Файл: Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока.pdf

законе Ома, не позволяли измерять большие сопротивления из-за низкой чувствительности приборов, измеряющих малые токи.

В 1841 г. Поггендорф предложил компенсационный метод сравнения э. д. с., который позднее был использован для измерения сопротивлений ме­ тодом сравнения. Развитие мостового метода было сделано в трудах англий­ ских физиков Вптстопа и Томсона.

В настоящее время в связи с широким развитием работ по созданию.но­ вых электроизоляционных материалов приборы для измерения высоких со­ противлений (тераомметры) получили широкое распространение.

Методы и приборы для измерения больших сопротивлений можно разделить по принципу действия, назначению п основным характе­ ристикам. По принципу действия все измерительные схемы можно объединить в пять групп: 1 ) схемы с источниками малых токов,

Рис. 4-1. Схемы измерения больших сопротивлений с источ­ никами малых токов: а — с измерительным усилителем на­ пряжения; б — с автокомпенсатором

2 ) схемы с источниками напряжений, 3) схемы с использованием заряда и разряда конденсатора, 4) компенсационные схемы и 5) мо­ стовые схемы.

По назначению приборы и методы измерения больших сопротив­ лений можно разделить на несколько больших групп: 1 ) для изме­ рения высокоомных резисторов, 2 ) для измерения сопротивления изоляции конденсаторов, 3) для измерения удельных объемного и поверхностного сопротивлений диэлектриков, 4) для измерения сопротивлений тонких пленок и других целей. Некоторые методы пригодны для измерения характеристик различных объектов.

Ограничениями в применении того или иного метода могут слу­ жить такие факторы, как изменяющееся напряжение на испытуе­ мом объекте, большое время измерения, отсутствие прямого пока­ зания, возможность применения трехэлектродной схемы и др. В не­ которых случаях измерение сопротивления должно производиться при малом напряжении на объекте.

В измерительных схемах с источниками малых токов (рис. 4-1, а) калиброванный ток /,., протекая по измеряемому сопротивлению

жения на сопротивлении Rx может также производиться электро­ метрическим вольтметром со звеном обратной связи ß„, имеющим

140

высокое входное сопротивление п не шунтирующим измерительную цепь (рис. 4-1, б).

Погрешность измерения сопротивлении по этому методу опреде­ ляется погрешностями бк калиброванного источника тока и 6 Ээлек­ трометрического вольтметра: 6 С= бк -|- бэ. Для измерения напря­ жения на измеряемом сопротивлении можно также использовать автокомпенсацнонный электрометрический усилитель с последова­ тельной отрицательной обратной связью.

Преимуществом схем с источниками малых токов являются: высокая чувствительность, широкий диапазон измеряемых сопро­ тивлений, прямая.шкала выходного прибора. К недостаткам таких схем относятся: изменяющееся напряжение на измеряемом сопро-

Рис. 4-2. Схемы измерения больших сопротивлений с источ­ никами напряжения: а — с образцовым резистором; б—с об­ разцовым конденсатором

тнвленин, сложность регулировки и калибровки источников малых токов, необходимость использования электрометров с весьма вы­ соким входным сопротивлением.

Визмерительных схемах с источником постоянного напряже­ ния Ек измеряется ток I х — E J R X в цепи измеряемого сопротив­ ления Rx. Измерение тока производится электронным гальваномет­ ром. Для питания схем применяются стабилизированные выпря­ мители или аккумуляторы.

Блок-схема тераомметра с измерением тока при помощи автокомпенсацнонного гальванометра приведена на рис. 4-2, а. Напря­ жение стабилизированного источника £ к прикладывается к изме­ ряемому резистору Rx, последовательно с которым включен элек­ тронный гальванометр постоянного тока, состоящий из усилителя

Ки, звена обратной связи ßu и образцового резистора R 0. При до­ статочно большом коэффициенте усиления влияние входного со­ противления гальванометра на ток в цепи измеряемого сопротив­ ления оказывается незначительным.

Внекоторых случаях для повышения чувствительности при из­ мерении больших сопротивлений используются интеграторы тока (рис. 4-2, б). Интеграторы тока требуют значительного времени на проведение измерения и очень часто последующих вычислений для получения конечных результатов.

141

Измерительные схемы, использующие заряд и разряд конден­ сатора, пригодны для измерения сопротивлений выше 10° Ом, при которых процессы заряда и разряда протекают достаточно медленно (более 50 с). В таких схемах образцовый конденсатор С0, предвари­ тельно заряженный до определенного напряжения U0, разряжают через измеряемое сопротивление Rx. О величине сопротивления можно судить либо по заряду Дq, оставшемуся на конденсаторе через некоторое время А/, либо по времени, необходимому для до­ стижения на конденсаторе напряжения заранее заданной величины.

Схема тераомметра с конденсатором переменной емкости приве­ дена на рис. 4-3, а. При разряде конденсатора С0 через измеряемое

домер и двигатель. С помощью двигателя вращается ротор конден­ сатора С0. Скорость вращения ротора конденсатора регулируется таким образом, чтобы напряжение на его зажимах оставалось неиз­

менным и равным ІІ0, о чем свидетельствует нулевое показание электрометра.

