книги из ГПНТБ / Рождественская Т.Б. Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов и методы ее поверки

включены в цепь параллельной обратной связи операционного

сопротивления и нестабильности коэффициента усиления электрометрического усилителя.

Приборы, основанные на методе заданного тока или задан­ ного напряжения, являются приборами непосредственной оценки, благодаря чему они широко применяются в основ­ ном как рабочие (технические) приборы для измерения боль­ ших сопротивлений.

Технические характеристики показывающих приборов для измерения больших сопротивлений приведены в табл. 1.

Мостовой метод

До недавнего времени мостовые методы широко использова­ лись лишь для измерения сравнительно малых сопротивлений, не превышающих 105—106 Ом [40]. Разработка высокостабиль­

левых указателей с большим входным сопротивлением и спе­

На основе мостового метода создаются как рабочие при­ боры для измерения больших сопротивлений, так и специаль­ ные установки, позволяющие измерять большие сопротивле­ ния с наивысшей метрологической точностью.

К преимуществам мостового метода относятся высокая точность, широкий диапазон, незначительная зависимость по­ грешности измерения от нестабильности источника питания.

Основными вопросами, требующими решения при разра­ ботке мостов постоянного тока, являются выбор номинального значения и вида меры сопротивления, применяемой в качест­ ве высокоомного плеча моста, выбор нулевого указателя, ре­ жима работы мостовой цепи и способа защиты моста от токов утечки. Теории мостовых цепей постоянного тока посвящено много работ, в частности, вопросы защиты мостовых цепей подробно рассматриваются в [14, 69, 94, 95].

Известно [68], что наибольшая комплектная чувствитель­ ность мостовой цепи имеет место при отношении плеч, равном' единице. Чувствительность мостовой цепи можно увеличить также путем увеличения напряжения питания и применения более чувствительного нулевого указателя.

10

Наиболее выгодное отношение плеч получают при исполь­ зовании в качестве высокоомного плеча моста резисторов, но­ минальные значения которых близки к значению измеряемогосопротивления.

При измерении сопротивлений, превышающих 1010 Ом, это­ го можно достигнуть, лишь применив непроволочные резис­ торы. Однако из-за недостаточной стабильности сопротивле­ ния этих резисторов может значительно увеличиться погреш­ ность измерения.

В настоящее время высокоомные мосты создаются на осно­ ве одного из следующих принципов:

применения в схеме четырехплечего моста калибровки высокоомных непроволочных резисторов по более стабильным: микропроволочным резисторам (мосты постоянного тока Р-4050, Р-4052) или последовательной ступенчатой калибров­ ки высокоомных непроволочных резисторов сначала по образ­ цовому микропроволочному резистору меньшего номинально­ го значения, а затем взаимным сличением отдельных ступе­ ней [125];

использования в качестве высокоомного плеча моста тща­ тельно исследованной стабильной во времени непроволочной. образцовой меры большого сопротивления с номинальным, значением 101 1 —1013 Ом, аттестованной при рабочем напряже­ нии; •

применения в качестве высокоомного плеча моста сравни­ тельно низкоомных (до 108—1010 Ом) высокостабильных мик­ ропроволочных резисторов [130].

Калибровка высокоомных непроволочных резисторов при­ водит, с одной стороны, к накоплению погрешностей, обус­ ловленных наличием нескольких ступеней передачи, а с дру­ гой стороны, к появлению погрешности, являющейся следстви­ ем зависимости сопротивления непроволочных резисторов or приложенного к ним напряжения. Эта погрешность может до­ стигать 20.%.

Создание стабильных мер большого сопротивления номи­ нальным значением 10й —101 3 Ом могло бы освободить высо­ коомные мосты от отмеченных выше недостатков, однако раз­ работка таких мер и аттестация их в широком диапазоне на­ пряжения (100—0,01 В) представляют значительные труд­ ности.

Одновременно следует отметить, что высокоомные мосты,, созданные на основе рассмотренных выше первых двух прин­ ципов, имеют большую постоянную времени. Это значительно" снижает их эксплуатационные качества.

