8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
1/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Măsurări la impedanţă ridicată
2.1 Introducere
Acest capitol îşi propune să prezinte informaţii complete asupra funcţiilor de bază ale
electrometrelor, unele interferenţe şi surse de eroare, precum şi modalităţile de îmbunătăţire a
preciziei măsurătorilor.
2.2 Măsurări de tensiune la impedanţa ridicată
Măsurările cu surse de tensiune care au impedanţă internă mare prezintă un număr ridicat de erori, cum ar fi cele de la rezistenţa de intrare a voltmetrului şi a curentului de offset
de la intrare şi de la rezistenţele şunt sau capacităţile externe. În următoarele paragrafe sunt
prezentate sursele de eroare cât şi modalităţile de reducere a efectelor. rorile datorate
conexiunilor necorespunzătoare dar şi interferenţelor electrostatice sunt prezentate în
!apitolul ".#.
2.2.1 Prezentarea erorilor datorate încărcării şi gardarea
Efectele rezistenţei de intrare
Măsurările de tensiune la impedanţă mare sunt supuse unor erori datorate impedanţei
de intrare a măsurătorului şi impedanţei cablului de conexiune. $n voltmetru practic poate fi
reprezentat printr%un voltmetru cu rezistenţa de intrare infinită ideală &'M( în paralel cu un
rezistor egal cu rezistenţa de intrare &) *+(, cum se arată în igura ".-. Atunci când o sursă al
cărui ecivalent /evenin este '0 în serie cu ) 0 conectată la intrare, tensiunea &'M( care
apare la terminalele de intrare ale măsurătorului este redusă de ) 0 şi ) *+ astfel1
xemplu1 2resupunem ca ) 0 3 -4456 şi ) *+ 3 -4 M6. 7acă '0 3 8' , atunci tensiunea reală
măsurată este1
-
+
= IN S
IN S M R R
RV V
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
2/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
V V
V
M
M
98.:
-4-4
-48
;8
;
=
+
=
Astfel, încărcarea rezistenţei de intrare ar da o eroare de -
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
3/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
)
V VsauV
V
V
M
M
M
4-.-499.9
4-.4-4
-4-4-4 -4-"
=±=
⋅±= −
Astfel, eroarea cauzată de curentul de offset la intrare va fi de aproximativ 4.-< în
acest exemplu.
Multimetrele digitale 7MM şi nanovoltmetrele prezintă curenţi de offset de la -pA la
-nA deşi curenţii de offset de la 7MM%uri nu sunt întotdeauna specificaţi. lectrometrele sunt
cunoscute pentru curentul lor mic la intrare, de la -4fA până la 84aA, care este întotdeauna
specificat. 2icoampermetrele si 0M$%urile, de asemenea au curenţi foarte mici de offset, deşi
de obicei nu sunt aşa de mici ca la cele mai performante electrometre.
7eşi curenţii de offset la intrare sunt o sursă comună pentru acest tip de erori, curenţii
din circuitul extern pot, de asemenea cauza erori datorate căderilor de tensiune asupra
rezistenţei sursei. 0ursele tipice ale acestor curenţi de offset sunt izolatorii şi cablurile.
Efectele rezistenţelor de şuntare şi gardarea
?rice rezistenţă de şuntare externă a sursei de tensiune poate atenua tensiunea
măsurată, aşa cum se arată în igura ".DE în cazul tensiunii pe rezistenţa de intrare, rezistenţa
şunt &) 0$+/( şi rezistenţa sursei &) 0( formează un divizor de tensiune care va reduce tensiunea
măsurată &'M( după cum urmează1
+= S SUNT
SUNT S M R R
RV V
D
'M 3 '0 F *?0/ ) 0
'M
'oltmetrul măsoară '0şi indică 'M
0ursă detensiune
'0
) 0
B*
C?
*?0/!urentul de
offset deintrare
ig. "." fectele curentului de offset de intrare asupra măsurăriitensiunii
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
4/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
7e exemplu, presupunem că ) 0 3 -4>6 şi ) 0$+/ 3 -44>6 . 7acă '0 are valoarea de
-4', tensiunea măsurată, 'M este1
+
=-4--
--
-4-4
-4-4 M V , V V M 49.9=
În această situaţie, eroarea datorată încărcării şuntului este de aproximativ 9
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
5/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
locul intrării C?. ) > reprezintă rezistenţa ecranului cablului şi intrarea C? a dispozitivului de
măsurare, şi *> este curentul prin ) > necesar pentru a egala potenţialul ecranului cu potenţialul
terminalului de intrare B*. Acest curent este asigurat de bufferul de gardare şi nu de către
sursa de tensiune. 7in moment ce tensiunea prin ) C este acum cu câteva zecimi mai mică,
curentul de pierderi va fi negliGabil în cele mai multe cazuri.
2rin definiţie, o garda este un punct de Goasă impedanţă în circuit, care are aproape
acelaşi potenţial ca şi terminalul de intrare de impedanţă mare.
Ca electrometrele moderne, terminalul de ieşire al preamplificatorului este un astfel
de punct şi poate fi folosit ca în igura ".8 pentru a reduce efectul cablului de scăpări. $n
beneficiu în plus îl constituie, de asemenea, reducerea capacităţii cablului făcând ca viteza de
răspuns a circuitului să fie mult mai mare.
0cema circuitului electrometrului folosit ca voltmetru este prezentată în figura ".#.
Amplificatorul protector este un amplificator cu câştig, cu o impedanţă de intrare foarte mare.
!âştigul în buclă descisă, A>Auard , variază între -4: şi -4# . )ezistenţa &) C( este multiplicată
de acest câştig, iar tensiunea măsurată devine1
+
⋅=
GAR!AS
GAR!AS M R A R
R AV V
8
0ursa de tensiune
) 0
ig. ".8 !onfigurarea de gardare
>uard'M
'oltmetru
B*
!ablu de conexiune
) C
'0 C?
