Messung der elektrischen Eigenschaften. Arten und Methoden elektrischer Messungen

Die Messung elektrischer Parameter ist ein zwingender Schritt bei der Entwicklung und Produktion elektronischer Produkte. Um die Qualität der hergestellten Geräte zu kontrollieren, ist eine schrittweise Überwachung ihrer Parameter erforderlich. Richtige Definition Die Funktionalität des zukünftigen Steuerungs- und Messkomplexes erfordert die Festlegung der Arten der elektrischen Steuerung: industriell oder im Labor, vollständig oder selektiv, statistisch oder einzeln, absolut oder relativ und so weiter.

Im Aufbau der Produktproduktion werden folgende Steuerungsarten unterschieden:

• Eingangskontrolle;
• Interoperative Kontrolle;
• Überwachung von Betriebsparametern;
• Abnahmetests.

Während der Produktion Leiterplatten und elektronische Komponenten (Bereich des Instrumentenbauzyklus), ist es notwendig, eine Eingangsqualitätskontrolle von Rohstoffen und Komponenten, eine elektrische Qualitätskontrolle der Metallisierung fertiger Leiterplatten und eine Kontrolle der Betriebsparameter der zusammengebauten Elektronik durchzuführen Komponenten. Um diese Probleme zu lösen, weiter moderne Produktion Elektrische Steuerungssysteme vom Adaptertyp sowie Systeme mit „fliegenden“ Sonden werden erfolgreich eingesetzt.

Die Herstellung von Komponenten in einem Paket (gepackter Produktionszyklus) erfordert wiederum eine eingehende parametrische Kontrolle einzelner Kristalle und Pakete, eine anschließende betriebsübergreifende Kontrolle nach dem Schweißen der Kristallanschlüsse oder deren Installation und schließlich eine parametrische und funktionale Kontrolle fertiges Produkt.

Die Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen (Chipherstellung) erfordert eine detailliertere Kontrolle elektrische Eigenschaften. Zunächst ist es notwendig, die Eigenschaften der Platte zu kontrollieren, sowohl die Oberflächen- als auch die Volumeneigenschaften. Anschließend wird empfohlen, die Eigenschaften der Hauptfunktionsschichten zu kontrollieren und nach dem Aufbringen von Metallisierungsschichten die Qualität ihrer Leistung und elektrischen Eigenschaften zu überprüfen. Nach Erhalt der Struktur auf dem Wafer müssen Parameter- und Funktionstests durchgeführt, statische und dynamische Eigenschaften gemessen, die Signalintegrität überwacht, die Eigenschaften der Struktur analysiert und Leistungsmerkmale überprüft werden.

Parametrische Messungen:

Die parametrische Analyse umfasst eine Reihe von Techniken zur Messung und Überwachung der Zuverlässigkeit von Spannungs-, Strom- und Leistungsparametern, ohne die Funktionalität des Geräts zu überwachen. Die Messung elektrischer Parameter umfasst die Anwendung elektrischer Einfluss zum zu messenden Gerät (DUT) und zur Messung der Reaktion des DUT. Parametrische Messungen werden bei Gleichstrom (Standard-Gleichstrommessungen von Strom-Spannungs-Kennlinien (CV), Messungen von Stromkreisen usw.), bei niedrigen Frequenzen (Mehrspannungsmessungen von Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien (CV), Messungen komplexer Impedanz und Immitanz, Materialanalyse usw.), Impulsmessungen (Pulsstrom-Spannungs-Kennlinien, Reaktionszeit-Debugging usw.). Zur Lösung von Problemen parametrischer Messungen wird es eingesetzt große Zahl Spezialisierte Steuerungs- und Messgeräte: Arbiträrgeneratoren, Netzteile (DC und AC), Quellenmessgeräte, Amperemeter, Voltmeter, Multimeter, LCR- und Impedanzmessgeräte, parametrische Analysatoren und Kurventracer und vieles mehr sowie eine große Anzahl an Zubehör , Zubehör und Geräte.

Anwendung:

• Messung grundlegender Eigenschaften (Strom, Spannung, Leistung) von Stromkreisen;
• Messung von Widerstand, Kapazität und Induktivität passiver und aktiver Elemente elektrischer Schaltkreise;
• Messung der Gesamtimpedanz und Impedanz;
• Messung von Strom-Spannungs-Kennlinien im quasistatischen und gepulsten Modus;
• Messung von Strom-Spannungs-Kennlinien im quasistatischen und Mehrfrequenzmodus;
• Charakterisierung von Halbleiterbauelementen;
• Fehleranalyse.

Funktionsmessungen:

Die Funktionsanalyse umfasst eine Reihe von Techniken zur Messung und Überwachung der Geräteleistung während grundlegender Vorgänge. Mit diesen Techniken können Sie auf der Grundlage der während des Messvorgangs gewonnenen Daten ein Modell (physisch, kompakt oder verhaltensorientiert) eines Geräts erstellen. Durch die Analyse der erhaltenen Daten können Sie die Stabilität der Eigenschaften hergestellter Geräte kontrollieren, diese erforschen und neue entwickeln sowie Fehler beheben technologische Prozesse und passen Sie die Topologie an. Zur Lösung funktionaler Messprobleme wird eine Vielzahl spezialisierter Prüf- und Messgeräte eingesetzt: Oszilloskope, Netzwerkanalysatoren, Frequenzzähler, Geräuschmesser, Leistungsmesser, Spektrumanalysatoren, Detektoren und viele andere sowie eine Vielzahl von Zubehörteilen, Zubehör und Geräte.

Anwendung:

• Messung schwacher Signale: Signalübertragungs- und Reflexionsparameter, Manipulationskontrolle;
• Starke Signalmessungen: Verstärkungskomprimierung, Load-Pull-Messungen usw.;
• Frequenzerzeugung und -umwandlung;
• Wellenformanalyse im Zeit- und Frequenzbereich;
• Geräuschzahlmessung und Geräuschparameteranalyse;
• Überprüfung der Signalreinheit und Analyse der Intermodulationsverzerrung;
• Signalintegritätsanalyse, Standardisierung;

Sondenmessungen:

Sondenmessungen sollten gesondert hervorgehoben werden. Die aktive Entwicklung der Mikro- und Nanoelektronik hat zu der Notwendigkeit geführt, genaue und zuverlässige Messungen auf einem Wafer durchzuführen, die nur mit einem hochwertigen, stabilen und zuverlässigen Kontakt möglich sind, der das Gerät nicht zerstört. Die Lösung dieser Probleme wird durch den Einsatz von Sondenstationen erreicht, die speziell für eine bestimmte Art von Messung entwickelt wurden und die Sondensteuerung durchführen. Stationen sind speziell darauf ausgelegt, äußere Einflüsse und Eigengeräusche auszuschließen und die „Reinheit“ des Experiments zu wahren. Alle Messungen erfolgen auf Wafer-/Scherbenebene, bevor es in Kristalle aufgeteilt und verpackt wird.

