Введение ………………………………………………………………………………2

Измерение сопротивления при постоянном токе …………………..…….3

Метод амперметра-вольтметра…………………………………………….……3

Метод непосредственной оценки………………………………………………..4

Мосты для измерения сопротивления на постоянном токе………………...6

Измерение очень больших сопротивлений……………………………………9

Измерение сопротивления при переменном токе ………………….…...10

Измеритель иммитанса…………………………………………..……………...10

Измерительная линия…………………………………………………..……….11

Измерение ультрамалых сопротивлений…………………………..…………13

Выводы ………………………………………………………………….………..…14

Введение

Электрическое сопротивление - основная электрическая характеристика проводника, величина, характеризующая противодействие электрической цепи или ее участка электрическому току. Также сопротивлением могут называть деталь (её чаще называют резистором) оказывающую электрическое сопротивление току. Электрическое сопротивление обусловлено преобразованием электрической энергии в другие виды энергии и измеряется в Омах.

Сопротивление (часто обозначается буквой R) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника и её можно определить как

R - сопротивление;

U - разность электрических потенциалов на концах проводника, измеряется в вольтах;

I - ток, протекающий между концами проводника под действием разности потенциалов, измеряется в амперах.

Для практического измерения сопротивлений применяют множество различных методов, в зависимости от условий измерения и характера объектов, от требуемой точности и быстроты измерений. Например различают методы для измерения сопротивления при постоянном токе и при переменном, измерение больших сопротивлений, сопротивлений малых и ультрамалых, прямые и косвенные и т.д.

Целью работы является выявление основных, наиболее часто встречающихся в практике, методов измерения сопротивлений.

Измерение сопротивления при постоянном токе

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются косвенный метод, метод непосредственной оценки, а также мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности измерений. Из косвенных методов наиболее универсальным является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра

Данный метод основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (а) и измерение малых сопротивлений (б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

Для схемы (а) искомое сопротивление и относительную методическую погрешность можно определить по формулам:

где Rx - измеряемое сопротивление, а Rа - сопротивление амперметра.

Для схемы (б) искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются по формулам:

Из формулы видно, что при подсчете искомого сопротивления по приближенной формуле возникает погрешность, оттого, что при измерении токов и напряжений во второй схеме амперметр учитывает и тот ток, который проходит через вольтметр, а в первой схеме вольтметр измеряет напряжение помимо резистора еще и на амперметре.

Из определения относительных методических погрешностей следует, что измерение по схеме (а) обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме (б) - при измерении малых сопротивлений. Погрешность измерения по данному методу рассчитывается по выражению:

«Используемые при измерении приборы должны иметь класс точности не более 0,2. Вольтметр подключают непосредственно к измеряемому сопротивлению. Ток при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0,2. Во избежание нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального».

Достоинство схем метода измерение амперметром и вольтметром заключается в том, что по резистору с измеряемым сопротивлением можно пропускать тот же ток, как и в условии его работы, что является важным при измерении сопротивлений, значения которых зависят от тока.

Метод непосредственной оценки.

Метод непосредственной оценки предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Омметром называют измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения электрических активных (активные сопротивлений также называют омическими сопротивлениями) сопротивлений. Обычно измерение производится по постоянному току, однако, в некоторых электронных омметрах возможно использование переменного тока. Разновидности омметров: мегаомметры, тераомметры, гигаомметры, миллиомметры, микроомметры, различающиеся диапазонами измеряемых сопротивлений.

По принципу действия омметры можно разделить на магнитоэлектрические - с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры) и электронные, которые бывают аналоговые или цифровые.

«Действие магнитоэлектрического омметра основано на измерении силы тока, протекающего через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника питания. Для измерения сопротивлений от сотен Ом до нескольких мегаом измеритель и измеряемое сопротивление rx включают последовательно. В этом случае сила тока I в измерителе и отклонение подвижной части прибора a пропорциональны: I = U/(r0 + rx), где U - напряжение источника питания; r0 - сопротивление измерителя. При малых значениях rx (до нескольких ом) измеритель и rx включают параллельно».

За основу логометрических мегаомметров берется логометр, к плечам которого подключаются в разных комбинациях (в зависимости от предела измерения) образцовые внутренние резисторы и измеряемое сопротивление, показание логометра зависит от соотношения этих сопротивлений. В качестве источника высокого напряжения, необходимого для проведения таких измерений, в подобных приборах обычно используют механический индуктор - электрогенератор с ручным приводом, в некоторых мегаомметрах вместо индуктора применяется полупроводниковый преобразователь напряжения.

Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый резистор включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя. Цифровой омметр представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок индикации.

«При измерении малых сопротивлений может возникать дополнительная погрешность из-за влияния переходного сопротивления в точках подключения. Чтобы избежать этого применяют так называемый метод четырехпроводного подключения. Сущность метода состоит в том, что используются две пары проводов - по одной паре на измеряемый объект подается ток определенной силы, с помощью другой пары с объекта на прибор подаётся падение напряжения пропорциональное силе тока и сопротивлению объекта. Провода подсоединяются к выводам измеряемого двухполюсника таким образом, чтобы каждый из токовых проводов не касался непосредственно соответствующего ему провода напряжения, при этом получается, что переходные сопротивления в местах контактов не включаются в измерительную цепь».

Краткая ТЕОРИя

Закон Ома для однородного участка цепи.

Если на концах однородного участка цепи существует разность потенциалов Dj=j 2 -j 1 , то в данной цепи возникает электрический ток. Сила тока I , текущего через данный участок, пропорциональна разности потенциалов Dj на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению R этого участка цепи (или этого проводника)

Величина U = I×R называется падением напряжения на проводнике и численно равна количеству тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении через него единичного электрического заряда.

Для однородного участка (т.е. не содержащего э.д.с.) разность потенциалов на концах участка численно равна падению напряжения на этом участке, т.е. Dj= U.

Если обычный аналоговый вольтметр (отклонение стрелки которого обусловлено током, проходящим в рамке или катушке) присоединить к точкам 1 и 2 участка цепи, то он покажет разность потенциалов Dj между этими точками. Разность потенциалов в этом случае будет равна падению напряжения U на вольтметре, т.е.

U = I V ·R V (2)

где R V - сопротивление вольтметра,

I V - ток, протекающий через вольтметр.

Сопротивление проводников.

Если участок цепи представляет собой проводник длиной l постоянного сечения S , однородного химического состава, то сопротивление R этого проводника определяется по формуле:

где r - удельное сопротивление материала.

Удельное сопротивление численно равно сопротивлению однородного проводника единичной длины и единичного сечения. Оно зависит от химического состава материала проводника, его температуры, и измеряется в системе СИ в Ом×м. На практике часто пользуются внесистемной единицей - Ом×мм 2 /м.

При комнатной температуре наименьшее удельное сопротивление имеют проводники из химически чистых металлов. Удельное сопротивление сплавов имеет большую величину, что позволяет применять их для изготовления резисторов с большим сопротивлением (реостаты, нагревательные элементы, шунты и добавочные сопротивления). В табл. 1 даны значения удельного сопротивления некоторых материалов.

Таблица 1

Методы измерения сопротивления.

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод, метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Наиболее универсальным из косвенных методов является метод «амперметра-вольтметра», состоящий в практическом использовании закона Ома для однородного участка цепи. Действительно, из формул (1) и (2) следует

т.е. измеряя разность потенциалов U на концах проводника и величину тока I , протекающего через него , можно определить сопротивление R проводника.

Другим методом измерения сопротивлений является метод мостовых схем, который рассматривается в другой лабораторной работе. В мостовых схемах не требуется измерять токи и напряжения, поэтому они дают более точные результаты.

Метод непосредственной оценки предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Но измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации.

В настоящей лабораторной работе изучается метод «амперметра-вольтметра».

Измерение сопротивления прямым и косвенным методами.

Подготовка приборов к измерению сопротивления

1.1. В7-26

Переключатель рода работ перевести в положение «r » и проверить нулевое положение указателя при замкнутых накоротко гнездах «r » и «*» (рис.1). Затем разомкнуть гнезда и установить указатель (стрелку) в положение «∞» на шкале ручкой «Устан. “∞”» (для ).

Переключатель рода работ выставить в положение «». Выбрать шкалу прибора. Рис. 1

3. Измерение сопротивлений прямым методом.

2.1 На магазине сопротивлений установить:

(Ом), (кОм).

2.2. Подключить R X к В7-26 (рис.2) и измерить его величину. Конечное значение шкалы R k = Ом (10 n – множитель шкалы). Записать R изм , R k , K П .

