Методика, средства и программное обеспечение измерений сверхпрецизионных резисторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Березин М.Н., Доросинский А.Ю. МЕТОДИКА, СРЕДСТВА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СВЕРХПРЕЦИЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ

Резисторы являются одной из самых массовых категорий электронных компонентов применяемых в устройствах промышленного и бытового назначения. Современное развитие измерительной и вычислительной техники, систем автоматического управления различными технологическими и физическими процессами неразрывно связано с повышением точности и стабильности электронных компонентов, в том числе и резисторов.

В настоящее время отечественной промышленностью освоены в производстве сверхпрецизионные особостабильные резисторы С5-60 электрические и эксплуатационные характеристики, которых следующие:

- температурный коэффициент сопротивления (ТКС) ± (1^2)*10-6 °С-1;

- относительное отклонение сопротивления (ООС) ± (0,01^0,001) %;

- временная стабильность на уровне ± 0,001 %.

В соответствии с [1] погрешность измерения сопротивления прецизионных резисторов не должна

превышать 1/3 допускаемого отклонения.

Анализ параметров стандартных СИ, показал, что погрешность измерения абсолютного значения сопротивления отечественными комбинированными приборами не превышает ± 0,01 %. Наиболее точным омметром является омметр типа Щ306/1 с погрешностью до ± 0,005 %.

Более высокую точность при сохранении быстродействия обеспечивают приборы, измеряющие относительное значение отклонения сопротивления от номинала, называемые компараторами. При использовании относительных оценок отклонения сопротивления, точность измерения ограничивается точностью

применяемых мер, т.е. существует возможность прямой передачи точности физических величин от эталонов, поэтому компараторы обеспечивают минимальную погрешность измерения сопротивления.

Иногда, для повышения точности измерения сопротивления применяют компараторы напряжений, обеспечивающие сравнение неравнономинальных сопротивлений контролируемого изделия и образцовой однозначной меры. Примером этого могут служить компараторы напряжений Р3003 и Р3017. Однако они являются приборами ручного уравновешивания с крайне низкой производительностью, поэтому, как и мосты ручного уравновешивания Р3009 и Р369, рекомендуются только для исследовательских целей и не могут быть использованы для измерения сопротивлений при серийном производстве резисторов.

Основными методами, которые применяются при измерении сверхперцизионных резисторов, являются метод непосредственного сличения (дифференциальный метод) и метод разновременного сличения (метод замещения).

Независимо от выбранного метода измерения погрешность измерения относительной разности сопротивления (ОРС) включает в себя:

погрешность аттестации и погрешность от временной нестабильности за межповерочный интервал времени эталонной меры (5м);

погрешность, обусловленную температурной зависимостью действительного значения эталонной меры

(5мt);

погрешность компарирования (5к);

погрешность, вызванную изменением сопротивления контролируемого резистора от изменения температуры окружающего воздуха (5хО;

погрешность шунтирования сопротивления измеряемого резистора сопротивлением изоляции контактно-зажимного устройства (5ш).

Погрешность компарирования для компаратора типа Р3015 согласно паспортным данным составляет ± 2,5-10-4 % для измеряемых сопротивлений Ях в диапазоне от 10 до 102 Ом, ± (1^2)-10-4 % для сопротивлений в диапазоне от 102 до 105 Ом и ± 1-10-3% для сопротивлений Ях > 106 Ом.

При использовании дифференциального метода измерения погрешность компарирования входит полным весом в общую погрешность измерения ОРС. Таким образом, погрешность измерения ОРС дифференциальным методом определяется по формуле

-'iiti4№¡ra •

где K- и Ki — коэффициент, зависящий от закона распределения соответственно суммарной 5изм и i-той погрешности.

Применение метода замещения позволяет свести к минимуму систематические погрешности компаратора и снизить погрешность компарирования до значений, обусловленных нестабильностью показаний компаратора, т.е. до уровня случайной погрешности, которую принято оценивать согласно [2] по пре-

дельным значением среднего квадратичного отклонения (СКО) Ок.

