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

Особые трудности возникают при измерений сопротивлений порядка 101 0 —1015 Ом, так как при этом необходимы меры со значениями того же порядка, что и измеряемое сопротивление,

.при токе во вспомогательной цепи 1 0 _ ! 0 — Ю - 1 5 А.

Создание в течение последних лет мер малого постоянно­ го тока (см. гл. 3), обеспечивающих воспроизведение тока

позволило применять компенсационные методы для измере­ ния сопротивлений в более широком диапазоне значений.

Принципиальная схема измерений больших сопротивлений с применением мер малого тока приведена на рис. 7.

"1

Рис. 7. Принципиальная схема компенсационного метода измерения больших сопротивлений

Падение напряжения на измеряемом сопротивлении обусловленное током, выдаваемым мерой ИТ, измеряется по­ тенциометром П. При этом в качестве нулевого указателя НУ применяется прибор с большим входным сопротивлением

— электрометр. Гальванометр Г в цепи потенциометра исполь­ зуется только для установки рабочего тока потенциометра по нормальному элементу НЭ. Метод не требует применения об­ разцовых мер большого сопротивления.

Достоинством компенсационного метода с использованием мер малого тока является возможность измерения больших со­ противлений при весьма малых напряжениях (составляющих доли вольта). Это особенно важно при измерениях сопротивле­ ний непроволочных резисторов больших значений, широко

20

из погрешности определения значения тока, воспроизводимого мерой, погрешности компенсационной цепи, в качестве нулево­ го указателя которой применен электрометр, погрешности, обусловленной влиянием шунтирования измеряемого резисто­ ра входным сопротивлением электрометра, а также погреш­ ности, вызванной токами утечки.

Применение мер, воспроизводящих значения тока в диа­ пазоне Ю - 1 2 — Ю - 1 3 А с погрешностью 0,5%, и высокочувстви­ тельных нулевых указателей с динамическим конденсатором на входе (электрометров) позволяет измерять сопротивления 109—1014 Ом с погрешностью порядка 0,5—1 %.

ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Как уже отмечалось, измерение больших сопротивлений имеет свои специфические особенности. С этих позиций целесообраз­ но остановиться более подробно на характеристиках некото­ рых элементов высокоомных цепей, от которых зависит точ­ ность того или иного метода измерения.

Высокоомные измерительные резисторы

Одним из основных элементов измерительной цепи являются меры электрического сопротивления. Наиболее точные меры выполняются на основе манганиновых проволочных и микро­ проволочных резисторов. Манганин обладает такими весьма ценными свойствами, как высокое удельное электрическое со­ противление, малые температурные коэффициенты, долговре­ менная стабильность, малая термокоитактная э.д.с. Из манга­ нина изготавливают резисторы малых номинальных значений ( Ю - 5 — Ю - 1 Ом) в виде отрезков шины и для среднего диапа­ зона значений (Ю- 1 -—105 Ом) в виде проволочных катушек. В течение последних лет ведутся работы по созданию мер со­ противления на основе манганиновых печатных резисторов.

Изготовление проволочных мер больших номинальных зна­ чений (свыше 105 Ом) из обычной манганиновой проволоки весьма затруднительно. Так, например, даже из наиболее тон­ кой манганиновой проволоки диаметром 0,03 мм могут быть из­ готовлены резисторы номинальным значением, не превышаю­ щим 107 Ом [13]. Дальнейшее увеличение номинального значе­ ния манганиновых резисторов приводит к резкому возраста­ нию их габаритных размеров, снижению надежности в экс­ плуатации, увеличению междувитковой емкости и, следова-

• 21

тельно, постоянной времени переходных процессов. Развитие работ в области микроминиатюризации элементов электриче­ ских цепей привело к созданию проф. А. В. Улитовским лито­ го манганинового микропровода в сплошной изоляции. На основе микропровода разработаны [48, 61, 62, 63] и в настоя­ щее время серийно выпускаются высокоомные меры и мага­ зины сопротивления по основным электрическим характери­ стикам, не уступающим мерам из обычной манганиновой про­ волоки.

Верхним пределом изготавливаемых микропроволочных мер электрического сопротивления является 109 Ом. Дальней­ шее увеличение их номинальных значений в настоящее время не представляется возможным без создания микропровода с меньшим диаметром жилы и с большим значением удельно­ го электрического сопротивления [62].

