Ulepszenie do elektronicznego układu pomiaru oporności zwarć

ZESZYTY NAUKOWE POUTECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1974

S e r ia » A utom atyka z . 26 N r k o l . 395

J e r z y M azur, H enryk K o lk a, Edward P r z e n i o s ł o

UIEPSZENIE DO EIEKTRONICZNEGO UKŁADU POMIARU OPORNOŚCI ZWARŚ

S t r e s z c z e n i e . A rty k u ł p r z e d s ta w ia z a s a d ę d z i a ł a n i a u k ła d u s łu ż ą c e ­ go do p o m iaru o p o r n o ś c i z w a rć . P r z e d s ta w io n o t a k ż e pewne m odyfika­

c j e u k ła d u z a p e w n ia ją o e zn a c z n e p o s z e r z e n ie z a k r e s u pom iarow ego i z m n ie js z e n ie wpływu te m p e r a tu r y w s to s u n k u do p ie rw o tn e g o u r z ą d z e ­ n i a .

1 . Wstęp

W a r t y k u l e z o s t a ł p rz e d s ta w io n y sk ró c o n y o p is c z ło n u pomiarowego:

z a b e z p ie c z e n ia o d le g ło ś c io w e g o wykonanego p rz e z Z a k ład y Pom iarowo-Ba­

daw cze E n e r g e ty k i ENERGOFOMIAR w G liw ic a c h i p rz e z n a c z o n e g o do z a b e z ­ p i e c z e n i a l i n i i e n e rg e ty c z n y c h p r a c u ją c y c h w s i e c i z uziem ionym punk­

tem gwiazdowym { /O K I* Układ t e n p o s i a d a ł n a s t ę p u j ą c e wady:

- o g r a n ic z e n ie pom iaru w z a k r e s i e m ały ch o p o r n o ś c i z w arć w y n ik a ją c e z n ie lin io w y c h c h a r a k t e r y s t y k m a k s is e le k to r a i m i n i s e l e k t o r a ,

- duży wpływ te m p e r a tu r y na c h a r a k t e r y s t y k i pom iarowe u k ła d u i zw iąza­

ne z tym d a l s z e z m n ie js z e n ie z a k r e s u pom iarow ego.

W d a l s z e j c z ę ś c i a r t y k u ł u z o s t a ł y p rz e d s ta w io n e wprowadzone p rz e z au­

to ró w m o d y fik a c je u k ła d u z a p e w n ia ją c e p o le p s z e n ie je g o c h a r a k t e r y s t y k pom iarow ych. C zło n pomiarowy s k ła d a s i ę z t r z e c h podstawowyoh u kładów : m a k s i s e ł e k t o r a , m i n i s e l e k t o r a i p r z e k a ź n ik a pom iarow ego.

2 . Z asad a po m iaru r e z y s t a n c j i

Z asa d a p ra c y te g o u k ła d u op’i e r a s i ę n a p o ró w n an iu w u k ła d z ie m o st­

kowym dwóch prądów :

* .

- p r o p o r c jo n a ln e g o do n a p i ę o i a (z m i n i s e l e k t o r a ; , - p r o p o r c jo n a ln e g o do p rą d u t z m a k s i s e ł e k t o r a ) .

3 8 J . M azur, II. K olka, E. P r z e n io s ło

Z asad ę porów nania t y c h prądów p r z e d s ta w ia r y s . 2*1.

g d z ie P

Rysż 2*1» Schem at blokowy c z ło n u pomiarowego

- p r z e k a ź n ik pomiarowy

r ‘\ , r2, r " mos'l' e ^ u m o ż liw ia ją c y s t r o j e n i e u k ła d u

W arunek p ra c y t a k i e g o u k ła d u nożn a o k r e ś l i ć n a s tę p u ją c o : p r z e k a ź n ik pomiarowy z a d z i a ł a w p rz y p a d k u , gdy

c i o» - y j < o -

p rz y czym w s p ó łc z y n n ik i p r o p o r c jo n a ln o ś c i i Cg z a l e ż ą g łó w n ie od p o d z i a ł u oporów r , r^ i r , , . Poniew aż n a p i ę c i e Uy j e s t n a p ię c io m mi- n i s e l e k t o r a i j e s t p r o p o r c jo n a ln e do m inim alnego n a p i ę c i a z w s z y s t­

k i c h m ie rz o n y c h n a p ię ó , a n a p i ę c i e UT j e s t n a p ię c ie m m a k s i s e l e k t o r a i

d

j e s t p r o p o r c jo n a ln e do maksym alnego p rą d u z w s z y s tk ic h m ie rz o n y c h p r ą ­ dów, z ate m z a s a d ę d z i a ł a n i a u k ła d u pomiarowego można o p is a ó z a le ż n o - ś c i ą

k ' U - k" J < 0 lu b

U . k "