При использовании метода замещения погрешность определяется следующим выражением:

5 -±е -'|D *(Kj *(t) w+(^

где ак — случайная погрешность (СКО) компарирования.

Анализируя данное выражение можно видеть, что систематическая погрешность компаратора не влияет на результат измерения.

Помимо ООС одним из основных параметров подлежащих измерению является ТКС резисторов, оценка которого сводится к измерению абсолютных значений сопротивления при нормальной, а затем при заданной температурах с последующим расчетом его величины по формуле:

ÓÉÑ--^ - Rt ~ Rl----, (1)

At ■ R (tgáa - tl )• Rl

где Rt - сопротивление резистора, измеренное при температуре tзад; R¡ - сопротивление резистора, измеренное при номинальной температуре; t?áá - заданная температура; t¡ - номинальная тем-

пература.

Таким образом, точность измерения ТКС ограничивается точностью приборов для измерения абсолютных значений сопротивления. Отсюда, для повышения точности измерений целесообразно пользоваться относительными величинами сопротивлений, которые определяются как:

(R - Rit - Ro ■ 100

Ro

где 5R - относительное отклонение сопротивления от номинального значения; Яд - действительное значение сопротивления; R0 - номинальное значение сопротивления.

При измерении ТКС при помощи компаратора относительные величины определяются как:

R t - ■100% ^ R t - -r o

R0 100

- ■100»% ^ R - ^‘ ■ R 0 -R

1 Ro 1 100 0

На основании данного выражения формулу (1) можно представить в виде:

^ t * R 0 - R - ^ 1 * R 0 , R

QÉÑ- 1Q0 ° 100 ° ^ t- ^ i

(^¡и - 11 )' К-0 (^¡и - 11 )'100

где (К - относительное отклонение сопротивления при заданной температуре t; - относи-

тельное отклонение сопротивления при номинальной температуре.

Из-за отсутствия приборов измерения ТКС (ТКС-метров), позволяющих проводить измерения с высокой точностью, как правило, применяют комплекс функционально объединенных приборов, осуществляющих измерения температуры и сопротивления.

Использование функционально независимых приборов при измерении ТКС сопровождается большим количеством рутинных операций, а именно запись показаний с цифровых индикаторов приборов, пересчет показаний по градуировочным таблицам, подсчет значений ТКС и т.д.

Данная работа является достаточно трудоемкой и влечет за собой значительное количество ошибок в силу различных субъективных факторов.

В целях автоматизации процесса измерений, а также повышения точности и достоверности в ФГУП «НИИЭМП» была разработана установка РУКЮ.411212.018 на основе компаратора сопротивлений Р3015 для измерения относительной разности сопротивлений с целью определения относительного отклонения сопротивления (ООС) от номинального значения и выполнения совместных измерений сопротивлений и температуры с целью определения ТКС постоянных сверхпрецизионных эталонных резисторов [4].

Основные технические характеристики установки представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики

Название характеристики Значение

Диапазон измерений сопротивлений, Ом от 50 до 105

Пределы допускаемых отклонений сопротивлений резисторов от номинальных значений, % от ± 0,001 до ± 0,05

Диапазон измерений ТКС, °С-1 от 0,5-10-6 до 10-10-6

диапазон измерений температур, °С от минус 60 до плюс 125

пределы допускаемой погрешности измерений ООС от номинального значения, % от ± 0,00005 до 0,0001

Пределы допускаемой погрешности измерений температурного коэффициента сопротивлений, % от ± 0,00005 до ± 0,0001

пределы допускаемой погрешности измерений температуры в рабочем объеме термостата, °С 1 0 ±

время установления рабочего режима, мин не более 60

Установка обеспечивает выполнение в автоматическом режиме следующих операций:

выполнение измерений;

математическую обработку результатов измерений;

документирование результатов измерений в виде протокола.

