Pomiar rezystancji za pomocą rozwiązań Keysight Technologies
Na pierwszy rzut oka pomiar rezystancji wydaje się prosty, ponieważ jest jedynie połączeniem źródła i pomiaru napięcia lub prądu w oparciu o prawo Ohma. Jednak w rzeczywistości istnieje wiele czynników błędu, które uniemożliwiają nam wykonanie dokładnego pomiaru rezystancji. Jednocześnie czynniki wpływające na wyniki pomiarów różnią się w zależności od zakresu rezystancji. Dlatego tak ważne jest, aby dobrać odpowiednie przyrządy zgodnie z charakterystyką badanego urządzenia (DUT), aby uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów. Keysight Technologies, Inc. oferuje różnorodne rozwiązania do pomiaru rezystancji, które obejmują rezystancję od μΩ do PΩ, zapewniając najlepszy wybór spełniający Twoje potrzeby w zakresie pomiaru rezystancji. Rysunek 1 przedstawia różne rozwiązania do pomiaru rezystancji Keysight w zależności od jej zakresu
Rysunek 1. Rozwiązania Keysight do pomiarów rezystancji
Rozwiązania do pomiaru rezystancji Keysight
Ze względu na swoją wygodę multimetry cyfrowe są powszechnie używane do pomiarów rezystancji. Keysight oferuje szeroką gamę multimetrów cyfrowych zarówno ręcznych i stacjonarnych. Pozwala to wybrać model, który będzie pasował do wymagań pomiarowych i środowiska użytkowania. Ponieważ większość multimetrów cyfrowych używa tylko trybu automatycznego pomiaru rezystancji, prąd testowy jest zasadniczo stały dla każdego zakresu. Ręczne multimetry cyfrowe zazwyczaj obsługują tylko połączenia 2-przewodowe, podczas gdy większość stacjonarnych multimetrów cyfrowych obsługuje połączenia 2- i 4-przewodowe. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/dmm
Rysunek 2. Multimetry Keysight
Keysight oferuje również precyzyjne źródła mierzące (SMU) Keysight B2900B zapewniające wszechstronne rozwiązanie do pomiaru rezystancji, które obejmuje prądy od 10 fA do 3 A (DC) / 10,5 A (impuls) i napięcia od 100 nV do 210 V. Możliwości źródła prądu, źródła napięcia, miernika prądu i miernika napięcia wraz z możliwością łatwego przełączania się między tymi różnymi funkcjami w ramach jednego przyrządu (patrz rysunek 3).
Rysunek 3. SMU łączy 4 funkcje pomiarowe w jednym przyrządzie
Daje to możliwość oceny charakterystyk prądowo-napięciowych (IV), w tym rezystancji, bez konieczności stosowania dodatkowego wyposażenia. Oprócz możliwości zasilania i pomiaru napięcia lub prądu z dużą dokładnością, jednostki SMU mogą również nakładać ograniczenia na napięcie lub prąd wyjściowy, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/precisonSMU
Zalety stosowania SMU do pomiarów rezystancji:
-Dostępne są tryby wyjścia prądowego i napięciowego
-Funkcja która umożliwia nałożenie ograniczenia na wyjście prądowe lub napięciowe, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia
-Tryb pracy impulsowej, aby zapobiec zniekształceniu wyników pomiarów przez nagrzewanie się urządzenia (oprócz trybu pracy DC)
-Ręczny tryb pomiaru zapewniający opcjonalne ustawienia prądu testowego lub ustawienia napięcia w celu wyeliminowania samonagrzewania spowodowanego rozpraszaniem mocy (oprócz trybu pomiaru automatycznego)
-4-przewodowe połączenia eliminujące wpływ rezystancji kabli przy pomiarach o niskiej rezystancji (a także połączenia 2-przewodowe)
-Funkcja kompensacji rezystancji w celu zminimalizowania błędów
Rysunek 4 przedstawia przykład pomiaru z użyciem serii B2900A i rezystora 1 Ω, który pokazuje efekt połączeń 4-przewodowych. W przypadku pomiarów o niskiej rezystancji konieczne jest użycie konfiguracji 4-przewodowej, ponieważ rezystancja przewodu pomiarowego jest porównywalna z rezystancją urządzenia testowanego. Pomiar 4-przewodowy, który jest dostępny w serii B2900A, a także w większości stacjonarnych multimetrów cyfrowych, wykorzystuje jedną parę przewodów do źródła prądu, a drugą parę przewodów do pomiaru napięcia. Eliminuje to efekty rezystancji kabli, tak że mierzony jest tylko spadek napięcia na testowanym urządzeniu. Wynik przy podłączeniu 4-przewodowym wynosi 1 Ohm, a przy połączeniu 2-przewodowym 1,6 Ohm. Różnica, czyli 0,6 Ohm, powinna być rezystancją resztkową przewodów na przewodach pomiarowych.
Rysunek 4. Wyniki pomiarów rezystancji w pomiarze 2 i 4 przewodowym
Rozwiązania do pomiaru niskich rezystancji
Keysight 34420A 7 ½ cyfrowy nano-woltomierz/mikro-omomierz to miernik o wysokiej czułości, zoptymalizowany do wykonywania pomiarów niskich wartości. Łączy niskoszumowe pomiary napięcia z funkcjami rezystancji i temperatury, ustanawiając nowy standard dla pomiarów małej wartości w zakresie elastyczności i wydajności. Obejmuje zakres pomiarów rezystancji od 1 Ohm do 1 M omów. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/34420A
Rysunek 5. Keysight 34420A
Niektóre rodzaje pomiarów rezystancji wymagają bardzo precyzyjnego źródła prądu o niskim poziomie, aby zapobiec samonagrzewaniu się lub uszkodzeniu urządzenia podczas testowania. Ogólnie dokładność wzrasta wraz z wielkością mierzonego napięcia lub prądu. Dlatego w przypadku urządzeń o niskich wartościach rezystancji ważne jest, aby napięcie pomiarowe było jak największe. 6,5-cyfrowe źródło zasilania o niskim poziomie szumów Keysight serii B2960A spełnia te wymagania pomiarowe w połączeniu z 34420A.