2.3. Подключить R X к Щ4313 (рис.3) и измерить его величину.Записать значения R изм , R k , коэффициентов a и b Рис.2

(см. паспорт прибора), вычислить класс точности K П прибора.

Для мультиметра Щ4313 класс точности определяется по формуле: ,

Рис. 3

2.4. С учетом инструментальной погрешности результат измерений прибором В7-26

записать в виде:

,

где R изм – измеренное значение, R K – конечное значение шкалы прибора.

2.5. Результат измерений прибором Щ4313 записать в виде:

2.6. На магазине сопротивлений установить R 2 = (кОм) и выполнить пункты 2.1. - 2.5.

3. Измерение сопротивлений R 1 и R 2 косвенным методом.

3.1. Собрать схему (рис. 4). Установить на источнике питания Е = (В).

, I K – конечное значение шкалы. R V = 30 МОм. Записать результаты измерений тока и напряжения.

,

Рис. 4 .

Записать результат измерения сопротивлений R 1 (R 2 ) с учётом инструментальной погрешности косвенных измерений:

Методическая погрешность измерений:
, . Поправка П = - R A .

Окончательный результат измерений:

3.2 Собрать схему (рис. 5). Записать результаты измерений тока и напряжения:

; .

Записать результат измерения с учётом инструментальной погрешности

косвенных измерений:

Рис. 5

Методическая погрешность измерений:

; .

Поправка на методическую погрешность:

.

Случайная погрешность поправки П :

Результат измерений:

.

При изготовлении, монтаже и эксплуатации электротехнических и радиотехнических устройств и установок необходимо измерять электрическое сопротивление.

В практике для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например, твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к точности и быстроте измерения; от величины измеряемых сопротивлений.

Методы измерения малых сопротивлений существенно отличаются от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на результаты измерений сопротивления соединительных проводов, переходных контактов.

Измерительные механизмы омметров. Для прямого измерения сопротивлений применяют магнитоэлектрические измерительные механизмы одно- и двухрамочные.

Однорамочный механизм можно использовать для измерения сопротивлений. С этой целью в прибор вводят добавочный резистор с постоянным сопротивлением

и снабжают его источником питания (например, батареей сухих элементов). Измеряемое сопротивление включается с измерителем последовательно (рис. 1) или параллельно.

При последовательном соединении ток в измерителе , где

- сопротивление измерителя; - напряжение источника питания.

Учитывая, что

, где - чувствительность прибора по току (постоянная величина), находим, что угол отклонения стрелки прибора при зависит только от величины измеряемого сопротивления :

Если шкалу отградуировать по этому выражению в единицах сопротивления, то прибор будет омметром. Напряжение сухих элементов со временем уменьшается, поэтому в измерения вносится ошибка, тем большая, чем больше действительное напряжение отличается от того напряжения, при котором была градуирована шкала.

Ошибка от непостоянства напряжения питающего источника не возникает, если измерительный механизм имеет две обмотки, расположенные на общей оси под некоторым углом друг к другу (рис. 2.).

Рис. 1. Рис. 2.

В двухрамочном измерительном механизме, который называют логометром, нет противодействующих пружин, вращающий и противодействующий моменты создаются электромагнитными силами. Поэтому при отсутствии тока в обмотках хорошо уравновешенная подвижная часть прибора находится в безразличном равновесии (стрелка останавливается у любого деления шкалы). Когда в катушках есть ток, на подвижную часть действуют два электромагнитных момента, направленные в противоположные стороны.

Магнитная цепь измерительного механизма устроена так, что магнитная индукция вдоль воздушного зазора распределена неравномерно, но с таким расчетом, что при повороте подвижной части в любую сторону вращающий момент уменьшается, а противодействующий момент увеличивается (в зависимости от направления поворота роль моментов меняется).

Подвижная часть останавливается при

или . Отсюда следует, что положение стрелки на шкале зависит от отношения токов в обмотках, т.е. , но не зависит от напряжения питающего источника.

На схеме рис. 2. видно, что измеряемое сопротивление

входит в цепь одной из катушек логометра, поэтому ток в ней, а также отклонение стрелки прибора однозначно зависит от значения .

Используя эту зависимость, шкалу градуируют в единицах сопротивления и тогда прибор является омметром. Омметры для измерения сопротивления изоляции снабжают источником питания с напряжением до 1000 В, чтобы измерение проводить при напряжении, примерно равном рабочему напряжению установки. Таким источником может быть встроенный магнитоэлектрический генератор с ручным приводом или трансформатор с выпрямителем, включаемый в сеть переменного тока.