Anwendung:

• Messung der Ladungsträgerkonzentration;
• Messung von Oberflächen- und Durchgangswiderstand;
• Analyse der Qualität von Halbleitermaterialien;
• Durchführung parametrischer Tests auf Waferebene;
• Verhalten Funktionsanalyse auf Plattenebene;
• Durchführung von Messungen und Überwachung elektrophysikalischer Parameter (siehe unten) von Halbleiterbauelementen;
• Qualitätskontrolle technologischer Prozesse.

Funkmessungen:

Die Messung von Funkemissionen, elektromagnetischer Verträglichkeit, Signalverhalten von Sende-/Empfangsgeräten und Antennen-Speisesystemen sowie deren Störfestigkeit erfordern besondere Anforderungen äußere Bedingungen Durchführung des Experiments. HF-Messungen erfordern einen separaten Ansatz. Nicht nur die Eigenschaften des Empfängers und Senders, sondern auch die äußere elektromagnetische Umgebung (wobei das Zusammenspiel von Zeit-, Frequenz- und Leistungseigenschaften nicht ausgeschlossen ist, sowie die Lage aller Elemente des Systems relativ zueinander und das Design des Aktiven Elemente) tragen ihren Einfluss bei.

Anwendung:

• Radar und Peilung;
• Telekommunikations- und Kommunikationssysteme;
• Elektromagnetische Verträglichkeit und Störfestigkeit;
• Signalintegritätsanalyse, Standardisierung.

Elektrophysikalische Messungen:

Die Messung elektrischer Parameter steht oft in enger Wechselwirkung mit der Messung/Auswirkung physikalischer Parameter. Elektrophysikalische Messungen werden bei allen Geräten eingesetzt, die beliebige äußere Einflüsse in elektrische Energie umwandeln und/oder umgekehrt. LEDs, mikroelektromechanische Systeme, Fotodioden, Druck-, Durchfluss- und Temperatursensoren sowie alle darauf basierenden Geräte erfordern eine qualitative und quantitative Analyse des Zusammenspiels der physikalischen und elektrischen Eigenschaften von Geräten.

Anwendung:

• Messung von Intensität, Wellenlänge und Richtung der Strahlung, Strom-Spannungs-Kennlinien, Lichtstrom und LED-Spektrum;
• Messung von Empfindlichkeit und Rauschen, Strom-Spannungs-Kennlinien, Spektral- und Lichteigenschaften von Fotodioden;
• Analyse von Empfindlichkeit, Linearität, Genauigkeit, Auflösung, Schwellenwerten, Spiel, Rauschen, Einschwingverhalten und Energieeffizienz für MEMS-Aktoren und -Sensoren;
• Analyse der Leistung von Halbleiterbauelementen (z. B. MEMS-Aktoren und -Sensoren) im Vakuum und in einer Kammer Hochdruck;
• Analyse der Eigenschaften von Temperaturabhängigkeiten, kritischen Strömen und dem Einfluss von Feldern in Supraleitern.

Die Hauptparameter von Stromkreisen sind: für einen Gleichstromkreis der Widerstand R, für den aktiven Widerstand des Wechselstromkreises , Induktivität , Kapazität , komplexer Widerstand .

Zur Messung dieser Parameter werden am häufigsten die folgenden Methoden verwendet: Ohmmeter, Amperemeter - Voltmeter, Brücke. Die Verwendung von Kompensatoren zur Widerstandsmessung bereits in Abschnitt 4.1.8 besprochen. Betrachten wir andere Methoden.

Ohmmeter. Mit einem Ohmmeter lässt sich der Widerstand von Gleichstromkreiselementen direkt und schnell messen. In den Diagrammen in Abb. 16 IHNEN- magnetoelektrischer Messmechanismus.

Bei konstanter Versorgungsspannung
Die Messwerte des Messmechanismus hängen nur vom Wert des gemessenen Widerstands ab
. Daher kann die Skala in Widerstandseinheiten abgestuft werden.

Für eine Reihenschaltung aus der Verbindung eines Elements mit einem Widerstand
(Abb. 4.16, ) Zeigerausschlagwinkel

,

Für eine Parallelschaltung (Abb. 4.16, )

,

Wo - Empfindlichkeit des magnetoelektrischen Messmechanismus; - Widerstand des Messwerks;
- Widerstandswert des Zusatzwiderstandes. Da die Werte aller Größen auf der rechten Seite der obigen Gleichungen außer sind
, dann wird der Abweichungswinkel durch den Wert bestimmt
.

Die Ohmmeterskalen für beide Stromkreise sind ungleichmäßig. Bei einer sequentiellen Schaltung wird im Gegensatz zu einer parallelen Schaltung der Nullpunkt der Skala auf den maximalen Drehwinkel des beweglichen Teils ausgerichtet. Ohmmeter mit Reihenschaltung eignen sich eher für die Messung hoher Widerstände, solche mit Parallelschaltung eher für die Messung kleiner Widerstände. Typischerweise werden Ohmmeter in Form tragbarer Geräte der Genauigkeitsklassen 1,5 und 2,5 hergestellt. Als Stromquelle Batterie verwendet wird. Die Notwendigkeit, den Nullpunkt mithilfe eines Korrektors einzustellen, ist ein großer Nachteil der betrachteten Ohmmeter. Dieser Nachteil fehlt bei Ohmmetern mit magnetoelektrischem Logometer.

Der Anschlussplan für das Ratiometer im Ohmmeter ist in Abb. dargestellt. 4.17. In diesem Schema 1 und 2 - Ratiometerspulen (ihr Widerstand Und );
Und
- zusätzliche Widerstände, die fest in den Stromkreis eingebunden sind.

