KR100862094B1

KR100862094B1 - 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 장치와 이를이용한 비율오차 측정방법

Info

Publication number: KR100862094B1
Application number: KR1020060098779A
Authority: KR
Inventors: 유광민; 류제천; 한권수; 강전홍; 김한준; 김규태; 김완섭
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-10-09
Also published as: KR20080032808A

Abstract

본 발명은 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 방법에 관한것으로서, 상세하게는 여러종류의 저항으로 비율저항을 측정하는 비율저항 측정장치를 이용한 비율측정 방법에 있어서, 일정한 저항값을 갖으며, 여러종류인 저항중 가장 낮고, 동일한 값을 가지는 저항 2개를 임의로 선택하며, 상기와 동일한 저항값을 갖는 최소표준저항과 저항값을 비교하는 최소표준저항 비교단계와; 상기 설정된 저항 2개를 직렬로 연결하여 2개의 값을 더한 저항과 동일한 상위의 저항을 비교하여 그 차이를 측정하며, 이를 수차례 반복하는 비교단계와; 상기 비교단계를 거친 저항중 최종값으로 설정한 하나의 저항과 임의로 설정한 최고치 표준저항과 동일한 값이 만들어지도록 최종값저항과 수치가 작은 저항을 직렬로 연결하여 임의로 설정한 최고표준저항과 비교하는 최고표준저항 비교단계와; 상기 저항 간에 비교하여 비율을 측정한 값과, 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge, 이하 직류전류 비교기 브리지)와 같은 비율측정기를 사용하여 직접 최소저항과 최대저항을 비교한 값과 비교하여 비율오차 값을 구하는 비율오차 측정단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 방법에 관한것이다.

저항비율, 표준저항, 비율오차, 요소저항, 비율교정, 이진법

Description

2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 장치와 이를 이용한 비율오차 측정방법{Rate error measurement a method and rate error measurement a equipment for binary scale rate increase}

도 1은 본 발명에 따른 비율교정장치의 구성도를 나타낸 구성도,

도 2은 본 발명에 의한 비율교정장치의 내부구조를 나타낸 정면도,

도 3은 본 발명에 따른 비율교정장치의 저항 연결 구성을 나타낸 연결 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 2진법을 이용해 저항을 직렬로 연결한 연결 구조도,

도 5은 본 발명에 따른 일부 연결조합을 나타낸 연결조합도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 저항 20 : 전극

30 : 고정판 40 : 금속봉

본 발명은 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 방법에 관한것으로서, 상세하게는 여러종류의 저항으로 비율저항을 측정하는 비율저항 측정장치를 이용한 비율측정 방법에 있어서, 일정한 저항값을 갖으며, 여러종류인 저항중 가장 낮고, 동일한 값을 가지는 저항 2개를 임의로 선택하며, 상기와 동일한 저항값을 갖는 최소표준저항과 저항값을 비교하는 최소표준저항 비교단계와; 상기 설정된 저항 2개를 직렬로 연결하여 2개의 값을 더한 저항과 동일한 상위의 저항을 비교하여 그 차이를 측정하며, 이를 수차례 반복하는 비교단계와; 상기 비교단계를 거친 저항중 최종값으로 설정한 하나의 저항과 임의로 설정한 최고치 표준저항과 동일한 값이 만들어지도록 최종값저항과 수치가 작은 저항을 직렬로 연결하여 임의로 설정한 최고표준저항과 비교하는 최고표준저항 비교단계와; 상기 저항 간에 비교하여 비율을 측정한 값과 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge : dcc Bridge)와 같은 비율측정기를 사용하여 직접 최소저항과 최대저항을 비교한 값과 비교하여 비율오차 값을 구하는 비율오차 측정단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 방법에 관한것이다.

일반적으로 저항측정 방법은 측정원리상 두 저항을 서로 비교하는 방법인 브리지 방법과 전위차 방법 및 저항을 직접 측정하는 저항계 방법 등이 대표적으로 사용되고 있으며, 앞의 두 방법이 훨씬 정확한 측정방법으로 널리 알려져 있다. 전위차 방법은 안정된 전류원이 필수적이고, 아주 낮은 전압을 측정하는 전위차계 혹은 계수식 전압계(digital voltmeter) 등이 필요하다.

그러한, 이유로 이 방법은 주로 1 Ω∼100 kΩ 정도의 범위에 사용되고 있다. 저항브리지는 휘스톤 브리지, 켈빈 브리지 및 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge : dcc Bridge) 등이 널리 사용되고 있으며, 앞의 두 브리지는 비교 팔(arm)으로서 수 kΩ 정도의 표준저항을 사용하기 때문에 그 들 팔(arm) 저항의 여러 가지 환경요인과 안정도에 따라 정확도가 달라지게 된다.

