Мера электрического сопротивления

Магазин сопротивлений Р-33, к.т. 0,2/6×106, 6 декад, от 0,1 до 99999,9 Ом.

Мера электрического сопротивления — образцовые резисторы специально сконструированные и изготовленные для использования в качестве мер электрического сопротивления. Основные разновидности — катушки сопротивления и магазины сопротивлений.

ОпределениеПравить

Мерами электрического сопротивления называют образцовые резисторы, если они для этой цели сконструированы, изготовлены и прошли государственную поверку.[1] Подразделяются на 2 группы:

  • меры электрического сопротивления однозначные (ОМЭС) — катушки сопротивления;
  • меры электрического сопротивления многозначные (ММЭС) — магазины сопротивлений.

Диапазон значений сопротивления, воспроизводимых с помощью:

  • катушки сопротивления — от 10−4 до 1012 Ом
  • магазины сопротивлений — для одной ступени декады от 10−4 до 1012 Ом[2]

ИсторияПравить

 
Однозначная мера сопротивления. Номинал 1 Ом.

История мер сопротивления в XIX столетии тесно связана с развитием единиц измерения сопротивления В 1843 Чарльз Уитстон предложил устройство для измерения сопротивления — измерительный мост, известный также как мост Уитстона. Для быстрого и удобного уравновешивания моста Уитстон сконструировал 3 типа реостатов, один из которых по конструкции напоминал магазины сопротивлений, который в 1860 улучшил и широко распространил Вернер фон Сименс.[3] По некоторым источникам, Уитстон не использовал переменные резисторы для уравновешивания моста, а первый мост с регулируемым плечом был сконструирован Вернером Сименсом в 1847 году[4]

В 1848 году Борис Якоби предложил собственную единицу измерения сопротивления и изготовил эталоны из медной проволоки однородного сечения длиной 25 фут. (7,61975 м) и весом 345 гран (22,4932 г). Эталоны представляли собой катушки с проволокой, залитые изолирующим составом и помещённые в деревянные ящики. Копии своего эталона Якоби послал И. Х. Поггендорфу, который изготовил ряд копий эталона Якоби и разослал их наиболее выдающимся физикам Европы.

В 1857 году Якоби демонстрировал устройство, содержащее 3 группы по 11 одинаковых катушек серебряной проволоки толщиной 0,07 дюйма в общем деревянном корпусе. Катушки первой группы несли 4 дюйма проволоки, второй — 40 а третьей — 400. [5][6]

До начала 1900-х годов для изготовления катушек мер сопротивлений применялся преимущественно нейзильбер благодаря своему высокому удельному сопротивлению. Стабильность сопротивления во времени и ТКС оставляли желать лучшего и с появлением альтернатив от использования сплава отказались. В последнем десятилетии XIX века наряду с нейзильбером широко применялся платиноид — сходный по составу сплав дополненный вольфрамом (Cu — 60 %, Ni — 14 %, Zn — 24 %, W 1 — 2 %), более стабильный и с меньшим ТКС. С середины 1890-х годов для изготовления катушек начинают применять константан и манганин. Последний удовлетворял большинству требований к материалам для изготовления образцовых сопротивлений: высокое удельное сопротивление, низкий ТКС, малая термоЭДС в паре с медью. Чувствительность к влажности воздуха и атмосферным коррозионным агентам компенсировалась изоляцией проволоки шеллаком.[7]

Устройство и классификацияПравить

 
 
Магазин сопротивлений со штепсельной системой коммутации

Меры сопротивления изготавливаются обычно из манганина поскольку последний:

  • имеет большое удельное электрическое сопротивление — 0,43-0,48·10−6 Ом·м;
  • очень малый температурный коэффициент — порядка 1·10−5 К−1;
  • малую термоЭДС в паре с медью.

При этом, в зависимости от сопротивления обычно используют[1]:

  • от 10−4 до 10−2 Ом — листовой манганин для сопротивлений;
  • от 10−2 до 102 Ом — манганиновую проволоку, намотанная бифилярно;
  • от 103 до 105 Ом — манганиновую проволоку, намотанную по Шаперону;
  • свыше 107 Ом — манганиновый микропровод в стеклянной изоляции.[8]

Высокостабильные меры могут быть изготовлены также из нихрома.

Однозначные мерыПравить

На металлический или фарфоровый каркас наматывается обмотка из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. Меры с номинальным сопротивлением 105 Ом и более имеют электростатический экран, роль которого как правило выполняет корпус устройства. В некоторых конструкциях корпус заполняется трансформаторным маслом, керосином или силиконовыми маслами, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи обмотки. Ранние меры, применявшиеся для измерения больших токов (до 1000 А)могли иметь устройства для перемешивания заполняющей жидкости и змеевик для принудительной циркуляции охлаждающей воды[9]. Для контроля температуры катушки предусматривается гнездо для установки термометра. Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными. Потенциальные зажимы предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Образцовые резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне — до 4 Вт.[1]

Многозначные мерыПравить

 
Магазин сопротивлений Р40102 к.т. 0,02, 4 декады, от 104 до 107 Ом.

КлассификацияПравить

По числу декад:

  • однодекадные;
  • многодекадные.

