Измерение электрических характеристик. Виды и методы электрических измерений

Измерение электрических параметров является обязательным этапом при разработке и производстве изделий электроники. Для контроля качества производимых устройств требуется поэтапный контроль их параметров. Правильное определение функционала будущего контрольно-измерительного комплекса требует определения видов электрического контроля: промышленный или лабораторный, полный или выборочный, статистический или однократный, абсолютный или относительный, и так далее.

В структуре производства изделий выделяют следующие виды контроля:

• Входной контроль;
• Межоперационный контроль;
• Контроль рабочих параметров;
• Приемо-сдаточные испытания.

При производстве печатных плат и электронных узлов (область цикла приборостроения), необходимо осуществлять входной контроль качества исходных материалов и компонентов, электрический контроль качества металлизации готовых печатных плат, контроль рабочих параметров собранных электронных узлов. Для решения данных задач, на современном производстве успешно применяются системы электрического контроля адаптерного типа, а также системы с «летающими» зондами.

Изготовление компонентов в корпусе (цикл корпусированного производства), в свою очередь, потребует входного параметрического контроля отдельных кристаллов и корпусов, последующего межоперационного контроля после проведения разварки выводов кристалла или же его монтажа, и в заключении параметрический и функциональный контроль готового изделия.

Для изготовления полупроводниковых компонентов и интегральных микросхем (кристальное производство) потребуется проводить более детальный контроль электрических характеристик. Изначально необходимо провести контроль свойств пластины, как поверхностных, так и объемных, после чего рекомендуется контролировать характеристики основных функциональных слоев, а после нанесения слоев металлизации, проверять качество её исполнения и электрические свойства. Получив структуру на пластине, необходимо провести параметрический и функциональный контроль, измерение статических и динамических характеристик, проконтролировать целостность сигнала, проанализировать свойства структуры, верифицировать рабочие характеристики.

Параметрические измерения:

Параметрический анализ включает набор методик измерения и контроля достоверности параметров напряжения, тока и мощности, без контроля функционала устройства. Измерение электрических параметров подразумевает приложение электрического воздействия на измеряемое устройство (ИУ) и измерение отклика ИУ. Параметрические измерения проводятся на постоянном токе (стандартные DC измерения вольтамперных характеристик (ВАХ), измерение цепей питания и т.д.), на низких частотах (мультичестотные измерения вольтфарадных характеристик (ВФХ), измерения комплексного импеданса и иммитанса, анализ материалов и т.д.), импульсные измерения (импульсные ВАХ, отладка времени срабатывания и т.д.). Для решения задач параметрических измерений применяется большое количество специализированного контрольно-измерительного оборудования: генераторы сигналов произвольной формы, источники питания (постоянного и переменного тока), источники-измерители, амперметры, вольтметры, мультиметры, измерители LCR и импеданса, параметрические анализаторы и характериографы, и многое другое, а также большое количество аксессуаров, принадлежностей и приспособлений.

Применение:

• Измерение базовых характеристик (ток, напряжение, мощность) электрических цепей;
• Измерение сопротивления, емкости и индуктивности пассивных и активных элементов электрических цепей;
• Измерение полного импиданса и иммитанса;
• Измерение ВАХ в квазистатическом и импульсном режимах;
• Измерение ВФХ в квазистатическом и мультичастотном режимах;
• Характеризация полупроводниковых компонентов;
• Анализ отказов.

Функциональные измерения:

Функциональный анализ включает набор методик измерения и контроля характеристик устройства при выполнении основных операций. Данные методики позволяют построить модель (физическую, компактную или поведенческую) устройства, основываясь на данных, полученных в процессе измерений. Анализ полученных данных позволяет контролировать стабильность характеристик производимых приборов, исследовать их и разрабатывать новые, отлаживать технологические процессы и корректировать топологию. Для решения задач функциональных измерений применяется большое количество специализированного контрольно-измерительного оборудования: осциллографы, анализаторы цепей, частотомеры, измерители шума, измерители мощности, анализаторы спектра, детекторы и многие другие, а также большое количество аксессуаров, принадлежностей и приспособлений.