그러므로, 상용 저항브리지 중 정확도가 가장 뛰어난 것은 직류전류 비교기 브리지로서, 이것은 앞에서 이야기 한 전위차 방법의 단점과 상용 저항 브리지의 단점을 보완한 형태로 구성되어 있다. 즉, 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge : dcc Bridge)는 도면 1에서 나타낸 바와 같이 그 원리상 자속 평형(ampere turn balance)와 전압 평형(balance)가 자동적으로 이루어지도록 구성되었고, 결과적으로 나타나는 저항 비율은 1차측과 2차측의 두 권선비로서 주어지므로 아주 습한 환경이 아니면 시간에 따른 변화없이 반영구적으로 사용할 수 있다.

그러한 장점을 가지므로 직류전류 비교기 브리지의 정확도는 보통 sub-ppm 이하에 주로 사용된다. 특히, 최근의 몇 장비회사에서는 0.01 ppm(parts per million) 수준의 측정정확도를 가지는 직류전류 비교기 브리지를 만들어 판매하고 있는 실정이다.

그와 같이 정확도가 아주 높은 직류전류 비교기 브리지의 비율을 교정하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째는, 저온 전류 비교기 브리지(Cryogenic Current Comparator bridge, 이하 CCC Bridge)와 같이 정도가 한 단계 더 높은 장비를 사용하여 직접 교정하는 방법으로서, 안정도가 좋은 두 개의 표준저항에 대하여 그 장비를 사용하여 측정한 값과 직류전류 비교기 브리지를 사용하여 측정한 값과의 차이를 구하여 직류전류 비교기 브리지의 비율오차를 결정하게 된다. 둘째는, 이미 그 비율 값을 알고 있는 비율전달 표준기(Hamon, divider 등)와 그 장치를 직류전류 비교기 브리지로 측정한 두 값의 차이를 구하여 비율오차를 결정하게 된다.

그러나, 후자의 방법에 있어서 Hamon 방식의 상용 장치는 정확도가 0.05 ppm 이상이 되지 못하고 있으며, 그 정확도 유지가 쉽지 않다. 반면, 전자의 방법을 사용하면 아주 정확하게 비율오차를 결정할 수 있지만, 세계적으로 그 CCC bridge를 가지고 있는 NMI(National Metrology Institute, 국가측정표준연구소) 들이 몇 안 될 정도로 아주 전문적인 측정기술이 필요하고 극저온에서 SQUID를 사용하여 동작이 되므로 주위 잡음에 아주 민감하며, 액체헬륨 상태에서 동작되므로 경제적이지 못하다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다수종의 저항을 2진법의 형태로 직렬연결하여 표준저항과 1:1 비율로서 비교하여 비율을 구하고, 직류전류 비교기 브리지와 같은 비율측정기로 구한 비율값과 비교하여 비율오차를 구하는 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 아래와 같은 특징을 갖는다.

여러종류의 저항으로 비율저항을 측정하는 비율저항 측정장치를 이용한 비율측정 방법에 있어서, 일정의 저항을 갖으며, 여러종류인 저항중 가장 낮고, 동일한 저항 2개를 임의로 선택하여 동일한 저항을 갖는 최소표준저항과 비교하는 최소표준저항 비교단계와; 상기 설정된 저항 2개를 직렬로 연결하여 2개의 값을 더한 저항과 동일한 상위의 저항을 비교하여 그 차이를 측정하며, 이를 수차례 반복하는 비교단계와; 상기 비교단계를 거친 저항중 최종값으로 설정한 하나의 저항과 임의로 설정한 최고치 표준저항과 동일한 값이 만들어지도록 최종값저항과 수치가 작은 저항을 직렬로 연결하여 임의로 설정한 최고표준저항과 비교하는 최고표준저항 비교단계와; 상기 저항 간에 비교하여 비율을 측정한 값과 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge : dcc Bridge)와 같은 비율측정기를 사용하여 직접 최소저항과 최대저항을 비교한 값과 비교하여 비율오차 값을 구하는 비율오차 측정단계로 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 비율교정장치의 구성도를 나타낸 구성도이고, 도 2은 본 발명에 의한 비율교정장치의 내부구조를 나타낸 정면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 비율교정장치의 저항 연결 구성을 나타낸 연결 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 2진법을 이용해 저항을 직렬로 연결한 연결 구조도이며, 도 5은 본 발명에 따른 일부 연결조합을 나타낸 연결조합도이다.

