Способы измерения напряжения. Методы измерения напряжения: особенности измерения постоянного и переменного тока — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие существуют основные способы измерения напряжения. Как правильно измерять постоянное и переменное напряжение. На что обратить внимание при измерении высокого и низкого напряжения. Какие приборы и методы используются для точных измерений напряжения.

Содержание

Особенности измерения напряжения постоянного и переменного тока

Измерение напряжения является одной из базовых задач в электротехнике и электронике. При этом методы измерения постоянного и переменного напряжения имеют свои особенности:

Измерение постоянного напряжения

Для измерения постоянного напряжения обычно используются следующие методы:

Метод непосредственной оценки с помощью вольтметров постоянного тока
Компенсационный метод
Метод сравнения с мерой

Основные особенности измерения постоянного напряжения:

Необходимо учитывать внутреннее сопротивление вольтметра, которое должно быть значительно больше сопротивления измеряемой цепи
Важно соблюдать полярность при подключении прибора
Для точных измерений используют компенсационный метод или метод сравнения с мерой

Измерение переменного напряжения

Для измерения переменного напряжения применяются:

Аналоговые электромеханические вольтметры
Электронные вольтметры
Цифровые мультиметры
Осциллографы

Особенности измерения переменного напряжения:

Необходимо учитывать частотный диапазон измеряемого напряжения
Важен выбор типа детектора (среднеквадратичный, пиковый и т.д.)
Для высоких частот требуются специальные высокочастотные вольтметры
Осциллографы позволяют измерять мгновенные значения напряжения

Методы измерения высокого напряжения

Измерение высокого напряжения (выше 1000 В) имеет свою специфику и требует применения специальных методов:

Использование делителей напряжения

Применение измерительных трансформаторов напряжения
Электростатические вольтметры
Шаровые разрядники

При измерении высокого напряжения необходимо соблюдать особые меры безопасности и использовать специализированное оборудование.

Измерение низких уровней напряжения

Измерение малых напряжений (менее 1 мВ) также требует специальных подходов:

Использование усилителей
Применение дифференциальных методов измерения
Экранирование измерительной схемы
Использование синхронного детектирования

Ключевые моменты при измерении малых напряжений:

Минимизация влияния термоЭДС
Снижение уровня шумов и наводок
Применение специализированных низкоуровневых вольтметров

Выбор метода измерения напряжения

При выборе конкретного метода измерения напряжения следует учитывать:

Диапазон измеряемых напряжений
Требуемую точность измерений
Характер измеряемого напряжения (постоянное, переменное)
Частотный диапазон для переменного напряжения
Входное сопротивление измерительного прибора
Условия измерений (лабораторные, промышленные)

Правильный выбор метода и средств измерения позволяет получить достоверные результаты и обеспечить безопасность измерений.

Основные правила при измерении напряжения

При проведении измерений напряжения необходимо соблюдать следующие основные правила:

Правильно выбирать предел измерения
Соблюдать полярность при измерении постоянного напряжения
Учитывать входное сопротивление вольтметра
Подключать вольтметр параллельно участку цепи
Соблюдать меры электробезопасности, особенно при высоких напряжениях
Учитывать влияние измерительного прибора на работу исследуемой схемы

Соблюдение этих правил позволяет получить корректные результаты измерений и обеспечить безопасность работы.

Современные тенденции в измерении напряжения

В настоящее время в области измерения напряжения наблюдаются следующие тенденции:

Широкое применение цифровых методов измерения
Использование высокоточных АЦП для повышения разрешающей способности
Разработка виртуальных измерительных приборов
Интеграция измерительных систем с компьютерными сетями
Создание интеллектуальных датчиков напряжения

Эти тенденции позволяют повысить точность, автоматизировать процесс измерений и расширить функциональные возможности измерительных систем.

7.3 Методы измерения напряжения и тока

Для измерения напряжения и тока используют метод непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины, и метод сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины на какую-либо систему, с воздействием на эту же систему образцовой меры.

4.3.1 Метод непосредственной оценки

Этот метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Измерение напряжений всегда сопровождается погрешностью, величина которой зависит от внутреннего сопротивления вольтметра Rv. Включение вольтметра в исследуемую цепь искажает режим работы этой цепи.

Например, напряжение на резисторе R₂ до включения вольтметра (рис. 4.3)

(4.14)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

непосредственной оценки

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

(4.15)

Погрешность измерения в данном случае тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра:

(4.16)

Относительную погрешность измерения напряжения можно выразить также через мощность Рv, потребляемую вольтметром, и мощность цепи Р:

(4.17)

Следовательно, погрешность от искажения режима работы цепи при измерении напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребляемая из цепи, и сопротивление R₁.

