Измерение электрического сопротивления постоянному току

Какие есть приборы для измерения электрического сопротивления

Часто возникает вопрос, как называются приборы для измерения сопротивления. Чтобы измерить электрическое сопротивление, используются следующие приборы:

• Омметр. Это прибор спецназначения, который предназначен, чтобы определить сопротивление электротока.
• Мегаомметр. Измерительное устройство, которое предназначено, чтобы измерять большие показатели сопротивления. Отличием от омметра станет то, что при замерах в цепь будет подаваться высокое напряжение.
• Мультиметр. Электроприбор, который способен измерить разные показатели электроцепи, включая сопротивление. Есть 2 разновидности: цифровой и аналоговый.

Омметр

Ремонт проводки, электро- и радиотехнических изделий предполагает проверку целостности кабелей и поиск нарушения контактов в соединениях. В некоторых ситуациях сопротивление равняется бесконечности, в других — 0.

Важно! Измерять сопротивление в цепи с помощью омметра, чтобы избежать поломки, допустимо лишь при обесточивании проводов. Измерение сопротивления омметром

Измерение сопротивления омметром

До замеров сопротивления омметром требуется приготовить измеритель. Требуется:

• Зафиксировать переключатель изделия в позицию, которая соответствует наименьшему замеру величины сопротивления.
• Затем проверяется функциональность омметра, поскольку бывают плохие элементы питания и устройство способно не функционировать. Соединяются окончания щупов друг с другом. В омметре стрелка устанавливается точно на 0, когда это не произошло, возможно покрутить рукоятку «Уст. 0». Если изменений нет, заменяются батарейки.
• Чтобы прозвонить электроцепь, возможно использовать прибор, где сели батарейки и стрелка не ставится на 0. Сделать вывод о целостности электроцепи возможно по отклонению стрелки. Омметр должен показывать 0, вероятно отклонение в десятых омов.
• После проверки изделие готово к функционированию. Когда коснуться окончаниями щупов проводника, то в ситуации с его целостностью, устройство показывает нулевое сопротивление, иначе показания не поменяются.

Использование омметра

Мегаомметр

Чтобы измерить электросопротивление в диапазоне мегаомов, применяется устройство мегаомметр. Принцип функционирования устройства основывается на использовании закона Ома.

Для реализации такого закона в изделии, понадобятся:

• генератор постоянного тока;
• головка для измерений:
• клеммы, чтобы подключить измеряемое сопротивление;
• резисторы для работы измерительной головки в рабочем диапазоне;
• переключатель, который коммутирует резисторы.

Важно! Реализация мегаомметра нуждается в минимальном количестве элементов. Подобные изделия исправно функционируют длительное время

Напряжение в аппаратах будет выдавать генератор постоянного тока, величины которого разнятся.

Измерение сопротивления мегаомметром

Работы на электрооборудовании с таким устройством несут повышенную опасность в результате того, что устройство будет вырабатывать высокое напряжение, возникает риск травматизма. Работы с мегаомметром производит персонал, который изучил руководство по использованию устройства, правила техники безопасности во время работ в электрооборудовании. Специалист должен иметь группу допуска и время от времени проходить проверку на знание правил работы в установке.

Мультиметр

Мультиметры бывают универсальными и специализированными, предназначенными в целях выполнения одного действия, однако проводимого по максимуму точно. В устройстве омметр считается лишь элементом прибора, его нужно включить в необходимый режим. Мультиметры нуждаются в определенных навыках применения — необходимо знать об их правильном подключении и интерпретировании готовых сведений.

На вид цифровое и аналоговое устройства легко различить: в цифровом информация выводится на монитор цифрами, в аналоговом циферблат проградуирован и на показатели указывает стрелка. Цифровой мультиметр более прост в применении, поскольку тут же покажет готовые данные, а показания аналогового нужно расшифровывать.

Во время работы с подобными приспособлениями, нужно учесть, что в цифровом мультиметре присутствует индикатор разрядки источника питания — когда силы тока аккумулятора не хватает, он перестанет функционировать. Аналоговый в подобном случае ничего не показывает, а просто выдает ошибочные сведения.

