книги из ГПНТБ / Рождественская Т.Б. Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов и методы ее поверки

Т. Б. Р О Ж Д Е С Т В Е Н С К А Я ,

Д. И. А Н Т О Н О В А ,

В.Л. Ж У Т О В С К И Й

АППАРАТУРА ДЛЯ ТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ, МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ

ИМЕТОДЫ

ЕЕПОВЕРКИ

Ш4

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

М о с к в а — 1973

УДК 621.317.7:389.6

Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, ма­

В книге кратко рассматриваются особенности измерения большо­ го электрического сопротивления и малого постоянного тока. На ос­ нове обзора принципов действия и основных параметров приборов, широко применяемых на практике для измерения сопротивления в диапазоне 10s—1016 Ом и тока в диапазоне Ю - 9 — Ю - 1 5 А, формули­ руются требования к образцовым средствам измерения, необходимым для поверки и аттестации этих приборов, и приводятся поверочные схемы, внедрение которых обеспечивает единство измерений величии.

Основное внимание в работе уделено принципам построения об­ разцовых мер большого сопротивления и новых видов мер малого тока, а также рассмотрению наиболее точных методов измерения сопротивления и силы тока, применяемых для поверки и аттеста­ ции рабочих средств измерения.

Книга предназначена для сотрудников метрологических служб предприятий и исследовательских лабораторий, занимающихся по­ веркой и разработкой средств измерений больших сопротивлений и малых токов. Она может также представить интерес для инженер­ но-технических работников различных отраслей народного хозяйст­ ва, эксплуатирующих эти средства измерений.

Таблиц 14, иллюстраций 63, библиография 139 назв.

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

(5) Издательство стандартов, 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее время активно развивается техника измерений электрических величин как весьма малых, так и больших зна­ чений, в ряде случаев характеризующих физический предел возможности измерений с заданной точностью. Сюда можно отнести область измерения малых постоянных токов Ю - 9 — Ю - 1 5 А и больших электрических сопротивлений 105—1016 Ом.

Актуальность, которую приобретают вопросы измерения указанных величин, связана с исследованиями, проводимыми в таких важных областях науки и техники, как ядерная физи­ ка, химия, биология, медицина, радиоэлектроника, техника ионизирующих излучений.

Для количественной оценки предельно малых токов и боль­ ших сопротивлений многие предприятия и организации раз­ рабатывают и осваивают различные методы и средства изме­ рений. В связи с этим важным становится вопрос обеспечения единства измерений в рассматриваемой области, что может быть достигнуто лишь при градуировке всех средств измере­ ний в узаконенных единицах и их поверке по единым нормам с помощью принятых в стране образцовых средств и эталонов.

Известно, что порядок соподчинения эталонов, образцовых и рабочих мер и измерительных приборов различных разря­ дов и классов, а также методы их сличения, обеспечивающие необходимую точность, устанавливают поверочные схемы, ко­ торые разрабатываются метрологическими институтами.

В существовавших до последнего времени поверочных схе­ мах не были предусмотрены методы и средства поверки при­ боров для измерения токов, меньших долей микроампера, и сопротивлений, превышающих 10й Ом. Создание новых видов приборов с более широкими диапазонами измерений потребо­ вало разработки новых методов и образцовых средств измере-

I ний и соответственно новых нормативных документов.

Во вновь разработанных поверочных схемах для ампер­ метров и для средств измерений электрического сопротивле­ ния предусмотрены методы и образцовые средства, необходи­ мые для поверок амперметров с пределом измерения Ю - 1 5 А и тераомметров с пределом измерения Ш1 6 Ом.

Новые образцовые средства и методы передачи размера единиц от эталонов рабочим мерам и приборам принципиаль­ но и конструктивно отличаются от существовавших ранее. Это связано, в первую очередь, с выработанными метрологиче­ ской практикой требованиями к точности образцовых средств, которая должна быть по крайней мере в 3—5 раз выше, чем

3

точность поверяемых мер и приборов. А так как точность по­ следних неуклонно повышается, то при создании образцовых средств возникают все более сложные задачи, связанные с особенностями измерения малых токов и больших сопротив­ лений—необходимостью повышения чувствительности высокоомных электрических цепей, разработкой более действенных средств защиты от токов утечки и внешних влияний, сокраще­ нием времени переходных процессов и других факторов, без учета влияния которых немыслимо повышение точности изме­ рений. В некоторых случаях приходится применять не обыч­ ные меры, воспроизводящие соответствующие значения сопро­ тивления, а искусственные приемы, позволяющие создать в цепи прибора условия, эквивалентные включению точной ме­ ры соответствующего значения.

