Pierwszenstwo: Opublikowano: 31.VIII.1970 60539 KI. 21 e, 27/14 MKP G 01 r, 27/14 UKD 621.317.33 : 621.317.321 Wspóltwórcy wynalazku: Krzysztof Badzmirowski, Michal Karkoszka, Pawel Studzinski, Marek Orzylowski, Bo¬ guslaw Jackiewicz Wlasciciel patentu: Zjednoczone Zaklady Elektronicznej Aparatury Pomiarowej „Elpo", Warszawa (Polska) Cyfrowy miernik opornosci z mostkiem pomiarowym i Wynalazek dotyczy cyfrowego miernika opornos¬ ci z mostkiem pomiarowym, sluzacego do doklad¬ nego pomiaru opornosci uziemionych lub izolowa¬ nych od potencjalu ziemi.Znane cyfrowe mierniki opornosci, posiadajace zblizona do przedstawionego w opisie elektronicz¬ nego miernika cyfrowego dokladnosc pomiaru, sa urzadzeniami o przelaczaniu nieelektronicznym przewodnosci jednego z ramion mostka co w spo¬ sób negatywny rzutuje na parametry uzytkowe przyrzadu.Automatycznie regulowana przewodnosc, zapew¬ niajaca mozliwosc równowazenia mostka Wheatsto- ne'a sklada sie z zespolu oporników wzorcowych, wlaczanych równolegle za posrednictwem przekaz¬ ników elektromagnetycznych. Wspomniane prze¬ kazniki nie moga byc zastapione zadnymi ze zna¬ nych rodzajów przelaczników elektronicznych po¬ niewaz maja one szereg wad. Na przyklad tran¬ zystory bipolarne, stosowane w tego rodzaju prze¬ lacznikach, maja duza i niekontrolowana wartosc pradu zerowego kolektora, uniemozliwiajaca cal¬ kowite odlaczenie oporników wzorcowych. Tran¬ zystory polowe równiez nie zapewniaja dostatecz¬ nie duzego stosunku opornosci przelacznika w sta¬ nie wylaczonym do opornosci w stanie wlaczonym.Koniecznosc stosowania przelaczników elektro¬ magnetycznych ogranicza szybkosc dzialania i zmniejsza niezawodnosc dzialania przyrzadów po¬ miarowych. 10 15 25 30 Celem wynalazku jest usuniecie tych niedogod¬ nosci oraz unikniecie zbednego nakladu srodków technicznych do realizacji pomiaru opornosci me¬ toda cyfrowa.Aby osiagnac ten cel wytyczono sobie zadanie opracowania ukladu elektrycznego, którego za¬ stosowanie w technice pomiarowej umozliwiloby zarówno pomiar opornosci jak i pomiar napiecia.Cel ten zostal osiagniety przez to, ze w kompen¬ sacyjnym woltomierzu cyfrowym, zawierajacym w zasadzie wszystkie elementy automatycznego mo¬ stka opornosci, wykorzystano uklad przedstawia¬ jacy soba elektronicznie regulowana opornosc lub przewodnosc niezbedna do pomiaru opornosci me¬ toda mostkowa. Jako element równowazacy uklad mostka wykorzystano przelaczany tranzystorowo cy¬ frowy dzielnik napiecia analogiczny jak dzielnik napiecia wzorcowego w kompensacyjnym wolto¬ mierzu cyfrowym.Cyfrowy dzielnik napiecia, stanowiacy jedna z ga¬ lezi mostka wlaczona jednym koncem na potencjal zerowy, a drugim — na wyjscie wzmacniacza ope¬ racyjnego z silnym ujemnym sprzezeniem zwrot¬ nym, sklada sie z szeregu oporników wzorcowych Rj ... Rn, z których kazdy jest dolaczany do poten¬ cjalu odniesienia lub do potencjalu zerowego.Wspólczynnik podzialu dzielnika stanowi stosunek wypadkowej przewodnosci oporników dolaczonych do potencjalu napiecia odniesienia do wypadkowej przewodnosci wszystkich oporników dzielnika. 