Rysunek 6. Keysight B2962A
Seria B2960A to zaawansowany bipolarny zasilacz/źródło, który może dostarczać napięcie lub prąd o rozdzielczości 6,5 cyfry, jednocześnie monitorując zarówno napięcie, jak i prąd, umożliwiając samodzielny pomiar rezystancji. Ponieważ obsługuje operacje 4-kwadrantowe, polaryzacja wyjścia może być dodatnia lub ujemna. Dlatego może dostarczać prądy od 10 fA do 3 A (prąd stały) lub 10,5 A (impulsowe) i napięcia od 100 nV do 210 V. Więcej informacji można znaleźć w poniższym łączu.
www.keysight.com/find/precisionSOURCE
Połączenie B2961A i 34420A zapewnia doskonałą wydajność przy pomiarach o niskiej rezystancji. Na schemacie pomiaru rezystancji pokazanym na rysunku 7, 34420A dokonuje pomiaru napięcia, podczas gdy B2961A dostarcza precyzyjny prąd. W tej konfiguracji B2961A działa jako urządzenie główne i dokonuje pomiarów w zaprogramowanych odstępach czasu, jednocześnie wysyłając sygnały wyzwalające do 34420A w celu wykonania pomiarów napięcia.
34420A może również mierzyć rezystancję bez konieczności stosowania innych przyrządów. Minimalny zakres rezystancji to 1 Ω, a maksymalny prąd wyjściowy to 10 mA. Jednak seria B2960A może elastycznie generować prądy do 3 A, dzięki czemu realizuje pomiary z rozdzielczością 300 razy wyższą w porównaniu z samodzielnym 34420A i z wystarczającą dokładnością. Konieczne jest jednak zdefiniowanie odpowiedniego prądu testowego, jak omówiono w rozdziale „Efekty rozpraszania mocy”, ponieważ zwiększa on również efekty rozpraszania mocy i samonagrzewania.
Rysunek 7. Schemat połączenia 34420A i B2961A do pomiaru niskiej rezystancji
Rysunek 8 przedstawia przykład pomiaru z użyciem rezystora z folii metalowej 10 mΩ. Połączenie B2961A i 34420A, które wykorzystuje prąd testowy 500 mA, zapewnia doskonałą stabilność i dokładność pomiaru, co nie ma miejsca w przypadku samodzielnego 34420A.
Rysunek 8. Efekt użycia dodatkowego B2961A na wyniki pomiaru rezystancji
Rozwiązania do pomiaru wysokiej rezystancji
Testowanie rezystancji izolacji jest powszechnie wykonywane jako część testów elektrycznych w programie konserwacji zapobiegawczej maszyn, kabli, przełączników, transformatorów i maszyn elektrycznych, w których niezbędna jest integralność izolacji. Testowanie rezystancji izolacji w programach konserwacji zapobiegawczej pomaga zidentyfikować potencjalne problemy elektryczne w celu zmniejszenia nieprzewidywalnych, przedwczesnych napraw sprzętu i kosztów wymiany. Testery rezystancji izolacji serii Keysight U1450A / 60A są do tego idealnym rozwiązaniem. Dzięki szerokim możliwościom pomiarowym, wydajnemu zautomatyzowanemu generowaniu raportów i wysokiej trwałości, możesz osiągnąć więcej w codziennej pracy z serią U1450A / 60A.
Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/insulationtesters
Rysunek 9. Keysight U1450A/1460A testery rezystancji izolacji
Femto/pikoamperomierze i elektrometry/mierniki wysokiej rezystancji Keysight serii B2980A nie tylko oferują najlepszą w swojej klasie wydajność pomiarową, ale także zapewniają niespotykane dotąd funkcje, które maksymalizują pewność pomiarów. Zarówno femto / pikoamperomierze, jak i elektrometry oferują minimalną rozdzielczość prądu 0,01 fA (10^-17 A), która spełnia praktycznie wszystkie obecne i przyszłe potrzeby w zakresie pomiarów prądu niskiego poziomu. Elektrometry są wyposażone w funkcję źródła napięcia 1000 V, która obsługuje pomiary rezystancji do 10 PΩ (10^16 Ω). Ponieważ w elektrometrach dostępne są zarówno automatyczny, jak i ręczny tryb pomiaru rezystancji, można określić dowolne napięcie testowe dla pomiarów wysokiej rezystancji, używając trybu ręcznego pomiaru rezystancji. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/precisionMEASURE
Rysunek 10. Keysight B2980A
Wycofany już z produkcji miernik wysokiej rezystancji 4339A/B był przez wiele lat standardem przy wykonywaniu pomiarów rezystywności. Serię B2980A można traktować jako następca. Ponieważ seria B2980A wykorzystuje inną metodę pomiaru amperomierza niż 4339A/B, seria B2980A wykazuje niższy szum pomiarowy i wyższą prędkość pomiaru niż 4339A/B, jednak maksymalne obciążenie pojemnościowe jest ograniczone. Dlatego ważne jest, aby zwrócić uwagę na obciążenie pojemnościowe badanych materiałów podczas wymiany 4339A/B. Adapter do miernika wysokiej rezystancji N1413A jest dostarczany, aby ułatwić podłączenie serii B2980A do akcesoriów do 4339A / B, takich jak 16008B, 16117B / C i 16339A. Dostępne są również akcesoria do serii B2980A, takie jak N1424A / B / C, N1425A / B, N1426A / B / C, N1427A / B i N1428A. Rysunek 11 przedstawia przykład rozwiązania do pomiaru rezystywności materiału izolacyjnego przy użyciu B2987A i N1424.