По истечении времени At процесс измерения заканчивается за­ мыканием ключа К с одновременной остановкой ротора конденса­ тора и выключением секундомера. Значение R x определяется по формуле R x = R 2At/[(R1 -f R 2) ДС].

Мостовая схема с двумя разрядными конденсаторами показана на рис. 4-3, б. В этой схеме перед началом измерений оба конденса­ тора разряжаются посредством ключей 1(1 и 1(2. При одновремен­ ном размыкании ключей оба конденсатора начинают разряжаться. Регулируя емкости конденсаторов Cl, С2 и сопротивление рези­ стора R1 так, чтобы нулевой индикатор НУ не давал отклонений, получим величину измеряемого сопротивления R ± — RXC JC 1.

Конденсаторные методы обладают низкой производительностью и не позволяют обнаружить дефекты сопротивления, так как изме­ ряется усредненное значение сопротивления за промежуток вре­ мени At.

142

В компенсационных схемах производится сравнение напряже­ ния или тока в измеряемом и образцовом резисторах при питании их от источников тока или напряжения. В схемах с источниками напряжения (рис. 4-4, а) производится сравнение токов в измеряе­ мом и образцовом резисторах. Ток в нулевом индикаторе опреде­ ляется выражением

/U1R0 - U , R X

уRxRo + RyRo + RxRy ’

При равновесии схемы / у -= 0 и, следовательно, R x = R 0 UJ U 2. Таким образом, измеряемое сопротивление Rx определяется путем сравнения с образцовым R 0, а мерой сравнения служит отношение напряжений на этих сопротивлениях. Преимуществом такой схемы

Рис. 4-4. Компенсационные схемы измерения больших сопро­ тивлений: а — с источниками напряжения; б — с источниками тока

является возможность измерения сопротивления при определенном напряжении на нем.

В схемах с источниками тока (рис. 4-4, б) производится сравне­ ние напряжений на измеряемом и образцовом резисторах при пи­ тании их от отдельных регулируемых источников тока. В качестве нуль-индикатора в этих схемах используется электрометрический вольтметр. Напряжение на нулевом индикаторе определяется вы­ ражением

При равновесии схемы Uy — 0 и, следовательно, Rx = RJJIj^ . Таким образом, аналогично схеме с источниками напряжения из­ меряемое сопротивление Rx определяется путем сравнения с об­ разцовым, а мерой сравнения служит отношение токов в этих со­ противлениях.

Компенсационные схемы получили широкое распространение для измерения сопротивления диэлектриков и непроволочных ре­ зисторов в тех случаях, когда измерения должны производиться при строго определенных значениях напряжения или тока. Эти методы позволяют получить довольно низкую погрешность (до

0,1%).

Мостовые схемы измерения больших сопротивлений отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений. В них осу­

143

ществляется непосредственное сравнение измеряемого сопротивле­ ния с образцовой мерой. Наиболее широкое распространение по­ лучили четырехплечие мосты. Обычные четырехплечие мосты по­ зволяют измерять сопротивления до ІО7 Ом, при больших сопро­ тивлениях начинают сказываться шунтирующие влияния изоляци­ онных детален. Расширение пределов измерения мостов до ІО17 Ом достигается изменением их конструкции и введением экранировок.

Наиболее простая схема моста для измерения больших сопротив­ лений приведена на рис. 4-5, а. Все элементы моста, включая галь­ ванометр Г и источник питания Е, помещают внутри заземленного

Рис. -4-5. Мостовые схемы измерения больших со­ противлении: а — без защитной ветви; б —-с за­ щитной ветвью

металлического экрана, что обеспечивает полное электростатиче­ ское экранирование мостовой цепи. Все изоляторы мостовой цепи укрепляют на экранах или на металлических панелях, электриче­ ски соединенных с экраном моста. Точка а мостовой схемы присое­ диняется к экрану. Металлический экран направляет токи утечки по такому пути, при котором они шунтируют только низкоомные плечи моста R2 и R3, и создает эквипотенциальную защиту высо­ коомных плеч Rx и R1 .

В качестве образцового плеча сравнения R1 используют высоко­ омные меры сопротивления из манганинового провода или из не­ проволочных резисторов. С ростом номинального значения сопро­ тивления меры погрешность возрастает. В качестве высокоомных мер в настоящее время применяются меры «звездочки».

При равновесии моста, когда напряжение или ток в нулевом индикаторе равны нулю, выполняется соотношение Rx == R R К, где К = Ro/R3. Напряжение на измеряемом сопротивлении Uк —

=ЕІ( 1 + К).

Кнедостаткам мостового метода относится невозможность уста­

новления заданного напряжения на измеряемом резисторе. Это

144

напряжение может быть вычислено или измерено только после уравновешивания моста.

Для снижения погрешности от влияния токов утечки через изо­ ляторы плеч моста применяются четырехплечие мосты с защитной ветвью (рис. 4-5, б). При уравновешивании такого моста ключ К попеременно замыкается и размыкается, подключая гальванометр Г к экрану моста. Если замыкание и размыкание ключа не вызы­ вает отклонения гальванометра Г , то мост сбалансирован верно. Однако применение защитной ветви усложняет конструкцию моста II технику измерения.