В известной литературе рассматриваются методы измере­ ний малых токов и больших сопротивлений, применяемые при создании приборов, широко используемых на практике, одна­ ко вопросам аттестации и поверки этих приборов, вопросам разработки методов и образцовых средств измерений для рас­ сматриваемых диапазонов посвящены лишь отдельные статьи, в которых освещаются некоторые частные вопросы повероч­ ной шрактики.

В настоящей книге делается попытка восполнить сущест­ вующий пробел в метрологической литературе в области элек­ трических измерений указанных величин. В ней лишь кратко рассматриваются особенности измерений весьма больших со­ противлений и малых токов и принципы создания рабочих приборов, описанные в литературе.

Основное внимание уделяется рассмотрению наиболее точных методов измерений и принципов создания образцо­ вых средств, необходимых для градуировки, аттестации и по­ верки рабочих приборов и обеспечивающих практическое вне­ дрение новых поверочных схем. В книге частично использова­ ны рекомендации по поверочным схемам для амперметров и для средств измерения электрического сопротивления, приня­ тые странами — членами СЭВ, отдельные сведения о методах поверки, имеющиеся в книгах и статьях А. М. Теплинского и А. М. Илюковича, а также многолетний опыт авторов по соз­ данию образцовых средств в рассматриваемой области элек­ трических измерений.

Авторы заранее признательны всем, кто выскажет свои за­ мечания и пожелания по содержанию книги, которые просят направлять по адресу: Москва, Д-22, Новопресненский пер., дом 3, Издательство стандартов.

4

л

Глава 1.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Электрические сопротивления, значения которых превыша­ ют 105—106 Ом, принято называть большими. Выделение боль­ ших сопротивлений в особую группу связано с рядом принци­ пиальных и конструктивных особенностей мер и приборов, применяемых для их измерения. С увеличением измеряемого сопротивления резко возрастает влияние некоторых погреш­ ностей, которыми, как правило, пренебрегают при измерениях сопротивлений в среднем диапазоне значений 95.

Основными причинами возникновения погрешностей при измерении больших сопротивлений являются следующие.

1. Шунтирование высокоомных измерительных цепей со­ противлением изоляционных материалов и сопротивлением ок­ ружающей среды.

Проводимость среды, окружающей измеряемое сопротив­ ление и высокоомные измерительные цепи, создает естествен­ ный предел повышения точности измерения. Если учесть, что сопротивление 1 см3 сухого воздуха, окружающего измеряе­ мое сопротивление, составляет 1018 Ом • см [93], то погрешность только вследствие токов утечки через воздух при измерении сопротивления 1016 Ом может достигать 1%.

Погрешность, обусловленная шунтированием сопротивле­ нием изоляции, непостоянна во времени, так как сопротивления изоляционных материалов, в том числе и окружающего воз­ духа, зависят от температуры, влажности, запыленности окру­ жающей среды и свойств примененного диэлектрика. Поэтому полностью исключить эту погрешность практически не пред­ ставляется возможным.

2. Подверженность высокоомной измерительной цепи влия­ нию внешних электрических полей.

Любое тело, расположенное зблпзи измерительной цепи и обладающее даже незначительным электростатическим за­ рядом, индуцирует через паразитные емкости дополнительные токи в измерительную цепь, создавая еще один источник по­ грешности.

5

3. Влияние малых постоянных паразитных токов, возникаю­ щих в объеме, окружающем высокоомную цепь, в результате ионизации воздуха.

При измерении сопротивлений 101 5 —1Ü1 6 Ом в измеритель­

теоретического объяснения не имеет, однако, судя по данным,

торых конструктивных элементах измерительной цепи генера­ ция может возникнуть в результате пьезоэффекта в диэлек­ трике.