При непосредственной оценке тока результат измерения (как и при измерении напряжения) сопровождается погрешностью, величина которой зависит от внутреннего сопротивления амперметра R

Например, включение амперметра в цепь (рис.4.4) приведет к тому, что вместо тока I = U/R, который протекал в цепи до включения амперметра, будет протекать ток I’ = U/(R+ R_A).

Рисунок 4.4 – Схема измерения тока методом непосредственной оценки

Погрешность ∆ = I’ — I тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Относительная погрешность измерения тока в этом случае

(4.18)

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощности Р_A, потребляемой амперметром, к мощности в самой цепи Р:

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем меньше R_A, т.

е. чем меньше мощность, потребляемая амперметром Р_A, по сравнению с мощностью потребления цепи, в которой осуществляется измерение.

4.3.2 Метод сравнения с мерой

Метод сравнения основан на сравнении измеряемого напряжения с известным напряжением, установленным с высокой точностью. Из общеизвестных методов сравнения наибольшее применение при измерении напряжения получил компенсационный метод.

Суть компенсационного метода измерения постоянного напряжения состоит в уравновешивании неизвестного напряжения на образцовом сопротивлении R. Момент компенсации определяется по нулевому показанию гальванометра. Принцип действия компенсатора поясняется схемой, приведенной на (рис.4.5), где используется нормальный элемент Е_н, вспомогательный источник напряжения Е_всп, потенциометр R, переключатель П и гальванометр Г.

Рисунок 4.5 – Схема компенсатора постоянного тока

Измерение напряжения происходит в два этапа.

Переключатель устанавливают в 1-е (верхнее) положение, с помощью потенциометра R достигается нулевое показание гальванометра. В этом случае падение напряжения за счет тока I от Е_всп на участке аb (R_a_b) резистора R компенсируется источником Е_н:

(4.19)

Переключатель устанавливают во 2-е (нижнее) положение, и с помощью потенциометра R вновь уравновешивается схема. При этом движок потенциометра займет новое положение, сопротивление участка аb будет равно R’_ab, и будет справедливо равенство

(4.20)

Из равенства токов (4.19) и (4.20) следует, что

(4.21)

Условие равновесия (4.21) показывает, что точность измерения в данном методе зависит от точности, с которой известны ЭДС нормального элемента Е_н и отношение установившихся значений сопротивлений потенциометра, а также чувствительности гальванометра.

Нормальный элемент Е_н в рассматриваемой схеме — это электрохимическое устройство, воспроизводящее единицу измерения напряжения. Наибольшее распространение получили нормальные элементы с насыщенным электролитом (Е_н = 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 1кОм, ток 1 мкА).

Точность отсчета с потенциометра достигается обычно за счет использования специальных схем многоразрядных дискретных делителей напряжения.

К достоинствам метода можно отнести:

— в момент компенсации ток от измеряемого источника напряжения в цепи компенсации отсутствует, т.е. практически измеряется значение ЭДС на зажимах источника напряжения;

— отсутствие тока в цепи гальванометра позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерения;

— при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется (тока нет).

Метод сравнения применяется также для измерения переменных напряжений. Принцип действия схем сравнения на переменном токе также состоит в уравновешивании измеряемого напряжения известным напряжением, создаваемым переменным (обычно синусоидальным) током на активных сопротивлениях вспомогательной цепи. Для уравновешивания схемы здесь необходимо добиться равенства модулей измеряемого и сравниваемого напряжений, их частот, а также противоположность фаз. Полного уравновешивания в таких схемах добиться сложно, поэтому компенсаторы переменного тока имеют меньшую точность измерения по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

В зависимости от способа уравновешивания по величине и фазе измеряемого известного напряжения различают полярно-координатные и прямоугольно-координатные схемы.

Измерения напряжения. Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах [Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний]

Измерения напряжения.

Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах [Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний]

ВикиЧтение

Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах [Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний]
Красник Валентин Викторович

Содержание

Измерения напряжения

Вопрос. Где выполняются измерения напряжения?

Ответ. Как правило, выполняются:

на секциях сборных шин переменного и постоянного тока, которые могут работать раздельно, а также на линиях электропередачи при отсутствии сборных шин РУ подстанции (схемы «мостик», «блок линия-трансформатор», «четырехугольник», «расширенный четырехугольник» и др.). Допускается установка одного прибора с переключением на несколько точек измерений. На подстанциях допускается измерять напряжение только на стороне низшего напряжения, если установка трансформатора напряжения на стороне высшего напряжения не требуется для других целей;

в цепях генератора постоянного и переменного тока, синхронных компенсаторов, а также в отдельных случаях в цепях агрегатов специального назначения;

в цепях возбуждения синхронных машин мощностью 1 МВт и более;

на стороне низшего или среднего напряжения автотрансформаторов 330 кВ и выше с регулированием напряжения в нейтрали для возможности контроля перевозбуждения магнитопровода;

в цепях силовых преобразователей, аккумуляторных батарей, зарядных и подзарядных устройств;

в цепях дугогасящих реакторов.