%
) > *>
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
6/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
xemplu1
2resupunem că ) 0 are valoarea de -4>6 şi ) C este de -44>6. 7acă presupunem valoarea
medie de -48 pentru A>A)7A şi o valoare de -4 ' pentru '0, tensiunea măsurată este1
V V
V
M
M
99999.9
-444444-.-
-4-4
-#
-#
=
×
=
Astfel, se observă că eroarea la gardare este mai mică de 4.44-
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
7/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
igura ".; demonstrează efectul capacităţii de şuntare pe intrarea unui voltmetru tipic
de impedanţă mare. 0ursa de semnal este reprezentat de '0 si ) 0, capacitatea şunt este !I$+/,
iar tensiunea măsurată este 'M. *niţial, comutatorul este descis, şi !I$+/ nu este încărcat.
!ând comutatorul este încis, sursa de tensiune &'0( este aplicată la intrare, dar
tensiunea măsurată pe !0$+/ nu creşte instantaneu la valoarea finală. în scimb, tensiunea
creşte exponenţial, după cum urmează1
"UNT S # Rt S M eV V @-−=
7e asemenea, sarcina &J*+( transferată capacitorului este1
"UNT S IN # V $ ⋅=
Încărcarea pentru !I$+/ generează o curbă exponenţială, arătată în igura ".K. 7upă o
constanta de timp &L 3 )!(, tensiunea măsurată creşte la aproape #D< din valoarea finalăE
valoarile finale pentru diferite constante de timp sunt prezentate în tabelul -.
/abelul - % /impul de stabilire
!onstanta de timp &L( 2rocent din valoarea finală- #D<" K#<D 98<: 9K<8 99.D<L 3 )!, unde ) 3 rezistenţa &?mi(, ! 3 capacitatea &arazi(
;
0ursă detensiune
'0
) 0
ig. ".; !apacitatea de şuntare
'M 3 '0&-%e%t@)s!Iunt(
J*+ 3 '0 !0$+/
'M
'oltmetru
B*
C?
J*+
!apacitatea şunt
!I$+/
2rocent din valoarea finală &'0( -44
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
8/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
xemplu1 2resupunem ca ) 0 3 -4 >6 şi !I$+/ 3 -44p. Această combinaţie are ca rezultat o
constantă de timp )! de o secundă. Astfel, ar dura 8 secunde ca circuitul să se stabilizeze la
mai puţin de -< din valoarea finală. !u o scimbare în '0 de -4' o sarcina totală de -n! ar
fi transferată la !I$+/.
În timp ce avantaGul principal al gardării este reducerea efectelor rezistenţei şunt, alt
aspect important este reducerea efectelor capacităţii de şuntare.
Aşa cum se arată în igura ".9, repetorul de tensiune@amplificatorul de tensiune reduce
semnificativ timpul de încarcare al !I$+/ datorită câştigului în buclă descisă, A>A)7, care
este tipic de la -4:
la
-4#
.!u gardare, timpul de creştere al tensiunii măsurate &'M( devine1
K
'M3'0&-%e SUNT S GAR!A # RtA @− (
'M
Amplificator de tensiune @)epetor de tensiune A>uard 3-4 % -4
0ursă detensiune
'0
) 0
B*
C?
ig. ".9 >ardarea capacităţii de şuntare
%
A>uard!I$+/
"4
4 -.4
/im
D4
:4
84 #4
;4
K4
94
-4
4
".4 D.4 :.4 8.4 ) 0 !I$+/
ig. ".K )ăspunsul exponenţial al tensiunii pe rezistenţa de şuntare
#D
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
9/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
( SUNT S GAR!A # RtAS M eV V @- −−=
şi sarcina transferată pe ! I$+/ este 1
⋅=
GAR!A
SUNT S IN
A
# V $
xemplu1 2resupunem că ) 0 3 -4>6 şi !I$+/ 3 -44p, ca în exemplul dat anterior, fără
gardare. 7acă presupunem o valoare nominală de -48 pentru A>A)7, putem observa că timpul
de stabilizare pentru )! este redus la aproximativ 8 sec@-48 3 84Ns şi o cantitate
nesemnificativ de mică în comparaţie cu timpul necesar în mod normal unui instrument,
pentru o singură citire. 0e ţine cont de faptul că, având o scimbare de -4' în '0, sarcina
transferată &J*+( este de numai -4f!, o reducere de -44.4441-.
2.2.2 Rezistenţa de izolaţie
lectrometrele, ca şi voltmetre, sunt caracterizate printr%o impedanţă mare de intrare.
)ezistenţa de izolaţie mare a circuitelor de test, este una din primele cerinţe ale unor
măsurători reuşite cu electrometrul. Astfel, cunoşterea materialelor izolatoare şi metodele de
folosire ale acestora, au o importanţă esenţială. 2entru măsurarea corectă a tensiunii de la
sursele cu rezistenţă mare, rezistenţa armăturilor care izolează scurgerea, indicii de test şivoltmetrul care efectuează măsurătorile, trebuie să aiba o amplitudine mai mare decât
rezistenţa /evenin ecivalentă a circuitului testat, depinzând de numărul de zecimale al
preciziei, rezoluţiei, sau acurateţii cerute. 7acă rezistenţele nu sunt cu câteva zecimi mai mari,
tensiunea sursei, măsurată va fi redusă prin efectele de şuntare ale izolării, aşa cum se va
prezenta mai Gos.
ste dificilă detectarea unei izolaţii inferioare la ecipamente, deoarece o citire eronată
poate părea stabilă. Aşadar, este bine să se măsoare periodic rezistenţa izolaţiilor armăturilor
testate şi a cablurilor, cu un ommetru, pentru a se asigura integritatea lor. 7acă sunt
descoperite deficite, trebuie ca izolatorul defect să fie ori curăţat, ori înlocuit.
$rmează o prezentare a metodelor de menţinere în stare bună a izolatorilor. ste, de
asemenea prezentat şi un sumar al rezistenţelor tipice pentru diferite materiale.