,

dann die Abweichung der Logometernadel

,

d.h. der Abweichungswinkel wird durch den Wert bestimmt
und ist nicht spannungsabhängig .

Ohmmeter mit Logometer haben je nach erforderlicher Messgrenze, Verwendungszweck (Panel oder tragbares Gerät) usw. unterschiedliche Designs.

Amperemeter-Voltmeter-Methode. Bei dieser Methode handelt es sich um eine indirekte Methode zur Messung des Widerstands von Elementen von Gleich- und Wechselstromkreisen. Ein Amperemeter und ein Voltmeter messen jeweils den Strom und die Spannung am Widerstand.
Der Wert wird dann mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet:
. Die Genauigkeit der Widerstandsbestimmung mit dieser Methode hängt sowohl von der Genauigkeit der Instrumente als auch vom verwendeten Schaltkreis ab (Abb. 4.18, Und ).

Bei der Messung relativ kleiner Widerstände (weniger als 1 Ohm) eignet sich die Schaltung in Abb. 4.18, vorzuziehen, da das Voltmeter direkt an den zu messenden Widerstand angeschlossen wird
, und der Strom , gemessen mit einem Amperemeter, ist gleich der Summe des Stroms im gemessenen Widerstand und Strom in einem Voltmeter , d.h.
. Weil >>, Das
.

Bei der Messung relativ hoher Widerstände (mehr als 1 Ohm) eignet sich die Schaltung in Abb. 4.18, , da das Amperemeter direkt den Strom im Widerstand misst
, und die Spannung , Die mit einem Voltmeter gemessene Spannung entspricht der Summe der Spannungen am Amperemeter
und gemessenen Widerstand
, d.h.
. Weil
>>
, Das
.

Schematische Darstellungen von Einschaltgeräten zur Messung der Impedanz von Elementen
Wechselstromkreise mit der Amperemeter-Voltmeter-Methode sind die gleichen wie bei der Widerstandsmessung
. In diesem Fall auf Basis der gemessenen Spannungswerte und aktuell Bestimmen Sie den Gesamtwiderstand
.

Offensichtlich kann diese Methode das Argument des getesteten Widerstands nicht messen. Daher kann die Amperemeter-Voltmeter-Methode die Induktivität von Spulen und die Kapazität von Kondensatoren messen, wobei die Verluste recht gering sind. In diesem Fall

;
.

5. Instandhaltung linearer Strukturen
5.1. Allgemeine Bestimmungen
5.2. Inspektion und vorbeugende Wartung von Leitungskabelstrukturen
5.3. Inspektion und vorbeugende Wartung von Freileitungen
5.4. Messungen der elektrischen Eigenschaften von Kabel-, Frei- und Mischleitungen
5.5. Überprüfung neuer Kabel, Leitungen, Kabelanschlüsse und Armaturen, die in Betrieb genommen werden
6. Beseitigung von Schäden an Kabel-, Frei- und Mischleitungen
6.1. Arbeitsorganisation zur Beseitigung von Unfällen und Leitungsschäden
6.2. Methoden zum Auffinden und Beseitigen von Schäden an Kabelleitungen
6.2.1. Allgemeine Hinweise

Regeln für die Wartung und Reparatur von Kommunikationskabeln

5.4. Messungen der elektrischen Eigenschaften von Kabel-, Frei- und Mischleitungen

5.4.1. Die Messung der elektrischen Eigenschaften von Kabeln, Freileitungen und gemischten Leitungen lokaler Kommunikationsnetze wird durchgeführt, um die Übereinstimmung der Eigenschaften mit festgelegten Standards zu überprüfen und Notfallsituationen vorzubeugen.

5.4.2. Elektrische Messungen von Leitungen werden vom Messteam des Kommunikationsunternehmens gemäß den aktuellen „Richtlinien“ für elektrische Messungen von GTS- und STS-Leitungen durchgeführt.

5.4.3. Die Messgruppe tritt auf die folgenden Typen elektrische Messleitungen:

Geplant (periodisch);

Messungen zur Bestimmung von Schadensstellen;

Kontrollmessungen nach Reparatur- und Restaurierungsarbeiten;

Messungen während der Inbetriebnahme neu gebauter und rekonstruierter Leitungen;

Messungen zur Klärung der Kabeltrassenführung und Kabeltiefe;

Messungen zur Überprüfung der Qualität von Produkten (Kabel, Leitungen, Ableiter, Sicherungen, Sockel, Kästen, Schaltkästen, Isolatoren usw.) aus der Industrie vor deren Installation in Leitungen.

Die Arten der gemessenen Parameter und die Volumina geplanter, Kontroll- und Abnahmemessungen der elektrischen Eigenschaften von Kabel-, Frei- und Mischleitungen lokaler Kommunikationsnetze sind in Abschnitt 5.4.2 angegeben. „Handbücher“.

5.4.4. Die gemessenen elektrischen Eigenschaften von Kabel-, Frei- und Mischleitungen lokaler Kommunikationsnetze müssen den in Anlage 4 angegebenen Normen entsprechen.

5.4.5. Die Ergebnisse geplanter, Kontroll- und Notfallmessungen der elektrischen Eigenschaften von Leitungen dienen als Ausgangsdaten bei der Zustandsbestimmung linearer Bauwerke und als Grundlage für die Entwicklung von Strom- und Stromplänen Überholung und Sanierungsprojekte von Gebäuden.

Widerstand, Kapazität und Induktivität sind die Hauptparameter elektrischer Schaltkreise, deren Messung in der Praxis häufig anzutreffen ist. Es gibt viele Methoden, sie zu messen, und der Instrumentenbau stellt zu diesem Zweck eine breite Palette von Messgeräten her. Die Wahl einer bestimmten Messmethode und eines bestimmten Messgeräts hängt von der Art des zu messenden Parameters, seinem Wert, der erforderlichen Messgenauigkeit, den Eigenschaften des Messobjekts usw. ab. Beispielsweise erfolgt die Widerstandsmessung von Massivleitern üblicherweise direkt Strom, da das Gerät zum Messen in diesem Fall einfacher im Aufbau und billiger ist als ein ähnliches Gerät zum Messen Wechselstrom. Messungen in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder hohem Erdwiderstand werden jedoch nur bei Wechselstrom durchgeführt, da das Messergebnis bei Gleichstrom aufgrund des Einflusses elektrochemischer Prozesse große Fehler enthalten wird.