В трехфазных сетях, как правило, производятся измерения одного междуфазного напряжения (1.6.10).

Вопрос. Какие измерительные приборы применяются на сборных шинах 110 кВ и выше электростанций и подстанций, являющихся узловыми точками (в части ведения режима энергосистемы)?

Ответ. Применяются щитовые приборы непрерывного измерения класса точности не ниже 1,0 и измерительные приборы класса точности не ниже 0,5 (1.6.11).

Вопрос. Где производят регистрацию значений одного междуфазного напряжения?

Ответ. Производят:

на сборных шинах 110 кВ и выше электростанций и узловых подстанций;

на блочных синхронных генераторах мощностью 12 МВт и более и синхронных компенсаторов мощностью 25 МВ·А и более (1.6.12).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности

Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности Вопрос. Какие требования предъявляются к устройствам регулирования напряжения?Ответ. Они должны обеспечивать поддержание напряжения на шинах напряжением 3-20 кВ электростанций и подстанций, к которым

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения Вопрос. Что входит в объем испытаний измерительных ТН?Ответ. В объем испытаний входит: для электромагнитных ТН:измерение сопротивления изоляции обмоток;испытание повышенным напряжением частоты 50 Гц;измерение сопротивления

Защита генераторов, работающих непосредственно на сборные шины генераторного напряжения

Защита генераторов, работающих непосредственно на сборные шины генераторного напряжения Вопрос. От каких видов повреждений предусматриваются устройства РЗ для генераторов мощностью более 1 МВт напряжением выше 1 кВ?Ответ. Предусматриваются устройства РЗ от следующих

Автоматическое регулирование возбуждения, напряжения и реактивной мощности

Автоматическое регулирование возбуждения, напряжения и реактивной мощности Вопрос. Для каких целей предназначаются системы и устройства автоматического регулирования возбуждения, напряжения и реактивной мощности?Ответ. Предназначаются для:поддержания необходимых

Автоматическое ограничение снижения напряжения (АОСН)

Автоматическое ограничение снижения напряжения (АОСН) Вопрос. Для каких целей предназначены устройства АОСН?Ответ. Предназначены для предотвращения снижения напряжения в узлах энергосистемы в послеаварийных режимах до значения, опасного по условиям устойчивости

Автоматическое ограничение повышения напряжения (АОПН)

Автоматическое ограничение повышения напряжения (АОПН) Вопрос. Для каких целей предназначены устройства АОПН?Ответ. Предназначены для ограничения длительности повышения напряжения на электрооборудовании энергосистемы, вызванного односторонним отключением линий

3.8. Датчик пропадания сетевого напряжения со звуковой индикацией состояния

3.8. Датчик пропадания сетевого напряжения со звуковой индикацией состояния Рассмотрим простое в построении устройство датчика отключения электроэнергии со звуковым сигнализатором состояния, электрическая схема которого представлена на рис. 3.13. Устройство

Делитель напряжения

Делитель напряжения Делитель напряжения представляет собой простой, но очень важный элемент схемы. Его использование позволяет состыковать большинство резистивных сенсорных датчиков с входом компаратора. Опорное напряжение получается также с помощью делителя

9.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И КОМПЛЕКТНЫЕ УСТРОЙСТВА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ДО 1000 В)

9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И КОМПЛЕКТНЫЕ УСТРОЙСТВА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ДО 1000 В) В данном разделе приведены указания по ремонту следующих групп аппаратов общепромышленного назначения напряжением до 1000 В: рубильники и переключатели, автоматические воздушные выключатели,

10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВЫШЕ 1000 В) И СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВЫШЕ 1000 В) И СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В данном разделе приведены нормативы и указания по ремонту следующих аппаратов высокого напряжения и силовых преобразователей: выключатели масляные, воздушные и электромагнитные;

1.8.18. Измерительные трансформаторы напряжения

1.8.18. Измерительные трансформаторы напряжения Вопрос 76. Какими должны быть измеренные значения сопротивления изоляции электромагнитных трансформаторов напряжения?Ответ. Эти значения должны быть не менее приведенных в табл. 1.8.15 (п. 1.1).Таблица 1.8.15Сопротивление изоляции

Глава 24 Гравитация и упругие напряжения

Глава 24 Гравитация и упругие напряжения Наиболее подробно, данная тема раскрыта в работах Ю.Г. Белостоцкого, Санкт – Петербург. Мы были с ним знакомы по конференциям, и я проводил ряд экспериментов по его методике в 1996–1998 годах.Белостоцкий писал в книге «Что такое время?»

