Измерение электрического сопротивления прямым методом

План работы

1. Точное измерение сопротивления компенсационным методом.

2. Грубое измерение сопротивления простым омметром.

3. Измерение сопротивления изоляции.

Основные теоретические положения

1. Для устранения погрешностей метода амперметра и вольтметра, используют компенсационный (нулевой) метод, который реализуется мостовыми схемами. Сопротивления от 10^–3 до 10⁶ Ом с погрешностью 0,5 % и от 10^–4 до 10^–3 с погрешностью 2 % измеряют одинарным мостом; а сопротивления от 10^–7 до 10^–5 Ом с погрешностью 0,2 % и от 10⁵ до 10^–2 Ом с погрешностью 0,02 % измеряют двойным мостом.

Одинарный мост (рис. 1 и 2) обычно состоит из 3-х магазинов сопротивлений или 2-х магазинов и одного неизменного сопротивления, которые вместе с измеряемым сопротивлением образуют замкнутый четырехугольник АСВД. Его стороны называют плечами моста. В одну диагональ четырехугольника включается источник постоянной ЭДС, а в другую диагональ – магнитоэлектрический гальванометр. Гальванометр должен иметь очень высокую чувствительность, порядка 10^–6–10^–12 А/дел, что способствует увеличению точности измерения. Точность также зависит от класса точности магазинов сопротивлений.

Рассмотрим двухзажимную схему (рис. 1) подключения измеряемого сопротивления к прибору. Допустим, что не известным сопротивлением является R₁, а R₃ остается неизменным. Тогда процесс измерения заключается в подборе таких значений сопротивлений при которых ток, протекающий через гальванометр, окажется равным нулю. Это состояние называется равновесием моста. Обозначив ток в плечах(при равновесии) через, а ток в плечахчерез и, принимая во внимание, что при равновесии разность потенциалов между точками С и Д равна нулю, получим:

или

отсюда:

,

и тогда значение искомого сопротивления, зная сопротивления магазинов, можно вычислить по уравнению:

.

Как следует из последнего выражения, равновесия моста наиболее просто можно добиться или изменяя величину при постоянном отношении плеч, или путем изменения отношения плечпри неизменном значении.

В настоящее время распространение получили мосты с постоянным отношением плеч.

При измерении малых сопротивлений (меньше 10 Ом) одинарный мост при двухзажимной схеме подключения измеряемого сопротивления к мосту дает большие погрешности, вследствие влияния сопротивления соединительных проводов и переходного сопротивления контактов в местах присоединения проводов. Указанные источники погрешности можно уменьшить, используя четырехзажимную схему одинарного моста или схему двойного моста. В четырехзажимной схеме (рис. 2) измеряемое сопротивление R₁ подключают к прибору четырьмя проводами. В этом случае сопротивления проводов С-2 и А-4 и сопротивления контактов их соединения оказываются включенными в диагонали моста и поэтому не влияют на равновесие моста. Влияние сопротивления проводов А-3 и С-1 исключается, если много больше сопротивления провода С-1, а много больше сопротивления провода А-3, что обеспечивается конструкцией прибора.

2. Приборы, с помощью которых определение сопротивления выполняется без каких-либо расчетов, путем непосредственного отсчета по шкале, носят название омметров. Омметры разделяются на две группы: приборы, показания которых верны только при определенном напряжении вспомогательного источника питания, и приборы, показания которых не зависят от величины этого напряжения.

2.1. Первую группу в практике называют просто пробником и относят к приборам низкого класса точности. Их принцип действия основан на законе Ома: ток в цепи обратно пропорционален сопротивлению этой цепи при неизменном напряжении в этой цепи. Схема таких приборов (рис. 3) представляет собой замкнутый контур, состоящий из последовательного соединения измеряемого сопротивления R2, источника напряжения U, микроамперметра PA и вспомогательного реостата R1. Реостат предназначен для компенсации изменения э.д.с. источника напряжения, для чего перед измерением при замкнутых накоротко выводах a и b омметра реостатом устанавливают нулевое показание. Прибор проградуирован в единицах сопротивления – омах, нулевая отметка которого расположена с правого края шкалы, а наибольший предел измерения с левого края. Составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура:

где I – ток в контуре,

R_A –внутреннее сопротивление микроамперметра.

Из последнего выражения получим уравнение градуировочной характеристики:.

2.2. Одной из разновидностей второй группы омметров является мегаомметр (в обиходе его называют мегомметр), предназначенный для измерения сопротивления изоляции, которое весьма велико. Для надежного измерения сопротивления его источник питания должен обладать относительно высоким напряжением (500 В и выше).

Сопротивление изоляции является нелинейной величиной, зависящей от напряжения и времени его приложения. Кроме того, на него влияют температура, влажность, загрязнение, материал и срок службы. Снижение сопротивления изоляции ниже установленных норм может привести к пожару и получению электрических травм. Поэтому «Правила технической эксплуатации» и «Правила устройства электроустановок» требуют измерения сопротивления изоляции электроустановок при вводе их в эксплуатацию и затем периодически – в процессе эксплуатации. В низковольтных установках (до 1 000 В) следует измерять сопротивление при напряжениях 500 или 1 000 В, в высоковольтных (1 000 и свыше вольт) при напряжении 2 500 В. Перед измерением необходимо отключить все источники электроэнергии и разрядить все емкости. За результат измерения принимают установившееся показание прибора.

Принципиальная схема современного мегомметра (относящегося к группе приборов, показания которых не зависят от напряжения источника питания) изображена на рис. 5. Основной частью прибора является магнитоэлектрический логометр (logos – отношение) PR, механический противодействующий момент в котором создается не пружиной, а второй рамкой c током, расположенной под углом к первой рамке. По этой причине, при отсутствии напряжения, стрелка прибора может находиться в любом месте шкалы.

Благодаря специальной форме воздушного зазора угол отклонения α подвижной части логометра определяется отношением токов и в одной и второй рамках прибора то есть:

α = I₂ / I₁,

а так как по закону Ома в соответствии с рис. 5 токи равны:

I₂ = U / (R₃ + R₂); I₁ = U / R₁ ; α = R₁ / (R₃ + R₂),

то угол отклонения зависит только от измеряемого сопротивления R₃ и не зависит от добавочных сопротивлений R₁ и R₂, так как они служат для настройки пределов измерения и остаются неизменными. Напряжение U при делении токов сокращается, так что теоретически показания прибора не зависят от напряжения, однако снижение напряжения сильно снижает чувствительность прибора, что увеличивает его погрешность. Источником напряжения служит электромашинный генератор G с ручным приводом. Генератор следует вращать со скоростью 120 об/мин, что определяет допустимое напряжение.

В рассматриваемом приборе объединены две схемы. Это дает возможность измерять одним прибором относительно низкие сопротивления в килоомах и высокие – в мегаомах, переходя от одной схемы к другой при помощи двухполюсного переключателя S. Шкала прибора снабжена двумя рядами отметок: прямой – в кОм и обратной – в МОм. Измеряемое сопротивление в обоих случаях присоединяется к зажимам З (земля) и Л (линия). Имеется еще зажим Э (экран), который дает возможность с помощью охранного кольца отвести токи утечки (поверхностные токи) от измерительного прибора, что позволяет измерять только объемное сопротивление изоляции.