Alegerea celui mai bun izolator
9
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
10/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Ca evaluarea unui material izolator, trebuie luate în considerare # proprietăţi de bază
ale materialului1
• )ezistivitatea de volum1 curentul circula direct prin materialE
• )ezistivitatea de suprafaţă1 scurgerea peste suprafaţă, o funcţie primară a
contaminatorilor suprafeţeiE
• Absorbţia apei1 scurgerea depinde de cantitatea de apă care a fost absorbită de
izolatorE
• fectele incărcării piezoelectrice sau stocate1 crearea dezecilibrelor de
sarcină datorită solicitării mecaniceE
•
fectele triboelectrice1 crearea unui dezecilibru de sarcină datorită efectelor de frecare dintre două materialeE
• Absorbţia dielectricului1 tendinţa unui izolator de a stoca@elibera sarcină la
intervale mari de timp.
/abelul "." relatează caracteristicile de bază ale izolatorilor, iar figura ".-4 arată limitele
lor de rezistivitate. !aracteristicile izolatorilor sunt descrise în continuare, în paragrafele de
mai Gos.
Teflonul
/eflonul este cel mai bun şi frecvent izolator folosit pentru nivele de impedanţă
intâlnite la măsurătorile curenţilor mai mari de -4 %-:A. Are o mare rezistivitate de volum şi o
suprafaţă pe care nu se formează pelicule cu vapori de apă. Aşadar, proprietăţile sale
izolatoare nu sunt puse în pericol de aerul umed. /eflonul este inert din punct de vedere
cimic şi poate fi curaţat cu uşurinţă. 7e asemenea, este uşor de manevrat. în electronică, cel
mai folosit tip de teflon este teflonul 2/.
2rincipalul neaGuns al teflonului este acela că , atunci când este deformat, sarcinile
apar intern, cauzând tensiuni şi curenti falşi. !u o griGă adecvată, aceste caracteristici nu sunt
valabile pentru curenţi de peste -4%-DA.
/abelul " % 2roprietăţile diferitelor materiale izolatoare
2roprietăţi
-4
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
11/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Materialul
)ezistivitatea
de volum
&Ocm(
)ezistenţa
la
absorbţia
apei
fecte
piezoelectrice
minime
fecte
triboelectrice
minime
Absorbţia
dielectrică
minimă
0afir =-4-K 4 /eflonulP2/ =-4-K % % 2olietilena -4-# 4 4 2olistirenul =-4-# 4 4 % Qel%P =-4-K 4 % 4!eramica -4-:%-4-8 % 4
+Rlon -4-D%-4-: % 4 % %0ticla epoxidică -4-D % 4 % %2'! 8 x -4-D 4 4 %Notă1 Material foarte bun din punct de vedere al proprietăţilor.
4 Material bun din punct de vedere al proprietăţilor.
% Material slab din punct de vedere al proprietăţilor.
Polistirenul
2olistirenul este mult mai ieftin decât teflonul, şi era considerat izolatorul standard
înainte ca teflonul să fie disponibil. 0e manevrează cu uşurinţă, dar pot apare fisuri interne.
Aceste caracteristici nu pun în pericol proprietăţile sale izolatoare, decât în cazul în care
fisurile aGung la suprafaţă@exterior. )ezistivitatea de volum a polistirenului este asemănătoare
--
2 l a c ă
p o x i d i c ă
2 l a c ă
p o x i d i c ă
>%-4
B â r t i e
B â
r t i e
/ e f l o n
/ e f l o n
! e r a m i c ă
+ R l o n
! e r a m i c ă
+ R l o n
2'!
0 a f i r
0 a f i r
2 o l i s t i r e n
2 o
l i e t i l e n ă
2
o l i s t i r e n
2 o l i e t i l e n ă
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4-4
) e z i s t i v i t a t e a d e v o l
u m &
O % c m (
Materiale izolatoare
ig. ".-4 )ezistivitatea diferitelor tipuri de materiale izolatoare
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
12/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
cu cea a teflonului dar se formează pelicule de apă pe suprafaţa acestuia atunci când
umiditatea creşte, reducând semnificativ rezistenţa suprafeţei.
Kel-F
Qel% are caracteristicile de suprafaţă şi volum aproximativ la fel de bune ca ale
teflonului, se manevrează uşor şi nu se fisurează. ste totuşi mai scump şi nu poate fi
aciziţionat cu uşurinţă.
Polietilena
2olietilena are o rezistivitate excelentă şi are caracteristicile de suprafaţă similare cu
ale polistirenului. 7eoarece este flexibil, este folosit frecvent la izolarea cablului coaxial şi
triaxial. Aceste cabluri sunt ideale pentru lucrul cu electometrul, din moment ce
scurgerile@scăpările de suprafaţă din această aplicaţie sunt relativ lipsite de importanţă.
2olietilena, amintim că se topeşte la o temperatura relativ mică, aşadar firele din cuptoare ar
trebui să dispună de o izolaţie de teflon, înlocuind polietilena.
Sticla şi ceramica
0ticla şi ceramica au şi ele o rezistivitate foarte mare, dar proprietăţi slabe la umiditate
ridicată, adesea şi proprietati slabe piezoelectrice. 0ticla sau ceramica curăţată cu metanol şi
scufundate în parafina în fierbere, au o suprafaţă de izolare bună, însă nu şi durabilă. 7iferite
lacuri pe bază de silicon pot fi aplicate pe suprafeţele de sticlă sau ceramică, şi apoi uscate în
cuptor sau la Get de aer, dar ciar după acest tratament, izolatorii se pot defecta cu uşurinţă
prin manevrare. 0ticla şi ceramica sunt greu de manevratE sunt în principal folosite atunci
când este absolută nevoie de proprietăţile lor mecanice.
Safirul
0afirul este unul din cei mai buni izolatori. ? încărcare foarte mică este generată în
interior, atunci când este supus unei solicitări mecanice. ste folosit cel mai des la măsurarea
curentţlor între -4%-KA şi -4%-8A. $tilizarea safirului este restricţionată de costuri şi totodată
materialul este greu de manevrat şi modelat.