45. Измерение сил, моментов и напряжения

45. Измерение сил, моментов и напряжения Общие методы измерения этих величин следующие.1. Измерение проводится непосредственно путем обеспечения прямого контакта прибора с измеряемой величиной.2. Измеряют деформации (в детали или в ее модели), после пересчитывают

Медицинские измерения

Медицинские измерения В медицине измеряют множество разных величин, например концентрации каких-либо веществ в каких-либо средах, механические величины (вес, линейные размеры, перемещение, давление, силу, объем выдыхаемого воздуха), частоты (пульса, дыхания),

6.

4.2. АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

6.4.2. АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Выключатели высокого напряжения. Выключатель является одним из основных видов ЭА, обеспечивающих включение и отключение электрических цепей с различными токами, в том числе токами перегрузки и коротких замыканий.В начале XX в. появились

Метод измерения высокого напряжения | Tech

Выпуск: 24 февраля 2022 г., И.Р.

Измерения напряжения проводятся для проверки исправности электрооборудования и проверки электрических цепей. При измерении напряжения подключите клемму вольтметра параллельно части, которую хотите измерить.

Если напряжение находится в диапазоне от 1 В до 10 В, например, «схема, используемая в школьных экспериментах» или «игрушки на батарейках», вы можете легко измерить его с помощью вольтметра или тестера. Однако, когда напряжение высокое или, наоборот, низкое, вы не можете измерить его, как обычно. В этом случае требуется специальное оборудование и методы.

При измерении высокого напряжения 1000 В и выше нельзя измерить его напрямую стандартным измерительным прибором. Высокое напряжение обладает такой большой энергией, что разрушает стандартные измерительные приборы. Существует также риск электрического разряда, и вы должны принять удар током, поэтому будьте осторожны.

Основная идея измерения высокого напряжения состоит в том, чтобы «подключить устройство с высоким значением сопротивления последовательно к внешней стороне измерительного прибора». Напряжение на ряду сопротивлений пропорционально величине каждого сопротивления в соответствии с законом Ома. Напряжение, подаваемое на вольтметр, будет распределяться, если последовательно соединить вольтметр и большой резистор.

Например, если отношение подключенного сопротивления к внутреннему сопротивлению измерительного прибора равно 9 : 1, напряжение, подаваемое на сопротивление и измерительный прибор, также будет 9 : 1. По сравнению с состоянием, когда резистор не подключен, напряжение, подаваемое на измерительный прибор, составляет 1/10. Этот метод называется разделением напряжения, и существуют следующие методы измерения высокого напряжения с использованием этого механизма.

Делитель напряжения (высоковольтный делитель)

Делитель напряжения имеет встроенную в корпус схему, входную клемму и измерительную клемму. Принципиальная схема делителя напряжения, также называемая делителем высокого напряжения, выглядит следующим образом. Он используется для измерения напряжения постоянного тока, но также возможно измерение напряжения переменного тока, если частота, поставляемая электроэнергетической компанией, составляет 50 Гц или 60 Гц.

Обратите внимание, что делитель напряжения может выделять тепло во время использования, поэтому необходимо позаботиться об изменении значения сопротивления из-за нагревания. Также при измерениях необходимо учитывать сопротивление делителя напряжения и входное сопротивление вольтметра. Поскольку он рассчитан на высокое напряжение, будьте осторожны, чтобы не протекала грязь или посторонние предметы, прилипшие к клеммам.

Цепь конфигурации делителя напряжения

Умножитель

Поскольку принцип работы умножителя такой же, как и у делителя напряжения, меры предосторожности при его использовании такие же. Однако делитель напряжения может измерять переменное напряжение в некоторых диапазонах частот, а умножитель может измерять только постоянный ток.

Высоковольтный пробник

Используйте пробник при измерении сигналов напряжения с помощью осциллографа. Существуют различные типы пробников для измерения напряжения, в том числе те, которые обеспечивают точное измерение высокочастотных сигналов, и те, которые уменьшают влияние на объект измерения. Среди них датчик, который поддерживает высокое напряжение, является датчиком высокого напряжения.

Высоковольтные датчики имеют различные измеряемые напряжения в зависимости от частоты. Поэтому обязательно проверяйте не только максимальное входное напряжение, но также частоту и напряжение, которое можно приложить.

