Электрометрический вольтметр

/О В 19/12 01 асессор13ТЕЛг. ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 21) больших сопр рический вол точник 3 опо ные шины (Ш) ти тм В 28ч и К.С. Высоцкий ного 2, 4 14, отки ране ССР 986 ельство 19/12,КИЙ ВОЛЬТМЕ 9, а12,изме(54 (57 ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕИзобретение мо при измерен ет быть исполь малых токов и зова ний,. ( )(46) (72) (53) (56) 9 13 АРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ 41 25085/24-2125.09.8630,07.88. БюлА.А, Володкев621,325(088,8Авторское свид0580, кл. 0 0 1 компарато ления и обра 8 выборки и фильтр 5 ниж 13, инвертор .образователь ную точность ний. Электромет(ЭМВ) содержит иснапряжения, вход, интегратор блок (Б) 16 управ- информации, Б 6, ия, ключи 7, 10, стот, сумматор 11, алого-цифровой пре- МВ имеет повышенИзобретение относится к измерительной технике и может быть ис" пользовано при измерении малых токов и больших сопротивлений.Цель изобретения - повышение точности измерений.На фиг. 1 представлена схема электрометрического вольтметра на фиг,2 - пример реализации блока управления 10 и обработки информации (БУОИ); на фиг. 3 - пример построения схемы управления, входящей в состав БУОИ; на фиг, 4 - пример построения схемы микропроцессорного контроллера15 (МПК) БУОИ на фиг. 5 и 6 - временные диаграммы работы устройства.Электрометрический вольтметр (фиг, 1) содержит интегратор 1 малых токов, вход которого подключен 20 к входной шине 2, источник 3 опорных напряжений (ИОН), первый выход которого подключен к входной шине 4, подключенный к выходу интеграторафильтр 5 нижних частот, к выходу которого подключены первый блок 6 выборки и хранения и через ключ 7 второй блок 9 выборки и хранения, связанный через инвертор 9 с одним иэ входов ключа 10, сумматор 11, 30 один иэ двух входов которого подклю" чен к выходу ключа 10, другой - к выходу блока 6 выборки и хранения, а выход - к входу аналого-циФрового преобразователя (АЦП) 12 и к одному из трех входов сумматора 13, компаратор 14, подсоединенный к одному из входов (15) БУОИ 16 с управляющими выходами 17-21 и входом 22 от АЦП 12 и входную шину 23. Второй 40 вход сумматора 13 подключен к выходу блока 8 выборки и хранения, а третий;вход - к ИОН 3.ИОН 3 выполнен по схеме преобразователя с умножением напряжения и 45 предназначен для формирования опорных уровней напряжений 0,1, 1, 10, 100 и 1000 В при измерении сопротивления постоянному току. Выходные напряжения снимаются с высоковольтного 50 делителя и коммутируются с помощью реле на шину 4, а напряжение 10 В постоянно подключен к третьему входу сумматора 13.Блоки 6 и 8 выборки и хранения выполнены на базе двух операционных усилителей по инвертирующей схеме.БУОИ 16 может быть выполнен, как показано на фиг. 2, и содержит ИПК 24, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 25, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 26, счетчик27, формирователь 28 временных интервалов (ФВН), интерфейс 29, схему 30управления, дешифратор устройства 31и блок 32 индикации и клавиатуры.ОЗУ 25 предназначено для запоминания данных цифрового преобразования и хранения промежуточных результатов при выполнении программы измерения,ФВИ 28 выполнен на БИС программируемого таймера.Интерфейс 29 формирует сигнал уп"равления режимом работы устройства(режим измерения тока или сопротивления), команду "Запуск", управляющиесигналы для ИОН 3, а также передаетв шику данных команду "Знак" из, схемы 30 управления и выполнен на БИСпрограммируемого параллельного интерфейса.Дешифратор 31 обеспечивает выборадресуемого МПК 24 устройства:ИПК 24,ОЗУ, 25, ПЗУ 26, счетчика 27, ФВИ 28,интерфейса 29, блока 32 индикации иклавиатуры,Блок 32 индикации и клавиатурыобеспечивает функционирование устройства в целом и отображает результатыизмерения,Примеры реализации ИПК 24 и схемы30 управления приведены соответственно на фиг. 3 и 4.МПК 24 производят централизованноеуправление всеми узлами и блоками устройства и осуществляет процесс цифровой обработки информации.Схема 30 управления обеспечиваетуправление блоками устройства, с помощью которых производится дискретизация напряжения интегратора 1 (блоки6 и 8, ключи 7 и 10), и выполнена наинтегральных микросхемах средней степени интеграции с малым энергопотреблением,Сумматоры 11 и 13 выполнены на баэе операционных усилителей и содержит также резисторы 33-35 (сумматор11) и 36-39 (сумматор 13).