Måling av motstand
Motstand er en av de mest grunnleggende elementene man møter i elektrisk og elektronisk ingeniørvitenskap. Verdien av motstand i ingeniørfag varierer fra svært små verdier, som motstanden i en transformatorvinding, til svært høye verdier, som isolasjonsmotstanden i samme transformatorvinding. Selv om en multimeter fungerer ganske godt hvis vi trenger en grov verdi for motstand, men for nøyaktige verdier, og spesielt ved svært lave og svært høye verdier, trenger vi spesifikke metoder. I denne artikkelen vil vi diskutere ulike metoder for måling av motstand. For dette formålet kategoriserer vi motstanden i tre klasser-
Måling av lav motstand (<1Ω)
Det største problemet med måling av lav motstand er kontaktmotstanden eller ledningsmotstanden til måleinstrumentene, selv om den er liten i verdi, er den sammenlignbar med motstanden som måles, og dermed forårsaker alvorlige feil.
For å eliminere dette problemet konstrueres lav motstand med fire terminaler. To terminaler er strømterminaler, mens de to andre er potensialterminaler.
Figuur under viser konstruksjonen av lav motstand.
Strømmen flyter gjennom strømterminalene C1 og C2, mens potensialfallet måles over potensialterminalene V1 og V2. Dermed kan vi finne verdien av motstanden under eksperiment ved hjelp av V og I som vist i figuren ovenfor. Denne metoden hjelper oss med å utelukke kontaktmotstanden på grunn av strømterminalene, og selv om kontaktmotstanden til potensialterminalene fremdeles kommer inn i bildet, er det en veldig liten brøkdel av høy motstand i potensialkretsen, og dermed induserer fornekrlig feil.
Metodene som benyttes for måling av lave motstander er:-
Kelvin's dobbel bro-metode
Potensiometermetode
Ducter ohmmeter.
Kelvin's dobbel bro
Kelvins dobbelbro er en modifisering av den enkle Wheatstone-broen. Figuren under viser kretsskjemaet for Kelvins dobbelbro.
Som vi kan se i figuren over, er det to sett med armer, ett med motstandene P og Q, og et annet med motstandene p og q. R er den ukjente lave motstanden, og S er en standardmotstand. Her representerer r kontaktmotstanden mellom den ukjente motstanden og standardmotstanden, hvis effekt vi må eliminere. For måling gjør vi forholdet P/Q lik p/q, og dermed dannes en balansert Wheatstone-bro som fører til nullavvik i galvanometret. Derfor kan vi skrive for en balansert bro
Ved å sette ligning 2 inn i 1 og løse, og ved bruk av P/Q = p/q, får vi-
Dermed ser vi at ved bruk av balanserte doble armer kan vi fullstendig eliminere kontaktmotstanden og feilen den forårsaker. For å eliminere en annen feil forårsaket av termoelektrisk spenningsforskjell, tar vi en annen måling med batterikonnekteringen reversert og tar til slutt gjennomsnittet av de to målingene. Denne broen er nyttig for motstander i området 0,1 µΩ til 1,0 Ω.
Ducter Ohmmeter
Det er et elektromekanisk instrument brukt for måling av lave motstander. Det består av en permanentmagnet lik den i et PMMC-instrument, samt to spoler i feltet som opprettes av magnetens poler. De to spolene står vinkelrett på hverandre og er frie til å rotere om den felles aksen. Figuren under viser en Ducter Ohmmeter og forbindelsene som kreves for å måle en ukjent motstand R.
En av spolene, kalt strømspolen, er koblet til strømterminalene C1 og C2, mens den andre spolen, kalt spenningspolen, er koblet til potensialterminalene V1 og V2. Spenningspolen bærer strøm proporsjonalt med spenningsfall over R, og dens dreieeffekt er proporsjonal med dette. Strømspolen bærer strøm proporsjonalt med strømmen som går gjennom R, og dens dreieeffekt er også proporsjonal med dette. Begge dreieeffektene virker i motsatt retning, og indikatoren stopper når de to er like. Dette instrumentet er nyttig for motstander i området 100 µΩ til 5 Ω.
Måling av middels motstand (1Ω – 100kΩ)
Følgende metoder benyttes for å måle en motstand hvis verdi ligger i området 1Ω – 100kΩ –
Ammeter-Voltmeter-metode
Wheatstone-bro-metode
Erstatningsmetode
Carey-Foster-bro-metode
Ohmmeter-metode
Strømmåler Spenningsmåler Metode
Dette er den mest primitive og enkleste metoden for å måle motstand. Den bruker en strømmåler for å måle strøm, I, og en spenningsmåler for å måle spenning, V, og vi får verdien av motstanden som
Nå kan vi ha to mulige koblinger av strømmåler og spenningsmåler, vist i figuren nedenfor.
I figur 1 måler spenningsmåleren spenningsfallet over strømmåleren og den ukjente motstanden, dermed
Derfor vil den relative feilen være,
For koblingen i figur 2, måler strømmåleren summen av strøm gjennom spenningsmåleren og motstanden, dermed
Den relative feilen vil være,
Det kan observeres at den relative feilen er null for Ra = 0 i første tilfelle og Rv = ∞ i andre tilfelle. Nå står spørsmålet om hvilken kobling som skal brukes i hvilket tilfelle. For å finne ut dette liksetter vi begge feilene
Derfor bruker vi den første metoden for motstander større enn den gitt av ovenstående ligning, og den andre metoden for mindre motstander.