При измерении высокого напряжения переменного тока также существует метод изменения напряжения с помощью наведенной электродвижущей силы катушки.

VT (преобразователь напряжения)

VT (преобразователь напряжения) — это устройство, которое преобразует высокое напряжение цепи переменного тока в легко измеряемое напряжение. Раньше он назывался PT (Potential Transformer). Базовая структура ТН такая же, как и у трансформатора, как показано на рисунке ниже. Катушка на входе и катушка на выходе изменяют количество витков и наматываются на железный сердечник в форме пончика. В эту группу также входит контактный вольтметр для железных дорог. Обратите внимание, что ошибка имеет тенденцию быть большой в зависимости от комбинируемого вольтметра.

Соотношение между первичным напряжением/вторичным напряжением и числом витков

Прибор для измерения статического электричества (электростатический полевой измеритель)

Статическое электричество является типичным примером электричества с высоким напряжением. Поскольку статическое электричество не может быть точно измерено при контакте с зондом и т. д., необходимо использовать бесконтактный измерительный прибор. Вольтметр для измерения статического электричества называется электростатическим вольтметром, и существуют такие типы, как поверхностные электрометры и измерители электростатического поля.

Это устройство, которое измеряет статическое электричество на поверхности путем перемещения указателя под действием силы, с которой два электрода притягиваются или отталкиваются от измеряемого объекта со статическим зарядом. Особенность в том, что он может быть измерен сам по себе без других измерительных приборов.

Цепи высокого напряжения могут вызвать разряд, даже если они не соприкасаются друг с другом, или привести к серьезной аварии в случае утечки тока. Меры безопасности, такие как надлежащее заземление, также необходимы при измерении высокого напряжения. Следуйте правильному использованию в соответствии со спецификациями устройства.

Вы не можете измерить даже напряжение 1 мВ или менее обычным измерительным прибором. В отличие от высокого напряжения, для измерения необходимо выполнить электрическое усиление.

Кроме того, при низких напряжениях исходное напряжение низкое, а волны небольшие, поэтому шум, который обычно не представляет проблемы, существенно повлияет на результаты измерения. Удаление шумов является важной проблемой при измерении низких напряжений.

Шум, влияющий на напряжение, включает внешний шум, такой как электромагнитные волны, генерируемые при включении и выключении окружающего электрооборудования, а также внутренний шум, генерируемый в измерительной цепи.

Способы устранения помех как при постоянном (DC), так и при переменном токе (AC) следующие.

В случае постоянного тока

В цепях, содержащих различные металлы, различные температуры в местах соединения создают электродвижущие силы. Это явление называется тепловой электродвижущей силой (ЭДС). Даже в цепях, измеряющих напряжение, в клеммах, разъемах, припое и т. д. используются различные типы металлов. Следовательно, если есть разница в температуре этих соединений, она будет генерировать термоэлектродвижущую силу.

Чтобы затруднить создание термоэлектродвижущей силы, не используйте проводники из различных материалов; если вы прикасаетесь к терминалу, подождите, пока терминал остынет, перед измерением, кондиционированием воздуха или регулировкой температуры окружающей среды.

В случае переменного тока

При измерении переменного тока низкого напряжения следует помнить об электромагнитной индукции. В переменном токе направление тока постоянно меняется, поэтому вокруг подводящего провода возникает электромагнитная индукция. Рекомендуется уменьшить входное сопротивление измерительного прибора или использовать прибор с двумя скрученными проводами.

При измерениях низкого напряжения даже небольшие факторы, которые обычно не представляют проблемы, могут стать шумом и повлиять на измерение. Например, нельзя игнорировать влияние статического электричества. Если поблизости есть электрический заряд, например, одежда замерщика, это может вызвать шум.

Также необходимо экранировать среду измерения и подготовить среду, в которой маловероятно возникновение статического электричества. Обращайте внимание не только на измерительное оборудование и схемы, но и на окружающую среду.

Связанные технические статьи

Безопасность и использование высоковольтного источника питания
Что делать, если вас ударило током? Что делать при поражении электрическим током (электротравме) и как обращаться с высоким напряжением
Как выбрать источник питания высокого напряжения для анализаторов
Для новых инженеров-электронщиков: безопасное использование источника питания
Как использовать усилитель и примечания к нему

Методы измерения низкого напряжения | Tektronix

Введение

Электроника продолжает сокращаться, так как потребители требуют более быстрых, многофункциональных продуктов во все более компактных форм-факторах. Из-за своих небольших размеров эти электронные компоненты обычно имеют ограниченную мощность. В результате при определении электрических характеристик этих компонентов необходимо, чтобы тестовые сигналы были небольшими, чтобы предотвратить поломку компонента или другое повреждение.