Существенным недостатком мостовых схем является их низкая производительность из-за длительного процесса уравновешивания. Верхний предел измерения моста определяется значением погреш­ ности, которая зависит от чувствительности электронного гальва­ нометра. При использовании интеграторов тока верхний предел измерения составляет ІО17 Ом.

4 -2 . И зм ер ен и е у д ел ь н ы х объ ем н ого и п овер хн остн ого соп р оти вл ен и й ди эл ек тр и к ов

При измерении удельных сопротивлений изолирующих мате­ риалов наиболее часто используется метод вольтметра и гальва­ нометра. На рис. 4-6, а изображена схема измерения объемного сопротивления образца диэлектрика. Образец материала в виде

Для исключения влияния тока поверхностей проводимости об­ разца на показания электронного гальванометра Г к поверхности этого образца прижат кольцеобразный охранный электрод 2 , сое­ диненный с металлическим экраном Э для исключения шунтирую­ щего влияния токов утечки по изоляции соединительных провод­ ников. Величина объемного сопротивления R 0 определяется по

где d-x— диаметр измерительного электрода 1 ; d .2 — внутренний диаметр охранного электрода; h — толщина образца.

Для измерения удельного объемного сопротивления р„ плоских диэлектриков ГОСТ 6433—65 рекомендует схемы, содержащие три электрода различной конструкции. Наиболее достоверные резуль­ таты получаются при нанесении электродов на образец методом рас­ пыления в вакууме серебра, золота, платины, меди или алюминия. Однако эти электроды сложны в изготовлении и требуют для из­ готовления дополнительного громоздкого оборудования.

145

Электроды, изготовленные из металлических пластин, не обес­ печивают контакта с образцом по всей поверхности, что дает уве­ личение измеренного сопротивления в 10—100 раз. Электроды из фольги на эластичной резине также не дают полного контакта с об­ разцом. Притирание фольги на вазелине или припрессовка с нагре­ вом часто приводят к большим погрешностям за счет шунтирования входных цепей прибора поверхностным сопротивлением. Приме­ нение различных токопроводящих паст, суспензий, графитов и порошков очень трудоемко и нетехнологично.

Рис. 4-6. Схемы измерения объемного сопротивле­ ния: а — трехэлектродная; б — компенсационная; в — мостовая; г — с кольцевыми электродами

Величина зазора между измерительным и охранным электро­ дами для трехэлектродной схемы измерения по ГОСТ 6433—65 устанавливается равной 2 мм. В стандартах США эта величина со­ ставляет 6,4 мм, в стандарте Японии величина зазора увеличена до 10 мм. Такое расхождение в стандартах приводит к несопоставимо­ сти результатов измерения удельных сопротивлений одних и тех же диэлектриков. Кроме этого, достоверность измерений зависит от величины приложенного напряжения между измерительным и охранным электродами. Так, при зазоре 2 мм и напряжении 1000 В возникает тихий разряд по воздуху, ток которого может составлять

ІО- 1 1 А. Кроме того, малые зазоры легко перекрываются пылин­ ками, имеющими низкое сопротивление.

Измерение объемного сопротивления может также производиться по компенсационной схеме рис. 4-6, б. При этом объемное сопро­ тивление испытуемого диэлектрика сравнивается с сопротивлением образцовой меры г0. Питание схемы сравнения производится от источников El и Е2.

146

Трехполюсиая схема включения электродов может использо­ ваться и в мостовом методе. На рис. 4-6, в показано включение элек­ тродов в четырехплечий мост с плечами, образованными сопротив­ лениями г і , г2, гЗ и измеряемым образцом. При этом измеряются напряжение и ток между электродами 1 и 4, а охранный электрод 2 подключается к точке схемы, имеющей потенциал, равный потен­ циалу электрода 4.

Следует отметить, что четырехплечий мост для измерения удель­ ных сопротивлений может применяться тогда, когда сопротивление между электродами 1 и 2 не менее ІО10 Ом. Это условие существенно ограничивает возможности использования четырехплечих мостов. Компенсационный метод свободен от этого недостатка.

Рис. 4-7. Схемы измерения.поверхностного сопротивления: а — с ди­ сковыми электродами; б — с линейными электродами

При измерении объемного сопротивления электрической изоля­ ции могут использоваться образцы в виде цилиндра, как показано на рис. 4-6, г. В этом случае охранные электроды выполняются в виде колец 2 , один измерительный электрод — в виде полого ци­ линдрического проводника 1 , другой — в виде сплошного цилин­ дрического проводника 4.

Измерение удельных поверхностных сопротивлений может про­ изводиться по трехэлектродной схеме, изображенной на рис. 4-7. В этом случае охранное кольцо 1 играет роль рабочего электрода, а измерительный электрод 4 выполняет функции охранного элек­ трода, так как он исключает влияние тока объемной проводимости на показания гальванометра Г. Назначение остальных элементов

и погрешность измерения таким способом незначительна. Для гид­ рофобных диэлектриков измеренный ток Is содержит значительную

147