J < k T *

I n a c z e j m ówiąc, u k ła d z a d z i a ł a w p rz y p a d k u , gdy s to s u n e k w a r to ś c i na­

p i ę c i a w p r z e k ła d n ik a c h n a p ię c io w y c h do p rą d u w p r z s k ła d n ik a c h p rą d o -

U le p s z e n ie do e le k tr o n ic z n e g o u k ła d u p o m ia ru ..» 3 5

k "

, ,

wych b ę d z ie m n ie js z y od w a r t o ś c i —t, k t ó r ą t o w a rto ś ć można n a s ta w ić w u k ł a d z i e . Nazywamy t ą w a rto ś ć im p ed an cją ro zru ch o w ą c z ło n u pom iaro­

wego.

3 . K a k s is e le k to r

M a k s is e le k to r j e s t układem , k tó r y z g ru p y n a p ię ć doprow adzonych n a je g o w e jś c ie w y b ie ra w a rto ś ć m aksym alną (c o do w a r to ś c i b ezw zg lęd ­ n e j ) . Doprowadzone n a p i ę c i a s ą p r o p o r c jo n a ln e do m ie rz o n y c h p rądów . Schem at ta k ie g o u k ła d u z o s t a ł p rz e d s ta w io n y na r y s . 3 . 1 .

Schemat t e n j e s t schem atem u p ro ­ szczonym , k tó r y n ie u w z g lę d n ia f a k t u , i ż 'n a p i ę c i a do Ug s ą p ro sto w an e w u k ła d z ie dwupołów- kowym. Dodatkowego w y ja ś n ie n ia wymaga n a p i ę c i e Uk o r . To n a p ię ­ c i e w y stę p u je je d y n ie wówczas, gdy z a b e z p ie c z a n y u k ła d p r z e s y ­ ł a e n e r g ię sy m e try c z n ie we w s z y s tk ic h f a z a c h i gdy brak j e s t z a k łó c e ń (d o k ła d n y o p is p ra o y te g o u k ła d u j e s t w [2] ) . P rz y b ra k u p r z e s y łu e n e r g i i (U^ f Ug=

= 0 ) n a p ię c ie na o b c ią ż e n iu ma w a rto ś ć 1 ,2 * 1 ,5 V. Wynika t o s t ą d , że w p rzy p ad k u b ra k u na­

p ię ć w ejścio w y ch n a w y jś c iu po­

ja w ia s i ę n a p ię c ie równe pod­

wójnemu spadkow i n a p i ę c i a na d i o d z i e . O po rn ik Rg pozw ala na r e g u l a c j ę c h a r a k t e r y s t y k i w yj­

śc io w e j m a k s is e le k to r a . R ys. 3 . 1 . Schem at u k ła d u ra a k s i-

s e l e k t o r a

40 J . M azur, H. K olka, E , P r z e n io s ło

4 . M in is e le k to r

J e s t t o u k ła d , k tó r y z e w s z y s tk ic h doprow adzonych n a p ię ć s t a ł y c h w y b ie ra n a jm n ie js z e . O trzym ane n a p ię c ie podawane j e3t na u k ła d s e p a r a ­ t o r a pom iarow ego. Układ m i n i s e l e k t o r a j e s t p rz e d s ta w io n y n a r y s . 4 . 1 .

R ys. 4 . 1 . Schem at u k ła d u m i n i s e l e k t o r a

O p o rn ik i R s ą o p o rn ik a m i z a łą c z o n y m i na w y jś c iu układów p ro s to w n i­

cz y c h i f i l t r u j ą c y c h , p rz y czym na u k ła d t e n z o s t a ł o z a łą c z o n e uzw oje­

n i e w tó rn e p rz e k ła d n ik ó w n a p ię c io w y c h . U kład d io d m i n i s e l e k t o r a j e s t w s tę p n ie po lary zo w an y n a p ię c ie m - 40 V p o p rz e z t r a n z y s t o r T 3.Z e w zglę­

du n a duży wpływ o b c ią ż e n ia , którym j e s t obwód pom iarow y, na n a p i ę c i e w y jścio w e m i n i s e l e k t o r a z a sto so w an y z o s t a ł s e p a r a t o r w u k ła d z ie D a r- l i n g t o n a . Aby z m n ie js z y ć wpływ te m p e ra tu ry na p u n k t p ra c y u k ła d u , z a ­ sto so w an o kom p en sację z a pomocą t e r m i s t o r a R^. U k ład , w ja k im p r a c u je t r a n z y s t o r T3 zap ew n ia z m n ie js z e n ie wpływu zm ian n a p i ę c i a z a s i l a j ą c e ­ go n a p u n k t p ra c y u k ła d u .

