Вимірювання опору
Опор є одним з найбазовіших елементів, з якими стикаються в електротехніці та електроніці. Значення опору в інженерії може варіюватися від дуже малих значень, таких як опір обмотки трансформатора, до дуже високих значень, таких як ізоляційний опір цієї ж обмотки. Хоча мультиметр добре підходить для отримання приблизна значення опору, але для точних значень, особливо на дуже низьких та дуже високих значеннях, потрібні специфічні методи. У цій статті ми обговоримо різні методи вимірювання опору. Для цього ми розподілимо опір на три класи-
Вимірювання Низької Опори (<1Ω)
Основна проблема в вимірюванні низької опори полягає в контактному опорі або опорі проводів вимірювальних приладів, хоча й невеликий за значенням, але порівнянний з опором, який вимірюється, і тому спричиняє серйозну помилку.
Тому, щоб усунути цю проблему, низькоопорні резистори виготовляють з чотирма контактами. Два контакти — це кільцеві контакти, а два інші — потенційні контакти.
Нижче показано конструкцію низькоопорного резистора.
Струм пропускається через кільцеві контакти C1 і C2, а потенціал вимірюється між потенційними контактами V1 і V2. Таким чином, ми можемо визначити значення опору, який вимірюється, в термінах V і I, як показано на верхньому рисунку. Цей метод допомагає нам виключити контактний опір завдяки кільцевим контактам, хоча контактний опір потенційних контактів все ще присутній, але він становить дуже невелику частину високоопорного потенційного контуру, і тому вносить незначну помилку.
Методи, які використовуються для вимірювання низьких опор, такі:
Метод подвійного моста Кельвіна
Метод потенціометра
Дуктер-омметр.
Подвійний мост Кельвіна
Міст Кельвіна — це модифікація простого моста Вітстона. Нижче наведено схему міста Кельвіна.
Як можна побачити на верхньому рисунку, є дві групи рукавік, одна з опорами P і Q, а інша з опорами p і q. R — невідома низька опір, а S — стандартна опір. Тут r представляє контактну опір між невідомою опір і стандартною опір, який ми повинні усунути. Для вимірювання ми робимо співвідношення P/Q рівним p/q, і таким чином формується збалансований міст Вітстона, що призводить до нульового відхилення в гальванометрі. Тому для збалансованого моста ми можемо написати
Підставивши рівняння 2 в 1 і розв'язавши, а також використовуючи P/Q = p/q, отримуємо-
Таким чином, ми бачимо, що за допомогою збалансованих подвійних рукавік ми можемо повністю усунути контактну опір і, відповідно, помилку, що виникає через неї. Щоб усунути іншу помилку, що виникає через термоелектричне електродвижуще сило, ми беремо ще одне вимірювання з оберненим підключенням джерела живлення і, нарешті, беремо середнє значення двох вимірювань. Цей міст корисний для опорів в діапазоні від 0,1 мкОм до 1,0 Ом.
Дуктер-Омметр
Це електромеханічний прилад, використовуваний для вимірювання низьких опор. Він складається з постійного магніта, подібного до PMMC-приладу, і двох котушок між магнітним полем, створеним полюсами магніта. Дві котушки перпендикулярні одна одній і можуть обертатися навколо загальної осі. Нижче наведено Дуктер-Омметр і з'єднання, необхідні для вимірювання невідомої опір R.
Одна з котушок, називається котушкою струму, підключена до струмових терміналів C1 і C2, тоді як інша котушка, називається котушкою напруги, підключена до потенціальних терміналів V1 і V2. Котушка напруги пропорційна нападі, що випадає на R, і так само її момент. Котушка струму пропорційна струму, що проходить через R, і так само її момент. Обидва моменти діють в протилежному напрямку, і показник зупиняється, коли обидва моменти рівні. Цей прилад корисний для опорів в діапазоні 100 мкОм до 5 Ом.
Вимірювання середніх опор (1Ω – 100кΩ)
Нижче наведено методи, які використовуються для вимірювання опор, значення яких знаходиться в діапазоні 1Ω – 100кΩ –
Метод амперметра-вольтметра
Метод моста Вітстона
Метод заміни
Метод моста Керрі-Фостера
Метод омметра
Метод амперметра та вольтметра
Це найпростіший і найгрубіший метод вимірювання опору. Використовується один амперметр для вимірювання струму I та один вольтметр для вимірювання напруги V, і ми отримуємо значення опору як
Тепер можливі два способи підключення амперметра та вольтметра, показані на рисунку нижче.
На рисунку 1 вольтметр вимірює спад напруги через амперметр та невідомий опір, тому
Отже, відносна похибка буде,
Для підключення за рисунком 2, амперметр вимірює суму струмів через вольтметр та опір, тому
Відносна похибка буде,
Можна спостерігати, що відносна похибка дорівнює нулю для Ra = 0 у першому випадку та Rv = ∞ у другому випадку. Тепер питання полягає в тому, яке з'єднання використовувати у кожному випадку. Щоб це визначити, ми прирівнюємо обидві похибки
Отже, для опорів більших, ніж задається вище рівнянням, ми використовуємо перший метод, а для менших — другий метод.