도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

일정의 저항값을 갖으며, 여러종류인 저항(10)중 가장 낮고, 동일한 저항값을 갖는 최저저항(11) 2개를 임의로 선택하여 상기 저항과 동일한 저항값을 갖는 최소표준저항과 비교하는 최소표준저항 비교단계와; 상기 선택된 최저저항(11) 2개를 직렬로 연결하여 2개의 값을 더한 저항값과 동일한 상위저항(12)을 비교하여 그 차이를 측정하며, 이를 수차례 반복하는 비교단계와; 상기 비교단계를 거친 저항(10)중 최종값으로 설정한 하나의 최종저항(13)과 임의로 설정한 최고치 표준저항과 동일한 값이 만들어지도록 최종저항(13)값과 수치가 작은 최저저항(11)을 직렬로 연결하여 임의로 설정한 최고표준저항과 비교하는 최고표준저항 비교단계와; 상기 저항들을 비교하여 비율을 측정한 값과 직류전류 비교기 브리지(Direct Current Comparator Bridge : dcc Bridge)와 같은 비율측정기를 사용하여 직접 최소저항과 최대저항을 비교한 값을 비교하여 비율오차 값을 구하는 비율오차 측정단계;를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 저항의 값중 최소표준저항은 최저저항(11) 설정값과 동일하고, 최고표준저항값은 최종저항(13) 설정값과 하위의 저항값을 갖는 저항을 더한 값과 비교되며, 각각의 설정 저항값은 설정된 상위저항(12)과 2진법의 형태로 비교되어진다.

그리고, 상기 저항(10)의 비율측정은 다수일 동안 측정하여 계산하여 비교하게 된다.

또한, 여러종류의 저항을 비교하여 비율값을 측정하는 장치에 있어서,

여러종류의 저항값을 갖는 저항(10)이 2진법을 이용한 직렬방식으로 연결되어지고, 상기 저항(10)은 일측에 하나의 단자가 형성되며 타측에 3개의 단자가 형성되어지고, 상기 저항(10) 각각의 단자 상측에 수직으로 저항율을 최소화 하기위한 금속봉(40)이 설치되어 저항의 각각의 단자마다 상기 금속봉(40)이 각각 하나씩 연결되며, 상기 금속봉(40)의 상,하단과 중단에 금속봉(40)을 수직으로 고정시키는 고정판(30)이 설치되어진다.

그리고, 상기 금속봉(40)의 내부에는 상단의 고정판(30)까지 유체가 채워진다.

이때, 상기 저항(10)의 연결비율은 10:1과 100:1, 10000:1, 12906:1 및 기타 임의의비율로 구성되며, 상기 저항(10)의 연결비율은 최소파워효과 내지 최대파워효과를 내기 위해 연결되는 저항(10)의 갯수가 각각 다르게 구성된다.

결되는 저항(10)의 갯수가 각각 다르게 구성된다.

또한, 상기 저항(10)은 일측의 단자와 다른 저항의 타측 3개의 전극중 하나가 연결되며, 다른 2개의 단자는 금속봉에 연결되고, 상기 저항의 일측 단자와 이와 연결된 타측 단자 또한 금속봉에 연결된다.

여기서, 상기 단자중 2개는 전류를 인가하고, 다른 두 단자는 전압을 인가하여 저항에 흐르는 전압을 측정하게 된다.

본발명을 좀더 자세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에 따라 제작된 비율은 도면 1에 나타낸 바와 같이 1 kΩ : 100 Ω 비율에 대한 것으로서 100 Ω 2 개, 200 Ω 두개, 400 Ω 두 개 및 800 Ω 한 개로 구성되며, 1 대 1 비율 측정을 하기 위하여 안정도가 높은 표준저항 100 Ω과 두 100 Ω을 각각 비교하고, 이어서 그 두 100 Ω을 더한 것과 두 200 Ω을 각각 1 대 1로 비교한 후, 두 200 Ω을 더한 것과 두 400 Ω을 다시 각각 1 대 1로 비교하고, 두 400 Ω을 더한 것과 800 Ω을 1 대 1 로 비교한다. 그런 다음, 앞에서 측정한 한 200 Ω과 800 Ω을 더한 것과 안정도가 높은 표준저항 1 kΩ을 1 대 1로 비교하면, 결국 두 안정도가 높은 표준저항 1 kΩ과 100 Ω에 대한 10 대 1 비율 측정값이 위 과정에 나타난 1 대 1 비율 측정값들로서 주어지게 하는 것과 같게 된다. 그렇게 하는 이유는 널리 통용되는 방법으로서, 같은 명목 값을 가지는 두 저항에 대한 1 대 1 비율 값(으로 약칭)은 두 저항을 서로 교환하여 다시 얻은 1 대 1 비율 값(로 약칭)을 더하여 2로 나눈 후 이상적인 비율 값인 1을 빼 주면 그 1 대 1 비율 에 대한 비율오차로 주어져 그만큼 보정을 하면 정확한 1 대 1 비율 값이 얻어지기 때문이다. 그러나, 1 대 1 비율을 제외한 임의의 비율 값들은 그와 같은 교환법을 사용하여 구할 수 없기 때문에 위와 같은 방법을 통하여 정확한 10 대 1 비율 값을 얻으려고 하는 것이다. 즉, 직류전류 비교기 브리지를 사용하여 직접 1 kΩ : 100 Ω 비율을 측정한 값과 위의 과정을 거쳐 구한 1 kΩ : 100 Ω 비율 값을 서로 비교하여 차이 값이 비율오차 값이 된다. 위의 과정을 거쳐 구한 그 비율 값은 다음 식 (1)과 같이 표현되며, 직류전류 비교기 브리지의 측정 분해능 정도에서 정확하게 결정되는 1 대 1의 합으로만 주어지므로 기준 값으로 주어진다.