Применение:

• Измерение слабых сигналов: параметры передачи и отражения сигналов, контроль манипуляции;
• Измерение сильных сигналов: компрессия коэффициента усиления, измерения Load-Pull и т.д.;
• Генерация и преобразование частоты;
• Анализ формы сигнала во временной и частотной областях;
• Измерение коэффициента шума и анализ параметров шума;
• Верификация чистоты сигнала и анализ интермодуляционных искажений;
• Анализ целостности сигнала, стандартизация;

Зондовые измерения:

Следует отдельно выделить зондовые измерения. Активное развитие микро- и наноэлектроники привело к необходимости проведения точных и надежных измерений на пластине, возможных только при осуществлении качественного, стабильного и надежного контакта, не разрушающего ИУ. Решение данных задач достигается за счет применения зондовых станций, специально спроектированных под конкретный вид измерений, осуществляющих зондовый контроль. Станции проектируются специализированно, для исключения внешних воздействий, собственных шумов и сохранения «чистоты» эксперимента. Всё измерения приводятся на уровне пластин/осколков, до её разделения на кристаллы и корпусирования.

Применение:

• Измерение концентрации носителей заряда;
• Измерение поверхностного и объемного сопротивления;
• Анализ качества полупроводниковых материалов;
• Проведение параметрического контроля на уровне пластины;
• Поведение функционального анализа на уровне пластины;
• Проведение измерений и контроля электрофизических параметров (см.ниже) полупроводниковых приборов;
• Контроль качества технологических процессов.

Радиоизмерения:

Измерение радиоизлучений, электромагнитной совместимости, поведение сигнала приемо-передающих устройств и антенно-фидерных систем, а также их помехоустойчивости требуют особых внешних условий проведения эксперимента. RF измерения требуют отдельного подхода. Своё влияние вносят не только характеристики приемника и передатчика, но и внешняя электромагнитная обстановка (не исключая взаимодействия временных, частотных и мощностных характеристик, и кроме того расположение всех элементов системы относительно друг друга, и конструкция активных элементов).

Применение:

• Радиолокация и пеленгация;
• Телекоммуникация и системы связи;
• Электромагнитная совместимость и помехозащищенность;
• Анализ целостности сигнала, стандартизация.

Электрофизические измерения:

Измерение электрических параметров зачастую плотно взаимодействует с измерением/воздействием физических параметров. Электрофизические измерения применяются для всех приборов, преобразующих какое-либо внешнее воздействие в электрическую энергию и/или наоборот. Светодиоды, микроэлектромеханические системы, фотодиоды, датчики давления, потока и температуры, а также все приборы на их основе, требуют качественного и количественного анализа взаимодействия физических и электрических характеристик приборов.

Применение:

• Измерение интенсивности, длин волн и направленности излучения, ВАХ, светового потока и, спектра светодиода;
• Измерение чувствительности и шумов, ВАХ, спектральной и световой характеристик фотодиодов;
• Анализ чувствительности, линейности, точности, разрешения, пороговых значений, люфта, шума, переходной характеристики и выхода по энергии для МЕМС актуаторов и сенсоров;
• Анализ характеристик полупроводниковых приборов (таких как МЭМС актуаторы и сенсоры) в вакууме и в камере высокого давления;
• Анализ характеристик температурных зависимостей, критических токов и влияния полей в сверхпроводниках.

Основными параметрами элек­трических цепей являются: для цепи постоянного тока со­противление R , для цепи переменного тока активное сопро­тивление , индуктивность , емкость, комплексное сопротивление .

Наиболее часто для измерения этих параметров приме­ няют следующие методы: омметра, амперметра - вольтмет­ра, мостовой. Применение компенсаторов для измерения со­ противлений уже рассматривалось в п. 4.1.8. Рассмотримдругие методы.

Омметры. Непосредственно и быстро сопротивле­ния элементов цепи постоянного тока можно измерить при помощи омметра. В схемах, представленных на рис. 16 ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм.

При неизменном значении напряжения питания
пока­зания измерительного механизма зависят только от зна­чения измеряемого сопротивления
. Следовательно, шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления.

Для последовательной схемы включения элемента с со­противлением
(Рис. 4.16,) угол отклонения стрелки

,

Для параллельной схемы включения (Рис. 4.16, )

,

где - чувствительность магнитоэлектрического измери­тельного механизма; - сопротивление измерительного механизма;
- сопротивление добавочного резисто­ра. Так как значения всех величин в правой части вышеприведённых уравнений, кроме
, то угол отклонения определяется зна­чением
.

