Делитель Кельвина – Варлея - Википедия - Kelvin–Varley divider

В Делитель напряжения Кельвина-Варлея, названный в честь его изобретателей Уильям Томсон, первый барон Кельвин и Кромвель Флитвуд Варлей, представляет собой электронную схему, используемую для генерации выходного напряжения как точного отношения входного напряжения с разрешением в несколько десятков лет. По сути, Делитель Кельвина – Варлея электромеханическая точность цифро-аналоговый преобразователь.

Схема используется для точных измерений напряжения в калибровка и метрология лаборатории. Он может достигать разрешения, точности и линейности 0,1 ppm (1 из 10 миллионов).[1]

Схема

Набор делителей Кельвина – Варлея для 0,2073.

Обычный делитель напряжения (Делитель Кельвина ) использует цепочку резисторов с ответвлениями, соединенных последовательно. Основным недостатком этой архитектуры является то, что для разрешения 1 часть из 1000 потребуется 1000 прецизионных резисторов.

Чтобы преодолеть это ограничение, в делителе Кельвина – Варли используется итеративная схема, согласно которой каскадные каскады, состоящие из одиннадцати прецизионных резисторов, обеспечивают одно декадное разрешение на каскад. Например, каскадирование трех ступеней позволяет выбирать любой коэффициент деления от 0 до 1 с шагом 0,001.

Каждый каскад делителя Кельвина – Варли состоит из цепочки резисторов равного номинала с ответвлениями. Пусть значение каждого резистора в я-й этап быть ря Ω. На декаду будет одиннадцать резисторов. Два из этих резисторов будут замкнуты на следующем каскаде, а следующий каскад рассчитан на входное сопротивление 2.ря. Такой выбор конструкции делает эффективное сопротивление перемычки. ря. Результирующий входной импеданс я-й этап будет 10ря.

В простой схеме декады Кельвина-Варлея сопротивление каждой ступени уменьшается в 5 раз: ря+1 = ря / 5. Первая ступень может использовать резисторы 10 кОм, вторая ступень 2 кОм, третья ступень 400 Ом, четвертая ступень 80 Ом и пятая ступень 16 Ом.

Заявление

Полная точность схемы может быть реализована только при отсутствии выходного тока, поскольку эффективное выходное сопротивление источника переменного тока является переменным. Поэтому делители Кельвина – Варлея обычно применяются вместе с нулевой детектор для сравнения их выходного напряжения с известным стандартом напряжения, например а Клетка Вестона (который также должен использоваться, не потребляя от него ток).

Заключительный этап делителя Кельвина – Варли - это просто делитель Кельвина. Для делителя декады будет десять резисторов равного номинала. Пусть номинал каждого резистора будет рп Ом. Входное сопротивление всей струны будет 10рп. В качестве альтернативы, последний каскад может быть двухрезисторным мостовым ответвлением.

Обрезка

Для обеспечения высокой точности необходимо только убедиться, что резисторы в одной декаде имеют одинаковое сопротивление, причем первая декада требует высочайшей точности согласования. Резисторы должны быть выбраны с учетом жестких допусков, и может потребоваться индивидуальная подгонка значений их сопротивления, чтобы они были равными. Этот выбор или подстройка требует только сравнения сопротивлений двух резисторов на каждом этапе подстройки, что легко достигается с помощью Мост Уитстона цепь и чувствительный нулевой детектор - а гальванометр в 19 ​​веке или инструмент с электронным усилением сегодня.

Отношение сопротивлений от одного десятилетия к следующему, на удивление, не критично - при использовании ря+1 сопротивление немного выше, чем ря / 5 и подключив подстроечный резистор параллельно всей предыдущей декаде, чтобы уменьшить эффективное сопротивление до 2 ×ря+1. В приведенном выше примере второй каскад может использовать резисторы 3 кОм вместо 2 кОм; подключение (подстроечного) резистора 60 кОм параллельно второй ступени снижает общее входное сопротивление второй ступени до требуемых 20 кОм.

Источники дополнительной ошибки

Температурный коэффициент

В идеале резистор должен иметь постоянное сопротивление. На практике сопротивление будет меняться со временем и внешними условиями. Сопротивление зависит от температуры.

Углеродистые пленочные резисторы имеют температурные коэффициенты порядка 100 частей на миллион на градус Цельсия.[2] Некоторые резисторы с проволочной обмоткой имеют коэффициент 10 ppm / ° C. Некоторые стандартные резисторы из металлической фольги могут иметь температуру всего 0,2 ppm / ° C.[3]

Самонагревающийся

Мощность, рассеиваемая резистором, преобразуется в тепло. Это тепло повышает температуру устройства. Тепло отводится или излучается. Простая линейная характеристика рассматривает среднюю мощность, рассеиваемую в устройстве (единицы ватт), и мощность устройства. термическое сопротивление (° C / Ватт). Устройство, которое рассеивает 0,5 Вт и имеет тепловое сопротивление 12 K / Вт, будет иметь температуру на 6 ° C выше температуры окружающей среды.

Когда делители Кельвина – Варлея используются для проверки высокого напряжения, самонагревание может создать проблему. Первый каскад делителя часто состоит из резисторов 10 кОм, поэтому входное сопротивление делителя составляет 100 кОм. Таким образом, общая рассеиваемая мощность при 1000 В составляет 10 Вт. Большинство резисторов делителя рассеивают 1 Вт, но два резистора, соединенные мостом второго каскада делителя, будут рассеивать только 0,25 Вт каждый. Это означает, что у мостовых резисторов будет четверть самонагрева и четверть повышения температуры.

Чтобы делитель сохранял точность, повышение температуры от самонагрева должно быть ограничено. Получение очень низких температурных коэффициентов снижает влияние колебаний температуры. Уменьшение теплового сопротивления резисторов позволяет снизить повышение температуры.

В коммерческих делителях Кельвина – Варлея используются резисторы с проволочной обмоткой, которые погружаются в масляную ванну (иногда только на первое десятилетие).

Термическая ЭДС

В термоэлектрический эффект заставляет соединения разных металлов генерировать напряжение, если соединения находятся при разных температурах (см. также термопара ). Хотя эти нежелательные напряжения малы, порядка нескольких микровольт на ° C, они могут вызвать заметные ошибки при высокой точности, на которую способна схема Кельвина-Варли. Ошибки можно свести к минимуму за счет правильной конструкции - поддерживая все соединения при одинаковой температуре и используя только пары металлов с низкими термоэлектрическими коэффициентами (вплоть до используемых внешних разъемов и кабелей; например, стандартная комбинация вилка / розетка 4 мм может имеют коэффициент 1 мкВ / ° C по сравнению с 0,07 мкВ / ° C для вилки / розетки класса "низкая термоЭДС" [4]).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Делитель Кельвина-Варлея Fluke 720A". Архивировано из оригинал на 2006-05-24. Получено 2010-01-28.
  2. ^ В каталоге DigiKey есть углеродные пленочные резисторы с плотностью 350 ppm / градус Цельсия.
  3. ^ В каталоге DigiKey указано значение 0,2 ppm / ° C как наименьшее значение ТС, доступное для поиска.
  4. ^ Уильямс, Джим; и другие. (Январь 2001 г.). «Примечание по применению 86: 20-разрядный ЦАП стандартного лабораторного класса с дрейфом 0,1 ppm / ° C» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-12-21. Получено 26 ноя 2011.

внешняя ссылка