U le p s z e n ie do e le k t r o n i c z n e g o u k ła d u p o m iaru .« 41

5• P rz e k a ź n ik pomiarowy

C zło n pomiarowy p rz e d s ta w io n y na r y s . 5*1 j e s t p r z e r z u t n i k i e m - S c h m itta .

BLOKdpn

D la p ra w id ło w e j p ra c y u k ła d u poziom w yzw alania c z ło n u pomiarowego po­

w in ie n być równy w a r t o ś c i n a p i ę c i a m i n i s e l e k t o r a i m a k s is e le k to r a przy b ra k u p r z e s y łu e n e r g i i . Poziom t e n j e s t z r e a liz o w a n y p rz y pomocy d io ­ dy D2 i o p o rn ik a R^, k tó r y j e s t p o d łączo n y do pom ocniczego ź r ó d ła z a ­ s i l a n i a . R e g u la c ję d o k ła d n ą poziom u w yzw alania p rzep ro w ad za s i ę p rz y pomocy p o te n c jo m e tru R^.

6 . Wymagania poprawnego s t r o ń e n ia

Aby pom iar z o s t a ł p rzeprow adzony z j a k n a jm n ie jsz y m możliwym b ł ę ­ dem muszą być ze so b ą z e s t r o j o n e t r z y e le m e n ty : m a k :;io e le k to r ,m in is e - l e k t o r i p r z e k a ź n ik pom iarow y. W tym c e l u n a le ż y z d ją ć c h a r a k t e r y s t y ­ kę m i n i s e l e k t o r a i m a k s is e le k to r a j a k na r y s . 6. 1 . i po prow adzić s t y ­ czne do t y c h c h a r a k t e r y s t y k .

4 2 J . M azur, H. K olka, E . P r z e n io s ło

S ty c z n e muszą s i ę p r z e c in a ć w jednym p u n k c ie na o s i p io n o w e j.P u n k t te n w yznacza p ró g w yzw alania p rz e k a ź n ik a pom iarow ego. B łędy p o m iaru Z wy­

n i k a j ą z n i e l i n i o w o ś c i w początkowym z a k r e s i e c h a r a k t e r y s t y k m i n i s e - l e k t o r a i m a k s is e le k to r a ( r y s . 6. 2 ) o raz z dużych wpływów te m p e ra tu ry n a t e c h a r a k t e r y s t y k i .

U le p s z e n ie cło e le k tr o n ic z n e g o u liła d u p o m iaru .» » 43

R ys. 6 . 2 . C h a r a k te r y s ty k i m a k s is e le k to r a p rz y ró ż n y c h w a r to ś c ia c h o - p o r.n ik a R^

1 - d la R1 = 10 kQ , 2 - d la R1 = 5»1k& . 3 - d l a R., = 2 ,7 k £ , 4 - z k o r e k c ją dodatkowym n a p ię c ie m

J a k w ykazały p o m iary , p rz y z m ia n ie te m p e r a tu r y od 20°C do 45°C po­

czątkow y p u nkt c h a r a k t e r y s t y k i m a k s is e le k to r a p rz e sia n ą ! s i ę o 50 mV w g ó r ę , c h a r a k t e r y s t y k a m i n i s e l e k t o r a o 100 mV w d ó ł , a p ró g w yzw alania

44 J . M azur, H. K o lk a, E. P r z e n io s ło

p r z e k a ź n ik a o 1 2 ,5 nV w d ó ł . Aby p r z e c iw d z ia ła ć tym w szy stk im wpływom w opracowanym u k ł a d z i e , a u to r z y w p ro w a d z ili u k ła d y k o re k c y jn e i pewne zm iany schem atow e.