식 (1)

여기서 사용된 1 kΩ(s/n: 279992)과 100 Ω(s/n: 279716)은 Tinsley 5685 모델 중 안정도와 온도계수가 좋은 특수한 표준저항들이다. 또한

,

,

이며,

(여기서 V는 비율장치를 구성하는 요소들로 사용된 Vishay 회사의 저항을 줄여서 나타낸 것이고, X는 저항 값을 나타내며, i는 binary를 이루는 두 저항들을 1과 2로서 구분하여 나타낸 것이며, binary ratio standard(이하 BRS)를 구성하는 각각의 Vishay 부품저항들을 나타낸다.)

또한,

는 저항값 X를 가지는 두 저항을 직렬로 연결했을 때의 접합(혹은 연결) 저항으로서, 10:1 비율의 경우 총 4 개의 접합저항이 형성되며, 모두 수 nΩ 정도로 측정이 되어

의 비율 정확도에서는 무시된다.

이상에서 구한 비율 값은 1 대 1 비율오차들이 이미 보정이 된 상태이지만 빠뜨릴 수 없는 중요한 한 가지는 전력(power) 효과이다. 전력 효과까지 보정이 된다면 정확한 비율 기준 값이 될 수 있다. 전력 효과 보정을 위하여 이진법식 방법으로 만든 비율 장치(이하 BRS)의 전력을 1 mW, 5 mW, 10 mW로 하여 10:1 비율을 측정한 후, 그 전력들에서의 곡선 맞춤(fitting)을 하여 외삽에 의한 영 전력(이하 영 전력 외삽 방법이라 부름)에서의 비율값을 구하였고, 또한, 그 비율을 직류전류 비교기 브리지(이하 MI)를 사용하여 직접 측정할 때의 1 kΩ의 전력을 0.5 mW, 1 mW, 5 mW로 하여 10:1 비율을 측정한 후, 그 전력들에서의 곡선 맞춤을 하여 외삽에 의한 영 전력에서의 비율 값을 구하였다. 그렇게 구한 BRS와 MI 두 결과의 차이가 다음 식 (2)로 표현된 10:1 비율 오차(Δ)가 되며, 실제로 2005년 10월 5일∼10월 20일 사이에서 총 10회에 걸쳐 측정한 Δ의 값은

로 주어졌으며, 1:1 비율오차 보정에 따른 불확도와 Δ 측정 불확도로부터 Δ 값을 얻기 위한 불확도(RSS)는

로 산출되었다. 그러므로, Δ 값의 측정결과는

로 주어졌다.

식 (2)

이 결과와 스위스 표준기관인 METAS에서 CCC bridge(직류전류 비교기 브리지의 한 단계 상위인 bridge)로 교정한 성적서 상의

값 을 비교하면 총 불확도 이내에서 잘 일치함을 알 수 있다. 같은 절차를 사용하여 얻은 10 kΩ : 1 kΩ에 대한 Δ 값의 측정결과는 으로 주어졌다.
같은 과정을 임의의 비율에 적용하여 그 비율오차를 결정할 수 있다.

삭제

상기에서 기술된 바와같이 본 발명은, 2진법을 이용해 저항의 비율을 측정하므로 고도의 기술을 필요로 하는 CCC Bridge방법을 사용하지 않고도 정확한 저항오차의 비율을 측정할 수 있으며, 상온에서 동작되며, 어려운 개념이 없으므로 몇 개의 부품저항과 계수식 전압계 혹은 브리지 등의 저항 측정기가 있으면, 산업체를 포함하여 누구든지 쉽게 만들어서 필요할 때 임의의 저항비율을 교정 할 수 있다.

