Free Press

Měření velmi velkých nebo velmi malých veličin je vždy obtížné a měření odporu není výjimkou. Jak hodnoty nad 1GΩ, tak hodnoty pod 1Ω představují problémy při měření.

Cropico je světovou jedničkou v oblasti měření nízkých odporů; vyrábíme ucelenou řadu nízkoodporových ohmmetrů a příslušenství, které pokrývají většinu měřicích aplikací. Tato příručka poskytuje přehled technik měření nízkých odporů, vysvětluje běžné příčiny chyb a způsoby, jak se jim vyhnout. Zahrnuli jsme také užitečné tabulky charakteristik vodičů a kabelů, teplotních koeficientů a různých vzorců, abychom vám zajistili co nejlepší volbu při výběru měřicího přístroje a měřicí techniky. Doufáme, že se vám tato příručka stane cenným doplňkem vaší sbírky nástrojů.

2. Jaké jsou možnosti měření? Použití

Výrobci součástek
Rezistory, cívky a tlumivky – ti všichni musí ověřit, že jejich výrobek splňuje stanovené tolerance odporu, zkoušky na konci výrobní linky a kontroly kvality.

Výrobci spínačů, relé & konektorů
Vyžaduje se ověření, že odpor kontaktů je nižší než předem stanovené limity. Toho lze dosáhnout při zkoušení na konci výrobní linky, čímž se zajistí kontrola kvality.

Výrobci kabelů
Musí měřit odpor měděných vodičů, které vyrábějí, příliš vysoký odpor znamená, že je snížena proudová zatížitelnost kabelu; příliš nízký odpor znamená, že výrobce je příliš velkorysý na průměr kabelu a používá více mědi, než musí, což může být velmi drahé.

Instalace &údržba silových kabelů, rozváděčů &měničů odboček napětí
Ty vyžadují, aby kabelové spoje a spínací kontakty měly co nejmenší odpor, čímž se zabrání nadměrnému zahřívání spoje nebo kontaktu, špatný kabelový spoj nebo spínací kontakt v důsledku tohoto zahřívacího efektu brzy selže. Běžná preventivní údržba s pravidelnou kontrolou odporu zajišťuje nejlepší možné životní výkony.

Výrobci elektromotorů &generátorů
Vyžaduje se stanovení maximální teploty dosažené při plném zatížení. K určení této teploty se používá teplotní součinitel měděného vinutí. Odpor se nejprve změří u studeného motoru nebo generátoru, tj. při teplotě okolí, poté se jednotka po určitou dobu spustí při plném zatížení a odpor se znovu změří. Ze změny hodnoty odporu lze určit vnitřní teplotu motoru/generátoru. Naše ohmmetry se používají také k měření jednotlivých cívek vinutí motoru, aby se zajistilo, že nedochází ke zkratu nebo rozpojení závitů a že je každá cívka vyvážená.

Automobilový průmysl
Požadavek na měření odporu svařovacích kabelů robotů, aby se zajistilo, že se kvalita svaru nezhorší, tj. krimpovací konektory vodičů akumulátorů, odpor detonátorů airbagů, odpor kabelových svazků a kvalita krimpovacích konektorů na součástech.

Výrobci pojistek
Pro kontrolu kvality, měření odporových vazeb na letadlech a vojenských vozidlech je nutné zajistit, aby všechna zařízení instalovaná v letadlech byla elektricky připojena k leteckému rámu, včetně vybavení galerií. Stejné požadavky mají i tanky a další vojenská vozidla. Výrobci a uživatelé velkých elektrických proudů všichni potřebují měřit rozložení odporu spojů, přípojnic a konektorů k elektrodám pro galvanické pokovení.

Železniční podniky
Včetně tramvají a podzemních drah (metro) – pro měření spojů rozvodných kabelů včetně odporu spojů kolejnic, protože kolejnice se často používají pro signalizační informace.

3. Odpor

Ohmův zákon V = I x R (Volty = proud x odpor). Ohm (Ω) je jednotka elektrického odporu, která se rovná odporu vodiče, v němž vzniká proud jednoho ampéru při potenciálu jednoho voltu na jeho svorkách. Ohmův zákon, pojmenovaný po svém objeviteli, německém fyzikovi Georgu Ohmovi, je jedním z nejdůležitějších, základních zákonů elektřiny. Definuje vztah mezi třemi základními elektrickými veličinami: proudem, napětím a odporem. Pokud je do obvodu obsahujícího pouze odporové prvky přivedeno napětí, protéká proud podle Ohmova zákona, který je znázorněn na obrázku níže.