Омметры, рассчитанные на измерения больших сопротивлений (больше 1 МОм), называют мегаомметрами.

Косвенные методы измерения сопротивлений. Сопротивление резистора или другого элемента электрической цепи можно определить по показаниям вольтметра и амперметра (при постоянном токе), применяя закон Ома:

(схемы рис. 3, а, б). По схеме на рис. 4 определяют сопротивление по показаниям одного вольтметра. В положении 1 переключателя П вольтметр измеряет напряжение сети , а в положении 2 - напряжение на зажимах вольтметра . В последнем случае . Отсюда

Косвенные методы применяют для измерения средних сопротивлений, а одним вольтметром измеряют также большие сопротивления. Точность этих методов значительно зависит от соотношения величин измеряемого сопротивления

и внутренних сопротивлений амперметра и вольтметра . Результаты измерения можно считать удовлетворительными по точности, если выполняются условия: (см. схему рис. 3, а); (см. схему рис. 3, б); (см. схему рис. 4).

Рис. 3 Рис. 4

Методы и приборы сравнения. Для измерения малых и средних сопротивлений применяют метод сравнения измеряемого сопротивления

с образцовым . Эти два сопротивления на схеме рис. 5 соединены последовательно, поэтому ток в них один и тот же. Величину его регулируют с помощью резистора , так, чтобы она не превышала допустимого тока для сопротивлений и . Отсюда . Неизвестные падения напряжения и измеряют вольтметром или потенциометром. Результаты измерения получаются более точными, если сопротивления и одного порядка, а сопротивление вольтметра достаточно велико, так что присоединение его не влияет на режим основной цепи.

При измерении малых сопротивлений этим методом вольтметр подключают с помощью потенциальных зажимов, которые позволяют исключить сопротивления контактов основной цепи из результатов измерения.

При измерении сопротивлений в зависимости от их значений и необходимой точности измерения применяются различные способы.

Измерение сопротивлений методом амперметра – вольтметра. Метод определения сопротивлений с помощью амперметра и вольтметра является косвенным, так как в этом случае по показаниям приборов I и U , пользуясь законом Ома, находят искомое сопротивление:

(1)

При измерении сопротивления этим методом приборы могут быть включены двумя способами (рис. 1), причем и в том, и в другом случае результаты не будут точными, если не ввести соответствующие поправки.

Рисунок 1 Схема измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра.

Когда на схеме рис. 1 переключатель находится в положении 1, ошибка в определении сопротивления r X обусловливается тем, что вольтметр измеряет не только напряжение на сопротивлении, но и потерю напряжения в сопротивлении амперметра r A . Когда измеряемое сопротивление значительно больше сопротивления амперметра (r X »r A) , тогда падением напряжения в сопротивлении r A можно пренебречь и вычислять искомое сопротивление непосредственно по показаниям приборов по формуле (1). Если же сопротивления (r X ≈r A) , соизмеримы по значению, то для получения более точного результата необходимо пользоваться формулой:

(2)

Когда на схеме (рис. 1) переключатель находится в положении 2, ошибка в определении сопротивления r X обусловливается тем, что амперметр показывает сумму двух токов, один из которых (I X) проходит через неизвестное сопротивление r X , другой (I U) проходит через вольтметр: I=I X +I U . Если при этом измеряемое сопротивление значительно меньше сопротивления вольтметра (r X «r U) , то током I U , проходящим через вольтметр, можно пренебречь и искомое сопротивление можно вычислить непосредственно по показаниям приборов, воспользовавшись формулой (1). Если же эти сопротивления соизмеримы по значению, то для получения более точного значения r X пользуются формулой:

(3)

Рассмотренный косвенный метод измерения сопротивлений не всегда удобен, так как требует затрат времени на дополнительные вычисления. Кроме того, он отличается невысокой точностью из-за влияния внутренних сопротивлений приборов.

Измерение сопротивлений омметром. Для непосредственного измерения сопротивлений служат специальные приборы – омметры, которые представляют собой комбинацию магнитоэлектрического миллиамперметра и специальной измерительной схемы (рис. 2).

Рисунок 2. Схема измерения омметра.