Rysunek 11. B2987A i N1424A w pomiarach pomiarów rezystancji
Pomiary rezystywności są zwykle wykonywane w określonym czasie po podaniu bodźca. Wynika to z faktu, że rezystywność materiałów izolacyjnych zwykle nie zbliża się szybko do stabilnej wartości, co oznacza, że każda specyfikacja rezystywności musi określać czas kiedy pomiar został wykonany. Seria B2980A pozwala dokładnie określić, w jakim czasie wykonać pomiar po przyłożeniu bodźca. Widok w dziedzinie czasu serii B2980A umożliwia również wyświetlanie zmian rezystywności od początku bodźca do końcowego czasu pomiaru, jak pokazano na Rysunku 12. Więcej informacji można znaleźć pod następującym linkiem.
www.keysight.com/find/SensitiveMeasurement
Rysunek 12. Pomiar rezystancji w dziedzinie czasu z użyciem B2980A
Główne czynniki błędów w pomiarach rezystancji
Rezystancji przewodów pomiarowych
Podstawowe połączenie 2-przewodowe jest najczęściej stosowaną konfiguracją do pomiarów rezystancji. W tej konfiguracji (pokazanej na rysunku 13a) ta sama para przewodów pomiarowych jest używana do dostarczania prądu i pomiaru napięcia. To ustawienie nadaje się do pomiarów rezystancji, o ile rezystancja szczątkowa przewodu jest pomijalna w porównaniu z rezystancją testowanego urządzenia.
Jednak w przypadku pomiarów bardzo niskich rezystancji, w których rezystancja szczątkowa przewodu jest porównywalna z rezystancją urządzenia testowanego, pomiar 2-przewodowy zapewni błędne wyniki pomiaru (patrz Rysunek 13b). W takim przypadku można zastosować konfigurację połączenia 4-przewodowego (zdalne wykrywanie), aby wyeliminować ten błąd. Pomiar 4-przewodowy wykorzystuje jedną parę przewodów do źródła prądu, a drugą parę do pomiaru napięcia. Eliminuje to wpływ rezystancji kabla, tak że mierzony jest tylko spadek napięcia na testowanym urządzeniu (patrz Rysunek 13c).
Ręczne multimetry cyfrowe zazwyczaj obsługują tylko połączenia 2-przewodowe, chociaż większość stacjonarnych multimetrów cyfrowych, 34420A i wszystkie SMU obsługują połączenia 2- i 4-przewodowe.
Rysunek 13. Połączenie 4 przewodowe eliminuje błędy spowodowane rezystancją przewodów pomiarówych
Termiczna siła elektromotoryczna (SEM)
Podczas pomiaru małych rezystancji, napięcia przesunięcia właściwe dla oprzyrządowania i termiczna siła elektromotoryczna (SEM) generowana wewnętrznie w rezystorze lub podczas wykonywania połączeń obwodów z powodu różnych metali w różnych temperaturach mogą powodować niedokładności pomiaru. Połączenia, które należy wziąć pod uwagę, znajdują się na testowanym urządzeniu, przekaźniku (takim jak multipleksery) i przy przyrządzie pomiarowym. Każde połączenie metal-metal tworzy termoparę, która generuje napięcie proporcjonalne do temperatury złącza. Korzystanie ze wszystkich połączeń miedzianych może zminimalizować liczbę błędów. Równoważny model obwodu tych efektów pokazano na rysunku 14a. Ponieważ spadek napięcia na testowanym urządzeniu jest niewielki podczas pomiaru niskich rezystancji, wpływ napięcia przesunięcia i napięcia elektromagnetycznego nie jest bez znaczenia (patrz Rysunek 14b). Kompensacja przesunięcia może dodatkowo zminimalizować błędy termicznej siły elektromagnetycznej. Rysunek 13c ilustruje pomiary stosowane w pomiarach z kompensacją przesunięcia. Jeśli włączysz funkcję kompensacji przesunięcia, przyrząd automatycznie wykona pomiar dwupunktowy i obliczy prawdziwą wartość rezystancji przy użyciu następującego równania.
Gdzie V1 to zmierzone napięcie, gdy źródło jest ustawione na I1 (0 amperów lub otwarte). V2 to zmierzone napięcie, gdy źródło jest ustawione na prąd testowy I2. Kompensację przesunięcia można stosować zarówno w pomiarach 2-przewodowych, jak i 4-przewodowych. Stosowanie kompensacji przesunięcia poprawia dokładność pomiaru, ale zmniejsza jego prędkość. Niektóre ręczne multimetry cyfrowe, 34420A, seria B2900A i seria B2980A zapewniają tę funkcję.
Rysunek 14. Kompensacja w celu eliminacji efektów offsetu i termicznej siły elektromechanicznej
Inną techniką ograniczenia wpływu termicznego pola elektromagnetycznego jest generowanie prądów testowych o zmiennej polaryzacji, znanych jako „metoda delta”, „metoda alternatywna” lub „metoda naprzód / wstecz”. Jest to ważne przy pomiarze małych rezystancji, ponieważ błędy spowodowane napięciem offsetowym i SEM mogą znacząco wpłynąć na dokładność pomiaru (patrz Rysunek 15a). Poniższe równanie przedstawia wpływ tych błędów na pomiar rezystancji dokonywany przez podawanie prądu i pomiar napięcia:
Ten błąd można wyeliminować poprzez zastosowanie prądów do przodu i do tyłu (ISrc i - ISrc) oraz uśrednienie wyników dwóch pomiarów napięcia (patrz Rysunek 15b). Poniższe równanie pokazuje, jak wykorzystać te dwa wyniki pomiarów do obliczenia prawdziwej wartości rezystancji:
Można to zrealizować, używając trybu przeglądania listy B2960A w połączeniu z 34420A, a przykładowy program jest dostępny na Keysight.com. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/low_resistance
Rysunek 15. Technika eliminacji błędów pomiarowych powodowanych przez siłę elektromotoryczną
Efekty rozpraszania mocy
Podczas pomiaru rezystorów zaprojektowanych do pomiarów temperatury lub innych urządzeń rezystancyjnych, które zmieniają rezystancję w dziedzinie temperatury, zwróć uwagę że przyrząd będzie rozpraszał część mocy w testowanym urządzeniu. Skutki tego rozpraszania mocy mogą wpływać na dokładność pomiaru. Określenie odpowiedniego prądu testowego jest ważne, ponieważ podczas gdy większy prąd testowy daje lepszą rozdzielczość pomiaru, zwiększa on również rozpraszanie mocy i efekty samonagrzewania.
