ЕРВ

Вимірювання електричного опору є досить поширеним в електротехніці при виробництві багатьох видів електрообладнання, при пошуку несправностей у електрообладнанні та при його технічній діагностиці. Величина електричного опору більшості струмопровідних вузлів електрообладнання, а точніше — відхилення величини опору від її нормального значення, характеризує стан цього вузла. Це стосується обмоток збудження електричних машин, обмоток трансформаторів, обмоток більшості електричних апаратів, котушок додаткових опорів електровимірювальних приладів, ізоляції кабелів, електричних машин,трансформаторів, апаратів тощо.

На підприємствах енергетичного профілю для вимірювання опорів величиною від кількох ом до кількох кілоом часто користуються омметрами.

Мегомметрами користуються головним чином для визначення опору ізоляції як між від’єднаними від лінії енергопостачання проводами, так і між цими проводами та землею, де важлива не лише наявність ізоляції, а й величина її опору, яка не може бути меншою, ніж це дозволено нормами експлуатації та безпеки персоналу.

Омметри — це прилади для безпосереднього виміру електричних активних (омічних) опорів.

У більшості випадків омметри виконано на основі магнітоелектричного приладу — міліамперметра і вони мають власне джерело живлення — сухий елемент чи суху батарею (напругою 1,5...4,5 В). Щоб забезпечити незалежність показань від зміни величини напруги елемента чи батареї, омметри мають пристрій, що встановлює нулі при відхиленні напруги джерела від номінального значення. Дві найпростіші схеми омметрів зображено на рис. 1. Вони призначені для вимірювань опорів r_x значно більших за величину опору додаткового резистора rд (рис. 1, а), та для вимірювань опорів r_x, сумірних з величиною r_д і до значно менших, ніж величина опору вимірювального механізму r_в, (рис. 1, б). В обох схемах додатковий опір r_д, що є у приладі, обмежує величину струму, який проходить через вимірювальний механізм В при замкненому ключі К та дуже малих опорах r_x.

Рисунок 1. Схеми опорів з магнітоелектричними вимірювальними механізмами, що мають регульовані магнітні шунти: а – схема для вимірювання великих опорів; б – схема для вимірювання малих опорів

Якщо напруга батареї Б змінилася (частіш за все зменшилась з часом), то величина струму, що проходить через вимірювальний механізм В, буде недостатньою для того, щоб стрілка приладу досягла останньої позначки шкали, яку позначено як “нуль” для схеми рис. 1, а. Тоді за допомогою регульованого магнітного шунта, який є у вимірювальному механізмі В, при замкнутому контакті К збільшують робочий магнітний потік у вимірювальному механізмі так, щоб стрілка досягла нульової позначки.

Якщо ж у приладі, схему якого зображено на рис. 1, 6, напруга батареї Б зменшилась, то при відімкненому опорі r_x, так само встановлюють стрілку приладу на кінцеву позначку шкали, яку позначено знаком “∞” (нескінченність).

Рисунок 2. Схеми омметрів з регульованими опорами: а – схема для вимірювання великих опорів; б – схема для вимірювання малих опорів

Виготовлення вимірювального магнітоелектричного механізму з магнітним шунтом значно ускладнює його конструкцію. Тому в більшості випадків омметри виконують на основі магнітоелектричного механізму з нерегульованим магнітним шунтом, а змінюючи величину опору регулювальних резисторів, як показано на схемах рис. 2, прилад налаштовують на різні напруги джерела живлення.

Як і у попередньому випадку, схему рис. 2, а призначено для вимірювання величин опорів, сумірних з r_д і більших за нього, а схему рис. 2, б — для вимірювання опорів, менших за нього і за опір вимірювального механізму.

Якщо зменшилась напруга джерела живлення Б, то у схемі рис. 2, а, при замкнутому контакті К (чи затискачах, позначених r_x, бо контакту К може й не бути), збільшують величину опору регульованого резистора r_р і відхилення стрілки, поки вона не встановиться на позначці “0” (нуль).

За таких самих умов, у схемі рис. 2, б, при замкнутому контакті К і відімкненому r_x зменшують величину опору регульованого резистора r_p і збільшують величину показань приладу до встановлення стрілки на останню позначку шкали, позначену як “∞” (нескінченність).

Більш досконалими є омметри, виконані на основі магнітоелектричних логометрів, бо їх показання не залежать від зміни, у певних межах, величини напруги джерел живлення. Принципову схему такого омметра, призначеного для вимірювань великих і малих опорів, показано на рис. 3.

