CC BY
51
УДК: 621.396.7
Афонин М.Ю., Доросинский А.Ю., Крестин Э.В., Коршунов Д.В., Подсякина А.Ю.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ ЭТАЛОНА К РАБОЧИМ СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЯ
Выявлены причины, сдерживающие повышение точностных характеристик разрабатываемых и выпускаемых прецизионных резисторов. Выполнена оценка современного состояния и уровня точности в области производства прецизионных резисторов.
Исследованы и проанализированы способы передачи размера единицы электрического сопротивления — Ома от эталона к рабочим средствам измерения. Обозначены способы обработки полученных результатов при калибровке эталонных сопротивлений. Выявлены наиболее информативные показатели точности. Ключевые слова:
ЭТАЛОН, ИЗМЕРЕНИЕ, ПОГРЕШНОСТЬ, СОПРОТИВЛЕНИЕ, СЛИЧЕНИЕ, ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА
Прецизионные резисторы являются электронными компонентами, широко применяемыми в точной измерительной и управляющей аппаратуре. Именно поэтому вопросы, касающиеся повышения точности данных изделий являются актуальными.
При этом, одной из причин, сдерживающих дальнейшее повышение точностных характеристик разрабатываемых и выпускаемых прецизионных резисторов, является недостаточная точность измерения абсолютных значений сопротивлений, их временной стабильности и ТКС [1].
В настоящее время освоен выпуск резисторов с допуском 0,001 % и ТКС порядка 1-3-ррш. Для метрологического обеспечения производства изделий, имеющих такие высокие точностные характеристики необходима аппаратура, параметры которой; должны находиться на уровне средств измерений, применяемых при проведении сличительных операций Государственного и рабочих эталонов Ома и соответствующих им эталонов.
Как показывает практика, уровень метрологического обеспечения измерений высшей точности в значительной мере зависит от состояния и метрологических характеристик применяемых эталонов и способов передачи размера единицы сопротивления от эталонов высших разрядов к рабочим мерам сопротивлений. Существеннее влияние оказывают применяемые средства измерений, а также условия, при которых измерения проводятся.
Существующая в настоящее время система государственных первичных эталонов единиц электрических величин основана на воспроизведении основной единицы (ампера) и важнейших производных единиц, к которым относится и единица электрического сопротивления Ом. По своему метрологическому назначение эталоны подразделяются на первичные, вторичные и специальные. Первичный эталон служит для обеспечения воспроизведения единицы Ома с наивысшей точностью.
Вторичный эталон занимает подчиненное положение, так как ему приписывается значение, найденное в результате его сличения с первичным эталоном. Вторичный эталон в свою очередь подразделяется на эталон - копию, эталон - свидетель, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Назначение эталона копии состоит в разгрузке первичного эталона от текущих работ по передаче размера единицы рабочим эталонам. Эталон-свидетель служит для периодической проверки сохранности и неизменности первичного эталона. Сличения специальных эталонов или, например, сличения международных эталонов производятся с помощью эталона сравнения, сличаемого поочередно с национальными эталонами различных стран. Наиболее распространенной категорией вторичных эталонов являются рабочие эталоны. Они применяются для поверки образцовых средств высшей точности и в отдельных случаях - наиболее точных рабочих средств измерений.
Государственный эталон Ома утвержден Комитетом стандартов мер и измерительных приборов в 197 0 г. и представляет собой комплекс измерительных средств, предназначенных для хранения единицы электрического сопротивления и передачи ее размера вторичным эталонам. Государственный эталон Ома и вторичные эталоны в комплексе с другими поверочными средствами составляют метрологическую основу для поддержания единства измерений электрического сопротивления в стране.
Размер единицы электрического сопротивления от государственного первичного эталона передается вторичным эталонам электрического сопротивления при помощи моста-компаратора и переходных мер электрического сопротивления.