Korzystając z multimetrów cyfrowych, można wybrać wyższy zakres pomiarowy, który wykorzystuje niższe źródło prądu, zmniejszając w ten sposób samonagrzewanie. Niektóre multimetry cyfrowe, takie jak 34420A, oferują ustawienie niskiej mocy. Użycie ustawienia niskiej mocy lub wyższego zakresu rezystancji wymaga multimetru cyfrowego o dobrej rozdzielczości.
W przypadku serii B2900A lub B2960A można wybrać dowolny prąd testowy w trybie pomiaru ręcznego, co pozwala na elastyczne pomiary przy zachowaniu dokładności pomiaru.
Rysunek 16 to przykład pomiaru z użyciem rezystora z folii metalowej o impedancji 10 mΩ, który wykazuje bardzo małą siłę elektromotoryczną. Pomiary są wykonywane przy różnych prądach testowych przy użyciu kombinacji B2961A i 34420A. Minimalne rozpraszanie mocy wynosi 1 mW przy prądzie testowym 10 mA, a maksymalne rozpraszanie mocy wynosi 90 mW przy prądzie testowym 3 A. Jak pokazuje Rysunek 16, wynik pomiaru prądu 10 mA wykazuje duże wahania, które uniemożliwiają dokładną charakterystykę, podczas gdy inne wartości prądu testowego pokazują wystarczająco niski poziom szumów, aby umożliwić ocenę urządzenia. Jednak prądy testowe 1 A i 3 A generują wystarczające samo nagrzewanie się urządzenia, aby spowodować przesunięcie krzywych pomiarowych w czasie. Dlatego wydaje się, że prąd testowy około 500 mA jest odpowiedni do tego pomiaru i zapewnia dobrą równowagę między rozdzielczością pomiaru a efektami cieplnymi powodowanymi przez rozpraszanie mocy.
Rysunek 16. Wyniki pomiarowe używając B2961A z różnymi prądami testowymi
Ograniczanie napięcia wyjściowego
Pomiary rezystancji na niektórych typach styków mogą wymagać ograniczenia napięcia przyłożonego do materiału podczas pomiaru rezystancji. Należy wziąć pod uwagę napięcie użyte do wykonania pomiaru oraz napięcie w obwodzie otwartym. Potrzeba ograniczenia napięcia wynika z możliwości utlenienia na powierzchniach styków, a to może zwiększyć odczyt rezystancji. Jeśli napięcie jest zbyt wysokie, warstwa tlenku może zostać przebita, co skutkuje niższym odczytem rezystancji.
Chociaż nie wszystkie multimetry cyfrowe oferują wbudowane obwody ograniczające napięcie, model 34420A zapewnia programowalny układ ograniczenia napięcia. Pomiary ograniczone napięciem są dostępne dla zakresów 10 i 100 omów. Napięcie obwodu otwartego i napięcie pomiarowe można ustawić na jednym z trzech poziomów, 20 mV, 100 mV lub 500 mV.
Integralną funkcją serii B2900A i serii B2960A jest możliwość ograniczenia napięcia pomiarowego. Można ustawić dowolną wartość graniczną napięcia pomiarowego, umożliwiając pracę przyrządu poprzez sterowanie trybem wyjściowym w celu utrzymania napięcia poniżej ograniczonej wartości podczas dostarczania prądu testowego.
Efekty stanów nieustalonych
Ogólnie rzecz biorąc, ścieżka pomiarowa zawiera pewną impedancję błądzącą, która powoduje upływ prądu i absorpcję dielektryczną podczas przyłożenia napięcia. Jest to szczególnie ważne, jeśli mierzysz rezystancje powyżej 100 kΩ, ponieważ ustalanie się z powodu stałych czasowych RC może być dość długie. Niektóre precyzyjne rezystory i wielofunkcyjne kalibratory wykorzystują duże równoległe kondensatory (od 1000 pF do 0,1 μF) z wysokimi wartościami rezystorów w celu odfiltrowania prądów szumowych wprowadzanych przez ich wewnętrzne obwody. Nieidealne pojemności w kablach i innych urządzeniach mogą mieć znacznie dłuższe czasy ustalania niż oczekiwane przez stałe czasowe RC, z powodu absorpcji dielektrycznej. Aby zaczekać na ich ustabilizowanie, należy odczekać odpowiednią ilość czasu przed rozpoczęciem pomiarów. Wymagany czas oczekiwania przed pomiarem zależy również od stopnia napięcia. Im większy skok napięcia, tym dłuższy wymagany czas oczekiwania.
Nowoczesne multimetry cyfrowe są zdolne do wstawiania automatycznego pomiaru opóźnień. Opóźnienia te są wystarczające do pomiarów rezystancji przy mniej niż 200 pF połączonej pojemności kabla i urządzenia.
Seria B2900A, seria B2960A i seria B2980A oprócz funkcji automatycznego opóźnienia pomiaru umożliwiają ustawienie czasu opóźnienia pomiaru ręcznie, co pomaga ustawić czas opóźnienia pomiaru w celu optymalizacji czasu i dokładności pomiaru.
Prąd upływu
Ścieżka pomiarowa zawiera pewną impedancję błądzącą, która również powoduje upływ prądu. Upływ prądu w kablach i osprzęcie testowym może powodować znaczące błędy pomiarowe, szczególnie podczas pomiaru dużych rezystancji (więcej niż 1 GΩ), gdzie prąd pomiarowy jest mały (mniej niż nanoamp). W takim przypadku do dokładnego pomiaru wymagany jest Guard.
Guard obejmuje otoczenie przewodu sygnałowego aktywnie napędzanym przewodnikiem utrzymywanym z tym samym potencjałem napięcia co sygnał, aby wyeliminować upływ prądu. Dobre zabezpieczenie można osiągnąć tylko za pomocą złączy i kabli triax. W kablu triax linia sygnałowa jest otoczona linią ochronną (oddzieloną materiałem izolacyjnym), która z kolei jest otoczona uziemioną linią ekranu (również oddzieloną materiałem izolacyjnym). Poniższa ilustracja na rysunku 17 przedstawia przekrój poprzeczny kabla triax. Guard i złącza triax są powszechnie stosowane z SMU i elektrometrami do pomiarów wysokiej rezystancji.
