasti vědy a techniky, například ve fyzice pevných látek, v jaderné fyzice, chemii atd.The circuitry for measuring low DC currents by means of the resonant circuit of the present invention is an unusual principle of measuring low DC currents. It can become the basis of microcomputer-controlled picoameters and intended for experiments in research and development workplaces in a number of fields of science and technology, such as solid state physics, nuclear physics, chemistry, etc.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Circuit for measuring low DC currents by a resonant circuit, characterized in that the first reference current source (1) is connected to a first contact (2) of the first switch (3), whose second contact (4) is connected to the second contact ( 8) a second switch (7) to whose first contact (6) is connected a second reference current source (5) and secondly to the second contact (12) of the third switch (11) to whose first contact (10) is connected a source (5) 9) of the measured current, the second contacts (4), (8) and (12) of the first, second and third switches (3), (7) and (11) being connected together to the ungrounded terminal of the capacitor (13) which is simultaneously connected in parallel to the contacts (14) and (15) of the fourth switch (16), the ungrounded contact (14) being also connected to the first contact (17) of the fifth switch (18), the second contact (19) of which is connected to the ungrounded inductor outlet (20) and others firstly, the first input (21) of the comparator (22), the second input (23) of which is connected to the threshold voltage source (24) and the output (25) of the comparator (22) is connected to the counter (26).