Проверка этих устройств и материалов часто включает измерения низкого напряжения. Это включает в себя источник известного тока, измерение результирующего напряжения и расчет сопротивления. Если устройство имеет низкое сопротивление, то результирующее напряжение будет очень маленьким, и необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы уменьшить напряжение смещения и шум, которыми обычно можно пренебречь при измерении более высоких уровней сигнала.

Даже если сопротивление далеко от нуля, измеряемое напряжение часто очень мало из-за необходимости подачи только небольшого тока во избежание повреждения устройства. Это ограничение мощности часто делает определение сопротивления современных устройств и материалов очень сложным.

В этой статье обсуждаются методы устранения термоэлектрических напряжений для обеспечения более точных измерений сопротивления, включая трехэтапный метод измерения дельты для маломощных/низковольтных приложений. Кроме того, в нем также представлен метод точного измерения дифференциальной проводимости.

Измерения низкого напряжения

Существует множество факторов, затрудняющих измерение низкого напряжения. Например, различные источники шума могут препятствовать разрешению фактического напряжения, а термоэлектрические напряжения (термоэлектрические ЭДС) могут вызывать смещения погрешностей и дрейф показаний напряжения. В прошлом можно было просто увеличивать испытательный ток до тех пор, пока напряжение срабатывания ИУ не станет намного больше, чем эти ошибки, но с сегодняшними устройствами меньшего размера это больше не вариант. Увеличение испытательного тока может привести к нагреву устройства, изменению сопротивления устройства или даже к его выходу из строя. Ключом к получению точных, последовательных измерений является устранение ошибки. Для приложений измерения низкого напряжения такая ошибка состоит в основном из белого шума (случайный шум на всех частотах) и шума 1/f. Термоэлектрические напряжения (обычно имеющие распределение 1/f) генерируются из-за разницы температур в цепи.

Сопротивление рассчитывается по закону Ома; то есть постоянное напряжение, измеренное на устройстве, деленное на постоянный ток стимула, дает сопротивление. Показания напряжения будут представлять собой сумму индуцированного напряжения на устройстве (V _R ), сопротивления проводов и контактов (V _рез выводов), других шумов 1/f (V _{1/f шум} ) и белый шум (V _{белый шум}) и термоэлектрические напряжения (V _t ). Использование четырех отдельных проводов для подключения вольтметра и источника тока к устройству устраняет сопротивление проводов, поскольку вольтметр не будет измерять падение напряжения на проводах источника. Внедрение фильтрации может уменьшить белый шум, но не значительно уменьшит шум 1/f, который часто устанавливает минимальный уровень шума измерения.

Рис. 1: На схеме слева показана стандартная установка для измерения сопротивления постоянному току. Изменение стандартной схемы измерения на схему справа с использованием четырех выводов устраняет ошибки, связанные с сопротивлением выводов.

Термоэлектрические напряжения обычно имеют характеристику 1/f. Это означает, что может быть значительное смещение, и чем больше выполнено измерений, тем больше смещение. В совокупности смещение и дрейф могут даже превышать V _R , напряжение на ИУ, индуцированное приложенным током. Можно уменьшить термоэлектрические напряжения, используя такие методы, как полностью медная конструкция цепи, тепловая изоляция, точный контроль температуры и частая очистка контактов.

Какие бы шаги ни предпринимались для минимизации термоэлектрических напряжений, устранить их невозможно. Было бы предпочтительнее иметь метод, который позволял бы точно измерять сопротивление даже при наличии больших термоэлектрических напряжений, вместо того, чтобы работать над их минимизацией.

Дельта-метод измерения сопротивления

Одним из способов устранения постоянного термоэлектрического напряжения является использование дельта-метода, при котором измерения напряжения выполняются сначала при положительном, а затем при отрицательном испытательном токе. Для компенсации изменения термоэлектрического напряжения можно использовать модифицированный метод. В краткосрочной перспективе термоэлектрический дрейф можно представить как линейную функцию. Разница между последовательными показаниями напряжения представляет собой наклон или скорость изменения термоэлектрического напряжения. Этот наклон постоянен, поэтому его можно отменить, трижды сменив источник тока, чтобы выполнить два измерения дельты — одно на отрицательном шаге и одно на положительном шаге. Чтобы линейное приближение было действительным, источник тока должен быстро меняться, а вольтметр должен производить точные измерения напряжения в течение короткого интервала времени. Если эти условия соблюдены, трехшаговый дельта-метод дает точное значение напряжения предполагаемого сигнала, не подверженное влиянию термоэлектрических смещений и дрейфов.