Wheatstone Bridge Metode
Dette er den enkleste og mest grunnleggende brokretsen brukt i målingsstudier. Den består hovedsakelig av fire armer med motstand P, Q, R og S. R er den ukjente motstanden som undersøkes, mens S er en standard motstand. P og Q kalles forhåndsforholdet. En EMF-kilde er koblet mellom punktene a og b, mens en galvanometer er koblet mellom punktene c og d.
En brokrets fungerer alltid basert på prinsippet om nullmåling, det vil si at vi varierer en parameter til detektoren viser null, og deretter bruker en matematisk relasjon for å bestemme den ukjente i forhold til den varierte parameteren og andre konstanter. Her også varieres standardmotstanden S for å oppnå nullavvik i galvanometern. Dette nullavviket betyr ingen strøm fra punkt c til d, noe som betyr at potensialet i punkt c og d er det samme. Dermed
Ved å kombinere de to overnevnte ligningene får vi den berømte ligningen –
Erstatningsmetode
Figuren nedenfor viser kretsskjemaet for motstands måling av en ukjent motstand R. S er en standardvariabel motstand, og r er en reguleringsmotstand.
Først settes skruen på posisjon 1, og amperemetern justeres til å vise en viss strøm ved å variere r. Verdiene av amperemeterlesningen noteres. Deretter flyttes skruen til posisjon 2, og S variers for å oppnå samme amperemeterlesning som i den opprinnelige situasjonen. Verdien av S som gir samme amperemeterlesning som i posisjon 1, er verdien av den ukjente motstanden R, gitt at EMF-kilden har konstant verdi gjennom hele forsøket.
Måling av høy motstand (>100kΩ)
Følgende er noen metoder brukt for måling av høye motstandsverdier-
Ladeforsvinningsmetode
Megger
Megohm-bro-metode
Direkte avviklingsmetode
Vi bruker normalt en svært liten strøm for slike målinger, men likevel, pga. høy motstand, er det ikke overraskende at det kan oppstå høye spenninger. På grunn av dette møter vi flere problemer, som-
Elektrostatiske ladninger kan akkumuleres på måleinstrumenter
Leckstrøm kan bli sammenlignbar med målestrømmen og kan forårsake feil
Isoleringsmotstand er en av de vanligste i denne kategorien; imidlertid modelleres en dieletrikk alltid som en motstand og kondensator parallelt. Derfor inkluderer strømmen under måling av isoleringsmotstand (I.R.) begge komponentene, og derfor blir den sanne motstandsverdien ikke oppnådd. Kondensatorkomponenten faller eksponensielt, men tar fortsatt lang tid å nedbryte. Derfor oppnås ulike verdier av I.R. ved ulike tider.
Beskyttelse av sensitive instrumenter mot høye felt.
For å løse problemet med lekkasjestrømmer eller kapasitive strømmer bruker vi en guardkrets. Konseptet med guardkretsen er å omgå lekkasjestrømmen fra mikroamperemåleren for å måle den sanne resistive strømmen. Figuren nedenfor viser to tilkoblinger på spenningmåler og mikroamperemåler for å måle R, én uten guardkrets og en med guardkrets.
I den første kretsen måler mikroamperemåleren både kapasitiv og resistiv strøm, noe som fører til feil i verdien av R, mens i den andre kretsen leser mikroamperemåleren kun den resistive strømmen.
Mistet ladningsmetode
I denne metoden bruker vi ligningen for spenningen over en deklarert kondensator for å finne verdien av den ukjente motstanden R. Figuren nedenfor viser kretsskjemaet, og de involverte ligningene er-
Den ovennevnte situasjonen antar imidlertid at det ikke er noen lekkasjemotstand i kondensatoren. For å ta hensyn til dette bruker vi kretsen vist i figuren nedenfor. R1 er lekkasjemotstanden til C, og R er den ukjente motstanden.
Vi følger samme prosedyre, men først med bryter S1 lukket, og deretter med bryter S1 åpen. For det første tilfellet får vi
For det andre tilfellet med bryteren åpen får vi
Ved å bruke R1 fra ovennevnte ligning i ligningen for R’ kan vi finne R.
Megohm bro-metode
I denne metoden bruker vi den berømte Wheatstone-brofilosofien, men på en litt modifisert måte. En høy motstand representeres som vist nedenfor.
G er den beskyttende terminalen. Nå kan vi også representere motstanden som vist i det tilstøtende bildet, der RAG og RBG er lekkasjemotstandene. Målingskretsen vises i figuren nedenfor.
Det kan observeres at vi faktisk får motstanden som er en parallelkobling av R og RAG. Selv om dette forårsaker en veldig ubetydelig feil.
Megger
Megger er et av de viktigste måleenhetene brukt av elektriske ingeniører, og brukes i grunnen bare for å måle isolasjonsmotstand. Den består av en generator som kan være hånddrevet, eller i dag har vi elektroniske meggers. Detaljer om megger er diskutert i et separat artikkel.
Erklæring: Respekt for originaliteten, godartede artikler verdt å deles, ved krænking kontakt for sletting.