По конструкции коммутируюцей системы:

  • штепсельные — меры соединяются с помощью конических латунных стержней (штепселей) которые вставляют в гнёзда металлических пластин, соединённых с мерами. Контактное сопротивление при хорошем состоянии поверхности и достаточном нажатии равно примерно 1х10−4 Ом; при загрязнении поверхности и слабом нажатии сопротивление контакта может увеличиться в сотни раз, вследствие этого могут возникнуть значительные погрешности. Старейший тип коммутационной системы.
  • вилочные — меры соединяются с помощью двухштырьковой вилки, вставляемой в гнёзда наборной доски;
  • рычажные — меры соединяются с помощью многопластинчатых щёток из фосфористой бронзы, скользящих по латунным контактам. Благодаря тому, что ширина щёток превышает зазор между контактами, это единственный тип коммутирующей системы, обеспечивающий переключение без разрыва цепи.
  • электронные — коммутация осуществляется с помощью низкотемпературных прецизионных реле, управляемых микроконтроллером. Такой магазин требует для своей работы источник электропитания (от сети или аккумуляторная батарея).

В СССР в Российской Федерации к концу XX века штепсельные и вилочные магазины были совершенно вытеснены рычажными, но такие устройства присутствуют в ассортименте зарубежных производителей.

ПрименениеПравить

В настоящее время меры сопротивлений применяются для:

Основные нормируемые характеристикиПравить

В соответствии с действующим в настоящее время на территории России ГОСТ 23737-79 «Меры электрического сопротивления. Общие технические условия» нормируются следующие характеристики:

  1. для всех видов мер сопротивления
    1. допускаемое отклонение действительного значения сопротивления от номинального (класс точности);
    2. допускаемое изменение сопротивления в процентах за год (нестабильность);
    3. предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха (среды) (в диапазоне между верхней точкой диапазона нормальных условий применения и точкой в пределах диапазона рабочих условий применения соответствующей максимальному сопротивлению);
    4. предельное значение мощности рассеивания и допустимое время её воздействия (необратимые изменения сопротивления после такого воздействия не должны превышать установленного предела, выраженного в долях от основной погрешности)
    5. предел допускаемой дополнительной погрешности при изменении мощности рассеивания (в пределах от номинальной до любого значения не превышающего максимальную мощность);
    6. значение термоконтактной ЭДС для многозначных мер с сопротивлением ступени старшей декады 104 Ом и менее и однозначных мер номинальным сопротивлением менее 104 Ом;
  2. для мер сопротивления предназначенных для использования на переменном токе
    1. предельные значения постоянной времени
    2. верхний предел частотного диапазона в кГц
    3. начальная индуктивность и индуктивность при включении сопротивления не более 1 Ома (включая начальную индуктивность) для многозначных мер с сопротивлением декады 100 Ом и менее.
    4. предел допускаемой дополнительной погрешности вызванной изменением частоты (от нуля до верхнего предела частотного диапазона)
  3. только для рычажных ММЭС с сопротивлением старшей декады 104 Ом и менее
    1. среднее значение начального сопротивления (то есть сопротивление при установке всех декадных переключателей на нулевые показания);
    2. вариация начального сопротивления, вызванная изменением переходных сопротивлений контактов переключающих устройств

Для быстрого и надёжного включения в цепь однозначных образцовых сопротивлений выводы последних делали из толстых медных брусков, концы которых загибались вниз (как показано на рисунке) и помещались в чашечки с ртутью.[10] В эти же чашки опускались концы проводников, к которым требовалось присоединить образцовую катушку. Впоследствии от этого способа отказались по причине высокой токсичности ртути.

ПримечанияПравить

  1. 1 2 3 Бирюков С.В., Чередов А.И. Метрология: Тексты лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000, - 110 с
  2. ГОСТ 23737-79 «Меры электрического сопротивления. Общие технические условия»
  3. Марио Льоцци История физики — М.: Мир, 1970 — стр. 261
  4. T.D. Lockwood Electrical Measurement and the Galvanometer: Its Construction and Uses. second edition — New York, 1890 — стр.56. Internet Archive: digital library of free Books, Movies, Music & Wayback Machine. Дата обращения 3 мая 2013.
  5. материал о Б. С. Якоби на сайте, посвящённом истории электротехники (недоступная ссылка). «E-Scientist.RU». Дата обращения 3 мая 2013. Архивировано 10 сентября 2011 года.
  6. это устройство не следует именовать «магазином сопротивлений» поскольку оно не имело специальных элементов для коммутации
  7. Bob Mills. The RESISTANCE BOX (англ.). Australasian Telephone Collectors Society Inc. (1996). Дата обращения 12 января 2014.
  8. Кушнир В. Ф. Электрорадиоизмерения — Л.:Энергоатомиздат — 1983 — стр.15
  9. Войнаровский П. Д.,. Электрические измерительные аппараты // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  10. Магазин сопротивлений // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Литература и документацияПравить

ЛитератураПравить

Нормативно-техническая документацияПравить

  • ГОСТ 23737-79 «Меры электрического сопротивления. Общие технические условия»
  • ГОСТ 8.237-2003 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры электрического сопротивления однозначные. Методика поверки»
  • МИ 1695-87 «Меры электрического сопротивления многозначные, применяемые в цепях постоянного тока. Методика поверки.»

См. такжеПравить

СсылкиПравить