Rysunek 17. Przekrój poprzeczny kabla triax
Podsumowanie
Pomiary rezystancji są jedną z podstawowych charakterystyk materiałów, urządzeń elektronicznych i obwodów. Keysight Technologies oferuje różnorodne rozwiązania, które obejmują zakresy od μΩ do PΩ, zapewniając najlepszy wybór dostosowany do Twoich wymagań pomiaru rezystancji. Istotne jest, aby wybrać odpowiednie przyrządy zgodnie z charakterystyką testowanego urządzenia, aby uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów.
Rysunek 1. Rozwiązania Keysight do pomiarów rezystancji
Rozwiązania do pomiaru rezystancji Keysight
Ze względu na swoją wygodę multimetry cyfrowe są powszechnie używane do pomiarów rezystancji. Keysight oferuje szeroką gamę multimetrów cyfrowych zarówno ręcznych i stacjonarnych. Pozwala to wybrać model, który będzie pasował do wymagań pomiarowych i środowiska użytkowania. Ponieważ większość multimetrów cyfrowych używa tylko trybu automatycznego pomiaru rezystancji, prąd testowy jest zasadniczo stały dla każdego zakresu. Ręczne multimetry cyfrowe zazwyczaj obsługują tylko połączenia 2-przewodowe, podczas gdy większość stacjonarnych multimetrów cyfrowych obsługuje połączenia 2- i 4-przewodowe. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/dmm
Rysunek 2. Multimetry Keysight
Keysight oferuje również precyzyjne źródła mierzące (SMU) Keysight B2900B zapewniające wszechstronne rozwiązanie do pomiaru rezystancji, które obejmuje prądy od 10 fA do 3 A (DC) / 10,5 A (impuls) i napięcia od 100 nV do 210 V. Możliwości źródła prądu, źródła napięcia, miernika prądu i miernika napięcia wraz z możliwością łatwego przełączania się między tymi różnymi funkcjami w ramach jednego przyrządu (patrz rysunek 3).
Rysunek 3. SMU łączy 4 funkcje pomiarowe w jednym przyrządzie
Daje to możliwość oceny charakterystyk prądowo-napięciowych (IV), w tym rezystancji, bez konieczności stosowania dodatkowego wyposażenia. Oprócz możliwości zasilania i pomiaru napięcia lub prądu z dużą dokładnością, jednostki SMU mogą również nakładać ograniczenia na napięcie lub prąd wyjściowy, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/precisonSMU
Zalety stosowania SMU do pomiarów rezystancji:
-Dostępne są tryby wyjścia prądowego i napięciowego
-Funkcja która umożliwia nałożenie ograniczenia na wyjście prądowe lub napięciowe, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia
-Tryb pracy impulsowej, aby zapobiec zniekształceniu wyników pomiarów przez nagrzewanie się urządzenia (oprócz trybu pracy DC)
-Ręczny tryb pomiaru zapewniający opcjonalne ustawienia prądu testowego lub ustawienia napięcia w celu wyeliminowania samonagrzewania spowodowanego rozpraszaniem mocy (oprócz trybu pomiaru automatycznego)
-4-przewodowe połączenia eliminujące wpływ rezystancji kabli przy pomiarach o niskiej rezystancji (a także połączenia 2-przewodowe)
-Funkcja kompensacji rezystancji w celu zminimalizowania błędów
Rysunek 4 przedstawia przykład pomiaru z użyciem serii B2900A i rezystora 1 Ω, który pokazuje efekt połączeń 4-przewodowych. W przypadku pomiarów o niskiej rezystancji konieczne jest użycie konfiguracji 4-przewodowej, ponieważ rezystancja przewodu pomiarowego jest porównywalna z rezystancją urządzenia testowanego. Pomiar 4-przewodowy, który jest dostępny w serii B2900A, a także w większości stacjonarnych multimetrów cyfrowych, wykorzystuje jedną parę przewodów do źródła prądu, a drugą parę przewodów do pomiaru napięcia. Eliminuje to efekty rezystancji kabli, tak że mierzony jest tylko spadek napięcia na testowanym urządzeniu. Wynik przy podłączeniu 4-przewodowym wynosi 1 Ohm, a przy połączeniu 2-przewodowym 1,6 Ohm. Różnica, czyli 0,6 Ohm, powinna być rezystancją resztkową przewodów na przewodach pomiarowych.
Rysunek 4. Wyniki pomiarów rezystancji w pomiarze 2 i 4 przewodowym
Rozwiązania do pomiaru niskich rezystancji
Keysight 34420A 7 ½ cyfrowy nano-woltomierz/mikro-omomierz to miernik o wysokiej czułości, zoptymalizowany do wykonywania pomiarów niskich wartości. Łączy niskoszumowe pomiary napięcia z funkcjami rezystancji i temperatury, ustanawiając nowy standard dla pomiarów małej wartości w zakresie elastyczności i wydajności. Obejmuje zakres pomiarów rezystancji od 1 Ohm do 1 M omów. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/34420A
Rysunek 5. Keysight 34420A
Niektóre rodzaje pomiarów rezystancji wymagają bardzo precyzyjnego źródła prądu o niskim poziomie, aby zapobiec samonagrzewaniu się lub uszkodzeniu urządzenia podczas testowania. Ogólnie dokładność wzrasta wraz z wielkością mierzonego napięcia lub prądu. Dlatego w przypadku urządzeń o niskich wartościach rezystancji ważne jest, aby napięcie pomiarowe było jak największe. 6,5-cyfrowe źródło zasilania o niskim poziomie szumów Keysight serii B2960A spełnia te wymagania pomiarowe w połączeniu z 34420A.