Claims

여러종류의 저항으로 비율저항을 측정하는 비율저항 측정장치를 이용한 비율측정 방법에 있어서,

임의의 한 저항값을 갖으며, 여러종류인 저항(10)중 가장 낮고, 명목 값이 같은(이하 동일한) 저항값을 가지는 최저저항(11) 2개를 임의로 선택하여 상기와 동일한 저항값을 갖는 최소표준저항과 저항값을 비교하는 최소표준저항 비교단계와;

상기 선택된 최저저항(11) 2개를 직렬로 연결하여 2개의 값을 더한 저항값과 동일한 상위의 상위저항(12)을 비교하여 그 차이를 측정하며, 최저저항(11)과 최종저항(13) 사이에서 저항값을 올리면서 이 과정을 수차례 반복하는 반복 비교단계와;

상기 반복 비교단계를 거친 저항(10)중 최종값으로 설정한 하나의 최종저항(13)과 임의로 설정한 최고치 표준저항과 동일한 값이 만들어지도록 최종저항(13)과 수치가 작은 상위저항(12)을 직렬로 연결하여 임의로 설정한 최고표준저항과 비교하는 최고표준저항 비교단계와;

상기 저항(10) 간에 비교하여 비율을 측정한 값과 직류전류 비교기 브리지(DCC Bridge) 를 사용하여 직접 최소저항과 최대저항을 비교한 값과 비교하여 비율오차 값을 구하는 비율오차 측정단계;

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 저항 비율교정 장치를 이용한 저항 비율오차 측정방법.
제 1항에 있어서,

상기 저항(10)의 값중 최소표준저항은 최저저항(11) 설정값과 동일하고, 최고표준저항값은 최종저항(13) 설정값과 하위의 저항값을 갖는 상위저항(12)을 더해진 값과 비교되며, 각각의 설정 저항값은 상위의 설정저항(10)과 2진법의 형태 즉, 두 하위 저항값을 더한 값과 같은 명목값을 갖는 상위 저항값이 서로 비교되어지는 것을 특징으로 하는 저항 비율교정 장치를 이용한 저항 비율오차 측정방법.
제 1항에 있어서,

상기 저항의 비율측정은 다수일 동안 측정하고, 영 전력 외삽 방법으로 전력 효과보정을 하여 계산하는 것을 특징으로 하는 저항 비율교정 장치를 이용한 비율오차 측정방법.
제 1항에 있어서,

상기 저항의 비율식은

(R_j: 두 저항을 직렬로 연결했을 때의 접합(혹은 연결) 저항, a_i: 표준저항과 최소 저항을 1:1로 비교한뒤 임의로 정해진 명목저항값과 최소저항을 명목저항값을 동일하게 만든 최소저항값이 계산되어진 값)

인 것을 특징으로 하는 저항 비율교정 장치를 이용한 저항 비율오차 측정방법.
여러종류의 저항을 비교하여 비율값을 측정하는 장치에 있어서,

여러종류의 저항값을 갖는 저항(10)이 2진법을 이용한 직렬방식으로 연결되어지고, 상기 저항(10)은 일측에 하나의 단자가 형성되며 타측에 3개의 단자가 형성되어지고, 상기 저항(10) 각각의 단자 상측에 수직으로 저항율을 최소화 하기위한 금속봉(40)이 설치되어 저항의 각각의 단자마다 상기 금속봉(40)이 각각 하나씩 연결되며, 상기 금속봉(40)의 상,하단과 중단에 금속봉(40)을 수직으로 고정시키는 고정판(30)이 설치되며, 상기 금속봉(40)의 내부에는 유체가 채워진 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 장치.
제 5항에 있어서,

상기 저항(10)의 연결비율은 10:1, 100:1, 10000:1 또는 12906:1의 비율중 어느 하나를 선택하여 구성된 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 장치.
제 5항에 있어서,

상기 저항(10)의 연결비율은 최소전력효과(하나의 저항값을 최소한의 저항값을 가지는 저항을 연결하였을때 나타나는 값을 보정하는 값) 내지 최대전력효과(하나의 저항값을 최대한의 저항값을 가지는 저항을 연결하였을때 나타나는 값을 보정하는 값)가 나타나는 저항의 갯수가 각각 다른 것을 특징으로 하는 2진법식 비율증가에 의한 저항 비율교정 장치.