ным значением свыше 109 Ом в мерах большого сопротивления, превышающих 1010 Ом, используют непроволочные резисторы. Непроволочные резисторы, выгодно отличаясь от резисторов проволочного типа компактностью и малой реактивностью, об­ ладают существенными недостатками, вследствие чего приме­ няются лишь в тех случаях, когда не могут быть использованы проволочные (микропроволочные) резисторы.

В зависимости от исполнения токоведущего элемента непро­ волочные резисторы подразделяются на два основных типа [19, 20, 59]:

резисторы поверхностного типа, в которых токоведущий элемент выполнен в виде тонкой пленки;

резисторы объемного типа, в которых токоведущий мате­ риал в мелко раздробленном виде равномерно распределен

вмассе изоляционного основания.

Внастоящее время в качестве высокоомных резисторов применяются только резисторы поверхностного типа.

Основными недостатками всех непроволочных резисторов являются их невысокая стабильность во времени, зависимость сопротивления от температуры окружающего воздуха, прило­ женного к ним напряжения, влажности и других внешних ус­ ловий [19, 20].

Отечественной промышленностью выпускаются три типа высокоомных непроволочных резисторов КЛМ, КВМ и КИМ. Исследования показали, что наиболее совершенными высокоомными непроволочными резисторами, применение которых

22

* Прочерк в таблице означает, что данные не опубликованы.

целесообразно для создания мер сопротивления, являются герметизированные резисторы КВМ.

Верхний предел изготавливаемых отечественной промыш­ ленностью высокоомных резисторов составляет 101 2 Ом.

Зарубежными фирмами выпускаются различные непрово­ лочные резисторы [15, 103, 114, 120, 123, 135, 136]. Лучшие из них герметизированы, а стеклянный баллон гидрофобирован.

Технические характеристики наиболее точных высокоом­ ных отечественных и зарубежных непроволочных резисторов приведены в табл. 4.

Из табл. 3 и 4 видно, что серийно выпускаемые микропро­ волочные и непроволочные высокоомные резисторы обладают в основном невысокой стабильностью, сопротивление непрово­ лочных резисторов зависит от изменения приложенного на­ пряжения и температуры. Поэтому для создания образцовых средств измерения необходимо проводить тщательное иссле­ дование и отбор резисторов, обладающих требуемой стабиль­ ностью, малыми температурными коэффициентами, а также малой зависимостью сопротивления от изменения приложенно­ го к ним напряжения.

Проведенные исследования [33] микропроволочных и не­ проволочных резисторов показали, что:

стабильность сопротивления серийно выпускаемых микро­ проволочных резисторов зависит от срока старения и после одного года хранения нестабильность приблизительно 20—30% общего числа резисторов составляет ± (0,003—0,005) %;

20—30% серийно выпускаемых микропроволочных резисто­ ров обладает температурным коэффициентом а не более ±1-10-5 1/°С;

стабильность сопротивления непроволочных резисторов также зависит от срока старения и с увеличением его, как правило, увеличивается; более всего изменяется сопротивле­ ние непроволочных резисторов в течение первого года после изготовления;

сопротивления большинства (до 80%) непроволочных ре­ зисторов типа КВМ при старении уменьшаются, что можно объяснить выходом из проводящей пленки газообразных про­ дуктов в вакуум [20];

непроволочные резисторы, сопротивление которых со вре­ менем увеличивается, менее стабильны, чем резисторы, сопро­ тивление которых со временем уменьшается; увеличение со­ противления непроволочного резистора свидетельствует о на­ рушении однородности токопроводящего слоя, что со временем полностью выводит резистор из строя;

24

Т а б л и ц а 4

Непроволочные высокоомные резисторы*

* Прочерк в таблице означает, что данные не опубликованы,

среди серийно выпускаемых состарившихся непроволочных резисторов номинальными значениями 109—1012 Ом, сопротив­ ление которых со временем уменьшается, нестабильность 5— 20% составляет не более 0,3—0,5% в год;

тщательный отбор и наблюдение за стабильностью в тече­ ние 3—4 лет дают возможность получить резисторы номиналь-

26

рующим действием стеклянного баллона, сопротивление кото­ рого изменяется с изменением влажности окружающей среды.