Шкалу такого прибора градуируют в омах. На схеме (рис. 2) последовательно с миллиамперметром r A включены резистор с сопротивлением r X , регулируемый добавочный резистор с сопротивлением r Р и источник питания. В этом случае шкала прибора обратная, так как с увеличением измеряемого сопротивления ток в приборе уменьшается:

(4)

где U – рабочее напряжение омметра. При неизменном U показание прибора зависит только от измеряемого сопротивления r X , так как каждому значению r X соответствует определенное значение тока I X . Это позволяет шкалу миллиамперметра отградуировать в омах.

Показания омметров зависят от значения э. д. с. источника питания, которая с течением времени уменьшается, что является существенным недостатком этих приборов. Для того чтобы при изменении э. д. с. источника рабочее напряжение U оставалось постоянным, омметры снабжают специальным добавочным сопротивлением r Р , с помощью которого регулируют прибор перед измерением (регулировка нуля) .

На практике чаще всего применяются омметры, показания которых не зависят от э. д. с. источника питания. В качестве таких омметров используют магнитоэлектрические логометры – приборы, у которых отсутствует механическое устройство для создания противодействующего момента. Магнитоэлектрический логометр состоит из двух катушек, закрепленных на одной оси под углом 90° и жестко связанных друг с другом.

Катушки помещены в поле постоянного магнита (рис. 10.12).

Рисунок 2. Устройство логометра.

Токи к ним подводятся от общего источника питания через гибкие проводники, которые практически не создают противодействующего момента. Последовательно с одной из катушек включен постоянный добавочный резистор с сопротивлением r Д а в цепь другой катушки – резистор с измеряемым сопротивлением r X . Катушки с последовательно включенными сопротивлениями образуют две параллельные цепи. При этом токи, протекающие через катушки, соответственно равны и , где r 1 , и r 2 – соответственно сопротивления катушек.

Под действием токов, протекающих через катушки, создаются два вращающих момента, направленных встречно друг другу и зависящих от положения катушек в пространстве и

где – коэффициенты пропорциональности, зависящие от положения катушек в магнитном поле; α – угол отклонения плоскости катушки 1 относительно вертикальной оси OO¢.

Под влиянием вращающих моментов подвижная система прибора поворачивается до тех пор, пока не окажется в равновесном состоянии при М 1 =М 2 .Отсюда или

(5)

Из (5) следует, что отклонение подвижной системы прибора определяется только отношением токов. Угол отклонения подвижной системы прибора при неизменных значениях сопротивлений r 1 ,r 2 ,r Д , зависит только от измеряемого сопротивления r X и не зависит от напряжения источника питания. Последнее обстоятельство является существенным при использовании логометров в качестве приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин.

В цепях переменного тока применяют логометры электромагнитной и электродинамической систем. Логометры электромагнитной системы используют для измерения частоты, емкости, индуктивности и других величин. Электродинамические логометры применяют для измерения различных величин в цепях переменного тока. В частности, их широко используют в качестве фазометров.

Измерение сопротивлений мостовым методом. Мостовой метод (рис. 3) позволяет наиболее точно измерять сопротивления.

Рисунок 3. Схема мостового измерения сопротивлений.

В одно из плеч моста включают резистор с сопротивлением r X , а в другие три плеча – регулируемые и известные по значению сопротивления r 1 ,r 2 ,r 3 . К точкам моста а и b подключен источник питания постоянного тока, а в диагональ моста между точками c и д включен магнитоэлектрический гальванометр Г. При измерении сопротивления r X значения трех других сопротивлений изменяют таким образом, чтобы наступило равновесие моста, при котором ток в цепи гальванометра становится равным нулю. Равновесие моста наступает при условии, когда разность потенциалов между точками с и д равна нулю. Поэтому при равновесном состоянии моста как через плечи ас и сb проходят одинаковые токи: I 1 =I 2 ; так и через плечи ад и дb: I 3 =I 4 . Исходя из этого, для схемы (рис.3) можно записать:

(6)

Наряду с уравновешенными мостами для измерения сопротивлений широко применяются неуравновешенные мосты, позволяющие более быстро производить измерение сопротивлений (но менее точно, так как их показания зависят от стабильности напряжения источника питания). Значение измеряемого сопротивления в этих мостах определяют непосредственно по показаниям прибора. В неуравновешенных мостах часто используют в качестве измерительного прибора магнитоэлектрические логометры, позволяющие повысить точность измерения.

Уравновешивание мостов можно производить вручную или автоматически. Автоматическое уравновешивание применяют в тех случаях, когда необходимо следить за изменением измеряемого сопротивления и управлять его значением.