4. Jaký proud protéká obvodem? Principy měření odporu

Metoda voltmetru
Tato metoda se vrací k základům. Použijeme-li jako zdroj napětí baterii, voltmetr k měření napětí a ampérmetr k měření proudu v obvodu, můžeme s přiměřenou přesností vypočítat odpor. I když tato metoda může poskytnout dobré výsledky měření, není praktickým řešením pro každodenní potřeby měření.

Kelvinův dvojitý můstek
Kelvinův můstek je variantou Wheatstonova můstku, která umožňuje měřit nízké odpory. Rozsah měření by měl být obvykle 1mΩ až 1kΩ s nejmenším rozlišením 1μΩ. Omezení Kelvinova můstku jsou:-

1. vyžaduje ruční vyvážení
2. k detekci stavu vyvážení je zapotřebí citlivý nulový detektor nebo galvanometr
3. měřicí proud musí být přiměřeně vysoký, aby bylo dosaženo dostatečné citlivosti

Kelvinův dvojitý můstek byl obecně nahrazen digitálními ohmmetry.

DMM – dvouvodičové zapojení
Pro vyšší hodnoty odporu lze použít jednoduchý digitální multimetr. Používají dvouvodičovou metodu měření a jsou vhodné pouze pro měření hodnot nad 100 Ω a tam, kde není vyžadována vysoká přesnost.

Při měření odporu součástky (Rx) je přes součástku protlačován zkušební proud a měřicí přístroj měří napětí na jejích svorkách. Měřicí přístroj pak vypočítá a zobrazí výsledný odpor a je znám jako dvouvodičové měření. Je třeba poznamenat, že měřicí přístroj měří napětí na svých svorkách, nikoli na součástce. V důsledku toho je do výpočtu odporu zahrnut i úbytek napětí na připojovacích vodičích. Kvalitní měřicí vodiče budou mít odpor přibližně 0,02Ω na metr. Kromě odporu přívodů bude do měření zahrnut také odpor přívodního spojení, který může mít stejně vysokou nebo dokonce vyšší hodnotu než samotné přívody.

Při měření větších hodnot odporu lze tuto dodatečnou chybu odporu přívodů ignorovat, ale jak je vidět z níže uvedeného grafu, chyba se výrazně zvyšuje s klesající měřenou hodnotou a zcela nevhodně se projeví pod 10Ω.

Tabulka 1

Příklady možných chyb měření

Pro měření skutečného stejnosměrného proudu se u odporových ohmmetrů obvykle používá čtyřvodičové měření. Stejnosměrný proud prochází přes Rx a přes vnitřní etalon ohmmetru. Poté se změří napětí na Rx a vnitřním etalonu a poměr obou naměřených hodnot se použije k výpočtu odporu. Při této metodě musí být proud stálý pouze po dobu několika milisekund potřebných k tomu, aby ohmmetr provedl obě měření, ale vyžaduje dva měřicí obvody. Měřené napětí je velmi malé a obvykle se vyžaduje citlivost měření μV.

Alternativně se k průchodu proudu přes Rx používá zdroj konstantního proudu. Pak se změří úbytek voltů na Rx a vypočítá se odpor. Tato metoda vyžaduje pouze jeden měřicí obvod, ale generátor proudu musí být stabilní za všech podmínek měření.

Čtyřvodičové zapojení
Čtyřvodičová (Kelvinova) metoda měření se upřednostňuje pro hodnoty odporu nižší než 100Ω a všechny miliohmmetry a mikrohmmetry Seaward tuto metodu používají. Tato měření se provádějí pomocí 4 samostatných vodičů. Dva vodiče vedou proud, známé jako zdrojové nebo proudové vodiče, a procházejí proudem přes Rx. Zbývající 2 vodiče, známé jako snímací nebo potenciálové vodiče, se používají ke snímání úbytku napětí na Rx. Přestože snímacími vodiči protéká malý proud, je zanedbatelný a lze jej ignorovat. Úbytek napětí na snímacích svorkách ohmmetru je proto prakticky stejný jako úbytek napětí na Rx. Tento způsob měření poskytne přesné a konzistentní výsledky při měření odporů pod 100 Ω.