Электрометрические усилители

При измерениях сопротивлений в среднем диапазоне значений широко применяются магнитоэлектрические гальванометры, гальванометрические и автокомпенсационные фотогальванометрические усилители. Однако эти приборы, обладая относи­ тельно малым входным сопротивлением, не обеспечивают не­ обходимого режима высокоомной измерительной цепи.

В связи с этим в высокоомных цепях широко применяются электрометрические усилители различных видов с магнито­ электрическим прибором на выходе. Индикаторы с электромет­ рическими усилителями принципиально отличаются видом входного преобразователя. В качестве входных преобразова­ телей в индикаторах высокоомных измерительных цепей при­ меняются усилители постоянного тока с электрометрической лампой на входе, обладающей малым сеточным током, или усилителем переменного тока с преобразователями сигнала постоянного тока в переменный. В настоящее время в качестве такого преобразователя широко используют динамический конденсатор [38]. Лучшие образцы электрометров с входным динамическим конденсатором обладают порогом чувствитель­ ности по напряжению 2 мкВ при дрейфе нуля ~20 мкВ/день [38].

Экранирование

С увеличением измеряемого сопротивления уменьшаются токи

визмерительной цепи, возрастает влияние внешних электро­ магнитных полей и резко возрастает влияние токов утечки. Важную роль в защите высокоомных цепей от внешних элек­ тромагнитных помех и токов утечки играют металлические экраны.

Вопросы защиты высокоомных цепей экранированием ши­ роко освещены в работах [14, 69, 92, 95] и подробно на них останавливаться не представляется возможным. Следует толь­ ко отметить, что в высокоомных измерительных цепях распро­ странены методы равнопотенциалыюго экранирования, при ко­ тором создаются «перехватывающие» экраны с потенциалом,

27

равным потенциалу защищаемой цепи или близким. К этому виду экранирования можно отнести метод защиты «по Круковскому» [92] с применением защитной заземляющей ветви [14] (типа ветви Вагнера, используемой в мостах переменного тока) и метод, основанный на создании вспомогательной низ-

противлений [34, 38, 70, 95] свидетельствуют о необходимости полного экранирования всей измерительной цепи и цепи пи­ тания, причем принципы экранирования высокоомных цепей постоянного тока практически не отличаются от принципов, применяемых в цепях переменного тока. Кроме основного на­ значения — защиты от влияния внешних электромагнитных полей — экран защищает высокоомиую измерительную цепь от токов утечки и направляет эти токи так, чтобы они шунти­ ровали только низкоомные цепи и источник питания. Иногда приходится применять массивный электростатический экран, одновременно стабилизирующий температурные условия изме­ рительной цепи и защищающий изоляторы от пыли и влаги.

Изоляция измерительных высокоомных цепей

Большую роль в защите высокоомных приборов от токов утеч­ ки играют изоляторы. Диэлектрик, используемый в качестве изолятора, должен обладать максимальным сопротивлением, минимальным временем поляризации, а также быть негигро­ скопичным. Лучшим диэлектриком является сухой воздух,, имеющий объемное сопротивление порядка 101 8 —1020 Ом • ом.

Из твердых диэлектриков в наибольшей степени требова­ ниям, предъявляемым к изоляторам, отвечают янтарь, кварце­ вые стекла, сапфир.

Удельное объемное сопротивление тщательно отполирован­ ного янтаря является величиной порядка 101G—1017 Ом • см, од­ нако механическая обработка янтаря, кварцевого стекла и сапфиров весьма затруднена. Кроме того, эти диэлектрики сравнительно дороги, поэтому чаще в качестве изоляторов вы­ сокоомных приборов применяются различные полимеры — фторопласт, полистирол, полиэтилен, эскапон и т. д.

От выбора материала и конструктивной формы изолятора часто зависят точностные характеристики высокоомной меры и измерительного прибора.

При конструировании высокоомных мер и приборов однимиз основных требований (кроме высокого сопротивления изо-

28

ляции) является выбор такого расположения элементов цепи, при котором число изоляторов было бы минимальным. Соот­ ветственно должно быть максимально сокращено число комму­ тирующих устройств. Предпочтителен «воздушный» жесткий монтаж.

Желательно, чтобы применяемые изоляторы имели возмож­ но большое поверхностное сопротивление и были защищены от пыли и влаги. Так как некоторые изоляционные материалы обладают пьезоэффектом, необходимо при конструировании предусмотреть их крепление по возможности без механическо­ го напряжения.

29