Rysunek 6. Keysight B2962A
Seria B2960A to zaawansowany bipolarny zasilacz/źródło, który może dostarczać napięcie lub prąd o rozdzielczości 6,5 cyfry, jednocześnie monitorując zarówno napięcie, jak i prąd, umożliwiając samodzielny pomiar rezystancji. Ponieważ obsługuje operacje 4-kwadrantowe, polaryzacja wyjścia może być dodatnia lub ujemna. Dlatego może dostarczać prądy od 10 fA do 3 A (prąd stały) lub 10,5 A (impulsowe) i napięcia od 100 nV do 210 V. Więcej informacji można znaleźć w poniższym łączu.
www.keysight.com/find/precisionSOURCE
Połączenie B2961A i 34420A zapewnia doskonałą wydajność przy pomiarach o niskiej rezystancji. Na schemacie pomiaru rezystancji pokazanym na rysunku 7, 34420A dokonuje pomiaru napięcia, podczas gdy B2961A dostarcza precyzyjny prąd. W tej konfiguracji B2961A działa jako urządzenie główne i dokonuje pomiarów w zaprogramowanych odstępach czasu, jednocześnie wysyłając sygnały wyzwalające do 34420A w celu wykonania pomiarów napięcia.
34420A może również mierzyć rezystancję bez konieczności stosowania innych przyrządów. Minimalny zakres rezystancji to 1 Ω, a maksymalny prąd wyjściowy to 10 mA. Jednak seria B2960A może elastycznie generować prądy do 3 A, dzięki czemu realizuje pomiary z rozdzielczością 300 razy wyższą w porównaniu z samodzielnym 34420A i z wystarczającą dokładnością. Konieczne jest jednak zdefiniowanie odpowiedniego prądu testowego, jak omówiono w rozdziale „Efekty rozpraszania mocy”, ponieważ zwiększa on również efekty rozpraszania mocy i samonagrzewania.
Rysunek 7. Schemat połączenia 34420A i B2961A do pomiaru niskiej rezystancji
Rysunek 8 przedstawia przykład pomiaru z użyciem rezystora z folii metalowej 10 mΩ. Połączenie B2961A i 34420A, które wykorzystuje prąd testowy 500 mA, zapewnia doskonałą stabilność i dokładność pomiaru, co nie ma miejsca w przypadku samodzielnego 34420A.
Rysunek 8. Efekt użycia dodatkowego B2961A na wyniki pomiaru rezystancji
Rozwiązania do pomiaru wysokiej rezystancji
Testowanie rezystancji izolacji jest powszechnie wykonywane jako część testów elektrycznych w programie konserwacji zapobiegawczej maszyn, kabli, przełączników, transformatorów i maszyn elektrycznych, w których niezbędna jest integralność izolacji. Testowanie rezystancji izolacji w programach konserwacji zapobiegawczej pomaga zidentyfikować potencjalne problemy elektryczne w celu zmniejszenia nieprzewidywalnych, przedwczesnych napraw sprzętu i kosztów wymiany. Testery rezystancji izolacji serii Keysight U1450A / 60A są do tego idealnym rozwiązaniem. Dzięki szerokim możliwościom pomiarowym, wydajnemu zautomatyzowanemu generowaniu raportów i wysokiej trwałości, możesz osiągnąć więcej w codziennej pracy z serią U1450A / 60A.
Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/insulationtesters
Rysunek 9. Keysight U1450A/1460A testery rezystancji izolacji
Femto/pikoamperomierze i elektrometry/mierniki wysokiej rezystancji Keysight serii B2980A nie tylko oferują najlepszą w swojej klasie wydajność pomiarową, ale także zapewniają niespotykane dotąd funkcje, które maksymalizują pewność pomiarów. Zarówno femto / pikoamperomierze, jak i elektrometry oferują minimalną rozdzielczość prądu 0,01 fA (10^-17 A), która spełnia praktycznie wszystkie obecne i przyszłe potrzeby w zakresie pomiarów prądu niskiego poziomu. Elektrometry są wyposażone w funkcję źródła napięcia 1000 V, która obsługuje pomiary rezystancji do 10 PΩ (10^16 Ω). Ponieważ w elektrometrach dostępne są zarówno automatyczny, jak i ręczny tryb pomiaru rezystancji, można określić dowolne napięcie testowe dla pomiarów wysokiej rezystancji, używając trybu ręcznego pomiaru rezystancji. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/precisionMEASURE
Rysunek 10. Keysight B2980A
Wycofany już z produkcji miernik wysokiej rezystancji 4339A/B był przez wiele lat standardem przy wykonywaniu pomiarów rezystywności. Serię B2980A można traktować jako następca. Ponieważ seria B2980A wykorzystuje inną metodę pomiaru amperomierza niż 4339A/B, seria B2980A wykazuje niższy szum pomiarowy i wyższą prędkość pomiaru niż 4339A/B, jednak maksymalne obciążenie pojemnościowe jest ograniczone. Dlatego ważne jest, aby zwrócić uwagę na obciążenie pojemnościowe badanych materiałów podczas wymiany 4339A/B. Adapter do miernika wysokiej rezystancji N1413A jest dostarczany, aby ułatwić podłączenie serii B2980A do akcesoriów do 4339A / B, takich jak 16008B, 16117B / C i 16339A. Dostępne są również akcesoria do serii B2980A, takie jak N1424A / B / C, N1425A / B, N1426A / B / C, N1427A / B i N1428A. Rysunek 11 przedstawia przykład rozwiązania do pomiaru rezystywności materiału izolacyjnego przy użyciu B2987A i N1424.
Rysunek 11. B2987A i N1424A w pomiarach pomiarów rezystancji
Pomiary rezystywności są zwykle wykonywane w określonym czasie po podaniu bodźca. Wynika to z faktu, że rezystywność materiałów izolacyjnych zwykle nie zbliża się szybko do stabilnej wartości, co oznacza, że każda specyfikacja rezystywności musi określać czas kiedy pomiar został wykonany. Seria B2980A pozwala dokładnie określić, w jakim czasie wykonać pomiar po przyłożeniu bodźca. Widok w dziedzinie czasu serii B2980A umożliwia również wyświetlanie zmian rezystywności od początku bodźca do końcowego czasu pomiaru, jak pokazano na Rysunku 12. Więcej informacji można znaleźć pod następującym linkiem.
www.keysight.com/find/SensitiveMeasurement
Rysunek 12. Pomiar rezystancji w dziedzinie czasu z użyciem B2980A
Główne czynniki błędów w pomiarach rezystancji
Rezystancji przewodów pomiarowych
Podstawowe połączenie 2-przewodowe jest najczęściej stosowaną konfiguracją do pomiarów rezystancji. W tej konfiguracji (pokazanej na rysunku 13a) ta sama para przewodów pomiarowych jest używana do dostarczania prądu i pomiaru napięcia. To ustawienie nadaje się do pomiarów rezystancji, o ile rezystancja szczątkowa przewodu jest pomijalna w porównaniu z rezystancją testowanego urządzenia.
