11 Лекция. Измерения параметров цепей постоянного тока

 

Содержание лекции:

- измерения относительно малых и относительно больших сопротивлений постоянному току;  способ амперметра и вольтметра; метод сравнения.

 

Цель лекции:

- изучить основные методы и способы измерения сопротивления постоянному току.

 

         Измерение сопротивления постоянному току. Диапазон изме­ряемых в настоящее время сопротивлений достаточно широк (от 10 до 10 Ом) и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. Для измерений в столь широком диапазоне применяют самые разнообразные средства измерений, позволяющие прямо или косвенно находить значения неизвестных сопротивлений. Выбор средств и способов измерений в значительной мере зависит как от значений сопротивлений, так и от требуемой точности, условий измерений и других факторов. Особенности измерений сопротив­лений в различных диапазонах обусловили существенное разли­чие в достигнутой точности измерений. Так, если в диапазоне 1 — 10 Ом относительная погрешность измерения может составлять тысячные доли процента, то при измерении малых и больших сопротивлений она увеличивается до единиц процентов и более.

         Прямые измерения. Сопротивления в диапазоне от единиц ом до единиц и десятков мегом измеряют мостами (одинарными) постоянного тока, цифровыми, электронными и магнитоэлектри­ческими омметрами. Промышленность выпускает различные ти­пы этих приборов, различающиеся точностью, удобством эксплуатации, габаритами, массой и другими Ихарактеристиками. В приложении И (таблица И1) приведены классы точности или допускаемые основные погрешности (в процентах) на верхних пределах измерений  средств измерений сопротивления постоянному току.

         Для измерения с высокой точностью применяют мосты постоянного тока. Так, мосты Р369 и Р4056 в диапазоне 1 —10⁶ Ом позволяют измерять сопротивления с относительной погрешно­стью ±0,005. Такие мосты имеют ручное уравновешивание и требуют внешних источников питания и высокочувствительных нуль-индикаторов, в качестве которых наиболее часто используют гальванометры. Выпускают переносные мосты с встроенными гальванометрами и источником питания. Однако они имеют меньшую точность измерений. Имеются также автоматические мосты, которые используются в основном для измерений сопротивлений терморезисторов.

         Высокую точность измерений можно получить, применяя циф­ровые приборы (см. таблицу И1). Например, универсальный вольт­метр типа Щ31 в режиме измерений сопротивления на поддиапа­зонах 1; 10 и 100 кОм имеет пределы допускаемой основной по­грешности = ±0,005 + 0,001 ( - 1) %, где R_K — верхний предел поддиапазона; R — измеряемое сопротивление. В отличие  от мостов постоянного тока с ручным уравновешиванием в цифровых приборах измерение производится автоматически, что является их существенным достоинством. Кроме того, они имеют специальные выходы, позволяющие подключать цифровые печа­тающие устройства для регистрации или ЭВМ для обработки результатов измерения.

         При измерениях, когда не требуется высокой точности, применяют электронные и магнитоэлектрические омметры, выпускаемые в виде отдельных приборов или  в составе комбинированных универсальных приборов, предназначенных также для измерений токов и напряжений. Наиболее точные из этих приборов имеют класс точности 1,0— 1,5.         Измерение малых сопротивлений. Сопротивления в диапазоне от единиц ом до 10 Ом измеряют двойными мостами постоянного тока, одинарными мостами и электронными миллиомметрами. При измерении таких сопротивлений существенное влияние оказывают сопротивления контактов и подводящих проводов, а также контактная термо-ЭДС.         Наиболее точными в данном диапазоне являются двойные мосты (см. таблицу И1). При измерении очень малых сопротивлений для обеспечения необходимой чувствительности моста требуется через исследуе­мый объект пропускать большие токи. Так, при измерении мостом Р3009 в диапазоне 10 — 10 Ом питание моста осуществляется током 200 А, при измерении сопротивлений 10 —10 Ом — 15 А. Это ограничивает область его применения.

         Измерение малых сопротивлений одинарными мостами про­изводят в более узком диапазоне — начиная с 10 Ом. Точность измерения такими мостами малых сопротивлений ниже точности измерения двойными мостами.

         В электронных миллиомметрах измерения производятся на переменном токе, что позволяет значительно снизить мощность, выделяемую на объекте измерений. Обычно напряже­ние на исследуемом объекте составляет десятки милливольт.