Шкалы омметров для обеих схем включе­ния неравномерные. В последователь­ной схеме включения, в отличие от па­раллельной, нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота под­вижной части. Омметры с последова­тельной схемой включения более при­годны для измерения больших сопро­тивлений, а с параллельной схемой - малых. Обычно ом­метры выполняют в виде переносных приборов классов точ­ности 1,5 и 2,5. В качестве источника питания применя­ют батарею. Необходимость установки нуля при помощи корректора является крупным недостатком рассмотренных омметров. Этот недостаток отсутствует у омметров с маг­нитоэлектрическим логометром.

Схема включения логометра в омметре представлена на рис. 4.17. В этой схеме 1 и 2 - катушки логометра (их со­противления и);
и
- добавочные резисторы,постоянно включенные в схему.

,

то отклонение стрелки логометра

,

т. е. угол отклонения определяется значением
и не за­висит от напряжения .

Омметры с логометром имеют различные конструкции в зависимости от требуемого предела измерения, назначе­ния (щитовой или переносной прибор) и т. п.

Метод амперметра - вольтметра . Этот метод яв­ляется косвенным методом измерения сопротивления эле­ментов цепей постоянного и переменного токов. Ампермет­ром и вольтметром измеряются соответственно ток и на­пряжение на сопротивлении
значение которого затемрассчитывается по закону Ома:
. Точность опреде­ления сопротивлений этим методом зависит как от точно­сти приборов, так и от применяемой схемы включения (рис. 4.18, и).

При измерении относительно небольших сопротивле­ний (менее 1 Ом) схема на рис. 4.18, предпочтительнее,так как вольтметр подключен непосредственно к измеряе­мому сопротивлению
, а ток, измеряемый ампермет­ром, равен сумме тока в измеряемом сопротивлении и тока в вольтметре , т. е.
. Так как>>, то
.

При измерении относительно больших сопротивлений (более 1 Ом) предпочтительнее схема на рис. 4.18, , таккак амперметр непосредственно измеряет ток в сопротив­лении
, а напряжение , измеряемое вольтметром, рав­но сумме напряжений на амперметре
и измеряемом сопротивлении
, т. е.
. Так как
>>
, то
.

Принципиальные схемы включения приборов для изме­рения полного сопротивления элементов
цепи перемен­ного тока методом амперметра - вольтметра те же, что и для измерения сопротивлений
. В этом случае по изме­ренным значениям напряжения и тока определяют пол­ное сопротивление
.

Очевидно, что этим методом нельзя измерить аргумент поверяемого сопротивления. Поэтому методом ампермет­ра - вольтметра можно измерять индуктивности катушек и емкости конденсаторов, потери в которых достаточно ма­лы. В этом случае

;
.

5. Техническое обслуживание линейных сооружений
5.1. Общие положения
5.2. Осмотр и профилактическое обслуживание линейно-кабельных сооружений
5.3. Осмотр и профилактическое обслуживание воздушных линий
5.4. Измерения электрических характеристик кабельных, воздушных и смешанных линий
5.5. Проверка новых кабелей, проводов, оконечных кабельных устройств и арматуры, поступающих в эксплуатацию
6. Устранение повреждений кабельных,воздушных и смешанных линий
6.1. Организация работ по устранению аварий и повреждений линий
6.2. Методы отыскания и устранения повреждений кабельных линий
6.2.1. Общие указания

Правила обслуживания и ремонта кабелей связи

5.4. Измерения электрических характеристик кабельных, воздушных и смешанных линий

5.4.1. Измерение электрических характеристик кабельных, воздушных и смешанных линий местных сетей связи проводят с целью проверки соответствия характеристик установленным нормам и предупреждения аварийного состояния.

5.4.2. Электрические измерения линий проводятся измерительной группой предприятия связи в соответствии с действующими "Руководствами" по электрическим измерениям линий ГТС и СТС.

5.4.3. Измерительная группа выполняет следующие виды электрических измерений линий:

Плановые (периодические);

Измерения по определению мест повреждений;

Контрольные измерения, проводимые после выполнения ремонтных и восстановительных работ;

Измерения при приемке в эксплуатацию вновь построенных и реконструированных линий;

Измерения по уточнению трассы кабельной линии и глубины залегания кабеля;

Измерения для проверки качества изделий (кабелей, проводов, разрядников, предохранителей, плинтов, боксов, коммутационных коробок, изоляторов и т.п.), поступающих от промышленности, перед установкой (монтажом) их на линиях.