Jednak w przypadku pomiarów bardzo niskich rezystancji, w których rezystancja szczątkowa przewodu jest porównywalna z rezystancją urządzenia testowanego, pomiar 2-przewodowy zapewni błędne wyniki pomiaru (patrz Rysunek 13b). W takim przypadku można zastosować konfigurację połączenia 4-przewodowego (zdalne wykrywanie), aby wyeliminować ten błąd. Pomiar 4-przewodowy wykorzystuje jedną parę przewodów do źródła prądu, a drugą parę do pomiaru napięcia. Eliminuje to wpływ rezystancji kabla, tak że mierzony jest tylko spadek napięcia na testowanym urządzeniu (patrz Rysunek 13c).
Ręczne multimetry cyfrowe zazwyczaj obsługują tylko połączenia 2-przewodowe, chociaż większość stacjonarnych multimetrów cyfrowych, 34420A i wszystkie SMU obsługują połączenia 2- i 4-przewodowe.
Rysunek 13. Połączenie 4 przewodowe eliminuje błędy spowodowane rezystancją przewodów pomiarówych
Termiczna siła elektromotoryczna (SEM)
Podczas pomiaru małych rezystancji, napięcia przesunięcia właściwe dla oprzyrządowania i termiczna siła elektromotoryczna (SEM) generowana wewnętrznie w rezystorze lub podczas wykonywania połączeń obwodów z powodu różnych metali w różnych temperaturach mogą powodować niedokładności pomiaru. Połączenia, które należy wziąć pod uwagę, znajdują się na testowanym urządzeniu, przekaźniku (takim jak multipleksery) i przy przyrządzie pomiarowym. Każde połączenie metal-metal tworzy termoparę, która generuje napięcie proporcjonalne do temperatury złącza. Korzystanie ze wszystkich połączeń miedzianych może zminimalizować liczbę błędów. Równoważny model obwodu tych efektów pokazano na rysunku 14a. Ponieważ spadek napięcia na testowanym urządzeniu jest niewielki podczas pomiaru niskich rezystancji, wpływ napięcia przesunięcia i napięcia elektromagnetycznego nie jest bez znaczenia (patrz Rysunek 14b). Kompensacja przesunięcia może dodatkowo zminimalizować błędy termicznej siły elektromagnetycznej. Rysunek 13c ilustruje pomiary stosowane w pomiarach z kompensacją przesunięcia. Jeśli włączysz funkcję kompensacji przesunięcia, przyrząd automatycznie wykona pomiar dwupunktowy i obliczy prawdziwą wartość rezystancji przy użyciu następującego równania.
Gdzie V1 to zmierzone napięcie, gdy źródło jest ustawione na I1 (0 amperów lub otwarte). V2 to zmierzone napięcie, gdy źródło jest ustawione na prąd testowy I2. Kompensację przesunięcia można stosować zarówno w pomiarach 2-przewodowych, jak i 4-przewodowych. Stosowanie kompensacji przesunięcia poprawia dokładność pomiaru, ale zmniejsza jego prędkość. Niektóre ręczne multimetry cyfrowe, 34420A, seria B2900A i seria B2980A zapewniają tę funkcję.
Rysunek 14. Kompensacja w celu eliminacji efektów offsetu i termicznej siły elektromechanicznej
Inną techniką ograniczenia wpływu termicznego pola elektromagnetycznego jest generowanie prądów testowych o zmiennej polaryzacji, znanych jako „metoda delta”, „metoda alternatywna” lub „metoda naprzód / wstecz”. Jest to ważne przy pomiarze małych rezystancji, ponieważ błędy spowodowane napięciem offsetowym i SEM mogą znacząco wpłynąć na dokładność pomiaru (patrz Rysunek 15a). Poniższe równanie przedstawia wpływ tych błędów na pomiar rezystancji dokonywany przez podawanie prądu i pomiar napięcia:
Ten błąd można wyeliminować poprzez zastosowanie prądów do przodu i do tyłu (ISrc i - ISrc) oraz uśrednienie wyników dwóch pomiarów napięcia (patrz Rysunek 15b). Poniższe równanie pokazuje, jak wykorzystać te dwa wyniki pomiarów do obliczenia prawdziwej wartości rezystancji:
Można to zrealizować, używając trybu przeglądania listy B2960A w połączeniu z 34420A, a przykładowy program jest dostępny na Keysight.com. Zobacz poniższy link, aby uzyskać więcej informacji.
www.keysight.com/find/low_resistance
Rysunek 15. Technika eliminacji błędów pomiarowych powodowanych przez siłę elektromotoryczną
Efekty rozpraszania mocy
Podczas pomiaru rezystorów zaprojektowanych do pomiarów temperatury lub innych urządzeń rezystancyjnych, które zmieniają rezystancję w dziedzinie temperatury, zwróć uwagę że przyrząd będzie rozpraszał część mocy w testowanym urządzeniu. Skutki tego rozpraszania mocy mogą wpływać na dokładność pomiaru. Określenie odpowiedniego prądu testowego jest ważne, ponieważ podczas gdy większy prąd testowy daje lepszą rozdzielczość pomiaru, zwiększa on również rozpraszanie mocy i efekty samonagrzewania.
Korzystając z multimetrów cyfrowych, można wybrać wyższy zakres pomiarowy, który wykorzystuje niższe źródło prądu, zmniejszając w ten sposób samonagrzewanie. Niektóre multimetry cyfrowe, takie jak 34420A, oferują ustawienie niskiej mocy. Użycie ustawienia niskiej mocy lub wyższego zakresu rezystancji wymaga multimetru cyfrowego o dobrej rozdzielczości.
W przypadku serii B2900A lub B2960A można wybrać dowolny prąd testowy w trybie pomiaru ręcznego, co pozwala na elastyczne pomiary przy zachowaniu dokładności pomiaru.