Cuarţul
!uarţul are proprietăţi similare cu cele ale safirului, dar are comportare piezoelectrică
considerabil mult mai mare. 7in acest motiv este rar folosit în circuitele cu electrometre.
Alte materiale izolatoare
-"
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
13/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
2ractic, toate celelalte materiale izolatoare au o rezistivitate de volum prea mică sau
au caracteristici de suprafaţă nesatisfacatoare pentru utilităţile electrometrului. 'inilul,
nRlonul şi Cucite sunt inferioare teflonului, polistirenului, polietilenei, safirului sau cuarţului.
Intreţinerea izolatorului
!a la oricare dispozitiv de mare rezistenţă, integritatea izolatorilor poate fi distrusă
dacă nu sunt manevraţi în mod corespunzător. $leiurile şi sărurile pot degrada performanţele
izolatorului, iar impurităţile din aer se pot depune pe suprafaţa izolatorilor, reducându%le
rezistenţa. 7atorită acestor factori, manevrarea izolatorilor ar trebui redusă la minimumE sub
nici o formă izolatorul n%ar trebui atins cu mâna sau cu orice alt material care i%ar putea
deteriora suprafaţa.
7acă izolatorul este deteriorat, fie prin manevrare negliGentă fie prin formarea unor
depuneri, acesta poate fi curăţat cu un tampon din bumbac, înmuiat în metanol. 7upă curăţare
izolatorul ar trebui lăsat să se usuce, la umiditate redusă, timp de mai multe ore înainte de a fi
utilizat, sau să fie uscat cu aGutorul nitrogenului .
2.3 Măsurarea curenţilor mici
Măsurările curenţilor mici sunt supuse unor surse de erori care pot avea un impact
serios asupra preciziei măsurătorii. Ca început electrometrul sau picoampermetrul pot cauzaerori de măsurare dacă nu este conectat în mod corespunzător. 0upraalimentarea şi curentul de
offset de la intrare ale ampermetrului, de asemena pot afecta măsurătorile. *mpedanţă sursei
dispozitivului testat va afecta caracteristica de zgomot a electrometrului sau
picoampermetrului. 2osibilele surse externe de erori includ curenţii de scăpări de la cabluri
sau armături, dar şi curenţii generaţi de efectele triboelectrice sau piezoelectrice. în
următoarele paragrafe vom discuta aspecte ale măsurătorilor de curenţi mici şi metodele de
minimizare a efectelor surselor de erori.
2.3.1 Curenţii de scăpări şi gardarea
!urentul de scăpări este generat prin căi de mare rezistenţă între circuitul de măsură şi
sursele de tensiune din apropiere. Aceşti curenţi pot influenţa în mod considerabil preciziamăsurării curenţilor de valoare mică. 2rincipalele căi de reducere a curenţilor de scăpări sunt
-D
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
14/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
reprezentate de către utilizarea unor buni izolatori, reducerea umidităţii şi prin utilizarea
gardării. >ardarea poate fi utilizată pentru a reduce efectele capacităţii de şuntare în circuitul
de măsurare.
? metodă de reducere a curentului de scăpări o reprezintă utilizarea unui bun izolator
atunci când se crează un circuit de test. !ei mai buni izolatori sunt1 teflonul, polietilena şi
safirul. A se evita materiale ca nRlon%ul.
$miditatea poate, de asemenea influenţa măsurarea curenţilor mici. !antitatea de apă
absorbită de izolator va depinde şi de tipul izolatorului. ste indicat să se aleagă un izolator
care nu va reţine cu uşurinţă vaporii de apă. $neori aceasta este imposibil de evitat dacă
materialul de măsurat absoarbe apa cu uşurinţă % de aceea acest lucru se va face într%o incintă
verificată. în unele cazuri izolatorul poate avea depuneri ionice şi uneori, la umiditate mare,
pot fi generaţi curenţi falşi.
? altă metodă de reducere a curenţilor de scăpări o reprezintă şi utilizarea gardarii.
>ardarea poate fi reprezentată de un conductor conectat la un punct de impedanţă Goasă al
circuitului, care este aproape la acelaşi potenţial ca şi punctul de mare impedanţă.
>ardarea poate izola punctul de impedanţă mare de intrare a electrometrului,
ampermetrului sau picoampermetrului faţă de curenţii de scăpări datoraţi sursei de tensiune.
$n exemplu de gardare aplicată unei camere ionizate este prezentată în igura ".--. ?
cameră de ionizare negardată şi circuitul său ecivalent sunt arătate în igura ".-- a. !ircuitul
ecivalent prezintă întreaga influenţă a tensiunii ce apare la rezistenţa de scăpări a izolatorului
&) C( şi astfel curentul de scăpări &*C( va fi adăugat măsurarii curentului ionic &*M3*!*C(.
)ezistenţa de scăpări este datorată izolatorului camerei de ionizare şi a cablului coaxial.
În igura ".-- b, un inel metalic de protecţie este adaugat în camera de ionizare. Acest
circuit de protecţie împarte rezistenta de scăpări în două părţi. /ensiunea rezistenţei ) C- este
tensiunea de sarcină a picoampermetrului, în mod obişnuit fiind mai mică de - m', astfel
încât curentul rezultat va fi destul de mic. *ntreaga influenţă a tensiunii apare peste ) C".
!urentul de scăpări va circula de%a lungul buclei dar nu va afecta măsuratoarea.
2rotecţia poate fi de asemenea necesară pentru a preveni curenţii de scăpări datoraţi
circuitului supus testării. În igura ".-" este prezentat un rezistor cu valoarea de ordinul meg%
omilor poziţionat pe două izolatoare montate într%un dispozitiv de fixare metalic. Acest
circuit este gardat prin conectarea bornei C? al picoampermetrului &*M( la carcasa metalică.
Aceasta va fixa partea de sus a izolatorului aproape la acelaşi potenţial ca şi partea de Gos.