Як відомо, логометри — це прилади, у яких відхилення стрілки залежить від відношення струмів, що проходять по їхніх схрещених рамках. Зі схеми рис. 3 видно, що величина струму в першій рамці і_р1 пропорційна величині напруги джерела живлення, тому що опір кола цієї рамки — незмінний, бо визначається величинами опору самої рамки Р₁ і величиною опору додаткового резистора r_д. Щодо струму, який проходить через другу рамку Р₂ то він пропорційний тій самій напрузі і обернено пропорційний величині вимірюваного опору r_x. Кут відхилення стрілки логометра залежить від частки поділу величини струму і_р1 на величину струму і_р2, тобто буде пропорційним величині опору r_x.

Шкали омметрів градуйовані безпосередньо в омах (або кілоомах) і завжди нерівномірні. Тому клас точності цих приладів, що позначений цифрою на їхніх шкалах, відповідає найбільшій допустимій похибці вимірювань опорів у відсотках від довжини робочої частини шкали. Точність вимірювань опорів на кінцевих (або початкових) ділянках шкал цих приладів, де поділки стиснуто між собою, надзвичайно мала. В усякому разі на цих ділянках шкали можуть виникнути похибки вимірювання опору, що досягають 5...10 % (а то й більше!) від вимірюваної величини опору.

Рисунок 3. Схема омметра, виконана на основі магнітоелектричного логометра

Крім того, при малих значеннях напруги джерел живлення (а це 1,5...4,5 В) і реальних величинах номінального струму вимірювальних механізмів (а це не менше як 50 мкА), реальні величини опорів, що вимірюються омметрами, невеликі й не перевищують 1...3 МОм (і це у кращому випадку). Це також є об’єктивним недоліком омметрів.

Мегомметри — це омметри для безпосереднього вимірювання дуже великих електричних опорів (більших за 10⁵ Ом), наприклад, опорів ізоляції обмоток трансформаторів, електричних машин і апаратів. Вимірювальну частину мегомметрів завжди виконують на основі магнітоелектричних логометрів, а джерелом живлення у більшості випадків є генератор напруги постійного струму з досить високою номінальною напругою (від 100 до 2500 В).

Генератор і вимірювальна частина змонтовані всередині корпуса мегомметра. Зовні корпуса є лише приводна ручка, за допомогою якої якір генератора, через зубчасту передачу, приводиться до руху. Нормальна частота обертання ручки оператором — 120 обертів за хвилину. Відхилення від цієї частоти обертання, особливо у бік її збільшення, не призводить до суттєвої зміни напруги генератора через наявність у нього відцентрового регулятора напруги.

Принципову схему мегомметра наведено на рис. 4. Як видно зі схеми, за допомогою перемикача П схему можна вмикати на два режими роботи: перший, коли вимірюваний опір r_x буде ввімкнено послідовно з рамкою Р₂ (і ще з двома резисторами r_д2 і r_д3), і другий, коли вимірюваний опір r_x буде ввімкнено паралельно до рамки Р₂ з резистором r_д2. Перше положення перемикача П відповідає вимірюванням великих опорів, а друге — вимірюванням опорів меншої величини.

Рисунок 4. Схема мегомметра

Є також мегомметри з живленням від мережі змінного струму, бувають і з живленням від батарей сухих елементів чи від акумуляторів з перетворювачами постійного струму низької напруги у постійний струм високої (100...2500 В).

У мостових схемах опори вимірюють, порівнюючи величини вимірюваного опору з величиною зразкового опору шляхом порівняння падіння напруг на цих опорах. Схему вимірювального моста постійного струму для вимірювання опорів (моста Вітстона) наведено на рис. 5. Вимірюваний опір r_x, величина якого невідома, ввімкнено в четверте плече моста, а в перше плече — зразковий регульований опір. Якщо величини опорів r₂ і r₃ рівні між собою, то величина регульованого опору r₁ має бути не меншою, ніж величина вимірюваного опору. Джерело живлення Б (батарея, акумулятор, випрямляч) тут уміщено в першу діагональ мосту (а — в), а в другу (б — г) — індикатор нуля (магніто- електричний гальванометр Г).