Z hlediska měření je tento typ zapojení se 4 samostatnými vodiči nejlepší; 2 proudové (C a C1) a 2 potenciálové (P a P1). Proudové vodiče musí být vždy umístěny mimo potenciál, i když přesné umístění není rozhodující. Potenciálové vodiče musí být připojeny přesně v bodech, mezi kterými chcete měřit. Měřená hodnota se bude nacházet mezi potenciálovými body. To sice poskytuje nejlepší výsledky měření, ale často to není praktické. Žijeme v nedokonalém světě a někdy je třeba udělat drobné kompromisy, Cropico může nabídnout řadu praktických řešení měření.

5. V případě, že je nutné provést měření, je nutné provést drobné kompromisy. Metody připojení 4 svorek

Kelvinovy svorky
Kelvinovy svorky jsou podobné krokodýlím (aligátorovým) svorkám, ale s každou čelistí izolovanou od druhé. Proudový vodič je připojen k jedné čelisti a potenciální vodič k druhé. Kelvinovy svorky nabízejí velmi praktické řešení připojení čtyř svorek k vodičům, přípojnicím, deskám atd.

Duplexní ruční hroty
Ruční hroty nabízejí další velmi praktické řešení připojení, zejména pro plechový materiál, přípojnice a tam, kde může být problém s přístupem. Ruční hrot se skládá ze dvou odpružených hrotů uzavřených v rukojeti. Jeden hrot je proudovým připojením a druhý je potenciálním nebo smyslovým připojením.

Připojení pomocí stohovaných vodičů
Někdy je jediným praktickým řešením pro vytvoření připojení k Rx použití stohovaných vodičů. Proudový vodič se zasune do zadní části potenciálního vodiče. Tato metoda poskytne malé chyby, protože bod měření bude v místě, kde se potenciální vodič připojuje k proudovému vodiči. Pro měření nepohodlně přístupných vzorků to může být nejlepší kompromisní řešení.

Kabelové svorky

Při měření kabelů během výroby a pro účely kontroly kvality je nutné zachovat konzistentní podmínky měření. Délka vzorku kabelu je obvykle 1 metr a pro zajištění přesného měření délky 1 metr je třeba použít kabelové svorky. Společnost Cropico nabízí různé kabelové svorky, které vyhovují většině velikostí kabelů. Měřený kabel se umístí do svorky a konce kabelu se upnou do proudových svorek. Body potenciálního připojení mají obvykle podobu kontaktů s ostřím nože, které jsou od sebe vzdáleny přesně 1 metr.

Sestavy a přípravky
Při měření jiných součástí, jako jsou rezistory, pojistky, kontakty spínačů, nýty atd. nelze dostatečně zdůraznit význam použití zkušebního přípravku, který součást drží. Tím se zajistí, že podmínky měření, tj. poloha měřicích vodičů, budou pro každou součást stejné, což povede ke konzistentním, spolehlivým a smysluplným měřením. Přípravky musí být často speciálně navrženy tak, aby vyhovovaly dané aplikaci.

6. Přípravky pro měření se musí vyrábět speciálně pro danou aplikaci. Možné chyby měření

Existuje několik možných zdrojů chyb měření spojených s měřením nízkých odporů. Nejčastější z nich jsou popsány níže.

Znečištěné spoje
Stejně jako u všech měření je důležité zajistit, aby připojované zařízení bylo čisté a bez oxidů a nečistot. Přípojky s vysokým odporem způsobují chyby čtení a mohou zabránit měření. Je třeba také poznamenat, že některé povlaky a oxidy na materiálech jsou dobrými izolátory. Klasickým příkladem je eloxování, které má velmi vysoký odpor. Nezapomeňte povlak v místech připojení očistit. Ohmmetry Cropico obsahují upozornění na chybu přívodů, které signalizuje, pokud mají spoje příliš vysoký odpor.