7iferenţa de tensiune va fi egală cu tensiunea de încărcare a picoampermetrului. *ntrucât partea superioară căt şi cea inferioară se află la acelaşi potenţial, nici un curent semnificativ
-:
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
15/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
nu va circula prin el şi aproape tot curentul din dispozitivul de testat va circula prin
ampermetru.
2.3.2 gomotul şi impedanţa sursei
Hgomotul poate afecta în mod serios precizia şi sensibilitatea măsurării curenţilor. în
cele ce urmează se prezintă modul în care rezistenţa şi capacitatea surselor pot afecta performanţele de zgomot.
-8
*M
B*
C?
*M
b( !ameră de ionizare gardată
B*
C?
!ircuitul ecivalent
) C-
*C) C"
*M
B*
C?
a( !amera de ionizare negardată
*M
B*
C?
!ircuitul ecivalent
) C *C*!
*M
ig. ".-- 2rincipiul de gardare aplicat unei camere de ionizare
*M
B*
C?!arcasă metalică>ardă
*zolatori
0ursă detensiune
70/
ig. ".-" >ardarea pentru reducerea curenţilor de scăpări
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
16/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Rezistenţa sursei
)ezistenţa sursei 7$/%ului va afecta zgomotul ampermetrului de reacţie. 7acă
rezistenţa sursei este redusă, câştigul zgomotului ampermetrului va creşte.
igura ".-D arată un model simplificat al unui ampermetru cu reacţie inversă. ) 0 şi !0
reprezintă rezistenţa sursei respectiv capacitaea sursei, '0 reprezintă tensiunea sursei, 'zg
reprezintă tensiunea de zgomot a ampermetruluiE în final, ) şi ! reprezintă rezistenţa de
reacţie respectiv capacitatea de reacţie.
!âştigul sursei de zgomot a circuitului poate fi dat de următoarea ecuaţie1
*eşire = zg V *ntrare zg V
+
S
F
R
R-
7e notat faptul că odată cu scăderea valorii ) 0, zgomotul de la ieşire va creşte. 7e
exemplu cand ) 3 ) 0, zgomotul la ieşire este multiplicat cu un coeficient de ". /abelul de
mai Gos prezintă valori minime, recomandate, ale rezistenţei sursei pentru diferite domenii de
măsură.
/abelul -.D
0cala )ezistenţa sursei minim recomandată
-#
'zgomot
2icoampermetru cu reac ie
'?
)
ig. ".-D Modelul simplificat al unui ampermetru cu reacţie inversă
%
!
0ursă de curent
'0
) 0
H0
!0
H
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
17/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
pA ->O % -44>OnA -MO F -44MOSA -5O F -445OmA -O F -44 O
Caacitatea sursei
!apacitatea sursei dispozitivului supus testării va afecta, de asemenea performanţele
zgomotului ampermetrului cu reacţie. În general dacă această capacitate a sursei creşte şi
câştigul va creşte.
2entru a vedea ce scimbări pot afecta câştigul zgomotului ne vom referi din nou la
modelul simplificat al ampermetrului din igura ".-D. lementele care ne interesează sunt
capacitatea sursei !0 şi capacitatea de reacţie !. 7iscutând despre capacitatea reactivă aacestor elemente, formula anterioară devine1
*eşire = zg V *ntrare zg V
S
F
%
%
Aici, H reprezintă impedanţa de reacţie, F F F R# % ⋅= E iar H0 reprezintă impedanţa
sursei formată de ) 0 şi !0. Mai mult1
( ) -" " +=
F F
F F
# &R
R %
π
( ) -" " +=
S S
S S
# &R
R %
π
A se lua în considerare că !0 creşte în valoare, H0 descreşte şi drept urmare va creşte şi
câştigul zgomotului. 7acă H0 3 H, zgomotul de intrare este amplificat de două ori.
MaGoriatatea picoampermetrelor vor avea o valoare maximă recomandată pentru !0.
0e poate, de obicei să se măsoare la valori mari ale capacităţii sursei, prin introducerea unui
rezistor în serie cu intrarea ampermetrului, dar să se ţină cont de faptul că orice rezistenţă în
serie va creşte valoarea tensiunii printr%un factor de * *+ T ) 0)*. 7e exemplu, gama de
rezistenţe prezentate în /abelul -.D va avea ca rezultat creşteri de tensiune de la -m' la -'. ?
alternativă utilă la rezistorul serie este o diodă în serie sau două diode în paralel Uspate în
spateV.
2.3.3 !ri"t#ul de zero
-;
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
18/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
7rift%ul de zero reprezintă o scimbare graduală a offsetului de zero, fără un semnal
de intrare. În cazul în care nu este corectat de Waducerea la zeroW, offset%ul rezultat produce o
eroare prin aducerea la semnalul de intrare. 7riftul este în mod normal definit ca funcţie de
timp şi@sau temperatură. ?ffset%ul de zero, pe o perioada de timp şi un interval de temperatură,
va rămâne între anumite limite specifice. !urentul de offset datorat scimbărilor graduale de
temperatura poate depăşi specificaţia înaintea stabilizării. 0cimbările tipice ale temperaturii
camerei &-X! @ -8min( în mod normal nu vor cauza depăşiri stabilite.
MaGoritatea electrometrelor includ miGloace de corectare a drift%ului de zero. $n
comutator pentru verificarea drift%ului este folosit la configurarea instrumentului, pentru
redarea oricăror tensiuni de offset interne. Aceasta permite o verificare rapidă şi o aGustare a
amplificării de zero. 7e obicei, instrumentul este corectat la zero în timp ce verificarea este
activată. Această procedură ar putea fi necesară periodic, depinzând de condiţiile de mediu.
lectrometrele interfaţabile realizează această funcţie prin atingerea unui buton sau printr%o
comandă computerizată.
În cazul unui picoampermetru sau electrometru%ampermetru se ţine cont că verificarea
zero şi corecţia de zero sau funcţiile de corecţie la zero sunt folosite la corectarea tensiunilor
de offset interne. 2entru o mai bună precizie, aduceţi la zero instrumentul pe scala folosită la
măsurători.