Виды измеряемых параметров и объемы плановых, контрольных и приемо-сдаточных измерений электрических характеристик кабельных, воздушных и смешанных линий местных сетей связи приведены в указанных в п. 5.4.2. "Руководствах".

5.4.4. Измеренные электрические характеристики кабельных, воздушных и смешанных линий местных сетей связи должны соответствовать нормам, приведенным в Приложении 4 .

5.4.5. Результаты плановых, контрольных и аварийных измерений электрических характеристик линий служат исходными данными при определении состояния линейных сооружений и основанием при разработке планов текущего и капитального ремонта и проектов реконструкции сооружений.

Сопротивление, емкость и индуктивность суть основные параметры электрических цепей, с измерением которых часто приходится встречаться на практике. Известно много методов их измерения, а приборостроительная промышленность выпускает для этой цели средства измерения широкой номенклатуры. Выбор того или иного метода измерения и измерительной аппаратуры зависит от вида измеряемого параметра, его значения, требуемой точности измерения, особенностей объекта измерения и т. п. Например, измерение сопротивлений твердых проводников, как правило, производится на постоянном токе, поскольку прибор для измерений в этом случае проще по конструкции и дешевле, чем аналогичный прибор для измерений на переменном токе. Однако измерение в средах, имеющих высокую влажность, или сопротивлений заземлений производится только на переменном токе, так как результат измерения на постоянном токе будет содержать большие погрешности из-за влияния электрохимических процессов.

Основные методы и средства измерения сопротивления электрической цепи постоянному току

Диапазон измеряемых на практике сопротивлений широк (от 10 8 до 10 ь Ом), и его условно делят по значениям сопротивлений на малые (менее 10 Ом), средние (от 10 до 10 6 Ом) и большие (свыше 10 6 Ом), в каждой из которых измерение сопротивлений имеет свои особенности.

Сопротивление - параметр, проявляющийся только при прохождении в цепи электрического тока, поэтому измерения проводятся в работающем устройстве или используется измерительный прибор с собственным источником тока. Необходимо позаботиться о том, чтобы полученная электрическая величина правильно отражала только измеряемое сопротивление и не содержала излишней информации, которая воспринимается как погрешность измерения. Рассмотрим с этой точки зрения особенности измерения малых и больших сопротивлений.

При измерении малых сопротивлений, например обмоток трансформаторов или коротких проводов, через сопротивление пропускается ток, а возникшее на этом сопротивлении падение напряжения измеряется. На рис. 10.1 показана схема соединений при измерении сопротивления К х короткого проводника. Последний подключается к источнику тока I посредством двух соединительных проводников с собственным сопротивлением Я п. В местах соединения этих проводников с измеряемым сопротивлением образуются переходные сопротивления контактов /? к. Значение Я и зависит от материала соединительного проводника, его длины и сечения, значение /? к - от площади соприкасающихся частей, их чистоты и силы сжатия. Таким образом, числовые значения Я и и зависят от многих причин и определить их заранее трудно, но им можно дать примерную оценку. Если соединительные проводники выполнены коротким медным проводом с сечением в несколько квадратных милли-

Рис. 10.1.

проводника

метров, а контактные сопротивления имеют чистую и хорошо сжатую поверхность, то для приближенных оценок можно принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом.

В качестве измеряемого напряжения в схеме рис. 10.1 можно использовать 11 п, И 22 или?/ 33 . Если выбрано II п, то результат измерения отражает полное сопротивление цепи между зажимами 1-Г:

Яц = ?/,//= Яд+ 2(Л И + Л К).

Здесь второе слагаемое представляет собой погрешность, относительное значение которой 5 в процентах равно:

5 = Я{Х ~ Ях 100 = 2 Кп + Як 100.

к х * х

При измерении малых сопротивлений эта погрешность может быть большой. Например, если принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом, а Я х = 0,1 Ом, то 5 * 10 %. Погрешность 5 уменьшится, если в качестве измеряемого напряжения выбрать и 22:

Я 22 = и 22 /1 = Я х + 2Я К.

Здесь сопротивление подводящих проводов исключается из результата измерения, но остается влияние Л к.

Результат измерения будет полностью свободен от влияния Я п и Я к, если в качестве измеряемого напряжения выбрать?/ 33 .