12

В мостах, в высокоомном плече которых используются от­ носительно низкоомные (до 109—10lû Ом) микропроволочные резисторы, погрешность, обусловленная высокоомным плечом, резко ѵменьшается вследствие высокой стабильности и неза­ висимости сопротивления примененных резисторов от прило­ женного напряжения.

Однако недостатком мостов для измерения сопротивлений, превышающих 1010 Ом, основанных па этом принципе, являет­ ся низкая комплектная чувствительность, которая объясняется тем, что отношение плеч в таких мостах значительно отличает­ ся от единицы. Это приводит к необходимости применять в ка­ честве нулевого указателя приборы, обладающие чрезвычайно высокой чувствительностью при высоком Е Х О Д Н О М сопротивле­ нии (108 —1010 Ом) [130].

и магазины сопротивлений (проводимости) номинальным зна­ чением до Ю5 —1Ö8 Ом. С увеличением номинальных значений сопротивлений плеч отношений увеличивается погрешность, вызванная шунтированием плеч отношений сопротивлением •опорных изоляторов. Уменьшение номинального значения ллеч отношений ограничивается допускаемой мощностью рас­ сеяния.

, Погрешность, вызываемая токами утечки, является одной из основных составляющих общей погрешности высокоомных мостов постоянного тока, поэтому при разработке схем высо­ коомных мостов приходится уделять особое внимание защите их от токов утечки.

Как известно [3, 4, 12, 14, 70, 94, 95, 105, 129], в настоящее время для измерения больших сопротивлений применяются одинарные и двуплечие мосты [96, 109], причем одинарные мосты выполняются как с защитной симметрирующей ветвью, так и без нее.

Принципиальная схема моста без симметрирующей ветви представлена на рис. 3, а. Из рисунка видно, что сопротивле­ ния изоляторов RA и Rc шунтируют плечи моста Я2 и Rz, а сопротивление изолятора RB и входное сопротивление нуле­ вого указателя Яу.ъх обусловливают токи утечки в цепи нуле­ вого указателя НУ.

Ток утечки в цепи нулевого указателя зависит от разности •потенциалов между вершиной В и экраном моста. При равно­ весии моста разность потенциалов незначительна и опреде­ ляется порогом чувствительности нулевого указателя.

Если напряжение между точкой В и экраном моста равно нулю, ток утечки в цепи нулевого указателя отсутствует. На-

13

пряжение между точками В, А и С мостовой' цепи в момент равновесия моста может быть определено из выражений

Чбз

а

Это значит, что напряжение на экране моста, а следова­ тельно, и разность потенциалов между точками В и экраном зависят от соотношения сопротивлений изоляторов RA

и Rc.

Относительная погрешность моста без защитной ветви мо­ жет быть определена по формуле [94]

14

Таким образом, погрешность вследствие токов утечки мо­ жет быть уменьшена путем снижения номинального значения плеч отношения R2 и R3, увеличения сопротивления изолято­ ров R2 и Rs (изоляция диагонали питания моста), увеличения входного сопротивления /? у . В х и уменьшения постоянной Синулевого указателя.

Принципиальная схема моста с симметрирующей защитной ветвью приведена на рис. 4, а, а эквивалентная схема —• на рис. 4, б.

При прочих равных условиях процесс измерения с по­ мощью уравновешенного моста без симметрирующей ветви (см. рис. 3, а) проще, чем с помощью моста, выполненного по схеме, показанной на рис. 4. Однако требования к изоляции моста и источнику питания U в схеме, приведенной на рис. 3, а, значительно выше. В этой схеме сопротивления изо-

15'

ляции RA и Rc непосредственно шунтируют плечи Ro и R2. Кроме того, через сопротивление изоляции источника питания

шунтируют только сопротивления Ri и R5 симметрирующей ветви, значения которых не входят в результат измерения; токи через них являются лишь дополнительной нагрузкой на батарею и не влияют на погрешность измерения. Таким об­ разом, при применении схемы, показанной на рис. 4, снижают­ ся требования к изоляции вершин моста и батареи. Требова­ ния к остальным элементам цепи при прочих равных условиях в обеих схемах одинаковы.