7 . M odyfikac.ie u k ła d u

Układ t e n r e a l i z u j e p r z e s u n i ę c i e p o c z ą tk o ­ wego p u n k tu c h a ra k te ry -*

s t y k i m a k s is e le k to r a o 0 ,1 5 V. P ozw ala t o na d o pasow anie c h a r a k te r y ­ s t y k i m a k s is e le k to r a z m in is e le k to r e m . T e rm i- s t o r 1 ,54kffl g w a ra n tu je s t a b i l i z a c j ę te r m ic z n ą c a ł e j c h a r a k t e r y s t y k i w z a k r e s i e te m p e r a tu r 20- T 45°C .

b ) Z m niejszono do po­

łow y w a rto ś ć opor­

n ik a R.| w . m a k s is e - le lc to r z e ( r y s . 3 «l)*

W w yniku t e j k o r e k c j i otrzym ano b a r d z i e j lin io w ą c h a r a k te r y s ty k ę m a k s is e le k to r a ( r y s . 6 . 2 ) .

c ) W m i n i s e l e k t o r z e muszą być z a sto so w a n e d io d y germanowe z e w zględu n a wymagany m inim alny sp a d ek n a p i ę c i a na d io d a c h .

d ) W u k ł a d z i e D a r lin g to n a ( r y s . 7 . 2 ) za sto so w an o dodatkow ą p o la r y z a ­ c j ę na d i o d z i e , co spowodowało p r z e s u n i ę c i e początkow ego p u n k tu cha*

r a k t e r y s t y k i m i n i s e l e k t r o d a o 0 ,7 3 V. K o re k c ja t a z o s t a ł a spowodo­

wana p r z e s u n ię c ie m c h a r a k t e r y s t y k i m a k s is e le k to r a i k o n ie c z n o ś c ią dopaso w an ia s i ę do n i e j . Z w ię k sz e n ie o p o r n o ś c i t e r m i s t o r a w u k ła ­ d z ie D a r lin g to n a z m n ie js z y ło wpływ te m p e r a tu ry n a c h a r a k t e r y s t y k i . a ) K o re k c ja m a k s is e le k to r a ( r y s . 7 . 1 )

U le p s z e a ie dc e le k tr o n ic z n e g o u k ła d u p o m ia r u .. . 45

R ys. 7 .3

46 J . M azur, H. K o lk a , E. P r z e n io s ło

e ) W p r z e k a ź n ik u pomiarowym z o s t a ł zw ięk szo n y p ró g w yzw alania p o p rz e z w łą c z e n ie d r u g i e j d io d y szeregow o z D2 i R^. Wynika t o z p r z e s u ­ n i ę c i a s i ę p u n k tu p r z e c i ę c i a c h a r a k t e r y s t y k m i n i s e l e k t o r a i m a k si- s e l e k t o r a .

Wprowadzone k o r e k c je p o z w o liły ro z ­ s z e rz y ć z a k r e s pom iaru o p o rn o ć c i(p rz y Hoos . . . m ałych o d le g ło ś c ia c h ) p rz y d o p u sz ­

czalnym b ł ę d z i e pom iaru 1 0 ? j , c o zo­

s t a ł o p rz e d s ta w io n e n a r y s . 7 .3 » C h a- r a k t e r y s t y k a u k ła d u p rz e d k o r e k c ją d l a te m p e ra tu r y 45°C n i e z o s t a ł a u - m ieszczo n a n a ry s u n k u ze w zględu na zn a czn e p r z e k r o c z e n ie d o p u sz c z a ln e g o b łę d u p o m iaru .

C ały zm odyfikowany u k ła d pom iaro ­ wy z o s t a ł p rz e d s ta w io n y na r y s . 7 . 4 .

- w v

R ys. 7 * 2 . K o re k c ja u k ła d u s e p a r a t o r a

Rys. 7 .4 - Zmodyfikowany u k ła d pomiarowy

U la p s z e n ie dc e l e k tr o n ic z n e g o o k ła d u p o m ia r u ... 47

8 . W nioski

J a k z o s t a ł o s tw ie rd z o n e d o ś w ia d c z a ln ie na k s z t a ł t c h a r a k t e r y s t y k i s t a t y c z n e j m a k s is e le k to r a ( r y s . 6 . 1 ) r.ia b a rd z o duży wpływ w ie lk o ś ć o - p o r n o ś c i o ra z r o d z a j u ż y ty c h d io d . P rz e z zm ianę R^ można p rzesu w ać w p i o n i e p o c z ą te k t e j c h a r a k t e r y s t y k i . Pom iary początkow ego o d c in k a c h a r a k t e r y s t y k i w podw yższonej te m p e r a tu r z e (45°C) w ykazały ta k duże z m ian y , ż e c a ły u k ła d n i e s p e ł n i a ł sw ojego z a d a n ia ja k o p rz y rz ą d po­