Для управления, сбора и обработки данных была разработана пользовательская программа, в которой реализованы два режима работы:

- измерения ООС;

- измерения ТКС.

Причем измерение ООС может выполняться как дифференциальным методом, так и методом замещения.

Принцип работы установки в режиме измерения ТКС основан на сравнении ООС контролируемого резистора с действительным значением эталонной меры, измеренного при нормальной температуре с ООС этого же резистора при заданной температуре. Оценим точность определения ТКС предложенным способом.

Погрешность определения ТКС резисторов определяется нестабильностью измерения относительного отклонения контролируемого резистора от эталонной меры и нестабильностью температуры.

При измерении ТКС относительную погрешность измерения можно представить в виде:

З(СЁЙ) = ±^(5к)2 + (зт )2,

где 5Я - относительная погрешность измерения отклонения сопротивления контролируемого резистора от сопротивления эталонной меры при измерении ТКС; 5Т - относительная погрешность поддержания температуры при измерении ТКС.

Относительная погрешность измерения отклонения сопротивления резистора можно представить как

® = А(Ж) , щ - Щ

где А(5Я) - абсолютная погрешность измерения отклонения сопротивления резистора от значения эталонной меры; 5^, бЯн - показания компаратора при измерении относительного отклонения сопротивления при заданной и нормальной температуре.

Так как сличение с эталонной мерой в процессе измерения ТКС происходит дважды (при температуре ^ и температуре tзад), то абсолютная погрешность измерения 5^ (или 5Ян) определяется как А(5Я) = ±2 • 5 + 5Д, +5и),

где 5пр= ак - случайная погрешность измерения, обусловленная нестабильностью показания компаратора; 5Яо - погрешность, вызванная вариацией начального сопротивления эталонной меры сопротивления; 5^ - погрешность, вызванная уходом сопротивлений эталонной меры от нестабильности температуры ^.

Погрешность, обусловленная изменением сопротивления эталонной меры от температуры, определяется как

Sit _±a -A? -100,

где ам - ТКС резисторов эталонной меры; At - нестабильность поддержания температуры t^

Так как

SR -SR _ OÉÑ - (/^ -t¡)-100,

где ТКС - температурный коэффициент контролируемого резистора, относительная погрешность измерения и поддержания температуры определяется как

AT _ At(áa + AtH

абсолютная погрешность измерения и поддержания нормальной t и заданной t3

1даа 1И

где Аtзад, Аtн пературы.

Развернутая формула для определения относительной погрешности ТКС с учетом всего вышесказанного имеет вид:

' 2 - (S,¿ + SR +SR?)' 2 Atcaa + AtH

_OÉÑ-(t<áa -?н)-100_ ?даа - ?Н _

На основании этого, абсолютная погрешность определения ТКС вычисляется как:

А(СЕЙ) = ±5(ЖЙ) • СЕЙ =

' 2-(S,¿ +SR + SR)' 2 Atcaa + AtH

_OÉÑ-(tfáa -?н)-100_ ?даа - ?H .

• (СЕЫ)

В настоящее время ОАО «Компания Импульс» г. Краснодар разрабатывает компараторы сопротивлений Е6-27, Е6-28, используемых для определения разности сопротивлений двух резисторов, не имеющих

между собой гальванической связи. Использование в установке вместо компаратора сопротивлений Р3015 компараторов сопротивлений Е6-27, Е6-28 позволит существенно повысить тактико-технические

характеристики установки.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 21342.20 «Резисторы. Методы измерения сопротивления»

2. ГОСТ 8.00 9 ГСИ «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»

3. Березин М.Н., Доросинский А.Ю. Автоматизированная установка для измерения относительного отклонения сопротивления и температурного коэффициента сопротивления. / Материалы, изделия и технологии пассивной электроники. Материалы международной научно-технической конференции / под ред. В.Г. Недорезова. Пенза: НИИЭМП, 2007. - 240 с.