Схему включения Я х в таком случае называют четырехзажимной: первая пара зажимов 2-2" предназначена для подвода тока и называется токовыми зажимами, вторая пара зажимов 3-3" - для съема напряжения с измеряемого сопротивления и называется потенциальными зажимами.

Применение токовых и потенциальных зажимов при измерении малых сопротивлений является основным приемом для устранения влияния соединительных проводов и переходных сопротивлений на результат измерения.

При измерении больших сопротивлений, например сопротивлений изоляторов, поступают так: к объекту прикладывают напряжение, а возникший ток измеряют и по нему судят о значении измеряемого сопротивления.

При испытании диэлектриков следует иметь в виду, что их электрическое сопротивление зависит от многих условий - окружающей температуры, влажности, утечек по грязной поверхности, значения испытательного напряжения, продолжительности его действия и т. д.

Измерение сопротивления электрической цепи постоянному току на практике производится наиболее часто методом амперметра и вольтметра, логометрическим или мостовым методом.

Метод амперметра и вольтметра. Этот метод основан на раздельном измерении тока I в цепи измеряемого сопротивления К х и напряжения и на его зажимах и последующем вычислении значения по показаниям измерительных приборов:

Я х = и/і.

Обычно ток / измеряют амперметром, а напряжение и - вольтметром, этим объясняется название метода. При измерении высокоомных сопротивлений, например сопротивления изоляции, ток / мал и его измеряют миллиамперметром, микроамперметром или гальванометром. При измерении низкоомных сопротивлений, например куска провода, оказывается малым значение и и для его измерения применяют милливольтметры, микровольтметры или гальванометры. Однако во всех этих случаях метод измерения сохраняет свое наименование- амперметра и вольтметра. Возможные схемы включения приборов показаны на рис. 10.2, а, б.

Рис. 10.2. Схемы для измерений малых (а) и больших (б) сопротивлений

методом амперметра и вольтметра

Достоинство метода заключается в простоте его реализации, недостаток - в сравнительно невысокой точности результата измерения, которая ограничена классом точности применяемых измерительных приборов и методической погрешностью. Последняя обусловлена влиянием мощности, потребляемой измерительными приборами в процессе измерения, другими словами - конечным значением собственных сопротивлений амперметра Я А и вольтметра Я у.

Выразим методическую погрешность через параметры схемы.

В схеме рис. 10.2, а вольтметр показывает значение напряжения на зажимах Я х, а амперметр - сумму токов 1 У + /. Следовательно, результат измерения Я, вычисленный по показаниям приборов, будет отличаться от Я х:

л _ и и Я*

I + 1 У и/Я х + и Я у 1 + Я х /Я у "

Относительная погрешность измерения в процентах

• 1 + Я х /Я у

Здесь приближенное равенство справедливо, так как при правильной организации эксперимента предполагается выполнение условия Я у » Я х.

В схеме рис. 10.2, 6 амперметр показывает значение тока в цепи с Я х, а вольтметр - сумму падений напряжений на Я х и и амперметре и А. Учитывая это, можно по показаниям приборов вычислить результат измерения:

+ Я А.

Ц +Ц л

Относительная погрешность измерения в процентах в данном случае равна:

Из полученных выражений для относительных погрешностей видно, что в схеме рис. 10.2, а на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только сопротивление Я у; для снижения этой погрешности необходимо обеспечить условие Я х « Я у. В схеме рис. 10.2, б на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только Я А; снижение этой погрешности достигается выполнением условия Я х » Я А. Таким образом, при практическом использовании данного метода можно рекомендовать правило: измерение малых сопротивлений следует производить по схеме рис. 10.2, а при измерении больших сопротивлений предпочтение следует отдавать схеме рис. 10.2, б.

Методическую погрешность результата измерения можно исключить путем введения соответствующих поправок, но для этого необходимо знать значения Я А и Я у. Если они известны, то из результата измерения по схеме рис. 10.2, б следует вычесть значение Я А; в схеме рис. 10.2, а результат измерения отражает параллельное соединение сопротивлений Я х и Я у, поэтому значение Я х вычисляется по формуле

Если при данном методе применить источник питания с заранее известным напряжением, то необходимость измерения напряжения вольтметром отпадает, а шкалу амперметра можно сразу отградуировать в значениях измеряемого сопротивления. На этом принципе основано действие многих моделей выпускаемых промышленностью омметров непосредственной оценки. Упрощенная принципиальная схема такого омметра показана на рис. 10.3. Схема содержит источник ЭДС?, добавочный резистор Я д и амперметр (обычно микроамперметр) А. При подключении к зажимам схемы измеряемого сопротивления Я х в цепи возникает ток I, под действием которого подвижная часть амперметра поворачивается на угол а, а его указатель отклоняется на а делении шкалы:

С/ Я а + Я А + Я х

где С, - цена деления (постоянная) амперметра; Я А - сопротивление амперметра.