Рисунок 5. Схема мосту для вимірювання опорів

Змінюючи величину опору r₁ досягають такої напруги між точками а, б, як і між точками а, г. Спочатку врівноваження величини цієї напруги виконують при наявності у колі гальванометра Г резистора r₄, що зменшує чутливість гальванометра до напруги між точками б і г. Це робиться для того, щоб захистити гальванометр від відносно великих для нього напруг, які матимуть місце, поки міст не збалансовано. Коли ж відхилення стрілки гальванометра зменшаться, що свідчить про підхід до стану рівноваги мосту, натискують кнопку К і замикають резистор r₄, тим самим збільшуючи чутливість гальванометра Г, і останніми декадами магазину зразкового опору r₁ ще дещо змінюють величину цього опору, досягаючи відсутності показань гальванометра Г вже без опору r₄. Це і буде стан рівноваги мосту.

За умови, коли r₂ = r₃, при цій рівновазі величини опорів r₁ і r_x будуть дорівнювати один одному. Тобто величину опору rх можна визначити з положення ручок зразкового магазину опорів r₁.

Щоб розширити діапазон вимірювання опорів таким мостом, доцільно опір r₃ зробити ступінчасто-змінним (у 10, 100, 1000 разів). При цьому з’являється можливість вимірювання опорів r_x у 10, 100, 1000 разів відмінних від того, коли r₂ і r₃ дорівнювали один одному. При цьому, звичайно, величина струму у плечах 3 і 4 буде значно відмінною від попередньої (коли r₂ = r₃).

Подібні мости для вимірювання опорів використовують для вимірювання величин опорів від десятих часток ома й до 100 000 Ом.

Для вимірювання менших і більших величин опорів користуються іншими схемами чи приладами.

Так, якщо необхідно вимірювати опори порядку 0,1...0,0001 Ом, то схема, що розглядається, не може дати задовільних результатів, бо вимірюватиме не тільки величину опору, приєднаного до мосту резистора, а й опір контактів та проводів, якими цей резистор приєднано до мосту. Наявність цих опорів суттєво знижує точність вимірювання.

Вказаний недолік мостової схеми відсутній у разі вимірювання малих опорів подвійним мостом (мостом Томсона), схему якого наведено на рис. 6. Вимірюваний малий опір r_x на цій схемі приєднано до схеми мосту за допомогою чотирьох затискачів 1...4. Затискачі 1 та 4 призначено для вмикання резистора у коло струму, а 2 та 3 — для зняття падіння напруги з тієї частини опору, котра саме вимірюється. В схему ввімкнено зразковий опір r_зр, загальна величина якого незмінна, але опір його середньої частини r може змінюватись при переміщенні по ньому рухомого контакту А. У схему введено гальванометр Г, приєднаний до потенційних затискачів 2 і 3 вимірюваного опору через два однакових резистори r₁ і r₂ величиною, що значно перевищує як величину вимірюваного опору r_x, так і величину зразкового опору r_зр, виконаного переважно у вигляді реохорда. Гальванометр Г також приєднано до зразкового опору двома однаковими за величиною резисторами r₃ і r₄, величина яких звичайно буває більшою за величину резисторів r₁ і r₂ у 10, 100 і 1000 разів.

Рисунок 6. Схема вимірювання малих опорів подвійним мостом

На відміну від мосту Вітстона, який може живитися від кількох сухих елементів, подвійний міст живиться від джерела АБ (від акумулятора чи випрямляча), розрахованого на досить значний струм, наприклад до 10...20 А. Значні струми необхідні для того, щоб при вимірах опорів малих величин одержувати на цих опорах істотну величину падіння напруги, достатню для надійної роботи гальванометра Г, приєднаного до схеми через додаткові резистори r₁, r₂, r₃, r₄. Величина робочого струму мосту встановлюється регульованим резистором r_р.

За допомогою мостів постійного струму можна вимірювати величини опорів від 10^-6 до 10⁶ Ом (менші величини опорів вимірюють подвійними мостами, більші — одинарними).

Промисловість виробляє і комбіновані мости, які можна перемикати на вимірювання за різними схемами (як за подвійною, так і за одинарною). У більшості випадків такі мости мають різні класи при вимірах різних величин опорів, наприклад: клас 0,2 — для опорів величиною від 0,01 до 10 000 Ом і клас 5 —для вимірювань менших і більших опорів.

При вимірюваннях, що пов’язані з випробуваннями ізоляційних матеріалів, виникає необхідність у вимірюваннях дуже великих опорів, величина яких значно перевищує (часто на декілька порядків) найбільші величини опорів, вимірюваних мостами. Така необхідність виникає, наприклад, при розробках ізоляторів, на яких закріплюють частини ліній електропередач, що перебувають під високою напругою. Слід зазначити, що у більшості випадків немає потреби в скільки-небудь високій точності від таких вимірювань.