2.3.$ Curenţii generaţi
?ricare curenţi generaţi la testarea sistemului se vor adauga la curentul dorit, cauzând
astfel erori. !urenţii pot fi generaţi intern, ca în cazul curentului de offset la intrare, sau pot
veni din surse exterioare, cum ar fi izolatorii sau cablurile. în urmatoarele paragrafe vom
prezenta diferitele tipuri de curenţi.
igura ".-: sumarizează gama curenţilor generaţi, prezentaţi în această secţiune.
-K
!ablu
standard
!ablucu
zgomot
0uprafaţă
murdară 0trat
epoxilic
0uprafaţăcurată
-4
A
-4
-4
-4
-4
! u r e n t u l g e n e r a t
2rincipiul generării curentului
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
19/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Curenţii de offset
Ampermetrul ideal ar trebui să citească valoarea zero atunci când bornele de intrare
sunt lăsate libere sau în gol. Ampermetrele practice au totuşi un curent de valoare mică, care
circulă atunci când intrarea este liberă. Acest curent este cunoscut sub numele de curent de
offset de intrare, şi este cauzat de curenţii bias ai dispozitivelor active, dar şi de curenţii de
scăpări prin izolatorii din interiorul instrumentului. !urenţii de offset generaţi în interiorul
picoampermetrelor şi electrometrelor sunt incluşi în specificaţiile instrumentului.
7upă cum se arată în igura ".-8, curentul de offset de la intrare se adaugă curentului
măsurat astfel încât aparatul măsoară o sumă a celor doi curenţi1
OFFSET S M I I I +=
7e reţinut că acest curent de offset de intrare poate fi parţial anulat de activarea
suprimării curentului din instrument cu bornele de intrare deconectate şi corecţia de zero
descisă.
!urenţii de offset pot de asemenea să fie generaţi din exterior, de la surse precum
efectele triboelectrice şi piezoelectrice. 7upa cum se arată în igura ".-#, curentul extern de
offset, de asemenea se adaugă la curentul sursei şi aparatul din nou măsoară suma celor doi.
!urenţii externi de offset pot fi suprimaţi de caracteristica de eliminare a curentului
din instrument, sau pot fi anulaţi prin folosirea unei surse potrivite şi stabile de curent, externă
cum arată figura ".-;. !u acest aranGament, curentul măsurat este 1
RE!U#ERE OFFSET S M I I I I −+=
-9
/ e f l o n
/ e f l o n
!
e r a m i c ă
!
e r a m i c ă
-4O
-4O
-4
-4
-4
-4
fectetriboelectrice
ig. ".-: Mărimi tipice ale curenţilor generaţi
Hgomotulrezistiv în bandade -Bz
fectemecanice
fecteelectrocimice
*M) 0
B**0
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
20/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
2resupunând că *?0/ si *)7$!) sunt egale ca marime dar opuse ca polaritate,
*M 3 *0
AvantaGul folosirii unei surse de curent externe este ca * ?0/ poate fi la fel de mare
sau ciar mai mare decât intreaga valoare de scală, şi numai * ?0/ F *)7$!) trebuie să fie
mai mic.
"4
*M 3 *0 *?0/
M7,electrometru,0M,ampermetru sau picoampermetru0e măsuroară curentul *0şi se indică *M
0ursa de
curent
'0C?
*?0/
ig. ".-8 fectele curentului de offset de intrare asupra preciziei măsurării curentului
ig. ".-# fectele curentului de offset extern asupra preciziei măsurării curentului
*M 3 *0 *?0/
*M
M7,electrometru,0M,ampermetru sau picoampermetru0e măsuroară curentul *0şi se indică *M
0ursă decurent
'0
) 0
B*
C?
*?0/
*0
*M 3 *0 *?0/ % *)7$!) !ând *?0/ 3 *)7$!), *0 3 *M
*M
M7,electrometru,0M,
ampermetru sau picoampermetruMăsurarea curentului *0şi se indică *M
B*
C?
*?0/
0ursă de
curent
'0
) 0
*0
*)7$0
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
21/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Efectele triboelectrice
!urenţii triboelectrici sunt generaţi de sarcinile create între un conductor şi un izolator,
datorită frecării. Aici, electronii liberi se freacă de conductor şi creează un dezecilibru de
sarcină, care determină o scurgere de curent. $n exemplu tipic ar fi curenţii electrici generaţi
de izolatori şi conductori, care se freacă reciproc în cablul coaxial, ca în figura ".-K.
ig. ".-K F fectul triboelectric
!ablul Ucu zgomot redusV diminuează mare parte din acest efect. în mod normal
foloseste un izolator intern căptuşit cu polietilenă, cu grafit în ecranul exterior. >rafitul
asigură lubrifierea şi un cilindru ecipotenţial conductor, pentru a egaliza sarcinile şi a
minimiza sarcina generată de efectele de frecare ale cablului. ?ricum, ciar şi cablul cu
zgomot redus crează un anumit zgomot atunci când este supus vibraţiei, extinderii sau
contracţiei, astfel încât toate conexiunile ar trebui să fie scurte, departe de scimbările de
temperatura şi, de preferat, susţinute prin bandaGare sau legare a cablului de o suprafaţă non%
vibrantă, cum ar fi un perete, o bancă sau o structură rigidă.
Alte soluţii la problemele de mişcare şi de vibraţii includ1
% îndepartarea sau decuplarea mecanică a sursei de vibraţii. 0ursele obişnuite de vibraţii sunt
motoarele, pompele şi alte dispozitive electromecaniceE
% stabilizarea legăturilor de test. în siguranţă, legaţi componentele elctronice, firele şi
"-
ig. ".-; $tilizarea unei surse externe de curent la eliminarea curentului de offset
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
22/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
cablurile. cranarea trebuie să fie fermă.
fectele triboelectrice pot, de asemenea să apară şi la alţi izolatori şi conductori care
se ating unii de altii. Aşadar este important să se minimizeze contactul între izolatori ca şi
dintre conductori, în construirea armăturilor de test şi conexiunilor pentru curenţi mici şi
impedanţa mare.