Рис. 10.3. Принципиальная схема омметра с последовательным включением

измеряемого сопротивления

Как видно из этой формулы, шкала омметра нелинейна, и стабильность градуировочной характеристики требует обеспечения стабильности всех величин, входящих в уравнение. Между тем источник питания в такого рода приборах обычно реализуется в виде сухого гальванического элемента, ЭДС которого падает по мере его разряда. Ввести поправку на изменение?, как видно из уравнения, можно путем соответствующей регулировки С„ или Я я. В некоторых омметрах С, регулируется путем изменения индукции в зазоре магнитной системы амперметра с помощью магнитного шунта.

В этом случае поддерживается постоянство отношения ё/С, и градуировочная характеристика прибора сохраняет свое значение независимо от значения ё. Регулировка С, производится так: зажимы прибора, к которым подключается К х, замыкаются накоротко (Я х = 0) и регулировкой положения магнитного шунта добиваются установки указателя амперметра на нулевую отметку шкалы; последняя расположена на крайней правой точке шкалы. На этом регулировка заканчивается, и прибор готов к измерению сопротивлений.

В комбинированных приборах ампервольтомметрах регулировка С, недопустима, так как это приведет к нарушению градуировки прибора в режимах измерений токов и напряжений. Поэтому в таких приборах поправку на изменение ЭДС ё вводят регулировкой сопротивления переменного добавочного резистора Процедура регулировки та же, что и в приборах с регулируемой магнитным шунтом магнитной индукцией в рабочем зазоре. В этом случае градуировочная характеристика прибора изменяется, что приводит к дополнительным методическим погрешностям. Однако параметры схемы выбираются так, чтобы указанная погрешность была небольшой.

Возможен другой способ подключения измеряемого сопротивления - не последовательно с амперметром, а параллельно ему (рис. 10.4). Зависимость между Я х и углом отклонения подвижной части в данном случае также нелинейна, однако нулевая отметка на шкале расположена слева, а не справа, как это имеет место в предыдущем варианте. Такой способ подключения измеряемого сопротивления применяется при измерении малых сопротивлений, так как позволяет ограничить потребляемый ток.

Электронный омметр может быть реализован на базе усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиления, на-

Рис. 10.4.

измеряемого сопротивления

пример, на операционном усилителе (ОУ). Схема такого прибора показана на рис. 10.5. Его главное достоинство - линейность шкалы для отсчета результатов измерений. ОУ охвачен отрицательной обратной связью через измеряемый резистор Я х, питающее стабилизированное напряжение?/ 0 подано на вход усилителя через вспомогательный резистор /?, а к выходу подключен вольтметр РУ При большом собственном коэффициенте усиления ОУ, низком выходном и высоком входном его сопротивлениях, выходное напряжение ОУ есть:

и для заданных значений и 0 и /?, шкалу измерительного прибора можно проградуировать в единицах измерения сопротивления для отсчета значения К х, причем она будет линейной в пределах изменения напряжения от 0 до?/ вых тах - максимального напряжения на выходе ОУ.

Рис. 10.5. Электронный омметр

Из формулы (10.1) видно, что максимальное значение измеряемого сопротивления есть:

«, т „ =-«,%="? 00.2)

Для изменения пределов измерений переключают значения сопротивления резистора /?, или напряжения?/ 0 .

При измерении низкоомных сопротивлений можно в схеме поменять местами измеряемый и вспомогательный резисторы. Тогда выходное напряжение будет обратно пропорционально величине Я х:

и шх =-и 0 ^. (10.3)

Следует заметить, что данный способ включения не позволяет измерять низкоомные сопротивления менее десятков Ом, поскольку внутреннее сопротивление источника опорного напряжения, которое составляет доли или единицы Ом, оказывается включенным последовательно с измеряемым сопротивлением и вносит существенную погрешность в измерения. Кроме того, в этом случае теряется основное преимущество прибора - линейность отсчета измеряемого сопротивления, а сдвиг нуля и входной ток усилителя могут вносить существенные ошибки

Рассмотрим специальную схему для измерения малых сопротивлений, свободную от этих недостатков (рис. 10.6). Измеряемый резистор Я х вместе с резистором Я 3 образует делитель напряжения на входе ОУ. Напряжение на выходе схемы в этом случае равно:

Рис. 10.6.