Příliš vysoký odpor přívodů
Ačkoli teoreticky není čtyřsvorkový způsob měření ovlivněn délkou přívodů, je třeba dbát na to, aby přívody neměly příliš vysoký odpor. Potenciálové vodiče nejsou kritické a obvykle mohou mít až 1 kΩ, aniž by to ovlivnilo přesnost měření, ale kritické jsou proudové vodiče. Pokud mají proudové vodiče příliš vysoký odpor, úbytek napětí na nich bude mít za následek nedostatečné napětí na DUT (testovaném zařízení), aby bylo možné provést rozumný odečet. Ohmmetry Cropico kontrolují toto vyhovující napětí na DUT a zabrání provedení měření, pokud je příliš nízké. K dispozici je také výstražný displej, který zabraňuje odečtu a zajišťuje, aby se neprováděla falešná měření. Pokud potřebujete použít dlouhé měřicí kabely, zvětšete jejich průměr, abyste snížili jejich odpor.

Šum při měření
Jako u každého typu měření nízkého napětí může být problémem šum. Šum vzniká uvnitř měřicích vodičů, když jsou pod vlivem magnetického pole, které se mění, nebo když se vodiče v tomto poli pohybují. Aby se tento jev minimalizoval, měly by být vodiče co nejkratší, v klidu a v ideálním případě stíněné. Společnost Cropico si uvědomuje, že pro dosažení tohoto ideálu existuje mnoho praktických omezení, a proto navrhla obvody svých ohmmetrů tak, aby tyto jevy minimalizovala a eliminovala. Tepelné emf Tepelné emf v DUT je pravděpodobně největší příčinou chyb při měření nízkých odporů. Nejprve musíme pochopit, co máme na mysli pod pojmem tepelné emf a jak vzniká. Tepelná emf jsou malá napětí, která vznikají při spojení dvou nepodobných kovů, které tvoří tzv. termočlánkový spoj. Termočlánek generuje emf v závislosti na použitých materiálech na spoji a na rozdílu teplot mezi horkým a referenčním, neboli studeným, spojem.

Tento efekt termočlánku vnáší do měření chyby, pokud nejsou přijata opatření ke kompenzaci a odstranění těchto tepelných emf. Mikrometry a miliohmmetry Cropico tento efekt eliminují tím, že nabízejí automatický průměrný režim měření, někdy nazývaný spínaná stejnosměrná nebo průměrná metoda. Měření se provádí s proudem tekoucím v přímém směru a poté se provede druhé měření s proudem v opačném směru. Zobrazená hodnota je průměrem těchto dvou měření. Jakékoli tepelné emf v měřicím systému se přičte k prvnímu měření a odečte se od druhého; výsledná zobrazená průměrná hodnota eliminuje nebo ruší tepelné emf z měření. Tato metoda poskytuje nejlepší výsledky pro odporové zátěže, ale není vhodná pro induktivní vzorky, jako je vinutí motoru nebo transformátoru. V těchto případech ohmmetr pravděpodobně přepne směr proudu dříve, než se indukčnost zcela nasytí, a správné naměřené hodnoty nebude dosaženo.

Měření společného odporu 2 přípojnic

Nesprávný zkušební proud
Vždy je třeba zvážit, jaký vliv bude mít měřicí proud na DUT. Přístroje s malou hmotností nebo konstruované z materiálů, které mají vysoký teplotní součinitel, jako jsou tenká vlákna měděného drátu, bude třeba měřit minimálním dostupným proudem, aby se zabránilo zahřívání. V těchto případech může být vhodný jediný proudový impulz, který způsobí minimální zahřívání. Pokud DUT podléhá vlivům tepelného napětí, je vhodná metoda spínaného proudu popsaná výše. Ohmmetry řady Cropico DO5000 mají volitelné proudy od 10 % do 100 % v krocích po 1 % a navíc režim jednoho impulsu, a proto je lze nakonfigurovat tak, aby vyhovovaly většině aplikací.

Vlivy teploty
Je důležité si uvědomit, že odpor většiny materiálů bude ovlivněn jejich teplotou. V závislosti na požadované přesnosti měření může být nutné kontrolovat prostředí, ve kterém se měření provádí, a udržovat tak konstantní teplotu okolí. Tak tomu bude v případě měření referenčních standardů odporu, které se měří v kontrolované laboratoři při teplotě 20 °C nebo 23 °C. Při měřeních, kde není možné kontrolovat teplotu okolí, lze použít zařízení ATC (automatická teplotní kompenzace). Teplotní sonda připojená k ohmmetru snímá okolní teplotu a údaj o odporu je korigován na referenční teplotu 20 °C. Dva z nejčastěji měřených materiálů jsou měď a hliník a jejich teplotní koeficienty jsou znázorněny na protější straně.