5.Существенное снижение чувствительности измеритель­ ных цепей по мере возрастания измеряемого сопротивления, что также ограничивает возможность повышения точности из­ мерения.

6.Увеличение времени переходных процессов.

При наличии даже весьма малых емкостей цепи (что неиз­ бежно) возрастание сопротивления ведет к увеличению посто­ янной времени переходного процесса. Это затрудняет измере­ ния и может явиться причиной появления значительной по­ грешности, если измерение проведено до достижения устано­ вившегося режима [36].

Учитывая особенности измерения больших сопротивлений, при создании измерительных средств следует принимать спе­ циальные конструктивные и технологические решения, позво­ ляющие снизить погрешность измерения. Основными из них являются: сплошное экранирование высокоомных измери­ тельных цепей и источников питания, равнопотенциальная за­ щита от токов утечки (как активных, так и емкостных), при­ менение высококачественных изоляционных материалов, гер­ метизация и вакуумизация отдельных элементов, применение показывающих приборов и нулевых указателей с высокоомным входом (например, с применением на входе динамических конденсаторов или электрометрических ламп). Однако полно­ стью исключить погрешности все-таки невозможно. В резуль­ тате с возрастанием измеряемого сопротивления (от 105 Ом и выше) точность измерения существенно снижается.

6

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ СОПРОТИВЛЕНИИ

Методы измерения больших сопротивлений подробно описаны в литературе [12, 28, 38, 62, 73, 74, 95, 102, 109, 110, 114, 116, 117, 122, 124, 132], поэтому мы ограничимся лишь основными сведениями, которые понадобятся в дальнейшем.

В зависимости от выбора образцовых мер существующие методы измерения больших сопротивлений могут быть разде­ лены на методы, основанные на сравнении измеряемого рези­ стора с мерой сопротивления; методы с использованием в ка­ честве меры образцовой емкости, разряжающейся за опреде­ ленный промежуток времени через измеряемое сопротивле­ ние, и методы, в которых образцовым элементом является ме­ ра малого постоянного тока.

Методы, основанные на сравнении измеряемого сопротивления резистора с мерой сопротивления

Методы заданного напряжения и заданного тока

Наиболее широкое практическое применение в качестве рабо­ чих высокоомных измерительных приборов нашли в настоящее время показывающие приборы ограниченной точности (гига- и тераомметры).

Несмотря на многообразие схемных и конструктивных ре­ шений этих приборов, подробно описанных в литературе [38, 43, 44], большинство из них основано на измерении падения напря­ жения на одном из двух последовательно включенных резисто­ рах (измеряемом Rx и мере сопротивления Rt), подключенных к источнику постоянного напряжения U. Для измерения паде­ ния напряжения применяются милливольтметры (отградуиро­ ванные в единицах сопротивления), обладающие большим входным сопротивлением. Как правило, такие милливольтмет­ ры создаются на основе электрометрических усилителей. На

Мера Ri и резистор Rx подключены к источнику с напря­ жением U, при этом сопротивление Rx^>Ri. Измеряемое со­ противление Rx может быть определено из соотношения

при условии, что Rx~>Ri

но при условии пренебрежения сопротивлением Rx по сравне­ нию с Ri по формуле

я,.

Ri- и

Показание прибора линейно связано с силой тока источ­ ника питания и зависит от его стабильности.

Рис. 2. Структурные схемы тераомметров, осно­ ванных на методе заданного тока

При применении этого метода значительно возрастают требования к входному сопротивлению электрометрическогоусилителя ^ у . в х , шунтирующего измеряемый резистор Rx. До­ стоинством метода является наличие линейной шкалы с обыч­ ным расположением нулевой отметки (нуль слева). На этом принципе создаются приборы, верхний предел измерения ко­ торых 10"—1012 Ом, а погрешность ± (1,5—4) % [38, 65].

В эксплуатации находится много различных вариантовтераомметров, схемы которых основаны на описанных выше методах. Они отличаются в основном принципиальными схемами и входными устройствами электрометрического уси­ лителя (с входной электрометрической лампой, динамическим конденсатором, вибропреобразователем). В современных те-

9