Grundlegende Methoden und Mittel zur Messung des Widerstands eines Stromkreises gegenüber Gleichstrom

Der in der Praxis gemessene Widerstandsbereich ist breit (von 10 8 bis 10 Ohm) und wird herkömmlicherweise nach Widerstandswerten in klein (weniger als 10 Ohm), mittel (von 10 bis 10 6 Ohm) und groß ( über 10 6 Ohm), die jeweils ihre eigenen Eigenschaften zur Widerstandsmessung haben.

Der Widerstand ist ein Parameter, der nur auftritt, wenn elektrischer Strom durch den Stromkreis fließt. Daher werden Messungen in einem funktionierenden Gerät durchgeführt oder es wird ein Messgerät mit eigener Stromquelle verwendet. Es muss darauf geachtet werden, dass der resultierende elektrische Wert nur den gemessenen Widerstand korrekt widerspiegelt und keine unnötigen Informationen enthält, die als Messfehler wahrgenommen werden. Betrachten wir unter diesem Gesichtspunkt die Besonderheiten der Messung kleiner und großer Widerstände.

Bei der Messung kleiner Widerstände, beispielsweise von Transformatorwicklungen oder kurzen Drähten, wird Strom durch den Widerstand geleitet und der Spannungsabfall am Widerstand gemessen. In Abb. 10.1 zeigt den Anschlussplan zur Widerstandsmessung K x kurzer Leiter. Letzterer wird an die Stromquelle angeschlossen ICH durch zwei Verbindungsleiter mit eigenem Widerstand Ich p. An der Verbindung dieser Leiter mit dem gemessenen Widerstand treten Übergangskontaktwiderstände /? j. Bedeutung Ich und hängt vom Material des Verbindungsleiters, seiner Länge und seinem Querschnitt ab, der Wert von /? k - auf der Fläche der berührenden Teile, deren Sauberkeit und Druckkraft. Also die Zahlenwerte Ich und und hängen von vielen Gründen ab und es ist schwierig, sie im Voraus zu bestimmen, aber sie können als ungefähre Schätzung angegeben werden. Wenn die Anschlussleiter kurzgeschlossen werden Kupferdraht mit einem Querschnitt von mehreren Quadratmillimetern

Reis. 10.1.

Leiter

Meter, und die Kontaktwiderstände haben eine saubere und gut verdichtete Oberfläche, dann können wir für ungefähre Schätzungen greifen 2(Ich und + Ich k)* 0,01 Ohm.

Da die gemessene Spannung im Stromkreis von Abb. 10.1 kann verwendet werden 23 Uhr, ich 22 oder?/ 33 . Falls ausgewählt II p, dann spiegelt das Messergebnis den Gesamtwiderstand des Stromkreises zwischen den Klemmen 1-G wider:

Yats = ?/,//= Gift+ 2(L I + L K).

Hier stellt der zweite Term den Fehler dar, dessen relativer Wert 5 in Prozent gleich ist:

5 = ICH ~ Yah 100 = 2 KP + Yak 100.

k x*x

Bei der Messung kleiner Widerstände kann dieser Fehler groß sein. Wenn wir zum Beispiel nehmen 2(Ich und + Ich k)* 0,01 Ohm, a Ich x = 0,1 Ohm, dann 5 * 10 %. Fehler 5 verringert sich, wenn Sie auswählen Und 22:

Ich bin 22 = und 22 /1 = I x + 2Ya K.

Dabei wird der Widerstand der Versorgungsleitungen aus dem Messergebnis ausgeschlossen, der Einfluss von Lc bleibt jedoch bestehen.

Das Messergebnis bleibt vollkommen frei von Einflüssen Ich p Und Ich soll wenn Sie ?/ 33 als gemessene Spannung wählen.

Anschlussplan ICH in diesem Fall spricht man von Vierklemmen: Das erste Paar 2-2"-Klemmen ist für die Stromzufuhr vorgesehen und wird Stromklemmen genannt, das zweite Paar 3-3"-Klemmen dient der Spannungsentnahme vom gemessenen Widerstand und wird Stromklemmen genannt mögliche Klemmen.

Der Einsatz von Strom- und Potenzialklemmen bei der Messung kleiner Widerstände ist die wichtigste Technik, um den Einfluss von Anschlussdrähten und Übergangswiderständen auf das Messergebnis zu eliminieren.

Bei der Messung großer Widerstände, beispielsweise des Widerstands von Isolatoren, gehen sie folgendermaßen vor: An das Objekt wird eine Spannung angelegt, der resultierende Strom gemessen und daraus der Wert des gemessenen Widerstands beurteilt.

Bei der Prüfung von Dielektrika ist zu berücksichtigen, dass ihr elektrischer Widerstand von vielen Bedingungen abhängt – Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Leckage auf einer verschmutzten Oberfläche, Wert der Prüfspannung, Dauer ihrer Wirkung usw.

Messung des Widerstands eines Stromkreises Gleichstrom In der Praxis wird es am häufigsten nach der Amperemeter- und Voltmeter-Methode, der ratiometrischen Methode oder der Brückenmethode durchgeführt.

Amperemeter- und Voltmeter-Methode. Diese Methode basiert auf separaten Strommessungen ICH im Stromkreis der gemessene Widerstand K x und Spannung Und an seinen Klemmen und anschließende Berechnung des Wertes anhand der Messwerte von Messgeräten:

Ich x = u/i.

Normalerweise wird Strom / und Spannung mit einem Amperemeter gemessen Und - Voltmeter, das erklärt den Namen der Methode. Bei der Messung hochohmiger Widerstände, wie zum Beispiel des Isolationswiderstands, ist der Strom klein und wird mit einem Milliamperemeter, Mikroamperemeter oder Galvanometer gemessen. Bei der Messung niederohmiger Widerstände, beispielsweise eines Stücks Draht, fällt der Wert klein aus Und Zur Messung werden Millivoltmeter, Mikrovoltmeter oder Galvanometer verwendet. In all diesen Fällen behält die Messmethode jedoch ihren Namen – Amperemeter und Voltmeter. Mögliche Schaltungen zum Anschluss von Geräten sind in Abb. dargestellt. 10.2, a, b.