Длительный опыт эксплуатации образцового моста с сим­ метрирующей защитной ветвью во Всесоюзном ордена Трудо­ вого Красного Знамени научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) показал пра­ вильность принципиальных положений, положенных в основу этой схемы.

Технические характеристики высокоомных мостов постоян­ ного тока приведены в табл. 2.

Измерение больших сопротивлений путем сравнения с образцовой емкостью

Одним из основных элементов рассмотренных выше цепей для измерения больших сопротивлений является высокоомная ме­ ра сопротивления. Однако до настоящего времени электроиз­ мерительная техника не располагает проволочными стабиль­ ными во времени мерами свыше 1010 Ом. Имеющиеся непро­ волочные резисторы недостаточно стабильны и в качестве мер сопротивления применяются ограниченно. Эти обстоятельства привели к разработке методов измерения больших сопротив­ лений на основе процесса заряда (или разряда) конденса­ тора.

Метод основан на использовании известных законов изме­ нения напряжения на конденсаторе в переходном процессе при включении (или выключении) с помощью ключей Кі и К2 конденсатора в цепь постоянного напряжения [66] (рис. 5).

Зная емкость конденсатора С, начальное напряжение U и напряжение Uc на конденсаторе, через время t после начала

16

разряда можно определить сопротивление Rx. Несмотря на кажущуюся простоту, метод не нашел практического примене­ ния из-за длительности процесса измерения и значительногочисла источников погрешностей.

Рис. 5. Конденсаторный метод измерения боль­ ших сопротивлений

Основным недостатком метода является возможность из­ мерять сопротивление только при изменяющемся напряжении

вым методом разряда конденсатора представлена на рис. 6.

Применение нулевого метода поз­ воляет освободиться от погрешно­ стей, вносимых показывающим при­ бором с электрометрическим усили­ телем, и в значительной степени снизить погрешности вследствие уте­

чек на экран, так как разность потенциалов между экраном и большей частью измерительной цепи в процессе измерения» близка к нулю.

18

Достоинством метода является также возможность измере­ ния сопротивления при постоянном напряжении на измеряемом резисторе.

Практическое осуществление метода достаточно сложно. Известную трудность представляет создание конденсатора пе­ ременной емкости с высоким сопротивлением изоляции, нуле­ вого индикатора высокой чувствительности с малой входной

109—1014 Ом при постоянном напряжении на измеряемом со­ противлении 5—500 В с погрешностью 0,2—1 % (в зависимо­ сти от измеряемого значения сопротивления и выбранного на­ пряжения на нем).

Измерение больших сопротивлений сравнением их с мерой малого постоянного тока

Метод основан на измерении падения напряжения на рези­ сторе Rx при протекании по нему тока известного значения, выдаваемого мерой малого постоянного тока.

В зависимости от метода измерения напряжения различа­ ют схемы, в которых напряжение измеряют показывающими приборами непосредственной оценки (электрометрическими усилителями), и схемы, в которых напряжение измеряют ком­ пенсационным методом.

Компенсационный метод является одним из широко рас­ пространенных методов точного измерения сопротивления в среднем диапазоне значений Ю- 4 —107 Ом. Он основан на применении потенциометра (компенсатора) для сравнения падения напряжений на последовательно соединенных изме­ ряемом резисторе и мере сопротивления при протекании по ним вспомогательного тока, значение которого постоянно

впроцессе измерения.

•В силу рассмотренных выше особенностей измерения больших сопротивлений верхним пределом практического применения этого метода можно считать 107—108 Ом.

Указанный предел определяется не только свойствами су­ ществующих потенциометров постоянного тока (малым со­ противлением изоляции, недостаточной защитой от электро­ статических полей), недостаточной чувствительностью нуле­ вых указателей и отсутствием соответствующих мер большого сопротивления, но и трудностью обеспечения стабильного вспо­ могательного тока через меру и измерительный резистор.