Метод мосту Вітстоуна
Це найпростіша та найбазовіша мостова схема, яка використовується у вимірювальних дослідженнях. Вона головним чином складається з чотирьох опорних резисторів P, Q, R та S. R - це невідомий резистор, який тестується, а S - стандартний резистор. P та Q називаються співвідносними опорами. Джерело ЕДС під'єднано між точками a і b, а гальванометр - між точками c і d.
Мостова схема завжди працює на принципі виявлення нуля, тобто ми змінюємо параметр до тих пір, поки детектор не показує нуль, а потім використовуємо математичне співвідношення для визначення невідомого через змінний параметр та інші константи. Тут також стандартний резистор S змінюється, щоб отримати нульове відхилення гальванометра. Це нульове відхилення означає, що немає струму від точки c до d, що означає, що потенціал точок c і d однаковий. Отже
Об'єднуючи ці дві рівняння, ми отримуємо знамените рівняння –
Метод заміни
На нижньому малюнку показана електрична схема для вимірювання невідомого резистора R. S - це стандартний змінний резистор, а r - регульований резистор.
Спочатку перемикач розташовують у положенні 1, і амперметр налаштовують на певне значення струму, змінюючи r. Записують значення показника амперметра. Потім перемикач переміщують у положення 2, і S змінюють, щоб досягти такого ж показника амперметра, як і в початковому випадку. Значення S, при якому амперметр показує те саме, що і в положенні 1, є значенням невідомого резистора R, за умови, що джерело ЕДС має стале значення протягом всього експерименту.
Вимірювання високих опорів (>100 кОм)
Нижче наведено декілька методів, які використовуються для вимірювання високих значень опорів-
Метод втрат заряду
Меггер
Метод мегомного моста
Метод прямої відхилення
Зазвичай для таких вимірювань ми використовуємо дуже мало струму, але все ж, через високі опори, можливість появи високих напруг не дивує. Через це ми зустрічаємося з рядом інших проблем, таких як-
Електростатичні заряди можуть накопичуватися на вимірювальних приладах
Струм утечки стає порівняним із вимірювальним струмом і може призвести до помилки
Опори ізоляції є одними з найпоширеніших в цій категорії; однак, диелектрик завжди моделюється як резистор і конденсатор, паралельно підключені. Тому при вимірюванні опору ізоляції (І.Р.) струм включає обидві компоненти, і тому справжнє значення опору не отримують. Конденсаторна компонента хоч і зменшується експоненціально, але все ж займає дуже довгий час для зникнення. Тому різні значення І.Р. отримують в різні моменти часу.
Захист деликатних приладів від високих полів.
Отже, для вирішення проблеми струмів утечки або ємкісних струмів ми використовуємо захисний контур. Ідея захисного контуру полягає в тому, щоб обходити струм утечки через амперметр, щоб виміряти справжній опорний струм. Нижче показано два з'єднання на вольтметрі та мікроамперметрі для вимірювання R, одне без захисного контуру і одне з захисним контуром.
У першому контурі мікроамперметр вимірює як ємкісний, так і опорний струм, що призводить до помилки у значенні R, тоді як у іншому контурі мікроамперметр читає лише опорний струм.
Метод втрати заряду
У цьому методі ми використовуємо рівняння напруги на розрядному конденсаторі, щоб знайти значення невідомого опору R. Нижче показано схему контуру та рівняння, які використовуються-
Однак, вище наведений випадок передбачає відсутність опору утечки конденсатора. Тому, щоб врахувати це, ми використовуємо контур, показаний на нижньому малюнку. R1 — це опір утечки C, а R — невідомий опір.
Ми дотримуємося того ж процесу, але спочатку з вимикачем S1 замкненим, а потім з вимикачем S1 відкритим. У першому випадку ми отримуємо
У другому випадку з відкритим вимикачем ми отримуємо
Використовуючи R1 з вищезазначеного рівняння у рівнянні для R’ ми можемо знайти R.
Метод мегометричного мосту
У цьому методі ми використовуємо відому філософію моста Вітстоуна, але трохи зміненим способом. Високий опір представлено на рисунку нижче.
G — це термінал захисту. Тепер ми також можемо представити резистор, як показано на сусідньому рисунку, де RAG та RBG — це дифузивні опори. Схема для вимірювання показана на рисунку нижче.
Можна спостерігати, що фактично ми отримуємо опір, який є паралельним поєднанням R і RAG. Хоча це призводить до надзвичайно незначних помилок.
Megger
Megger — один з найважливіших вимірювальних пристроїв, які використовують електротехніки, і використовується в основному для вимірювання опору ізоляції. Він складається з генератора, який можна приводити в рух вручну, або, як це зазвичай буває зараз, електронного megger. Деталі про megger обговорено в окремій статті.
Заява: Поважайте оригінал, хороші статті варто поширити, у разі порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.