605393 Dzielnik wykonano w ukladzie drabinkowym.Druga galaz mostka stanowi opornik wzorcowy polaczony w punkcie przekatnej mostka w szereg z opornoscia mierzona, a drugim koncem — z wyj¬ sciem wzmacniacza operacyjnego, którego para¬ metry techniczne sa identyczne jak uprzednio wymienionego wzmacniacza, przy czym wejscia obydwu wzmacniaczy sa dolaczone do napiecia od¬ niesienia. Napiecie wystepujace na mierzonej opor¬ nosci jest porównywane z napieciem otrzymywa¬ nym z wyjscia oporowego dzielnika napiecia. Qba te napiecia, bedace róznica potencjalów w pun¬ ktach przekatnej mostka, oddzialywuja na wejscie wzmacniacza róznicowego.Wzmocniony przez wzmacniacz sygnal bledu steruje, za pomoca ukladu sterujacego, przelacza¬ niem oporników dzielnika napiecia, powodujac jednoczesnie odpowiednia zmiane wskazan wskaz¬ nika cyfrowego. Po zakonczeniu cyklu pomiarowe¬ go, mostek jest zrównowazony a przewodnosc dzielnika napiecia jest proporcjonalna do mierzonej opornosci. Wartosc jej jest przedstawiona w po¬ staci cyfrowej jako wynik pomiaru.Uklad cyfrowego miernika z mostkiem pomiaro¬ wym umozliwia zarówno pomiar opornosci uziem- nionych lub izolowanych do potencjalu ziemi jak i pomiar napiecia stalego z dokladnoscia ±0,01 procenta wartosci mierzonej i rozdzielczosc ±0,0025 procenta wartosci koncowej podzakresu.Czas trwania pomiaru wynosi 20 milisekund.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasade dzialania ukladu, a fig. 2 — elektryczny uklad blokowy z wyszczególnieniem niektórych elementów elektrycznych.Jak uwidoczniono na fig. 1 opornosc mierzona Rx jest dolaczona do zródla napiecia E zasilania przez opornik wzorcowy Ra. Napiecie Vlf wyste¬ pujace na mierzonej opornosci Rx, jest porówny¬ wane z napieciem. U2, otrzymywanym z wyjscia cyfrowego dzielnika napiecia Dc bedacego galezia ukladu mostkowego. Cyfrowy dzielnik napiecia Dc zasilany jest napieciem róznicowym E—U2 stanowiacym róznice napiecia E dolaczonego do galezi RA + Rx vmostka i napiecia wyjsciowego U2.Po zrównowazeniu mostka napiecie 1^ wystepu¬ jace, na mierzonej opornosci Rx i napiecie wyj¬ sciowe U2 sa równe. Wtedy pomiedzy wartoscia mierzonej opornosci Rx, wartoscia przewodnosci G oporników cyfrowego dzielnika napiecia Dc do¬ laczonych do napiecia róznicowego, wartoscia wy¬ padkowej przewodnosci G0—G pozostalych opor¬ ników cyfrowego dzielnika napiecia Dc dolaczonych do potencjalu zerowego i wartoscia wzorcowej opornosci RA obowiazuje zaleznosc która swiadczy o proporcjonalnosci wartosci mie¬ rzonej opornosci Rx do wartosci przewodnosci G oporników cyfrowego dzielnika napiecia Dc dola¬ czonych do napiecia róznicowego E—U2, przy czym, napiecie E jest napieciem wyjsciowym wzmac¬ niacza operacyjnego 1 oraz czescia skladowa na¬ piecia wyjsciowego wzmacniacza operacyjnego 2. 4 Wartosc przewodnosci G cyfrowego dzielnika napiecia Dc moze byc przetransformowana na cy¬ frowy wynik pomiaru opornosci. Stosunek war¬ tosci opornosci wzorcowej RA do wartosci prze- 5 wodnosci GQ jest regulowany i umozliwia tym samym zmiane zakresów pomiarowych.Blokowy uklad elektryczny cyfrowego miernika opornosci z mostkiem pomiarowym, przedstawio¬ ny jest na fig. 2. 10 Galezie mostka pomiarowego zasilane sa napie¬ ciem odniesienia Ud z ukladu zasilania 3 poprzez wzmacniacze operacyjne 1 i 2 o silnych ujemnych sprzezeniach zwrotnych.Napiecie odniesienia Ud przylozone jest na wej- 15 scie operacyjnego wzmacniacza 1 poprzez oporniki Ri i ^2* Przy czym opornik R2 laczy wejscie ope¬ racyjnego wzmacniacza 1 z jego wyjsciem i two¬ rzy lacznie z szeregowo wlaczonym opornikiem Ri petle ujemnego sprzezenia zwrotnego. Wyjscie 20 operacyjnego wzmacniacza 1, o napieciu wyjscio¬ wym E jest polaczone szeregowo z regulowana wzorcowa opornoscia Ra, stanowiaca jedno ramie mostka pomiarowego, polaczona z zaciskiem a w punkcie laczenia z przekatna mostka. Zacisk b jest podlaczony do potencjalu zerowego.Pomiedzy zacisk a i b podlacza sie mierzona opornosc Rx, stanowiaca drugie ramie mostka po¬ miarowego. Podobnie jest zasilany operacyjny zmacniacz 2, którego wejscie jest polaczone z ukla- 30 dem zasilania 3 poprzez oporniki R4 i R3, przy czym opornik Rg laczy wejscie operacyjnego wzmacniacza 2 z jego wyjsciem i tworzy, lacznie z szeregowo wlaczonym opornikiem R4, petle ujemnego sprzezenia zwrotnego. 