/abelul "." din 0ecţiunea "."." cuprinde efectele triboelectrice relative ale diferitelor
materiale izolatoare.
Efectele iezoelectrice şi de sarcin!
!urenţii piezoelectrici sunt generaţi atunci când o solicitare mecanică este aplicată
anumitor materiale cristaline când acestea sunt folosite pentru terminale izolate şi componente
de interconectare. în unele materiale plastice, celulele de sarcină fac materialul să se comporte
într%o manieră similară materialelor piezoelectrice. $n exemplu de terminal cu izolator
piezoelectric este arătat în igura ".-9.
2entru a minimiza curentul datorat acestiu efect, este importantă îndepartarea
solicitării mecanice asupra izolatorului, şi folosirea de materiale izolatoare care au efecte
minime piezoelectrice şi de sarcină înmagazinată. 2roprietăţile piezoelectrice ale unor
materiale izolatoare au fost prezentate în 0ecţiunea "."." şi în /abelul ".".
Aceste efect este independent de capacitatea sarcinii dintre plăcuţă şi terminale.
0arcinile sunt distribuite, rezultând scurgerea curentului.
În practică, ar putea fi dificil să se distingă efectele sarcinii înmagazinate &la izolatori( şi
efectele piezoelectrice. *ndiferent ce fenomen este implicat, este importantă alegerea unor
materiale izolatoare bune şi realizarea unor structuri de conexiune cât mai rigide posibil.
""
%
*zolator piezoelectric
*
orţa aplicată
%
*/erminal metalic
2lacuţă conductoare
ig. ".-9 fectul piezoelectric
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
23/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Contaminarea şi umiditatea
!urenţii de eroare apar, de asemenea şi din cauza efectelor electrocimice, atunci când
substanţele cimice ionice crează baterii slabe între doi conductori, pe o placa de circuit. 7e
exemplu, des folositele plăci de circuit din răşina epoxidică, atunci când nu sunt curăţate
temeinic, pot genera, între conductori, curenţi de ordinul nanoamperilor &vezi figura "."4( .
)ezistenţa de izolare poate fi redusă de o umiditate ridicată sau de contaminări ionice.
!ondiţiile de umiditate ridicată apar sub formă de condens sau absorbţie a apei, iar
contaminarea ionică poate fi rezultatul uleiurilor de corp, sărurilor.
În timp ce rezultatul preliminar al acestor contaminări constă în reducerea rezistenţei
izolatorilor, combinarea umidităţii mari şi a contaminării ionice poate forma o cale
conductoare, sau ar putea ciar să se comporte ca o celulă electrocimică cu o rezistenţă mare
în serie. ? celula formată astfel, poate fi sursa unor curenţi de ordinul picoamperilor saunanoamperilor, pe o perioada lungă de timp.
2entru a evita efectele contaminării şi umidităţii, selectaţi doar izolatorii care sunt
rezistenţi la absorbţia apei şi mentineţi umiditatea la nivel moderat. 7e asemenea, asiguraţi%vă
că izolatorii sunt bine curăţaţi şi feriţi de contaminare.
7acă izolatorii sunt contaminaţi, ar trebui aplicat întregului circuit un agent de
curăţare precum metanolul. ste importantă înlăturarea sau aruncarea tuturor
contaminatorilor, odată ce au fost dizolvaţi în solvent, astfel încât sa nu se poată depune din
"D
*mpurităţi rămase de laaliaGul de lipit şiumezeală
!ablaGimprimat
2lacă de circuitimprimat
*
*
%
ig. "."4 fecte electrocimice
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
24/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
nou. olosiţi pentru curăţare numai solvenţi foarte puriE cei de concentraţie mai mică ar putea
să conţină contaminatori ce pot lăsa o peliculă electrocimică.
Absorbţia dielectric!
Absorbţia dielectrică la un izolator poate apare atunci când o tensiune asupra
izolatorului cauzează sarcini pozitive şi negative în interiorul izolatorului polarizat, deoarece
mai multe molecule polare se orienteaza in spatiu la anumite intervale de timp. Atunci când
tensiunea este îndepărtată, sarcinile separate generează un curent descrescător prin circuitele
conectate la izolator, pe măsură ce se recombină.
2entru minimizarea efectelor absorbţiei dielectrice asupra măsuratorilor de curent, este
de dorit evitarea aplicării unor tensiuni mai mari de câţiva volţi izolatorilor utilizaţi la
măsurătorile de curent exacte. în cazurile în care această situaţie este inevitabilă, ar putea dura
câteva minute sau ciar ore în unele cazuri, să se disipe curentul cauzat de absorbţia
dielectrică.
/abelul "." din 0ecţiunea "."." cuprinde absorbţia dielectrică relativă pentru diferite
materiale izolatoare.
2.3.% &ensiunea de încărcare
$n ampermetru poate fi reprezentat printr%un ampermetru ideal &*M( cu rezistenţă
internă nulă, în serie cu o rezistenţă &) M(, aşa cum se arată în figura "."-. !ând o sursă de
curent al cărei circuit ecivalent /evenin conţine o tensiune &'0( în serie cu o rezistenţă
&) 0(, este conectată la intrarea ampermetrului, curentul este redus faţă de cel care ar trebui să
rezulte la ampermetrul ideal &) M 3 46(. Această reducţie este cauzată de rezistenţa &) M(, care
creează o cădere de tensiune adiţională numită tensiune de încărcare &'Î+!)!A)(.Yinând contde efectele tensiunii &'Î+!)!A)(, curentul măsurat &*M( este calculat astfel1
S
S
M R
V V I Î+!M+!M)!
−=
roarea procentuală la citirea măsurătorii la tensiunea de încărcare este1
44Î+!M+!M)!
44 -44×=
S V
V error
7acă, pe de altă parte '*+!A)!A) 3 4', *M devine simplu1
":
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
25/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
S
S M R
V I =
În acest caz, desigur, eroarea procentuală este zero.
xemplu1
Într%un circuit semiconductor, '0 poate fi o cădere de tensiune pe o singură Goncţiune de 4.;'.