На фиг. 5 приведены диаграммыработы устройства в режиме измере"ния тока: а - форма сигнала на управляющем входе блока 6 выборки ихранения; б - форма сигнала на управляющем входе блока 8 выборки ихранения, в - форма сигнала на вы14135 Ю 1 - = - 1 Ы С 40 ходе 21 БУОИ 6; г - форма сигнала "Знак" на выходе схемы 30 управления; д - диаграмма 1 - сигнал на выходе интегратора 1 (иа диаграмме ин- . 5 вертирован), диаграммы 2 и 3 - сигналы на выходах блоков 6 и 8, е - форма сигнала на выходе сумматора 11.На фиг. 6 приведены диаграммы работы устройства в режиме измерения 1 О сопротивления: а - форма сигнала "Запуск" на выходе интерфейса 29 БУОИ 16; б - форма сигнала на выходе компаратора 14; в - форма сигнала на управляющих входах блоков 6 и 8, г - 15 диаграмма 1 - сигнал на выходе интегратора 1 (на диаграмме инвертирования), диаграмма 2 - сигнал на выходе блока, д - форма сигнала ка выходе сумматора 11, е - форма сигнала 20 на выходе сумматора 13, ж - форма сиг нала на выходе В схемы 30 управления БУОИ 16,1В режиме измерения тока источник 25 измеряемого тока подключается между входными шинам 2 и 23. Управление всеми узлами устройства осуществляет БУОИ 16. При этом вход блока 8 через ключ 7 подсоединяется к фильтру 5, а инвертор 9 через ключ 10 подключается к входу сумматора 11 (фиг. ), При поступлении измеряемого тока 1 на вход интегратора 1 на его выходе появляется линейно изменяющееся напряжение (фиг. 5 д, диаграмма 1) ско 35 рость изменения которого прямо пропорциональна величине тока: где С - измерительный конденсатор вцепи обратной связи интегратора 1,45Блоки 6 и 8 осуществляют дискретизацию выходного напряжения интегратора 1 через интервал времени дС (фиг. 5 д, диаграммы 2 и. 3), величина которого задает БУОИ 16 (в данном случае 100 мс) по выходам 17 и 1850 (фиг. 5 а,б) и определяется из усло" вий определения минимально возможного приращения напряжения У (зависит от уровня шумов входных цепей55 интегратора 1), необходимого быстродействия выдачи данных, помехоустойчивости устройства (интервал дискретизации должен быть кратным периоду 384помехи, в частности напряжению питающей сети)Выделение напряжения дП, амплитуда которого прямопропорциональна ФС ь.величине измеряемого тока (х эа интервал времени Ь Сд осуществляет сумматор 11 с коэффициентом передачи К в моменты времени ьС, (фиг. 5 е),.С помощью интегрирующего АЦП 2 и счетчика 27 БУОИ 16 производится измерение величины К ь в моменты времени ЬС , определяющие время интегрирования АЦП 12, которое должно быть крат но периоду помехи, в частности напряжению питающей сети, и выбирается в.зависимости от необходимого быстродействия и точности измерения (в данном случаем 20 мс). Время дС (фиг.5 а) задается ФВИ 28 по выходу 21 БУОИ 16 после установления блоков 6 и 8 в режиме хранения.Результат измерения тока определяется как полусумма двух соседних результатов аналого-цифрового преобразо. вания Ки К 41,фДля правильного определения полярности измеряемого тока (отрицатель" кого либо положительного) схемой 30 управления по выходу "Знак" формируется соответствующий сигнал (фиг.5 г) который анализируется в момент времени С, МПК 24: при наличии уровня "1" на интервале ьС, (фиг, 5 г) знак результата измерения АЦП инвертируется, при наличии "О" знак результата измерения АЦП сохраняется.Так как результат измерения А определяется при сложении двух соседних данных .А, и А; АЦП 12, которые имеют разную полярность, то на процесс измерения адаптивные погрешности (напряжение смещения и его временной и температурный дрейф) не оказывают влияния." А - -(-А 1+Есм )+(А м +Есм)22 где Е , - суммарное напряжение смещения интегратора 1, фильтра 5, блоков 6 и 8, инвертора 9, сумматора 11 с учетом знака и коэффициентов передачи соответствующих звеньев,На фиг. 5 д показана смена полярности напряжения на выходе интегратора (диаграмма 1), вызванная иэме 143538нением полярности входного тока, нафиг. 5 е отображены соответствующиеизменения в сигнале на выходе сумматора 11,В режиме измерения сопротивленияизмеряемый объект Вподключается между входными шинами 2 и 4. При этомот ИОН 3 подается одно из измери"тельных напряжений Бз (например,0,1, 1, 10, 00 или 1000 В), значения которого устанавливается по управляющему выходу 20 БУОИ 16. Уровнем "1" по выходу 19 подключаетсявход сумматора 11.