Рисунок 7. Схема, що пояснює вплив опору ізоляції провідників на вимірювання опору значної величини

У подібних випадках застосовують посередній вимір опору за допомогою вольтметра і гальванометра, який здатний відчути надзвичайно малі струми, що проходять через ізоляційний матеріал. Але при цьому виникає проблема, а саме: як запобігти впливові на вимірювання побічних струмів, що не проходять через вимірюваний опір, але враховуються вимірювальними приладами. Схему, що пояснює вплив сторонніх струмів на вимірювання опору, показано на рис. 7. Якщо до джерела напруги U, контрольованого вольтметром V, приєднати

Якщо до джерела напруги U, контрольованого вольтметром V, приєднати через гальванометр Г вимірюваний великий опір r_x, то на результати вимірювання величини струму в опорі r_x безпосередньо впливає струм i_i, що проходить через опір ізоляції r_i між проводами, якими вимірюваний опір r_x приєднано до вимірювальної схеми. Якщо опір r_i сумірний з величиною r_x (а якщо r_x дуже великий, то опір r_i може бути навіть меншим за нього), і величина струму, вимірюваного гальванометром Г, може бути настільки відмінною від величини i_x що наступний розрахунок величини r_x через напругу, що показує вольтметр V, і струм, що показує гальванометр Г, втрачає сенс через наявність істотної похибки, величина якої не може бути визначена.

Необхідно, щоб при подібних вимірюваннях струм, що не проходить через вимірюваний опір, не проходив би через гальванометр. Цього можна досягти раціональним екрануванням проводів і частин вимірювальної схеми.

Схеми вимірювання об’ємного та поверхневого опорів зразка ізоляційного матеріалу, що запобігає взаємному впливові цих опорів при вимірюванні, показано на рис. 8. Схеми також усувають вплив величини ізоляції проводів, що з’єднують випробувальне устаткування з джерелом живлення, на наслідки вимірювань.

Наявні в обох схемах резистори rБ не мають принципового значення і не впливають на вимірювання (хоч і мають величину 0,5... 1,0 МОм), а слугують лише для захисту джерела живлення і гальванометра від появи значних струмів у випадках електричного пробою ізоляції експериментальної установки чи ізоляції проводів, що приєднують цю установку до вказаного джерела. На схемах позначено: r_Б — баластний резистор, V — вольтметр, Г — гальванометр, Е — екран, BE — верхній електрод, НЕ — нижній електрод, ОК - охоронне кільце, ВМ — випробовуваний ізоляційний матеріал.

При вимірюваннях без екранування струм, що споживався вимірювальною установкою, проходив би так, як показано на рис. 8, в, тобто і через об’єм ізоляції (i_о), й по її поверхні (i_П). Через гальванометр у цьому разі тече і струм, що проходить по поверхні зразка ізолятора і_д, і струм, що проходить через його об’єм i_о, і струм, що проходить через ізоляцію проводів, що підводять напругу до експериментальної установки. При цьому неможливо визначити ні питомий об’ємний опір ізоляції, ні питомий поверхневий опір.

Використовуючи схему рис. 8, а, можна позбутися недоліків простої схеми вмикання електродів.

Заекранувавши провід, що йде від нерухомого електрода НЕ, встановивши охоронне кільце ОК та з’єднавши їх з негативним полюсом джерела живлення, відводять і струми витікання, і струм i_П, то йде по поверхні зразка ізолятора ВМ (випробовуваного матеріалу), від гальванометра Г, завдяки чому через цей гальванометр проходить тільки той струм i_о, який проходить через об’єм матеріалу, обмежений, з одного боку, площею верхнього електрода BE, а з іншого — нижнім електродом НЕ. Вважають, що у цьому випадку струм проходить через об’єм, що дорівнює добутку з площі верхнього елемента на товщину зразка ізоляційного матеріалу.

Рисунок 8. Схеми для вимірювання об’ємного та поверхневого опорів ізоляційних металів

Насправді, через наявність деякого розтікання струму по зразку ВМ струм i_о охоплюватиме дещо більший об’єм, але це буде несуттєвим при значній величині відношення діаметра верхнього електрода до товщини зразка.

При подібних випробуваннях ізоляційних матеріалів вважають, що величина виміряного об’ємного опору дорівнює частці від ділення величини напруги, яку показує вольтметр V, на величину струму, що її показує гальванометр Г.