Reis. 10.2. Schaltungen zur Messung kleiner (A) und groß (B) Widerstand

Amperemeter- und Voltmeter-Methode

Der Vorteil der Methode liegt in der Einfachheit ihrer Durchführung, der Nachteil ist die relativ geringe Genauigkeit des Messergebnisses, die durch die Genauigkeitsklasse der verwendeten Messgeräte und den methodischen Fehler begrenzt wird. Letzteres ist auf den Einfluss der von den Messgeräten während des Messvorgangs aufgenommenen Leistung zurückzuführen, also auf den Endwert des Eigenwiderstands des Amperemeters Ich bin A und Voltmeter Ich bin du.

Lassen Sie uns den methodischen Fehler durch die Parameter der Schaltung ausdrücken.

Im Diagramm von Abb. 10.2, A Das Voltmeter zeigt den Spannungswert an den Klemmen an ICH, und das Amperemeter ist die Summe der Ströme 1 U +/. Daher das Messergebnis ICH, Die anhand der Instrumentenwerte berechneten Werte weichen davon ab ICH:

l_ und und ICH*

I + 1 Y und/I x + und ich 1 + Ich x/Ich y "

Relativer Messfehler in Prozent

• 1 + Ich x/Ich y

Hier gilt die ungefähre Gleichheit, seit wann richtige Organisation Das Experiment geht von der Erfüllung der Bedingung aus I y » I x.

Im Diagramm von Abb. 10.2, 6 Das Amperemeter zeigt den Stromwert im Stromkreis an ICH, und das Voltmeter ist die Summe der Spannungsabfälle Ich x und und Amperemeter und A. Unter Berücksichtigung dessen ist es möglich, das Messergebnis aus den Messwerten des Geräts zu berechnen:

+ Ich bin A.

C + C l

Der relative Messfehler in Prozent beträgt in diesem Fall:

Aus den erhaltenen Ausdrücken für relative Fehler geht hervor, dass im Diagramm in Abb. 10.2, A Der methodische Fehler des Messergebnisses wird nur durch den Widerstand beeinflusst Ich habe; Um diesen Fehler zu reduzieren, ist es notwendig, den Zustand sicherzustellen Ich x « Ich y. Im Diagramm von Abb. 10.2, B Der methodische Fehler des Messergebnisses wird nur beeinflusst durch Ich bin A; Die Reduzierung dieses Fehlers wird durch die Erfüllung der Bedingung erreicht I x » I A. Für die praktische Anwendung dieser Methode empfiehlt sich daher die Regel: Die Messung kleiner Widerstände sollte nach dem Diagramm in Abb. erfolgen. 10.2, A Bei der Messung großer Widerstände sollte der Schaltung in Abb. der Vorzug gegeben werden. 10.2, B.

Der methodische Fehler des Messergebnisses kann durch entsprechende Korrekturen beseitigt werden, hierfür ist jedoch die Kenntnis der Werte erforderlich Ich bin A Und Ich bin du. Wenn sie bekannt sind, ergibt sich aus dem Messergebnis gemäß dem Diagramm in Abb. 10.2, B Der Wert sollte abgezogen werden Ich bin A; im Diagramm von Abb. 10.2, A Das Messergebnis spiegelt die Parallelschaltung von Widerständen wider ICH Und Ich bin daher die Bedeutung ICH nach der Formel berechnet

Wenn um diese Methode Wenn Sie eine Stromquelle mit einer zuvor bekannten Spannung verwenden, ist es nicht erforderlich, die Spannung mit einem Voltmeter zu messen, und die Skala des Amperemeters kann sofort auf die Werte des gemessenen Widerstands kalibriert werden. Der Betrieb vieler von der Industrie hergestellter Modelle direkt messender Ohmmeter basiert auf diesem Prinzip. Ein vereinfachtes Schaltbild eines solchen Ohmmeters ist in Abb. dargestellt. 10.3. Die Schaltung enthält eine EMF-Quelle, einen zusätzlichen Widerstand ICH und ein Amperemeter (normalerweise ein Mikroamperemeter) A. Beim Anschließen des gemessenen Widerstands an die Klemmen des Stromkreises ICH Strom entsteht im Stromkreis ICH, unter dessen Einfluss sich der bewegliche Teil des Amperemeters um einen Winkel a dreht und sein Zeiger um abweicht A Skaleneinteilung:

MIT/ Ich bin ein + Ich bin A + ICH

Wo MIT, - Teilungspreis (Konstante) des Amperemeters; Ich A - Amperemeter-Widerstand.

Reis. 10.3. Schematische Darstellung Ohmmeter mit Reihenschaltung

gemessener Widerstand

Wie aus dieser Formel ersichtlich ist, ist die Skala des Ohmmeters nichtlinear und die Stabilität der Kalibrierungskennlinie erfordert die Sicherstellung der Stabilität aller in der Gleichung enthaltenen Größen. Mittlerweile ist die Stromquelle in Geräten dieser Art meist in Form einer trockenen galvanischen Zelle implementiert, deren EMK beim Entladen abnimmt. Eine Korrektur der Änderung ist, wie aus der Gleichung ersichtlich, durch entsprechende Anpassung möglich MIT" oder Ich bin. In einigen Ohmmetern MIT, reguliert durch Änderung der Induktion im Spalt des Magnetsystems des Amperemeters mithilfe eines magnetischen Shunts.

In diesem Fall bleibt die Konstanz der Beziehung erhalten ё/С, und die Kalibrierungseigenschaft des Geräts behält unabhängig vom Wert seinen Wert e. Einstellung MIT, erfolgt wie folgt: die Klemmen des Geräts, an das es angeschlossen ist K x, kurzgeschlossen (I x = 0) und durch Anpassen der Position des magnetischen Shunts erreichen Sie, dass der Zeiger des Amperemeters auf die Nullmarkierung der Skala eingestellt wird; Letzterer befindet sich am äußersten rechten Punkt der Skala. Damit ist die Einstellung abgeschlossen und das Gerät ist bereit zur Widerstandsmessung.