Важно! Для бытового использования подходит любое устройство, на шкале которого указывается достаточный предел измерения сопротивления. Измерение мультиметром

Измерение мультиметром

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного I_n и дырочного I_p токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.
Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Мостовой метод

Устройства, применяемые для реализации такого измерения, именуют измерительными мостами. Четырехплечевой или одинарный мост содержит в себе две диагонали и четыре плеча:

Мост образуют три резистора, значения которых известны – R₂, R₃, R₄ и соответственно сопротивление, значение которого необходимо измерить R_x. В одну из диагоналей моста необходимо подключить источник питания, для данного случая источник Е подключенный к зажимам a и b, а другую нулевой индикатор НИ (зажимы c и d), который выполняет роль указателя симметричности моста. Когда потенциалы в точках c и d будут равны, то отклонение в НИ протекает ток I_НИ = 0 и его отклонение тоже  равно нулю. Мост в состоянии равновесия. Будут выполнятся следующие соотношения: I₁ = I₂, I₃ = I₄, R_xI₁=R₃I₃, R₂I₂=R₄I₄. Учтя равенство токов и почленно разделив два последних уравнения получим:

Из данного выражения можем выделить искомое сопротивление:

Плечо R₂ именуют плечом сравнения, а плечами отношений R₃ и R₄ соответственно.

Методом одинарного моста измеряют только средние сопротивления. Измерять им малые и большие сопротивления не рекомендуют. Нижний предел измерений моста (единицы Ом) ограничивается влиянием сопротивлений проводов и контактов, которые подключаются в плечо ас последовательно с объектом измерения R_х. Верхний предел (105 Ом) ограничен шунтирующим действием токов утечки.

Как определить величину сопротивления

Эту задачу в 1826 г. решил немецкий ученый Георг Ом. Он провел большое число экспериментов с образцами разных проводников. С помощью набора источников тока он подавал напряжение U на исследуемые образцы и, одновременно измерял c помощью амперметра электрический ток I. Полученные результаты позволили ему вывести формулу, названную законом Ома:

$ U = I * R $ (1)

где:

U — напряжение, В;

I — сила тока, А.

Величина R была названа электрическим сопротивлением. Пользуясь формулой (1) можно получить уравнение для вычисления R по результатам измерения напряжения U и тока I:

$ R={U \over I} $ (2)

Рис. 2. Схема измерения напряжения и тока в экспериментах Георга Ома.

Измерительные мосты постоянного тока

Для измерения собирают мостовую схему из 4-х резисторов, один из которых — тестируемый (Rx), а три других — образцовые регулируемые (R1, R2, R3).

Одну диагональ моста подключают к полюсам источника питания, к другой через выключатель и ограничивающий резистор подсоединяют амперметр высокой чувствительности (милли- или микроамперметр). Подстраивая резисторы R1, R2 и R3, проверяющий балансирует мост — добивается, чтобы на амперметре отобразился «0».

Такая ситуация наступит при равенстве произведений сопротивлений на противоположных плечах моста, откуда определяют сопротивление Rx тестируемого элемента по формуле: Rx = (R1*R3)/R2.

Конструкция простейшего омметра

Омметр — прибор для измерения активного сопротивления. Самый простой вариант — аналоговый или стрелочный. Действие основано на способности протекающего по проводнику тока создавать магнитное поле, значительно усиливающееся при сматывании провода в катушку.

Внутри аналогового омметра имеются такие компоненты:

1. подвижная катушка на пружинке с присоединенной к ней стрелкой;
2. постоянный магнит;
3. блок ограничивающих резисторов R (нужный выбирается переключателем);
4. источник питания — батарейка или аккумулятор;
5. щупы с разъемами для подключения к прибору.

При подсоединении щупов к выводам проверяемого элемента с сопротивлением RX, цепь замыкается и через катушку течет ток.

Его величина зависит от RX, а ограничивающий резистор R исключает возможность короткого замыкания. От силы тока зависит индукция магнитного поля, создаваемого катушкой, и, соответственно, сила ее взаимодействия с постоянным магнитом.

Чем выше эта сила, тем больше смещается катушка, растягивая пружину, и тем дальше отклонится прикрепленная к ней стрелка. Подключая разные ограничивающие резисторы, меняют чувствительность прибора — от нее зависит диапазон измерений.