через ключ 10 кфильтру 5 нижних частот, а вход блока 8 через ключ 7 - к выходу сумматора 11,В исходном состоянии блоки 6 и 8находятся в режиме слежения. Блок 6инвертирует выходной сигнал интегратора 1 (фиг. 5), который суммируетсяс прямым сигналом интегратора(фиг. 5 д), Резисторы 33 и 34 равныпо величине, а на выходе сумматора11 присутствует напряжение смещенияЕ , обусловленное совместным действием напряжений смещения блока 6 исумматора 11, Сумматор 13 произво-.дит суммирование напряжений с блока 8 и сумматора 11, и влияние напряжения смещения Е ослабляется вш раз (ш - коэффициент передачисумматора 11, определяемый соотношением резисторов 35, 33 и 34, вданном случае ш = 100), т.е. устраняется аддитивная составляющая погрешности. С второго выхода ИОН 3на третий вход сумматора 3 подаетсяопорное напряжение П(например,10 В), .устанавливайщее компаратор14 в состояние "0" по входу 15, Напряжение и резисторы 36-38 определя ют порог срабатывания компаратора 14.Процесс измерения начинается покоманде "Запуск" (фиг. ба), генерируемой МПК 24 через интерфейс 29.При этом БУОИ 16 по выходам 17 и 18(фиг. бв) переводит блоки б и 8 врежим хранения.Сумматор 11 производит выделениеприращения напряжения ЬБ, котороесравнивается сумматором 13 с фиксированным напряжением П , при достижении которого срабатывает компаратор 14 (фиг, 5 б)Одновременно с приходом командызапуск на выходе В схемы 30 управления БУОИ 16 появляется информацион-ный импульс (фиг. бж), измерениедлительности которого производитсясчетчиком 27Считывание информациииз счетчика производится МПК 24 поокончании информационного импульса(момент фиксации уровня срабатываниякомпаратора 14). Интервал времени отначала работы устройства (приходакоманды "Запуск" ) до срабатываниякомпаратора является информационными прямопропорционален величине измеряемого сопротивления В,5 0 1 Знзм 1 ргде К - суммарный коэффициент передачи тракта блока 6 и сумматоров 11 и 13.Для уменьшения случайных помех, повышения помехоустойчивости в режимах измерения тока и сопротивления БУОИ 16 выполняет цифровую фильтрацию сигнала путем усреднения Б результатов измерения. При этом в зависимости от диапазона измерения и условий применения постоянная времени, изменяется в пределах от 0,1 до 100 с (устанавливается оператором через блок 32 индикации и клавиатуры).аФормула из обретения 20 25 30 Электрометрический вольтметр, содержащий источник опорного напряжения, соединенный с первой входнойшиной, интегратор; своим входом соединенный с второй входной шиной,третью входную шику, подключеннуюк общей шине, последовательно соеди денные компаратор, блок управленияи обработки информации и первый блоквыборки и хранения, первый ключ, первый вход которого соединен с вторымвходом первого блока выборки и хранения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений, в него введены фильтр нижних частот, первый сумматор и последовательно соединенные второй блоквыборки и хранения, инвертор, второй ключ, второй сумматор и аналогоцифровой преобразователь, выход которого подключен к, второму входу, авторой вход - к второму выходу блокауправления и обработки информации,третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно кисточнику опорного напряжения, к первому входу второго блока выборки и+5 В Фиг.2 хранения и к управляющим входамобоих плеч, первые входы которыхобъединены и подключены к выходуфильтра нижних частот и к второмувходу первого блока выборки и хранения, второй вход первого ключа соединен с первым входом первого сумматора и с выходом второго сумматора, выход первого ключа подключен квторому входу второго блока выборкии хранения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора,третий вход которого подключен кисточнику опорного напряжения, авыход - к первому входу компаратора,второй вход которого подключен кобщей шине, при этом выход интегратора подсоединен к входу фильтранижних частот, а выход первого блокавыборки и хранения - к второму входувторого сумматора.4 3538 е Составитель Е. ЕфимовТехред Л.Олийнык Корректор С, Чер актор А. Огар каэ 3778/47 е эводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная Тира ВПИИПИ Государств по делам изобр 113035, Москва, Ж772 Подлного комитета СССРений и открытийРаушская наб., д, 4/5