Bei kombinierten Geräten erfolgt die Ampere-Voltmeter-Einstellung MIT, ist nicht akzeptabel, da dies zu einer Verletzung der Kalibrierung des Geräts im Strom- und Spannungsmessmodus führt. Daher ist bei solchen Geräten die Korrektur für Änderungen der EMF erforderlich e wird durch Einstellen des Widerstands eines variablen Zusatzwiderstands eingeführt. Der Einstellvorgang ist der gleiche wie bei Geräten mit magnetischer Induktion im Arbeitsspalt, die durch einen magnetischen Shunt gesteuert wird. In diesem Fall verändert sich die Kalibriercharakteristik des Gerätes, was zu weiteren methodischen Fehlern führt. Allerdings werden die Schaltungsparameter so gewählt, dass der angezeigte Fehler gering ist.

Eine andere Möglichkeit, den gemessenen Widerstand anzuschließen, ist möglich – nicht in Reihe mit dem Amperemeter, sondern parallel dazu (Abb. 10.4). Abhängigkeit zwischen ICH und der Auslenkungswinkel des beweglichen Teils ist in diesem Fall ebenfalls nichtlinear, allerdings befindet sich die Nullmarke auf der Skala links und nicht rechts, wie es bei der Vorgängerversion der Fall war. Diese Art der Verbindung des gemessenen Widerstands wird bei der Messung kleiner Widerstände verwendet, da Sie so den Stromverbrauch begrenzen können.

Elektronisches Ohmmeter kann auf Basis eines Gleichstromverstärkers mit hoher Verstärkung realisiert werden,

Reis. 10.4.

gemessener Widerstand

B. an einem Operationsverstärker (Op-Amp). Das Diagramm eines solchen Geräts ist in Abb. dargestellt. 10.5. Sein Hauptvorteil ist die Linearität der Skala zum Ablesen der Messergebnisse. Der Operationsverstärker unterliegt einer negativen Rückkopplung durch den gemessenen Widerstand ICH, Eine stabilisierte Versorgungsspannung?/0 wird über einen Hilfswiderstand/? an den Verstärkereingang angelegt und an den Ausgang ist ein Voltmeter angeschlossen RU Bei einer großen Eigenverstärkung des Operationsverstärkers, niedrigem Ausgang und hohen Eingangswiderständen beträgt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers:

und für gegebene Werte und 0 und /? kann die Skala des Messgeräts in Widerstandseinheiten kalibriert werden, um den Wert abzulesen K x, Darüber hinaus ist sie innerhalb des Spannungsänderungsbereichs von 0 bis ?/out max – der maximalen Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers – linear.

Reis. 10.5. Elektronisches Ohmmeter

Aus Formel (10.1) geht hervor, dass der Maximalwert des gemessenen Widerstands beträgt:

", t „ =- ",%="? 00.2)

Um die Messgrenzen zu ändern, schalten Sie die Werte des Widerstandswiderstands /? oder der Spannung?/ 0 um.

Bei der Messung niederohmiger Widerstände können Sie die Mess- und Hilfswiderstände im Stromkreis vertauschen. Dann ist die Ausgangsspannung umgekehrt proportional zum Wert ICH:

und wx = - und 0 ^. (10.3)

Das ist zu beachten diese Methode Durch das Einschalten ist die Messung von niederohmigen Widerständen unter mehreren zehn Ohm nicht möglich innerer Widerstand Es stellt sich heraus, dass die Referenzspannungsquelle, die sich auf Bruchteile oder Einheiten von Ohm beläuft, in Reihe mit dem gemessenen Widerstand geschaltet ist und einen erheblichen Fehler bei den Messungen verursacht. Darüber hinaus geht in diesem Fall der Hauptvorteil des Geräts verloren – die Linearität des gemessenen Widerstandswerts und die Nullpunktverschiebung und der Eingangsstrom des Verstärkers können zu erheblichen Fehlern führen

Betrachten wir eine spezielle Schaltung zur Messung niedriger Widerstände, die diese Nachteile nicht aufweist (Abb. 10.6). Messwiderstand ICH zusammen mit Widerstand Ich 3 Bildet einen Spannungsteiler am Eingang des Operationsverstärkers. Die Spannung am Ausgang der Schaltung ist in diesem Fall gleich:

Reis. 10.6.

Wenn Sie auswählen " ICH, dann wird der Ausdruck vereinfacht und die Instrumentenskala wird in Bezug auf linear sein ICH:

Mit einem elektronischen Ohmmeter können Sie keine Reaktanz messen, da die Einbeziehung der gemessenen Induktivität bzw

Durch die Einspeisung von Kapazität in den Schaltkreis werden die Phasenbeziehungen im Rückkopplungsschaltkreis des Operationsverstärkers verändert und die Formeln (10.1)–(10.4) werden falsch. Darüber hinaus kann der Operationsverstärker an Stabilität verlieren und es kommt zu Stromerzeugung im Schaltkreis.

Ratiometrische Methode. Diese Methode basiert auf der Messung des Verhältnisses zweier Ströme /, und /2, von denen einer durch einen Stromkreis mit gemessenem Widerstand und der andere durch einen Stromkreis fließt, dessen Widerstand bekannt ist. Beide Ströme werden von einer Spannungsquelle erzeugt, sodass deren Instabilität praktisch keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses hat. Das schematische Diagramm eines Ohmmeters basierend auf einem Ratiometer ist in Abb. dargestellt. 10.7. Die Schaltung enthält einen Messmechanismus auf Basis eines Ratiometers, einem magnetoelektrischen System mit zwei Rahmen, von denen einer bei Stromfluss ein Ablenkdrehmoment und der andere ein Rückstelldrehmoment erzeugt. Der gemessene Widerstand kann in Reihe geschaltet werden (Abb. 10.7, A) oder parallel (Abb. 10.7, B) relativ zum Rahmen des Messwerks.

Reis. 10.7. Ohmmeter-Schaltungen basierend auf einem Ratiometer zur Messung großer (A)

und klein (B) Widerstand

Bei der Messung mittlerer und hoher Widerstände wird eine serielle Verbindung verwendet, bei der Messung kleiner Widerstände wird eine parallele Verbindung verwendet. Betrachten wir die Funktionsweise eines Ohmmeters am Beispiel der Schaltung in Abb. 10.7, A. Wenn wir den Widerstand der Wicklungen der Ratiometerrahmen vernachlässigen, hängt der Drehwinkel des beweglichen Teils a nur vom Widerstandsverhältnis ab: wobei / und /2 die Ströme durch die Ratiometerrahmen sind; Ich 0 - Widerstand der Ratiometerrahmen; /?, - bekannter Widerstand; ICH - gemessener Widerstand.