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r_t:

r_t = r .

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r_t = r = 100 (1 + 0,0066 α 200) = 232 Ом.

Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Приборы измерения сопротивления

Контура заземления

Залог надлежащей работы защитного заземления — его низкое сопротивление.

Требуется регулярно проверять сопротивление контура заземления, поскольку он может возрастать из-за следующих причин:

• окисление (коррозия) поверхности электродов заземлителя;
• увеличение удельного сопротивления грунта;
• нарушение контакта между токопроводящей шиной и заземлителем из-за коррозии или механических повреждений.

Измерение сопротивления заземлителя также вычисляют по закону Ома для участка цепи.

Для этого на определенном расстоянии от тестируемого заземлителя, в грунт вбивают основной и вспомогательный измерительный электроды, затем соединяют их проводами с заземлителем.

Полученную цепь подключают к калиброванному источнику питания и замеряют две величины:

1. протекающий в цепи ток I;
2. падение напряжения U на участке между тестируемым заземлителем и вспомогательным электродом.

Искомое сопротивление определяют делением: R = U / I.

Измерение контура заземления

Описанный метод амперметра и вольтметра является наиболее простым, но дает значительную погрешность. Поэтому работа современных приборов основана на более точных методах, например, компенсационном. Сопротивление контуров заземления измеряют как аналоговыми приборами (МС-08, Ф4103-М1, М4116), так и цифровыми.

Весьма удобны приборы с токоизмерительными клещами, обладающие следующими преимуществами:

• не используются дополнительное оборудование и электроды (необходимо двое токоизмерительных клещей);
• не требуется разрывать цепь заземлителя.

Удельного сопротивления грунта

Некоторые из приборов для измерения сопротивления контура заземлителя, дополнительно снабжены функцией определения удельного сопротивления грунта. Для этого электроды подключают по иной схеме. Например, часто используют метод 4-х электродов.

Важно не располагать электроды ближе 20 м от коллекторов, металлических башен и прочих конструкций с хорошей проводимостью, так как они сильно искажают результаты измерений.

В цепях переменного тока

В цепях переменного тока помимо активного сопротивления имеет место реактивное. Для его измерения применяются другие приборы.

Петли фаза-ноль

Сопротивление участка электросети от трансформатора на подстанции до розетки нормируется. Если оно вследствие ошибок при монтаже или неверного подбора сечения проводов окажется завышенным, это приведет к несбалансированному режиму работы и даже аварии.

Данный участок представляет собой петлю, образованную фазным и нулевым проводниками. Отсюда и название — петля фаза-ноль.

Порядок действий при расчете сопротивления:

1. вольтметром замеряют напряжение U1 между фазой и нулем в розетке. В идеале следует замерять ЭДС на выводах обмотки трансформатора, но доступа к нему обычно нет;
2. в розетку включают нагрузку и последовательно с ней — амперметр. Нагрузка подбирается так, чтобы сила тока I в цепи была стабильной и составляла 10 – 20 А. При меньших значениях завышенное сопротивление петли может себя не проявить;
3. вольтметром определяется падение напряжения U2 на нагрузке.

Расчет производят так:

1. вычисляют полное сопротивление цепи: R1 = U1/I;
2. рассчитывают сопротивление нагрузки: R2 = U2/I;
3. определяют сопротивление петли фаза-ноль путем вычитания из полного сопротивления цепи сопротивления нагрузки: Rп = R1 – R2.

Обычным мультиметром выполнить измерения нельзя — он дает большую погрешность. Требуются приборы повышенной точности — класса 0,2. Это измерители лабораторного уровня: они часто поверяются и требуют от оператора высокой квалификации.

Иногда их называют «измерителями тока короткого замыкания», но это не совсем верно: непосредственно токи КЗ прибор не определяют, он лишь вычисляет его значение, основываясь на результатах измерения (по обычному закону Ома).

Прибор содержит:

• высокоточный амперметр;
• высокоточный вольтметр;
• нагрузочный резистор;
• элементы питания для функционирования цифрового блока обработки данных.

Пользователю достаточно вставить щупы в розетку и нажать кнопку «пуск». Измеритель сам выполнит порядок действий, описанный выше, и отобразит результат на дисплее.