Rysunek 16 to przykład pomiaru z użyciem rezystora z folii metalowej o impedancji 10 mΩ, który wykazuje bardzo małą siłę elektromotoryczną. Pomiary są wykonywane przy różnych prądach testowych przy użyciu kombinacji B2961A i 34420A. Minimalne rozpraszanie mocy wynosi 1 mW przy prądzie testowym 10 mA, a maksymalne rozpraszanie mocy wynosi 90 mW przy prądzie testowym 3 A. Jak pokazuje Rysunek 16, wynik pomiaru prądu 10 mA wykazuje duże wahania, które uniemożliwiają dokładną charakterystykę, podczas gdy inne wartości prądu testowego pokazują wystarczająco niski poziom szumów, aby umożliwić ocenę urządzenia. Jednak prądy testowe 1 A i 3 A generują wystarczające samo nagrzewanie się urządzenia, aby spowodować przesunięcie krzywych pomiarowych w czasie. Dlatego wydaje się, że prąd testowy około 500 mA jest odpowiedni do tego pomiaru i zapewnia dobrą równowagę między rozdzielczością pomiaru a efektami cieplnymi powodowanymi przez rozpraszanie mocy.
Rysunek 16. Wyniki pomiarowe używając B2961A z różnymi prądami testowymi
Ograniczanie napięcia wyjściowego
Pomiary rezystancji na niektórych typach styków mogą wymagać ograniczenia napięcia przyłożonego do materiału podczas pomiaru rezystancji. Należy wziąć pod uwagę napięcie użyte do wykonania pomiaru oraz napięcie w obwodzie otwartym. Potrzeba ograniczenia napięcia wynika z możliwości utlenienia na powierzchniach styków, a to może zwiększyć odczyt rezystancji. Jeśli napięcie jest zbyt wysokie, warstwa tlenku może zostać przebita, co skutkuje niższym odczytem rezystancji.
Chociaż nie wszystkie multimetry cyfrowe oferują wbudowane obwody ograniczające napięcie, model 34420A zapewnia programowalny układ ograniczenia napięcia. Pomiary ograniczone napięciem są dostępne dla zakresów 10 i 100 omów. Napięcie obwodu otwartego i napięcie pomiarowe można ustawić na jednym z trzech poziomów, 20 mV, 100 mV lub 500 mV.
Integralną funkcją serii B2900A i serii B2960A jest możliwość ograniczenia napięcia pomiarowego. Można ustawić dowolną wartość graniczną napięcia pomiarowego, umożliwiając pracę przyrządu poprzez sterowanie trybem wyjściowym w celu utrzymania napięcia poniżej ograniczonej wartości podczas dostarczania prądu testowego.
Efekty stanów nieustalonych
Ogólnie rzecz biorąc, ścieżka pomiarowa zawiera pewną impedancję błądzącą, która powoduje upływ prądu i absorpcję dielektryczną podczas przyłożenia napięcia. Jest to szczególnie ważne, jeśli mierzysz rezystancje powyżej 100 kΩ, ponieważ ustalanie się z powodu stałych czasowych RC może być dość długie. Niektóre precyzyjne rezystory i wielofunkcyjne kalibratory wykorzystują duże równoległe kondensatory (od 1000 pF do 0,1 μF) z wysokimi wartościami rezystorów w celu odfiltrowania prądów szumowych wprowadzanych przez ich wewnętrzne obwody. Nieidealne pojemności w kablach i innych urządzeniach mogą mieć znacznie dłuższe czasy ustalania niż oczekiwane przez stałe czasowe RC, z powodu absorpcji dielektrycznej. Aby zaczekać na ich ustabilizowanie, należy odczekać odpowiednią ilość czasu przed rozpoczęciem pomiarów. Wymagany czas oczekiwania przed pomiarem zależy również od stopnia napięcia. Im większy skok napięcia, tym dłuższy wymagany czas oczekiwania.
Nowoczesne multimetry cyfrowe są zdolne do wstawiania automatycznego pomiaru opóźnień. Opóźnienia te są wystarczające do pomiarów rezystancji przy mniej niż 200 pF połączonej pojemności kabla i urządzenia.
Seria B2900A, seria B2960A i seria B2980A oprócz funkcji automatycznego opóźnienia pomiaru umożliwiają ustawienie czasu opóźnienia pomiaru ręcznie, co pomaga ustawić czas opóźnienia pomiaru w celu optymalizacji czasu i dokładności pomiaru.
Prąd upływu
Ścieżka pomiarowa zawiera pewną impedancję błądzącą, która również powoduje upływ prądu. Upływ prądu w kablach i osprzęcie testowym może powodować znaczące błędy pomiarowe, szczególnie podczas pomiaru dużych rezystancji (więcej niż 1 GΩ), gdzie prąd pomiarowy jest mały (mniej niż nanoamp). W takim przypadku do dokładnego pomiaru wymagany jest Guard.
Guard obejmuje otoczenie przewodu sygnałowego aktywnie napędzanym przewodnikiem utrzymywanym z tym samym potencjałem napięcia co sygnał, aby wyeliminować upływ prądu. Dobre zabezpieczenie można osiągnąć tylko za pomocą złączy i kabli triax. W kablu triax linia sygnałowa jest otoczona linią ochronną (oddzieloną materiałem izolacyjnym), która z kolei jest otoczona uziemioną linią ekranu (również oddzieloną materiałem izolacyjnym). Poniższa ilustracja na rysunku 17 przedstawia przekrój poprzeczny kabla triax. Guard i złącza triax są powszechnie stosowane z SMU i elektrometrami do pomiarów wysokiej rezystancji.
Rysunek 17. Przekrój poprzeczny kabla triax
Podsumowanie
Pomiary rezystancji są jedną z podstawowych charakterystyk materiałów, urządzeń elektronicznych i obwodów. Keysight Technologies oferuje różnorodne rozwiązania, które obejmują zakresy od μΩ do PΩ, zapewniając najlepszy wybór dostosowany do Twoich wymagań pomiaru rezystancji. Istotne jest, aby wybrać odpowiednie przyrządy zgodnie z charakterystyką testowanego urządzenia, aby uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów.