Der Widerstandswiderstand /? legt den von einem Ohmmeter gemessenen Widerstandsbereich fest. Die Versorgungsspannung des Ratiometers beeinflusst die Empfindlichkeit seines Messmechanismus gegenüber Änderungen des gemessenen Widerstands und sollte einen bestimmten Wert nicht unterschreiten. Typischerweise wird die Versorgungsspannung von Ratiometern mit einem gewissen Spielraum eingestellt, damit mögliche Schwankungen die Genauigkeit des Messergebnisses nicht beeinträchtigen.

Die Wahl der Versorgungsspannung und die Art ihrer Gewinnung hängen vom Verwendungszweck des Ohmmeters und dem Bereich der gemessenen Widerstände ab: Bei der Messung kleiner und mittlerer Widerstände werden Trockenbatterien, Akkus oder Stromquellen verwendet Industrienetzwerk, bei der Messung hoher Widerstände - spezielle Generatoren mit Spannungen von 100, 500, 1000 V und mehr.

Die ratiometrische Methode wird in den Megaohmmetern ES0202/1G und ES0202/2G mit einem internen elektromechanischen Spannungsgenerator verwendet. Sie werden zur Messung großer elektrischer Widerstände (10..10 9 Ohm) und zur Messung des Isolationswiderstands verwendet elektrische Leitungen, Kabel, Steckverbinder, Transformatoren, Wicklungen elektrische Maschinen und anderen Geräten sowie zur Messung des Oberflächen- und Durchgangswiderstands von Isolierstoffen.

Bei der Messung des elektrischen Isolationswiderstands mit einem Megaohmmeter sollten die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft berücksichtigt werden, deren Wert mögliche unkontrollierte Stromlecks bestimmt.

Digitale Ohmmeter werden in Forschungs-, Prüf- und Reparaturlaboren eingesetzt. Industrieunternehmen B. bei der Herstellung von Widerständen, d. h. dort, wo eine erhöhte Messgenauigkeit erforderlich ist. Diese Ohmmeter bieten manuelle, automatische und Fernbedienung Messbereiche. Informationen über den Messbereich und den numerischen Wert des Messwerts werden im parallelen binären Dezimalcode angezeigt.

Das Blockdiagramm des Ohmmeters Shch306-2 ist in Abb. dargestellt. 10.8. Das Ohmmeter enthält einen Konvertierungsblock/Anzeigeblock 10, Steuereinheit 9, Netzteil, Mikrocomputer 4 und der Ergebnisausgabeblock 11.

Reis. 10.8. Blockschaltbild des Ohmmeters Typ Shch306-2

Der Konvertierungsblock enthält einen Eingangsskalierer 2, einen Integrator 8 und Steuergerät 3. Der Messwiderstand 7 ist an den Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers angeschlossen. Je nach Messzyklus wird ein dem Messbereich entsprechender Strom durch den gemessenen Widerstand geleitet, einschließlich eines zusätzlichen Stroms, der durch die Nullpunktverschiebung der Operationsverstärker verursacht wird. Vom Ausgang des Skalenwandlers wird die Spannung dem Eingang des Integrators zugeführt, der nach dem Prinzip der Mehrzyklusintegration mit Messung des Entladestroms erfolgt.

Der Steueralgorithmus gewährleistet den Betrieb eines Großkonverters und Integrators sowie die Kommunikation mit einem Mikrocomputer.

In der Steuereinheit werden Zeitintervalle mit Taktimpulsen gefüllt, die dann an den Eingängen von vier Zählern mit hohen und niedrigen Stellen ankommen. Die an den Ausgängen der Zähler empfangenen Informationen werden in den Arbeitsspeicher (RAM) des Mikrocomputers eingelesen.

Abrufen von Informationen vom Steuergerät über das Messergebnis und den Betriebsmodus des Ohmmeters, Verarbeiten und Bringen der Daten in die für die Anzeige erforderliche Form, mathematische Verarbeitung des Ergebnisses, Ausgeben von Daten an den Hilfs-RAM des Steuergeräts, Steuern des Betriebs von Das Ohmmeter und andere Funktionen sind dem Mikroprozessor zugeordnet 5, befindet sich in der Mikrocomputereinheit. Stabilisatoren befinden sich im selben Block 6 zur Stromversorgung von Ohmmeter-Geräten.

Das Ohmmeter ist auf Mikroschaltungen mit hohem Integrationsgrad aufgebaut.

Spezifikationen

Messbereich 10L..10 9 Ohm. Genauigkeitsklasse für Messgrenzen: 0,01/0,002 für 100 Ohm; 0,005/0,001 für 1,10, 100 kOhm; 0,005/0,002 für 1 MOhm; 0,01/0,005 für 10 MOhm; 0,2/0,04 für 100 MOhm; 0,5/0,1 für 1 GOM (der Zähler zeigt die Werte im Modus ohne Datenakkumulation, der Nenner zeigt die Werte mit Akkumulation).

Anzahl der Nachkommastellen: 4,5 in Bereichen mit einer Obergrenze von 100 MOhm, 1 GOhm; 5,5 in anderen Bereichen im Modus ohne Summierung, 6,5 im Modus mit Summierung.

Tragbare Digitalmultimeter, zum Beispiel die M83-Serie produziert Labyrinthe/ich können als Ohmmeter der Genauigkeitsklasse 1,0 oder 2,5 verwendet werden.

Objekte elektrische Messungen sind alle elektrischen und magnetischen Größen: Strom, Spannung, Leistung, Energie, magnetischer Fluss usw. Die Bestimmung der Werte dieser Größen ist notwendig, um den Betrieb aller elektrischen Geräte zu beurteilen, was die außerordentliche Bedeutung von Messungen in der Elektrotechnik bestimmt.