m iarow y. W prowadzenie u k ła d u k o re k c y jn e g o ( r y s . 7 .1 ) pozw ala na wy­

r a ź n e p o p ra w ie n ie l i n i o w o ś c i c h a r a k t e r y s t y k i na j e j p o o z ą tk u i w wyni­

ku te g o z m n ie js z e n ie b łę d u pom iaru p o n iż e j 1 OfS, a tym samym z w ię k sz e ­ n ie z a k r e s u pom iarowego u r z ą d z e n ia . Dodatkowo wprowadzony do u k ła d u k o re k c y jn e g o e le m e n t te rm ic z n y z m n ie js z a wpływ te m p e r a tu r y na c h a r a k ­ t e r y s t y k ę w y jśc io w ą . P r z e s u n i ę c i e t e j c h a r a k t e r y s t y k i wymagało w d a l ­ s z e j k o n s e k w e n c ji p r z e s u n i ę c i a poziom u n a p ię c io w e g o w u k ła d z ie ąepara-*

t o r a ( r y s . 7 .2 ) o ra z w p rz e k a ź n ik u pomiarowym. Tak zm odyfikow any u - k ła d ( r y s . 7 .4 ) pozw ala n a w yraźne z m n ie js z e n ie b łę d u pom iarow ego c a ­ łe g o u r z ą d z e n ia , r o z s z e r z a je g o z a k r e s pomiarowy do 1^ <= 0 ,5 A, poz­

w ala na ł a t w i e j s z e s t r o j e n i e a w podw yższonej te m p e r a tu r z e zachow uje d o k ła d n o ś ć vsymaganą d la p rzy rząd ó w t e j k la s y ( < 10$ ) .

LITERATURA

1 . W róblew ski J . : Z a c is k pom iarow y. P a t e n t PRL n r 45593«

2 . W ojciechow ski J . : Z a b e z p ie c z e n ie o d le g ło ś c io w e ty p RTX-33. O pis t e c h n ic z n y . E n erg o p o m iar.

3 . Z a g a je w sk i T . : U kłady e l e k t r o n i k i p rz e m y sło w e j. WNT,Warszawa 1972.

4 . P a łc z y ń s k i B, S t e f a ń s k i W.: P ro je k to w a n ie układów z p rz y rz ą d a m i pół*

przew odnikow ym i. WKŁ, Warszawa 1969»

48 J . M azur, H. KoIJ4at E . P r z e n i o s l o

yijOBCPDHICTBOBAHLE 3JTE1CTPOIIIIOU CXEMlTllPKEOPA flJIJi KBttlEPHBiri GOJIPOmaJIEHMJi KOPOTlCOrO 3AMIiKAHhil

3 H E P r ETk li EC MaX U El I Ell

P

e

10

e

B C T a T b e n p e ^ C T a B J i e H n p i i H H n n p a f i o T u n p n O o p a ^ j i h u s a e - p e H n a c o n p o T i i B J i e H M f l K o p o T K o r o s a M U K a H H H o l l p e ^ C T a B J i e H H n e - K o T o p w e y c o B e p i i e H C T B O B a H v i f i o x e a n , o f i e c n e U H B a D m M e 3 H a n i i - T e j i b H o e p a c E i n p e i i n e K 3 u e p n T e J i i > H o r o p a n a 3 0 H a , a T a K a c e y u e H K * m e H H e b j i h h h h h T e M n e p a T y p H n o o t h o d i e H H B k n e p B O H a n a J i t H O M y

npwfiopyo.

THE DEVELOPMENT OP ELECTRONIC APPARATUS FOR MEASURING SHORT CIRCUIT RESISTANCES

S u m m a r y

The p r i n c i p l e o f e l e c t r o n i c a p p a r a tu s f o r m e a su rin g s h o r t c i r c u i t r e s i s t a n c e s t o g e t h e r w ith some i t s m o d i f i c a t i o n s h a s b een g i v e n . T h is i n c r e a s e s t h e m e a su rin g r a n g e and re d u c e s th e te m p e r a tu r e i n f l u e n c e on t h e c i r c u i t r y com pared t o e a r l i e r ty p e s of t h i s d e v ic e .