Teplotní koeficient mědi (blízko pokojové teploty) je +0,393 % na °C. To znamená, že pokud se teplota zvýší o 1 °C, odpor se zvýší o 0,393 %. U hliníku je to +0,4100 % na °C.

7. V případě hliníku je to +0,4100 % na °C. Výběr správného přístroje

TABULKA 2

Typická tabulka specifikací přístroje

Rozsah:
Maximální možný údaj při tomto nastavení

Rozlišení:
Nejmenší číslo (číslice) zobrazené pro tento rozsah

Měřicí proud:
Nominální proud používaný tímto rozsahem

Přesnost:
Nejistota měření v rozsahu okolní teploty 15 až 25 °C

Teplotní koeficient:
Dodatečná možná chyba pod teplotou okolí 15°C a nad 25°C

Při výběru nejlepšího přístroje pro vaši aplikaci je třeba vzít v úvahu následující:-

Přesnost lze lépe popsat jako nejistotu měření, což je blízkost shody mezi výsledkem naměřené hodnoty a skutečnou hodnotou. Obvykle se vyjadřuje ve dvou částech, tj. procento odečtu plus procento plného rozsahu stupnice. Prohlášení o přesnosti by mělo zahrnovat použitelný teplotní rozsah plus dobu, po kterou přesnost zůstane v uvedených mezích. Upozornění: Někteří výrobci uvádějí velmi vysoký údaj o přesnosti, který však platí pouze po krátkou dobu 30 nebo 90 dnů. Všechny ohmmetry Cropico uvádějí přesnost po dobu celého 1 roku.

Rozlišení je nejmenší přírůstek, který měřicí přístroj zobrazí. Je třeba poznamenat, že k dosažení vysoké přesnosti měření je zapotřebí přiměřeně vysoké rozlišení, ale vysoké rozlišení samo o sobě neznamená, že měření má vysokou přesnost.

Příklad:

Naměřená hodnota může být také zobrazena s velmi vysokým rozlišením, ale nízkou přesností, tj. 1Ω naměřený s přesností 1 %, ale rozlišením 100 μΩ by byl zobrazen jako 1,0001Ω. Jediné smysluplné číslice by byly 1,0100, poslední dvě číslice by pouze ukazovaly kolísání naměřených hodnot. Tyto fluktuace mohou být zavádějící a zdůrazňují případnou nestabilitu DUT. Mělo by být zvoleno vhodné rozlišení, které zajistí pohodlné čtení na displeji.

Délka měřítka měření
Digitální měřicí přístroje zobrazují naměřené hodnoty pomocí displejů, které mají maximální počet, často 1999 (někdy se označuje jako 3Ω číslice). To znamená, že maximální hodnota, kterou lze zobrazit, je 1999 a nejmenší rozlišení je 1 číslice v 1999. Při měření 1Ω se na displeji zobrazí hodnota 1 000, což znamená rozlišení 0,001 mΩ. Pokud chceme měřit 2Ω, budeme muset zvolit vyšší rozsah 19,99Ω plného rozsahu a hodnota se zobrazí jako 2,00Ω, rozlišení 0,01Ω. Je tedy vidět, že je žádoucí mít větší délku stupnice než tradiční 1999. Ohmmetry Cropico nabízejí délku stupnice až do počtu 6000, což by znamenalo zobrazenou hodnotu 2,000 s rozlišením 0,001Ω.

Volba rozsahu
Volba rozsahu může být buď ruční, nebo automatická. Automatická volba rozsahu může být sice velmi užitečná, pokud není známa hodnota Rx, ale měření trvá déle, protože přístroj musí najít správný rozsah. Pro měření na řadě podobných vzorků je lepší zvolit rozsah ručně. Kromě toho budou různé rozsahy přístroje měřit s různými proudy, které nemusí být pro testované zařízení vhodné. Při měření indukčních vzorků, jako jsou motory nebo transformátory, se měřená hodnota zvyšuje s nasycením indukčnosti, dokud není dosaženo konečné hodnoty. Automatická volba rozsahu by se v těchto aplikacích neměla používat, protože změnou rozsahu se přeruší měření proudu a může se změnit i jeho velikost a není pravděpodobné, že bude dosaženo konečného ustáleného údaje.