Государственный первичный эталон возглавляет поверочную схему для средств измерений электрического сопротивления, являющихся основой поддержания единства измерения электрического сопротивления. Различают два вида поверочных схем, общегосударственные и локальные. При этом локальные поверочные схемы регламентируют передачу размера единицы от исходного образцового средства измерений конкретной метрологической организации.
Анализ методов передачи размера единицы сопротивления от эталона к рабочим средствам измерений имеет много звеньев сравнения, в результате чего происходит постепенная потеря точности. Главный этап этого процесса - сравнение рабочих эталонов со значениями 10", где п - целое число. Это сравнение производится методом замещения отношения сравниваемых сопротивлений точно известным отношением сопротивлений, благодаря чему систематические погрешности моста-компаратора практически исключаются.
Сравнение и калибровку эталонов сопротивлений от 10 до 100000 Ом производят при помощи переходных мер 11х10, 10х100 и 10х10000 Ом, имеющих возможность параллельного и смешанного соединения секций. Результаты сравнения при использовании двух переходных мер обрабатываются по формуле:
X — г _ ГМ!-ГМ2 + Хм1-Хм2
х 2 2 '
где гк, Гм1 и Гм2 - показания компаратора при включении эталона переходных мер сопротивления;
Хм1 и Хм2 - относительные отклонения сопротивлений переходных мер от номинального значения.
В процессе калибровки исходные значения Хм1 и Хм2 при смеданном и последовательном соединении секций переходных мер сопротивления определяют из равенств
— „ р
а.
а»
где ар и а5р - относительные отклонения со-
противления параллельного, последовательного и смешанного соединений секций переходной меры от номинального значения;
р - относительная разность между сопротивлением первой секции и общим сопротивлением смешанного соединения девяти секций переходной меры.
При этом точность калибровки эталонных сопротивлений оценивается путем обработки полученных результатов по закону нормального распределения: случайных погрешностей и квадратичному закону накопления погрешностей. За основные показатели точности принимаются среднеквадратическая погрешность ряда показаний компаратора и предельная погрешность результата калибровки.
Последняя, определяется с учётом накопления погрешностей в процессе передачи единицы сопротивления непосредственно от первичного эталона Ома.
Целесообразность применения закона нормального распределения случайных погрешностей при оценке точности калибровки эталонных сопротивлений обосновывается возможностью многократного повторения наблюдений, обеспечением практически полного исключения систематических погрешностей
компаратора и его достаточно высокой чувствительности [1].
Описанный метод находит применение только при передаче значения единицы сопротивления от первичного эталона Ома рабочим. Во всех остальных
случаях на практике применяется метод прямого сличения равнономинальных сопротивлений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березин М.Н. Автоматизированная установка для измерения относительного отклонения сопротивления и температурного коэффициента сопротивления/ Березин М.Н., Доросинский А.Ю. // Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов. Труды международной научно-технической конференции. - 2007. - С. 226-230.
УДК 618
Попов П.Ю., Доросинский А.Ю., Нефедьев Д.И.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
ОСОБЕНННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРЕЦИЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Оценены основные тенденции развития приборостроения. Обозначен достигнутый технический уровень в области метрологических характеристик прецизионных резисторов.
Описаны основные контролируемые параметры прецизионных резисторов и особенности их контроля.
Обоснована возможность создания на базе компаратора сопротивлений автоматизированного комплекса измерения относительной разности сопротивлений (ОРС). Предложен вариант автоматизированного комплекса. Рассмотрены методы и средства измерения относительной разности сопротивлений. Даны рекомендации по необходимому уровню функциональных возможностей комплекса. Ключевые слова
ПРЕЦИЗИОННЫЙ РЕЗИСТОР, ИЗМЕРЕНИЕ, ПОГРЕШНОСТЬ, ОТНОСИТЕЛЬНАЯ РАЗНОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС
Введение
Современный этап развития приборостроения характеризуется значительным повышением метрологических характеристик измерительных приборов. Предельные погрешности рабочих средств измерения достигают значений (0,0005 - 0,0001) %. По этой причине стабильным остается спрос на прецизионные изделия электронной техники, в том числе на прецизионные резисторы.