Если выбрать » Я х, то выражение упростится и шкала прибора будет линейной относительно Я х:

Электронный омметр не позволяет измерять реактивные сопротивления, так как включение измеряемой индуктивности или

емкости в схему изменит фазовые соотношения в цепи обратной связи ОУ и формулы (10.1)-(10.4) станут неверными. Кроме того, ОУ может потерять устойчивость, и в схеме возникнет генерация.

Логометрический метод. Этот метод основан на измерении отношения двух токов /, и / 2 , один из которых протекает по цепи с измеряемым сопротивлением, а другой - по цепи, сопротивление которой известно. Оба тока создаются одним источником напряжения, поэтому нестабильность последнего практически не влияет на точность результата измерения. Принципиальная схема омметра на основе логометра представлена на рис. 10.7. Схема содержит измерительный механизм на основе логометра, магнитоэлектрической системы с двумя рамками, одна из которых при протекании тока создает отклоняющий, а другая - возвращающий момент. Измеряемое сопротивление может быть включено последовательно (рис. 10.7, а) или параллельно (рис. 10.7, б) относительно рамки измерительного механизма.

Рис. 10.7. Схемы омметров на основе логометра для измерения больших (а)

и малых (б) сопротивлений

Последовательное включение применяется при измерении средних и больших сопротивлений, параллельное - при измерении малых сопротивлений. Рассмотрим работу омметра на примере схемы рис. 10.7, а. Если пренебречь сопротивлением обмоток рамок логометра, то угол поворота подвижной части а зависит только от отношения сопротивлений: где /, и / 2 - токи через рамки логометра; Я 0 - сопротивление рамок логометра; /?, - известное сопротивление; Я х - измеряемое сопротивление.

Сопротивлением резистора /?, задается диапазон измеряемых омметром сопротивлений. Напряжение питания логометра влияет на чувствительность его измерительного механизма к изменению измеряемого сопротивления и не должно быть ниже определенного уровня. Обычно напряжение питания логометров устанавливают с некоторым запасом для того, чтобы его возможные колебания не влияли на точность результата измерения.

Выбор напряжения питания и способ его получения зависят от назначения омметра и диапазона измеряемых сопротивлений: при измерении малых и средних сопротивлений применяют сухие батареи, аккумуляторы или источники питания от промышленной сети, при измерении больших сопротивлений - специальные генераторы с напряжением 100, 500, 1000 В и более.

Логометрический метод применен в мегаомметрах ЭС0202/1Г и ЭС0202/2Г с внутренним электромеханическим генератором напряжения. Они применяются для измерения больших (10..10 9 Ом) электрических сопротивлений, для измерения сопротивления изоляции электрических проводов, кабелей, разъемов, трансформаторов, обмоток электрических машин и других устройств, а также для измерения поверхностных и объемных сопротивлений изоляционных материалов.

При измерении с помощью мегаомметра сопротивления электрической изоляции следует учитывать температуру и влажность окружающего воздуха, от значения которых зависят возможные неконтролируемые утечки тока.

Цифровые омметры применяются в научно-исследовательских, поверочных и ремонтных лабораториях, на промышленных предприятиях, изготовляющих резисторы, т. е. там, где требуется повышенная точность измерений. В этих омметрах предусматривается ручное, автоматическое и дистанционное управление диапазонами измерений. Вывод информации о диапазоне измерений, числовом значении измеряемой величины производится в параллельном двоично-десятичном коде.

Структурная схема омметра Щ306-2 представлена на рис. 10.8. Омметр включает в себя блок преобразования /, блок индикации 10, блок управления 9, блок питания, микроЭВМ 4 и блок вывода результатов 11.

Рис. 10.8. Структурная схема омметра типа Щ306-2

Блок преобразования содержит входной масштабный преобразователь 2, интегратор 8 и блок управления 3. Измеряемый резистор 7 подключается в цепь обратной связи операционного усилителя. Через измеряемый резистор в зависимости от такта измерения пропускается ток, соответствующий диапазону измерения, включая дополнительный ток, вызванный смещением нуля операционных усилителей. С выхода масштабного преобразователя напряжение подается на вход интегратора, выполненного по принципу многотактного интегрирования с измерением величины разрядного тока.