Анализ математики для одного трехступенчатого дельта-цикла покажет, как этот метод компенсирует разницу температур в контуре, уменьшая тем самым погрешность измерения. Рассмотрим пример в Рисунок 2a :

Испытательный ток = ±5 нА ;
Устройство = сопротивление 500 Ом

Рис. 2a: На графике показан метод переменного трехточечного дельта измерения напряжения без погрешности термоэлектрического напряжения.

Игнорируя ошибки термоэлектрического напряжения, напряжения, измеренные на каждом из шагов, составляют:

В ₁ = 2,5 мкВ ; В ₂ = –2,5 мкВ ; V ₃ = 2,5 мкВ

Предположим, что температура линейно увеличивается в течение короткого промежутка времени таким образом, что она создает профиль напряжения, подобный показанному на рис. чтение.

Рис. 2b: Линейное увеличение температуры приводит к изменению ошибки термоэлектрического напряжения, которая устраняется методом трехточечного дельта.

Как На рис. 2b показано, что напряжения, измеряемые вольтметром, включают погрешность из-за увеличения термоэлектрического напряжения в цепи и больше не имеют одинаковой величины. Однако абсолютная разница между измерениями погрешна на постоянную величину 100 нВ, поэтому этот член можно отменить. Первым шагом является расчет дельта-напряжения. Напряжение первого треугольника (В _а ) равно:

В _а = отрицательный шаг = (В ₁ – В ₂ )/2 = 2,45 мкВ

Вторая дельта напряжения (В _b ) производится на положительном шаге тока и равна:

В _b = положительный шаг = (В ₃ – V ₂ )/2 = 2,55 мкВ

Термоэлектрическое напряжение добавляет отрицательную погрешность в Va и положительную погрешность при вычислении Vb. Когда тепловой дрейф является линейным, эти члены ошибки равны по величине. Таким образом, мы можем устранить ошибку, взяв среднее значение V _a и V _b :

V _f = конечное значение напряжения = (V _a + V _b )/2 = ½ [(V ₁ – V _{+ 2} (V)/2 ₃ – V ₂ )/2] = 2,5 мкВ

Дельта-метод устраняет ошибку, связанную с изменением термоэлектрического напряжения

Таким образом, измерение вольтметра представляет собой напряжение, индуцированное только током возбуждения. Поскольку чередование продолжается, каждое последующее считывание представляет собой среднее значение трех последних аналого-цифровых преобразований.

Трехступенчатый дельта-метод — лучший выбор для высокоточных измерений сопротивления. На рис. 3 сравниваются результаты 1000 измерений резистора сопротивлением 100 Ом, выполненных при испытательном токе 10 нА в течение приблизительно 100 секунд. В этом примере скорость изменения термоэлектрического напряжения не превышает 7 мкВ/с. Двухшаговый дельта-метод колеблется на 30% по мере дрейфа напряжения термоэлектрической ошибки. В отличие от этого, трехшаговый дельта-метод имеет гораздо меньший уровень шума — на измерение не влияют термоэлектрические изменения в тестовой цепи.

Требования к оборудованию

Успех трехшагового дельта-метода зависит от линейной аппроксимации теплового дрейфа за короткий промежуток времени. Это приближение требует, чтобы время цикла измерения было меньше, чем тепловая постоянная времени испытательной системы. Это накладывает определенные требования к используемому источнику тока и вольтметру.

Источник тока должен быстро меняться через равные промежутки времени, чтобы термоэлектрическое напряжение изменялось на одинаковую величину между каждым измерением.

Вольтметр должен быть точно синхронизирован с источником тока и способен производить точные измерения за короткий промежуток времени. Синхронизация способствует аппаратному установлению связи между приборами, так что вольтметр может выполнять измерения напряжения только после того, как источник тока установится, а источник тока не меняет полярность до тех пор, пока измерение напряжения не будет завершено. Скорость измерения вольтметра имеет решающее значение для определения общего времени цикла; более быстрые измерения напряжения означают более короткое время цикла. Для надежных измерений сопротивления вольтметр должен поддерживать эту скорость без ущерба для малошумящих характеристик.

В приложениях с низким энергопотреблением источник тока должен быть способен выдавать низкие значения тока, чтобы не превышать максимальную номинальную мощность устройства. Эта способность особенно важна для устройств с умеренно высоким и высоким импедансом.