Elektrische Messgeräte werden auch häufig zur Messung nichtelektrischer Größen (Temperatur, Druck usw.) eingesetzt, die zu diesem Zweck in Proportionen zu diesen umgerechnet werden. elektrische Größen. Solche Messmethoden werden zusammenfassend als bezeichnet elektrische Messungen nichtelektrischer Größen. Der Einsatz elektrischer Messverfahren ermöglicht es, Instrumentenwerte relativ einfach über große Entfernungen zu übertragen (Telemetrie), Maschinen und Geräte zu steuern (automatische Steuerung), automatisch mathematische Operationen an Messgrößen durchzuführen und einfach den Fortschritt aufzuzeichnen (z. B. auf Band). von gesteuerten Prozessen usw. Daher sind elektrische Messungen bei der Automatisierung unterschiedlichster Produktionsprozesse erforderlich.

In der Sowjetunion schreitet die Entwicklung des Elektroinstrumentenbaus parallel zur Entwicklung der Elektrifizierung des Landes und besonders rasch nach dem Großen Vaterländischen Krieg voran. Die hohe Qualität der Geräte und die erforderliche Genauigkeit der eingesetzten Messgeräte werden durch die staatliche Überwachung aller Maßnahmen und Messgeräte gewährleistet.

12.2 Maßnahmen, Messgeräte und Messmethoden

Die Messung einer physikalischen Größe besteht darin, sie durch ein physikalisches Experiment mit dem Wert der entsprechenden physikalischen Größe als Einheit zu vergleichen. Im Allgemeinen benötigt man für einen solchen Vergleich der Messgröße mit einem Maß eine reale Reproduktion einer Maßeinheit Vergleichsgerät. Als Widerstandsmaß dient beispielsweise eine handelsübliche Widerstandsspule zusammen mit einem Vergleichsgerät – einer Messbrücke.

Wenn vorhanden, wird die Messung erheblich vereinfacht Direktlesegerät(auch Anzeigeinstrument genannt), das den numerischen Wert einer gemessenen Größe direkt auf einer Skala oder einem Zifferblatt anzeigt. Beispiele hierfür sind Amperemeter, Voltmeter, Wattmeter und Stromzähler. Beim Messen mit einem solchen Gerät ist kein Maß (z. B. eine Standard-Widerstandsspule) erforderlich, beim Kalibrieren der Skala dieses Geräts war jedoch ein Maß erforderlich. Vergleichsgeräte haben in der Regel eine höhere Genauigkeit und Empfindlichkeit, die Messung mit direkt ablesenden Geräten ist jedoch einfacher, schneller und kostengünstiger.

Je nachdem, wie die Messergebnisse gewonnen werden, unterscheidet man zwischen direkten, indirekten und kumulierten Messungen.

Gibt das Messergebnis direkt den gewünschten Wert der untersuchten Größe an, dann zählt eine solche Messung zu den direkten Messungen, beispielsweise die Strommessung mit einem Amperemeter.

Muss die Messgröße auf der Grundlage direkter Messungen anderer physikalischer Größen ermittelt werden, mit denen die Messgröße in einem bestimmten Zusammenhang steht, wird die Messung als indirekt eingestuft. Eine indirekte Messung ist beispielsweise der Widerstand eines Elements eines Stromkreises, wenn die Spannung mit einem Voltmeter und der Strom mit einem Amperemeter gemessen werden.

Es ist zu beachten, dass bei der indirekten Messung die Genauigkeit im Vergleich zur Genauigkeit bei der direkten Messung aufgrund der Hinzufügung von Fehlern bei der direkten Messung der in den Berechnungsgleichungen enthaltenen Größen erheblich sinken kann.

In einigen Fällen wurde das endgültige Messergebnis aus den Ergebnissen mehrerer Gruppen direkter oder indirekter Messungen einzelner Größen abgeleitet und der untersuchte Wert hängt von den gemessenen Größen ab. Diese Messung wird aufgerufen kumulativ. Zu kumulativen Messungen gehört beispielsweise die Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands eines Materials auf der Grundlage von Messungen des Materialwiderstands bei verschiedenen Temperaturen. Kumulative Messungen sind typisch für Laborstudien.

Abhängig von der Art der Verwendung von Instrumenten und Messungen ist es üblich, die folgenden Hauptmessmethoden zu unterscheiden: Direktmessung, Nullpunktmessung und Differenzmessung.

Bei der Verwendung Direkte Messmethode(oder direkte Ablesung) Die gemessene Größe wird durch bestimmt

direktes Ablesen des Messwertes eines Messgerätes oder direkter Vergleich mit einem Maß einer gegebenen physikalischen Größe (Strommessung mit einem Amperemeter, Längenmessung mit einem Messgerät). Die Obergrenze der Messgenauigkeit ist in diesem Fall die Genauigkeit des Messgerätes, die nicht sehr hoch sein kann.

Beim Messen Nullmethode Eine beispielhafte (bekannte) Größe (oder die Wirkung ihrer Wirkung) wird angepasst und ihr Wert wird mit dem Wert der gemessenen Größe (oder der Wirkung ihrer Wirkung) gleichgesetzt. Durch den Einsatz eines Messgerätes wird in diesem Fall lediglich Gleichheit erreicht. Das Gerät muss über eine hohe Empfindlichkeit verfügen, und das heißt Nullgerät oder Nullindikator. Magnetoelektrische Galvanometer werden üblicherweise als Nullgeräte für Gleichstrom (siehe § 12.7) und für Wechselstrom als elektronische Nullanzeiger verwendet. Die Messgenauigkeit der Nullpunktmethode ist sehr hoch und wird hauptsächlich durch die Genauigkeit der Referenzmessungen und die Empfindlichkeit der Nullpunktgeräte bestimmt. Unter den elektrischen Nullpunktmessmethoden sind die Brücken- und Kompensationsmethoden die wichtigsten.

Eine noch höhere Genauigkeit lässt sich mit erreichen Differentialmethoden Messungen. In diesen Fällen wird die gemessene Größe durch eine bekannte Größe ausgeglichen, der Messkreis wird jedoch nicht vollständig ins Gleichgewicht gebracht und die Differenz zwischen der gemessenen und der bekannten Größe wird durch direktes Ablesen gemessen. Mit Differentialverfahren werden zwei Größen verglichen, deren Werte sich kaum voneinander unterscheiden.