Для вимірювання поверхневого опору випробовуваного ізолятора користуються схемою рис. 8, б, де гальванометр Г вимірює лише струм, що проходить по поверхні ізоляційного матеріалу між зовнішнім нижнім краєм верхнього електрода BE і внутрішнім нижнім краєм охоронного кільця. Струм, що проходить крізь об’єм ізоляції, є (на рисунку він показаний як i_о), але він не проходить через гальванометр і не спотворює результати вимірювань.

У цій схемі наявні й струми витікання, але й вони потрапляють лише на екранну оболонку проводу, що з’єднує охоронне кільце ОК з гальванометром Г, а потім — до негативного полюса джерела живлення й обминають гальванометр. Тут поверхневий опір ізоляції визначається діленням величини напруги вольтметра на величину поверхневого струму, що вимірюється гальванометром.

Схеми вимірювання дуже великих опорів використовують при напругах від 100 до 1000 В. Схеми з переносним гальванометром, ціна поділки якого 1* 10^-8 А/поділку, якщо за достовірне приймати відхилення на десять поділок, дають можливість вимірювати опори величиною до 1010 Ом. Якщо ж зважити на те, що вимірювання таких великих опорів звичайно проводять у лабораторних умовах, де можна використовувати гальванометри зі світловим відліком і шкалою, віддаленою від дзеркала гальванометра на 1000... 1500 мм, у яких ціна поділки на шкалі становить десь 6. 10^-10 А/поділку, то опір можна вимірювати до величин 1,5* 10¹¹ Ом, тобто до 1,5* 10⁵ МОм, що буде забагато навіть для вимірювань якості ізоляції для яких завгодно випадків, що трапляються в енергетиці.

Величину опору можна визначити простим посереднім способом — розрахунком за показаннями амперметра і вольтметра. Амперметр вимірює струм, що проходить по резистору, опір якого необхідно визначити, а вольтметр — напругу, за якої цей струм було одержано.

Можливі схеми для виконання таких вимірювань наведено на рис. 9. При вимірюванні за обома схемами величина вимірюваного опору

де U — вимірювана напруга, В;

І — виміряний струм, А.

У випадках, коли вимірювання проводять при напругах у десятки вольт, а величиною падіння напруги на опорі амперметра нехтують, слід застосовувати схему, зображену на рис. 9, а. Якщо ж величина опору rх несумірно менша за величину опору вольтметра, то слід застосувати схему рис. 9, б.

Рисунок 9. Схема для визначення величин опору з допомогою амперметра і вольтметра

Якщо вимірюють напруги електростатичним вольтметром (а це буває, коли вимірювані напруги сягають десятків, а то й сотень вольт), безумовно використовують схему, зображену на рис. 9, б без будь-яких застережень, бо такі вольтметри зовсім не споживають струму. Використання магнітоелектричних вольтметрів, що споживають струми 1...5 мА, поряд з амперметрами на 2,5...5 А, також дають можливість проводити вимірювання, не враховуючи відгалуження струму у вольтметр.

Слід зауважити, що наведені схеми придатні в основному для вимірювань, коли точність визначення величини опору може бути відносно невеликою, бо при підрахунках можливі декілька похибок: амперметра, вольтметра і неодноразового зняття з них показань (бо за час спостереження оператором за кількома приладами можлива зміна напруги джерела живлення, яка при малій величині цієї зміни може залишитись непоміченою). Крім того, наведені схеми прості лише у вимірювальній частині. Насправді ж, коли величина опору r_x невідома навіть приблизно, між джерелом живлення і вимірювальною схемою має бути ввімкнений пристрій для регулювання напруги, що подається на схему. В разі відсутності такого пристрою, коли величина опору r_x істотно менша за очікувану, можливе пошкодження як амперметра, так і джерела живлення значним струмом, споживаним вимірюваним опором r_x. Можливе пошкодження і самого вимірюваного опору.

Слід зазначити, що при використанні у наведених схемах переносних приладів точність визначення опору можна збільшити, якщо врахувати дійсну величину опору амперметра (для схеми на рис. 9, а) і вольтметра (для схеми на рис. 9, б), бо ці величини позначено на шкалах приладів.

Схеми визначення опору за показаннями амперметра і вольтметра є незамінними при вимірюваннях величин нелінійних опорів, де важливим є визначення величини опору саме за певних величин струму, що проходять по цьому опору. Наприклад, при вимірюванні опору щіткового контакту в електричній машині.