Отечественная промышленность освоила производство резисторов, допускаемое отклонение сопротивления которых не превышает ±0,001%. Однако наращивание выпуска в соответствии с потребностями рынка сбыта связано с существенными трудностями, особенно при выполнении контрольно-измерительных операций. Основной проблемой при прецизионных измерениях является проблема снижения влияния на результат измерения случайных погрешностей, что достигается введением статистической обработки результатов наблюдений [1, 2].
Практика выполнения высокоточных измерений сопротивлений прецизионных резисторов обусловила разработку и широкое применение автономных многозначных мер электрического сопротивления повышенной точности.
При этом для обеспечения автоматизации операции измерения попускаемого отклонения сопротивления прецизионных резисторов представляется целесообразным разработать автоматизированную установку измерения относительной разности сопротивлений (компаратор сопротивлений).
Прецизионные резисторы как объект контроля Высокий уровень параметров современных прецизионных резисторов, например, допускаемое отклонение сопротивления достигает значения 0,001 %, специфика технологии их производства и особенности применения оказывают определяющее влияние на требования, предъявляемые к контрольно-измерительному оборудованию (КИО), необходимому для обеспечения производства этих резисторов. Информация о вышеперечисленных факторах позволяет оптимальным образом определить метрологические характеристики КИО в сочетании с необходимой степенью автоматизации измерительных и вспомогательных операций и универсализацией функциональных возможностей. По этой причине необходимо провести систематизацию данных, характеризующих производство конкретных типов резисторов [1].
В настоящее время характеристики резисторов, в том числе и прецизионных, описываются несколькими десятками параметров [1]. Особый интерес, в основном, представляют пять параметров: допускаемое отклонение сопротивления; номинальная мощность рассеяния;
температурный коэффициент сопротивления; температура перегрева; уровень шумов резистора.
Первый из вышеперечисленных параметров - допускаемое уклонение сопротивления, является исходным для определения метрологических характеристик КИО [2]. Следующие три параметра накладывают требования на режим измерения, т.е. ограничивают сверху мощность электрического сигнала, которая может быть "рассеяна" на контролируемом резисторе зри выполнении измерительных операций при сохранении требуемой точности измерении. Уровень шумов резистора позволяет рассчитать нужный предел мощности электрического сигнала, рассеивающейся на контролируемом резисторе при измерении относительной разности сопротивлений (ОРС) или допускаемого отклонения сопротивления при требуемой точности измерений.
При измерении ОРС или допускаемого отклонения сопротивления резисторов, на точность измерения существенное влияние оказывают такие параметры, как температурный коэффициент сопротивления и температура перегрева контролируемых резисторов. Кроме того, широкий диапазон номинальных сопротивлений резисторов (особенно в сторону высоких номиналов) обуславливает существенное влияние собственных и внешних шумов и электромагнитных и электростатических помех, наличие которых диктует необходимость применения статистической обработки результатов наблюдений при выполнении измерении с целью снижения влияния случайных составляющих погрешности измерения [2, 3].
Если регистрация результатов наблюдений и их статистическая обработка производятся оператором в "ручном" режиме, то неизбежные "промахи" оператора полным весом влияют на точность измерений относительной разности сопротивлений или допускаемого отклонения сопротивлений прецизионных резисторов. Описанные факты позволяют сделать вывод о необходимости автоматизации процесса измерения допускаемого отклонения сопротивления при производстве резисторов.
Автоматизация измерительных операций позволит оптимизировать режим работы резистора в процессе контроля (особенно это касается его теплового режима) и статистическую обработку экспериментальных данных, что в конечном итоге даст возможность повышения точности измерений.
В течение технологического цикла изготовления прецизионных резисторов операция измерения допускаемого отклонения сопротивления используется от шести до десяти раз в зависимости от типа резистора, причем интервал времени: илу измерениями порядка 20 суток .Результатом должна быть, как правило, информация об измеренном значении