35 Wyjscie operacyjnego wzmacniacza 2 o wyjscio¬ wym napieciu róznicowym E—U2 jest polaczone szeregowo z cyfrowym dzielnikiem napiecia Dc stanowiacym druga galaz mostka pomiarowego.Obydwa wzmacniacze sa polaczone drugim 48 swym wejsciem do potencjalu zerowego.Punkt a laczenia przekatnej mostka o napieciu wyjsciowym Ux oraz wyjscie cyfrowego dzielnika napiecia Dc o napieciu wyjsciowym U2 sa pola¬ czone z wejsciami ukladu porównawczego 4, z 45 tym, ze wyjscie cyfrowego dzielnika napiecia Dc jest polaczone z wejsciem operacyjnego wzmac¬ niacza 2 poprzez opornik R5 i tworzy dodatkowa petle ujemnego sprzezenia zwrotnego dla tego wzmacniacza. Wyjscie ukladu porównawczego 4 50 o napieciu wyjsciowym Ux—U2 jest polaczone z wejsciem wzmacniacza 5 o wspólczynniku wzmoc¬ nienia K. Wyjscie wzmacniacza 5 o napieciu wyj¬ sciowym K(UX—U2) jest polaczone z wejsciem u- kladu sterujacego 6, którego jedno z wyjsc jest 65 polaczone ze wskaznikiem cyfrowym 7, a drugie — z cyfrowym dzielnikiem napiecia Dc.Zakladajac odpowiednio duza wartosc wspól¬ czynnika wzmocnienia operacyjnego wzmacniacza 1, mozna stwierdzic, ze jego wyjsciowe napiecie 60 E wynosi Zakladajac dodatkowa opornosc Rx równa opor- 65 nosci R4 i opornosc R^ równa opornosci R3 i R5,60539 .mozna stwierdzic, ze napiecie wyjsciowe operacyj¬ nego wzmacniacza 2 to znaczy napiecie dolaczone do cyfrowego dzielnika napiecia Dc wynosi R3 TT Ra U2 = E-U, R5 ~ 5 co spelnia warunki prawidlowego dzialania ukla¬ du mostkowego.Napiecie Vl9 wystepujace na mierzonej opornos¬ ci Rx i napiecie U2 otrzymywane z wyjscia cyfro¬ wego dzielnika napiecia Dc, sa porównywane ze 10 soba przy pomocy ukladu porównawczego 4, któ¬ rego sygnal wyjsciowy V1—U2 wzmacniany jest przez wzmacniacz 5.Wzmocniony sygnal K^—U2) jest bledem rów¬ nowagi mostka pomiarowego i steruje przy po- 15 mocy ukladu sterujacego 6, przelaczaniem oporni¬ ków cyfrowego dzielnika napiecia Dc w ukladzie równoleglym, prostym lub drabinkowym, powo¬ dujac jednoczesnie odpowiednia zmiane wskazan;, cyfrowego wskaznika 7. Po zakonczeniu cyklu po- 20 miarowego mostek jest zrównowazony i wartosc przewodnosci G cyfrowego dzielnika napiecia Dc, proporcjonalna do wartosci mierzonej opornosci Rx jest przedstawiona w postaci cyfrowej jako wynikpomiaru. 25 Jak juz wspomniano do realizacji ukladu pomia¬ rowego moga byc uzyte znane kompensacyjne woltomierze cyfrowe.Wszystkie bloki, za wyjatkiem operacyjnego wzmacniacza 2 i ukladu oporników R3, R4, R5 30 wchodza w sklad typowego, kompensacyjnego wol¬ tomierza cyfrowego. Jako opornosc wzorcowa Ra mozna wykorzystac oporniki wejsciowe dzielnika napiecia woltomierza cyfrowego.Zaleta przyrzadu jest mozliwosc pomiaru opór- 35 nosci w granicach od 0,01 Ohma do 4 megaOh- mów, z dokladnoscia 0,01 procenta wartosci mie- 6 rzonej opornosci ±0,005 procenta wartosci pelnej skali. Dodatkowa zaleta przyrzadu sa male na¬ piecia pomiarowe rzedu 2 woltów. • Wynalazek nie ogranicza sie do podanego przy¬ kladu wykonania. Moze on byc zastosowany w cy¬ frowym mierniku opornosci, podobnym pod wzgle¬ dem ukladowym do woltomierzy cyfrowych, a przeznaczonym wylacznie do pomiaru opornosci. PL