Дифференциальная проводимость

Еще одним важным методом измерения характеристик твердотельных и наноразмерных устройств является дифференциальная проводимость. Для этих материалов вещи редко упрощаются до закона Ома. В этих нелинейных устройствах сопротивление больше не является константой, поэтому для их изучения необходимо подробное измерение наклона этой кривой ВАХ в каждой точке. Эта производная называется дифференциальной проводимостью, dG = dI/dV (или ее обратной величиной). , дифференциальное сопротивление, dR = dV/dI). Фундаментальная причина интереса дифференциальной проводимости состоит в том, что проводимость достигает максимума при напряжениях (точнее, при энергиях электронов, в эВ), при которых электроны наиболее активны. В разных областях это измерение можно назвать спектроскопией электронной энергии, туннельной спектроскопией или плотностью состояний.

Как правило, исследователи проводят измерения дифференциальной проводимости одним из двух методов: получением кривой ВАХ с вычисленной производной или методом переменного тока. Метод кривой ВАХ требует только одного источника и одного измерительного прибора, что делает его относительно простым в координации и управлении. Выполняется вольтамперная развертка и находится математическая производная. Однако взятие математической производной усиливает любой шум измерения, поэтому тесты необходимо запускать несколько раз, а результаты усреднять, чтобы сгладить кривую, прежде чем вычислять производную. Это приводит к длительному времени испытаний.

Рис. 4: Метод кривой ВАХ для измерения дифференциальной проводимости включает дифференцирование сигнала, которое усиливает шум.

Метод переменного тока снижает уровень шума и время тестирования. Он накладывает синусоиду переменного тока малой амплитуды на качающееся смещение постоянного тока. Это включает в себя множество единиц оборудования, и его трудно контролировать и координировать. Сборка такой системы занимает много времени и требует обширных знаний в области электрических схем. Таким образом, хотя метод переменного тока производит немного меньший шум, он намного сложнее.

Рисунок 5: Метод переменного тока для получения дифференциальной проводимости может использовать до полудюжины компонентов, что делает его гораздо более сложным, чем метод кривой ВАХ. Однако количество шума, вносимого в измерения, уменьшается. Рисунок 6: Выполнение измерений дифференциальной проводимости с использованием всего двух инструментов, которые включают в себя все инструменты, используемые в методе переменного тока.

Однако существует другой способ получения дифференциальных измерений проводимости, который является одновременно простым и малошумным. Этот метод включает в себя источник тока, который объединяет компоненты постоянного и переменного тока в один инструмент. Нет необходимости выполнять вторичное измерение тока, потому что прибор является настоящим источником тока. На рис. 7 показан ток, полученный при измерении дифференциальной проводимости. Форма волны может быть разбита на переменный ток и ступенчатый ток. Используя точно такие же расчеты, как и в дельта-методе, можно выполнить точные измерения сопротивления или проводимости с измерениями в каждой точке лестницы. Поскольку метод трехступенчатой дельты устраняет линейно дрейфующие смещения, он также невосприимчив к эффектам нашей линейно изменяющейся лестницы. Кроме того, нановольтметр, используемый в этом методе, имеет меньший шум, чем синхронные усилители на частоте переменного тока.

Рисунок 7: Форма волны, используемая в новой методике, представляет собой линейную ступенчатую функцию, которая сочетает в себе переменный ток и ступенчатый ток.

У этого метода есть несколько преимуществ. Один из них заключается в том, что в областях с наибольшей проводимостью берется больше точек данных за счет получения развертки с равными шагами тока. Эти районы представляют наибольший интерес для исследователей и дают подробные данные. Кроме того, наличие всего одного прибора, который одновременно является источником тока и измеряет напряжение, значительно упрощает настройку оборудования. Наконец, сниженный уровень шума может сократить время тестирования с часа до пяти минут

Заключение

Термоэлектрические ЭДС часто являются основным источником ошибок при измерениях сопротивления при малом сопротивлении/малой мощности. Эта ошибка может быть почти полностью устранена с помощью метода трехточечного обращения тока. Использование этой новой технологии означает, что больше не нужно прилагать чрезмерных усилий для минимизации термических помех напряжения в проводке систем измерения сопротивления, что значительно упрощает процесс измерения. Применение того же метода к измерениям дифференциальной проводимости значительно снижает уровень шума и сложность испытаний.

Найдите более ценные ресурсы на TEK.COM

Copyright © Tektronix. Все права защищены. Продукция Tektronix защищена патентами США и других стран, как выданными, так и заявленными. Информация в этой публикации заменяет информацию во всех ранее опубликованных материалах. Привилегии изменения спецификации и цены защищены. TEKTRONIX и TEK являются зарегистрированными товарными знаками Tektronix, Inc. Все остальные упомянутые торговые названия являются знаками обслуживания, товарными знаками или зарегистрированными товарными знаками соответствующих компаний.