         Измерение больших сопротивлений. При измерении сопротив­лений, больших 10 —10 Ом, применяют одинарные мосты посто­янного тока, электронные тераомметры (мегомметры), цифровые омметры и магнитоэлектрические мегомметры. Сложность измерения больших сопротивлений определяется прежде всего шунти­рующим влиянием сопротивления изоляции между входными зажимами приборов, которое при изготовлении и дестабилизиру­ющем влиянии внешних факторов (температуры, влажности, за­грязнения и др.) не может быть обеспечено постоянным. Кроме того, токи, протекающие через объекты с большим сопротивлением, становятся весьма малыми, что предъявляет высокие требования к чувствительности средств измерений. В связи с этим приходится повышать напряжение на исследуемом объекте до сотен и даже тысяч вольт. Это предъявляет соответствующие требования к измеряемым объектам. Для измерения таких сопротивлений с наибольшей точностью применяют одинарные мосты постоянного тока (см. таблицу И1).

         Косвенные измерения. Наиболее распространенным является способ амперметра и вольтметра (рисунок 11.1). Этот способ может применяться для измерения различных по значению сопро­тивлений. Достоинство этого способа заключается в том, что через резистор можно пропускать такой же ток, как и ток, проте­кающий через объект в рабочих условиях, что важно при измере­нии нелинейных сопротивлений, т. е. таких сопротивлений, значе­ния которых зависят от тока. Значение сопротивления можно определить по закону Ома:  U/I. Однако при этом возникает погрешность за счет шунтирующего влияния вольтметра (рисунок 11.1, а) и внутреннего  сопротивления амперметра (рисунок 11.1,б). Действительные значения сопротивления для схемы рис. 11-1, а

                                         ,                     (11-1)

для схемы рис. 11-1, б

                                                   .                                        (11-2)

 

Поэтому погрешности при определении значений сопротивлений по формуле  U/I равны, соответственно, ;   .

 

 

               Рисунок 11.1 – Схемы измерений сопротивлений способом

                                                     амперметра-вольтметра

 

Отсюда   следует, что схема (рисунок 11.1,а) предпочтительна для измерения относительно малых сопротивлений, а схема (рисунок 11.1,б ) – относительно больших сопротивлений. В тех случаях, когда требуется точное определение сопротивления, следует пользоваться формулами (11-1), (11-2).

         Способ амперметра и вольтметра может быть использован и для измерения очень больших сопротивлений, например сопротивления изоляционных материалов. Технические условия и стандарты на различные электроизоляционные материалы предъявляют определенные требования к допустимым значениям удельного объемного и поверхностного сопротивлений. На рисунке 11.1, в приведена схема для измерения объемного сопротивления образца О листового материала. Образец помещают между двумя металлическими электродами А и Б. Электрод А находится внутри так называемого охранного кольца В. Поверхностные токи на образце отводятся охранным кольцом непосредственно к источ­нику питания, минуя гальванометр. Через гальванометр протека­ет только «объемный» ток, и, следовательно, подсчитанное сопро­тивление будет объемным. Если проводники, идущие от гальвано­метра к точкам  c и  d поменять местами, то можно определить поверхностное сопротивление.

         Для точных измерений сопротивлений и для измерений нелинейных сопротивлений могут быть использованы схемы, основанные на методе сравнения.

         В схеме на рисунке 11.2,а, последовательно изменяя положение переключателя В, измеряют токи  и , протекающие через объект R_x и образцовый резистор R_o. При постоянном напряжении U справедливо равенство ,  т.е.  .

         При точных измерениях может быть использована схема на рисунке 11.2, б, где последовательно измеряют напряжения U и U на R_x    и R_o  компенсатором постоянного тока КПТ. Очевидно, что . Достоинствами таких схем являются относительно невысокие требования, предъявляемые к стабильности источника питания (требуется неизменность U только на время измерений U и U ), и возможность точных измерений при использовании высокоточных резисторов R_o.

 

 

        Рисунок 11.2 -  Схемы измерений сопротивлений методом сравнения

 

         Погрешности измерения сопротивлений определяют по методике оценки погрешностей косвенных измерений [14].

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4,8,9,12].