Измерение электрических сопротивлений

ТЕМА:-Измерение электрических сопротивлений.

В производстве электронных компонентов измерение и маркировка электрических сопротивлений занимают значительное время. В технологических процессах различных отраслей промышленности используется огромное количество резистивных датчиков, измеряющих: - температуру, давление, усилия и другие параметры технологических процессов.

Управление технологическими и физическими установками невозможно без знания точных параметров процесса, это может привести к выпуску бракованной продукции , и, даже к аварийным ситуациям, опасным для населения городов и регионов. Приведем несколько примеров, в которых измерение сопротивлений играет важную роль:

- сортировка резисторов по их номинальным значениям (изготовление резисторов),

- измерение температуры термометрами сопротивления (зависимость электрического сопротивления от температуры известна с высокой точностью),

-измерение деформаций твердого тела при воздействии на него механических усилий с помощью тензорезистора (закон изменения сопротивления тензорезистора от его удлинения известен).

Во всех случаях измерения электрических сопротивлений требуется соблюдение правил измерения и учет всех факторов, приводящих к возникновению погрешностей.

Основные причины возникновения погрешностей: 

1. Плохой омический контакт в точках соединения элементов измерительной схемы, может быть связан с наличием пленочных загрязнений механической или химической природы (масляные пленки, окислы, пыль). Шероховатость поверхностей контактирующих элементов или малое давление последних друг на друга не обеспечивают стабильное сопротивление в зоне контакта.

Рекомендуемые материалы

2. Неверный выбор материалов соединительных элементов измерительной цепи. При неверном подборе материалов контактная разность потенциалов может существенно повлиять на результат измерений. Причина возникновения контактной разности потенциалов заключена в том, что электроны проводимости (свободные электроны), имеют различную энергию связи с ионами твердого тела (проводника электрического тока) в различных материалах. В металлических проводниках электрического тока валентные электроны распределены по энергетическим зонам. Часть электронов жестко связана с ионами материала, и, обеспечивает сохранение формы твердого тела. Эти электроны теория относит к валентной зоне. Электроны валентной зоны не участвуют в переносе электрического заряда. Незначительная часть валентных электронов слабо связана с ионным остовом твердого тела и лежит на уровнях, имеющих высокую потенциальную энергию (выше уровня электронов валентной зоны). В материалах отличающихся химическим составом эти уровни потенциальной энергии различны ( - для проводника 1,  - для проводника 2). При соприкосновении двух материалов электроны проводника, обладающие большей потенциальной энергией, стремятся занять состояние с меньшей потенциальной энергией. (Смотри рис.2.) Возникает направленное движение электронов через границу раздела (зону контакта), которое искажает результат измерения сопротивления цепи. Перераспределение электронов зоны проводимости, хотя и, приводит к выравниванию потенциалов,, но это новое состояние нестабильно, и, зависит от температуры окружающей среды.

3. Зависимость контактного сопротивления от силы тока. Контактное сопротивление

-16-

4. сильно зависит от плотности тока, протекающего через контактную площадку. При плотности тока меньше 5 мА/мм² статистическая природа электронного распределения в зоне проводимости вносит паразитные шумы. Плотность тока выше 10 мА/мм² вызывает нагрев проводников, приводящий к увеличению сопротивления зоны контакта. Рекомендуемая плотность тока для измерения электрического сопротивления лежит от 5 мА/мм² до 10 мА/мм².

Рис.2. Возникновение контактной разницы потенциалов при контакте двух разнородных проводников (1 – первый проводник, 2 – второй проводник).

Методы измерения сопротивлений.

Метод амперметра и вольтметра.

Метод амперметра и вольтметра применяется для измерения электрического сопротивления в широком интервале номинальных значений измеряемой величины. Метод позволяет выполнить измерение при токовых нагрузках, совпадающих с режимом работы элемента. Это важно в том случае, когда электрическое сопротивление зависит от плотности тока, протекающего через элемент (терморезистор, выпрямительный диод).

Измерение является косвенным, так как  значение электрического сопротивления находится путем вычисления . Варианты схем измерения приведены на Рис.3.

-17-

Рис.3. Электрическая схема измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра.

Для схемы в)  относительная погрешность  может быть выражена следующей

Для схемы а) – искомое сопротивление вычисляется подстановкой значений токов и напряжений на участках измерительной цепи

Видим, что в результат вычислений вносится вклад током вольтметра. Погрешность измерения -, вносимая способом включения, определяется величинами сопротивлений измерительной цепи.

100%

Где - ;   R_X=; R_B= сопротивлению вольтметра. Погрешность измерения тем ниже, чем больше сопротивление вольтметра.

Для схемы в) - формулой.                  100%

формулой.                  100%

Относительная погрешность измерения в этом случае снижается при использовании амперметра удовлетворяющего неравенству R >> R_A.

Модификация метода амперметра и вольтметра.

В переносных и стационарных измерительных системах этот метод нашел широкое распространение. В целях уменьшения количества измерительных приборов, используемых рассмотренном нами методе, измерительный прибор питается от источника стабильного напряжения. В переносных приборах это электрохимический источник (аккумулятор или батарейка). Эти источники напряжения имеют вольт кулонную характеристику, приведенную на Рис.4

-18-

Рис.4. Вольт кулонная характеристика электрохимического источника напряжения.

Непосредственно после изготовления или зарядки напряжение на зажимах такого источника выше номинального напряжения, после хранения или после непродолжительной работы на нагрузку напряжение снижается до номинального значения, и остается практически постоянным до тех пор, когда запасенный заряд электричества не упадет до минимального значения. В дальнейшем возрастает электрическое сопротивление источника, а напряжение на зажимах падает. Это происходит при использовании примерно 75% запасенного заряда. Омметры, использующие этот способ, работают в зоне номинального напряжении химического источника напряжения. Упрощенная схема омметра приведена на Рис.5.

Рис.5. Электрическая схема омметра.

В схеме омметра используется только амперметр. Переменное добавочное сопротивление R_Д позволяет компенсировать падение напряжения источника питания и падение напряжения на соединительных проводах. Ток полного отклонения стрелки амперметра выбирается несколько меньше, чем ток, определяемый выражением , где U – напряжение источника, R_A – омическое сопротивление амперметра, что позволяет полнее использовать заряд электрохимического источника питания. Ключ К – в замкнутом состоянии используется для корректировки положения стрелки амперметра. Шкала прибора будет соответствовать калибровке, только если стрелка прибора отклонилась до максимального значения, при замкнутом ключе К.

Место включения измеряемого сопротивления R_X на схеме показано пунктиром.

 Ток, измеряемый амперметром, при измерении сопротивления можно определить по формуле . Шкала прибора получается нелинейной, поэтому значение измеряемого сопротивления должно лежать в пределах второй трети шкалы

-19-

В данной лекции рассмотрены вопросы:

- измерение напряжения в электрической цепи,

- измерение омических сопротивлений,

- причины возникновения ошибок,

- меры исключения ошибок в измерении сопротивления электрической цепи,

- методы измерения сопротивлений,

- электрическая схема омметра

Основная литература

"Робинзон Крузо" - тут тоже много полезного для Вас.

1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.

2. Гусев В.Г. Гусев Ю.Н. Электроника и микропроцессорная техника. М. ВШ.2005.

3. Миронов Э.Г. Основы метрологии. Учеб.пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2000.

4. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.

5. Терешин Г.М. Радиоизмерения. М.: Энергоиздат, 1963.

6. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.