Алгоритм управления обеспечивает работу масштабного преобразователя и интегратора, а также связь с микроЭВМ.

В блоке управления происходит заполнение интервалов времени тактовыми импульсами, поступающими затем на входы четырех счетчиков старших и младших разрядов. Информация, полученная на выходах счетчиков, считывается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) микроЭВМ.

Съем информации с блока управления о результате измерения и режиме работы омметра, обработка и приведение данных к виду, необходимому для индикации, математическая обработка результата, вывод данных во вспомогательное ОЗУ блока управления, управление работой омметра и другие функции возложены на микропроцессор 5, расположенный в блоке микро-ЭВМ. В этом же блоке находятся стабилизаторы 6 для питания устройств омметра.

Омметр построен на микросхемах повышенной степени интеграции.

Технические характеристики

Диапазон измерений 10Л..10 9 Ом. Класс точности для пределов измерений: 0,01/0,002 для 100 Ом; 0,005/0,001 для 1,10, 100 кОм; 0,005/0,002 для 1 МОм; 0,01/0,005 для 10 МОм; 0,2/0,04 для 100 МОм; 0,5/0,1 для 1 Гом (в числителе даны значения в режиме без накопления данных, в знаменателе - с накоплением).

Число десятичных разрядов: 4,5 в диапазонах с верхним пределом 100 МОм, 1 ГОм; 5,5 в остальных диапазонах в режиме без суммирования, 6,5 в режиме с суммированием.

Портативные цифровые мультиметры, например серии М83 производства Мазїес/і могут использоваться как омметры класса точности 1.0 или 2.5.

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность измерений в электротехнике.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им. электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, просто записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т. д. Таким образом, электрические измерения необходимы при автоматизации самых различных производственных процессов.

В Советском Союзе развитие электроприборостроения идет параллельно с развитием электрификации страны и особенно быстро после Великой Отечественной войны. Высокое качество аппаратуры и необходимая точность измерительных приборов, находящихся в эксплуатации, гарантируются государственным надзором за всеми мерами и измерительными приборами.

12.2 Меры, измерительные приборы и методы измерения

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины. В общем случае для такого сопоставления измеряемой величины с мерой - вещественным воспроизведением единицы измерения - нужен прибор сравнения. Например, образцовая катушка сопротивления применяется как мера сопротивления совместно с прибором сравнения - измерительным мостом.

Измерение существенно упрощается, если есть прибор непосредственного отсчета (называемый также показывающим прибором), показывающий численное значение измеряемой величины непосредственно на шкале или циферблате. Примерами могут служить амперметр, вольтметр, ваттметр, счетчик электрической энергии. При измерении таким прибором мера (например, образцовая катушка сопротивления) не нужна, но мера была нужна при градуировании шкалы этого прибора. Как правило, у приборов сравнения выше точность и чувствительность, но измерение приборами непосредственного отсчета проще, быстрее и дешевле.

В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например измерение тока амперметром.

Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным. Например, косвенным будет измерение, сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром.

Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.

В ряде случаев конечный результат измерения выводился из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, причем исследуемая величина зависит от измеренных величин. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измерениям относится определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения сопротивления материала при различных температурах. Совокупные измерения характерны для лабораторных исследований.

В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственного измерения, нулевой и дифференциальный.

При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем

непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае верхним пределом точности измерения является точность измерительного показывающего прибора, которая не может быть очень высокой.

При измерении нулевым методом образцовая (известная) величина (или эффект ее действия) регулируется и значение ее доводится до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом ее действия). При помощи измерительного прибора в этом случае лишь добиваются равенства. Прибор должен быть высокой чувствительности, и он именуется нулевым прибором или нуль-индикатором. В качестве нулевых приборов при постоянном токе обычно применяются магнитоэлектрические гальванометры (см. § 12.7), а при переменном токе - электронные нуль-индикаторы. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном определяется точностью образцовых мер и чувствительностью нулевых приборов. Среди нулевых методов электрических измерений важнейшими являются мостовые и компенсационные.

Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной, но до полного равновесия измерительная цепь не доводится, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало отличаются один от другого.