Файл: Рождественская Т.Б. Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов и методы ее поверки.pdf

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