Teplotní koeficient
Teplotní koeficient měřicího přístroje je důležitý, protože může výrazně ovlivnit přesnost měření. Měřicí přístroje se obvykle kalibrují při okolní teplotě 20 nebo 23°. Teplotní koeficient udává, jak je přesnost měření ovlivněna změnami okolní teploty.

Velikost a režim proudu
Důležitý je výběr přístroje s vhodným měřicím proudem pro danou aplikaci. Například pokud se mají měřit tenké vodiče, pak by vysoký měřicí proud vodič zahřál a změnil by hodnotu jeho odporu. Měděný drát má při teplotě okolí teplotní koeficient 4 % na °C, takže u drátu s odporem 1Ω se zvýšením teploty o 10 °C zvýší jeho hodnota na 10 x 0,004 = 0,04Ω. Pro některé aplikace jsou však výhodnější vyšší proudy.

Důležitý může být také režim měřicího proudu. Při měření tenkých vodičů opět platí, že krátký měřicí proudový impulz namísto použití spojitého proudu minimalizuje případný vliv zahřívání. Spínaný stejnosměrný režim měření může být také vhodný k eliminaci chyb tepelného napětí, ale pro měření vinutí motorů nebo transformátorů by byl proudový impulz nebo spínaný stejnosměrný proud nevhodný. Pro nasycení indukčnosti, které poskytuje správnou měřenou hodnotu, je nutný spojitý proud. Automatická teplotní kompenzace Při měření materiálů s vysokým teplotním koeficientem, jako je například měď, se hodnota odporu s teplotou zvyšuje. Měření provedená při okolní teplotě 20 °C budou o 0,4 % nižší než měření při 30 °C. To může být zavádějící, pokud se snažíte porovnat hodnoty pro účely kontroly kvality. K překonání tohoto problému jsou některé ohmmetry vybaveny automatickou teplotní kompenzací (ATC). Teplota okolí je měřena teplotním čidlem a zobrazená hodnota odporu je korigována na změny teploty vztažené k 20 °C.

Rychlost měření
Rychlost měření není obvykle příliš důležitá a většina ohmmetrů měří rychlostí přibližně 1 odečet za sekundu, ale v automatizovaných procesech, jako je výběr součástek a testování výrobní linky, může být žádoucí vysoká rychlost měření, až 50 měření za sekundu. Při měření těmito rychlostmi je samozřejmě nutné ohmmetr dálkově ovládat pomocí počítače nebo rozhraní PLC.

Dálkové připojení
Pro dálkové připojení může být vhodné rozhraní IEEE-488, RS232 nebo PLC. Rozhraní IEEE-488 je paralelní port pro přenos 8 bitů (1bytu) informací najednou po 8 vodičích. Má vyšší přenosovou rychlost než RS232, ale je omezeno vzdáleností připojovacího kabelu na 20 metrů.

Rozhraní RS232 je sériový port pro přenos dat v sériovém bitovém formátu. Rozhraní RS232 má nižší přenosovou rychlost než IEEE-488 a vyžaduje pouze 3 linky pro přenos dat, příjem dat a uzemnění signálu.

Rozhraní PLC umožňuje základní dálkové ovládání mikrohustoměru pomocí programovatelného logického automatu nebo podobného zařízení.

Prostředí

Je třeba zvážit, v jakém prostředí se má ohmmetr používat. Je zapotřebí přenosný přístroj? Musí být konstrukce dostatečně odolná, aby odolala podmínkám na staveništi? V jakém rozsahu teplot a vlhkosti musí pracovat?

Pro více informací o našich produktech si prohlédněte produktové řady Millohmmetrů a mikrohmmetrů.

Stáhněte si celou příručku ve formátu PDF, která obsahuje všechny kapitoly:

KLIKNĚTE ZDE PRO STÁHNUTÍ CELÉ PŘÍRUČKY