Kelvin–Varley avdelare

Kelvin -Varley spänningsdelaren , uppkallad efter dess uppfinnare William Thomson, 1st Baron Kelvin och Cromwell Fleetwood Varley , är en elektronisk krets som används för att generera en utspänning som ett precisionsförhållande av en inspänning, med flera decennier av upplösning. I själva verket Kelvin–Varley-delaren en elektromekanisk precision digital-till-analog-omvandlare .

Kretsen används för precisionsmätningar av spänning i kalibrerings- och metrologilaboratorier . Den kan uppnå upplösning, noggrannhet och linjäritet på 0,1 ppm (1 på 10 miljoner).

Krets

Kelvin–Varley avdelare set för 0,2073.

Den konventionella spänningsdelaren (Kelvin-delaren) använder en uttagssträng av seriekopplade motstånd. Den grundläggande nackdelen med denna arkitektur är att en upplösning på 1 del av 1000 skulle kräva 1000 precisionsmotstånd.

För att övervinna denna begränsning använder Kelvin–Varley-delaren ett itererat schema där kaskadsteg bestående av elva precisionsmotstånd ger ett decenniums upplösning per steg. Kaskadkoppling av tre steg, till exempel, tillåter därför valfritt delningsförhållande från 0 till 1 i steg om 0,001.

Varje steg i en Kelvin–Varley-delare består av en gängad sträng av likavärdesmotstånd. Låt värdet på varje motstånd i det i -te steget vara R i Ω . Under ett decenniumssteg kommer det att finnas elva motstånd. Två av dessa motstånd kommer att överbryggas av följande steg, och följande steg är designat för att ha en ingångsimpedans på 2 R i . Detta designval gör att det effektiva motståndet hos den överbryggade delen är Ri . Den resulterande ingångsimpedansen för det i -te steget kommer att Ri vara 10 .

I den enkla Kelvin-Varley decenniumdesignen minskar resistansen för varje steg med en faktor 5: R i +1 = R i / 5. Det första steget kan använda 10 kΩ motstånd, det andra steget 2 kΩ, det tredje steget 400 Ω, det fjärde steget 80 Ω och det femte steget 16 Ω.

Ansökan

Kretsens fulla precision kan endast realiseras utan att utgångsström flyter, eftersom utgångens effektiva resistans är variabel. Kelvin–Varley-delare används därför vanligtvis i samband med en nolldetektor för att jämföra deras utspänning mot en känd spänningsstandard, t.ex. en Weston-cell (som också måste användas utan att dra ström från den).

Det sista steget av en Kelvin–Varley-avdelare är bara en Kelvin-avdelare. För en decenniumdelare kommer det att finnas tio likavärdesmotstånd. Låt värdet på varje motstånd vara R n ohm . Ingångsimpedansen för hela strängen kommer att vara 10 Rn . Alternativt kan det sista steget vara en brygguttag med två motstånd.

Trimning

För hög precision är det bara nödvändigt att säkerställa att motstånden under ett decennium har lika resistanser, där det första decenniet kräver högsta precision för matchning. Motstånden måste väljas för snäva toleranser och kan behöva trimma sina resistansvärden individuellt för att vara lika. Detta val eller trimning kräver bara att man jämför resistanserna för två motstånd i varje trimningssteg, vilket enkelt uppnås genom att använda en Wheatstone- bryggkrets och en känslig nolldetektor - en galvanometer på 1800-talet, eller ett elektroniskt förstärkt instrument idag.

Förhållandet mellan motstånd från ett decennium till nästa är överraskande nog inte kritiskt - genom att använda R i +1 -resistanser något högre än R i / 5 och koppla ett trimningsmotstånd parallellt med hela föregående decennium för att trimma det effektiva motståndet ner till 2 × R i +1 . I exemplet ovan kan det andra steget använda 3 kΩ motstånd istället för 2 kΩ; att ansluta ett (trimbart) motstånd på 60 kΩ parallellt med det andra steget minskar det totala ingångsresistansen för det andra steget till de 20 kΩ som krävs.

Källor till ytterligare fel

Temperatur koefficient

Helst har ett motstånd ett konstant motstånd. I praktiken kommer motståndet att variera med tid och yttre förhållanden. Motståndet kommer att variera med temperaturen.

Kolfilmsmotstånd har temperaturkoefficienter på flera hundra delar per miljon per kelvin . Vissa trådlindade motstånd har koefficienter på 10 ppm/K. Vissa hyllmotstånd av metallfolie kan vara så låga som 0,2 ppm/K.

Självuppvärmande

Effekten som förbrukas i ett motstånd omvandlas till värme. Den värmen höjer temperaturen på enheten. Värmen leds eller strålas bort. En enkel linjär karakterisering tittar på den genomsnittliga effekten som förbrukas i enheten (enhetswatt) och enhetens termiska motstånd (K/W). En enhet som avleder 0,5 W och har ett termiskt motstånd på 12 K/W kommer att få sin temperaturökning 6 K över omgivningstemperaturen.

När Kelvin–Varley-delare används för att testa höga spänningar kan självuppvärmning skapa problem. Det första delningssteget är ofta tillverkat av 10 kΩ-motstånd, så delarens ingångsresistans är 100 kΩ. Den totala effektförlusten vid 1000 V är därför 10 W. De flesta delningsmotstånden kommer att förbruka 1 W, men de två motstånden som överbryggas av det andra delningssteget kommer endast att förbruka 0,25 W vardera. Det betyder att de överbryggade motstånden kommer att ha en fjärdedel av självuppvärmningen och en fjärdedel av temperaturökningen.

För att avdelaren ska bibehålla noggrannheten måste temperaturökningen från självuppvärmning begränsas. Att få mycket låga temperaturkoefficienter håller effekten av temperaturvariationer liten. Genom att minska motståndens termiska motstånd håller temperaturökningen liten.

Kommersiella Kelvin–Varley-avdelare använder trådlindade motstånd och sänker ner dem i ett oljebad (ibland endast det första decenniet).

Termisk EMF

Den termoelektriska effekten får korsningar av olika metaller att generera spänningar om korsningarna har olika temperaturer (se även termoelement ). Även om dessa oönskade spänningar är små, i storleksordningen några mikrovolt per °C, kan de orsaka avsevärda fel med den höga noggrannhet som Kelvin-Varley-kretsen är kapabel till. Felen kan minimeras genom korrekt design - genom att hålla alla kopplingar vid samma temperatur och genom att endast använda metallpar med låga termoelektriska koefficienter (ned till de externa kontakter och kablar som används; till exempel kan en standardkombination av 4 mm stickpropp/uttag har en koefficient på 1 μV/°C jämfört med endast 0,07 μV/°C för en "låg termisk EMF"-gradig stickkontakt/uttag).

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kelvin–Varley_divider&oldid=1142265205 "