2resupunând că ) 0 3-4 56 şi tensiunea de încărcare este de "44m'1
AV V
I M µ κ
84-4
".4;.4=
Ω−
=
!omparând cu cazul ideal,
AV
I M µ κ
;4-4
;.4=
Ω=
Astfel, citirea pe M7 este de 84SA, iar în cazul ideal de ;4SA F o eroare de "9
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
26/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
lectrometrele şi picoampermetrele pot suferi defecţiuni maGore dacă o tensiune prea
mare este aplicată la intrare. MaGoritatea instrumentelor au specificată tensiunea maximă de
intrare admisă. în unele aplicaţii, această tensiune maximă este inevitabil depăşită. $nele
dintre aceste aplicaţii ar putea include curenţi de scăpări ai condensatoarelor, diode în regim
invers, sau rezistenţa de izolare a cablurilor sau peliculelor. 7acă unele componente sau
materiale se deteriorează, întreaga tensiune va fi aplicată intrării ampermetrului, fiind posibilă
distrugerea sa. în aceste cazuri este necesară protecţia la supraîncarcare, pentru a se evita
avarierea circuitului de intrare al instrumentului.
igura "."" arată un circuit de protecţie format dintr%un rezistor şi două diode
&*+D898(. !urentul de scăpări pentru dioda *+D898 este în general mai mic de -pA ciar şi la
polarizari mai mari cu -m', astfel încât circuitul nu va interfera cu măsurătorile de ordinul a
-4pA sau mai mari. Această diodă este concepută pentru a suporta curenţi de ""8mA &:84mA
la creşteri bruşte şi repetate(.
7in moment ce tensiunea ampermetrului sau picoampermetrului este mai mică de
-m', diodele nu vor conduce. !u două diode în paralel, spate în spate, circuitul va asigura
protecţie indiferent de polaritatea de la intrare.
)ezistorul &)( trebuie să fie suficient de mare pentru a limita curentul ce trece prin
diode, în felul acesta prevenind avarierea lor. 7e asemenea, trebuie să fie suficient de mare
pentru a susţine tensiunea de alimentare.
!ircuitul de protecţie ar trebui să fie izolat, într%un ecran etanşE ecranul trebuie să fie
conectat la intrarea C? a ampermetrului.
"#
C?
B*
)
0pre ampermetrulcu reacţie
ig. "."" !ircuit de protecţie la supratensiuni pentru ampermetrul cu reacţie
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
27/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
2.3.( )olosirea unui coulom*metru la măsurarea curentului
În maGoritatea cazurilor, ampermetrul sau picoampermetrul este folosit la măsurarea
curentului. /otuşi, pentru un nivel al curentului de ordinul femptoamperilor, ar fi mai bine să
se folosească un coulombometru, pentru a se măsura scimbarea în sarcină, pe o perioadă de
timp şi apoi folosirea acestor măsurători de sarcină pentru determinarea curentului. ? relatare
precisă asupra măsurătorilor de sarcină poate fi găsită în 0ecţiunea ".8.
"etode de baz! entru m!surarea sarcinii
0arcina electrică poate fi măsurată în mod direct dar cu unele dificultăţi. ? metodă
folosită pentru realizarea acestor tipuri de măsurări este metoda măsurării tensiunii pe un
condensator cu valoare cunoscută. 0arcina electrică J este1
V # $ ⋅=
unde1 J 3 sarcina condensatorului &!(
! 3 valoarea condensatorului &(
'3 tensiunea ce străbate condensatorul &'(
7acă se cunoaşte perioada de scimbare a sarcinii, curentul poate fi uşor de determinat
din măsurătorile sarcinii. !urentul instantaneu &i( este1
dt
d$i =
în timp ce curentul mediu pe termen lung este definit după cum urmează1
t
$ I AVG ∆
∆=
Astfel, observăm că sarcina poate fi măsurată şi curentul poate fi determinat simplu
prin efectuarea unor serii de măsurători de tensiune.
Folosirea unui coulombmetru cu reacţie entru m!surarea curentului
0arcina poate fi măsurată direct cu un coulombmetru cu reacţie. igura "."D arată un
model simplificat de coulombmetru cu reacţie. !urentul de intrare în circuit este *0 , tensiunea
de ieşire este '?$/ , iar condensatorul de reacţie este ! .
";
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
28/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
!urentul &*0( este aplicat intrării coulombmetrului cu reacţie. 7in moment ce circuitul
este un integrator, sarcina este determinată prin integrarea curentului1
∫ = idt $ M
0arcina poate fi determinată de la tensiunea de ieşire şi valoarea condensatorului dereacţie1
OUT F M V # $ ⋅=
!urentul instantaneu măsurat &iM( este determinat de rata de scimbare a sarcinii1
( ) dt d$dV # i dt OUT F M @@ ==
!urentul mediu pe termen lung &*A'>( poate fi calculat din scimbarea tensiunii de
ieşire pe o anumită perioadă de timp1
t $
t # V I F OUT AVG ∆
∆=∆
⋅∆=
xemplu1
2resupunem că ! are o valoare de -n şi că tensiunea de ieşire se scimbă liniar de la
4' la -m' pe o perioada de timp de - secundă. !alculul sarcinii şi al curentului, în condiţiile
date, se face astfel1
D9-4-4 −−
⋅= M $
pF $
M
-=
şi
-
-4-4 #D −− ⋅= AVG I pA I AVG -=
"K
JM3! '?$/
'?$/
%
!
A
*0
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
29/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
"etoda de integrare e o erioad! de tim
În acest caz valoarea de creştere a sarcinii este măsurată la intervale specifice de timp.
!urentul mediu pentru o perioadă dată de timp poate fi determinată din panta dreptei şi se
calculează astfel1
t
$
I AVG ∆
∆
=
Această metodă redă curentul mediu pe un anumit interval de timp şi realizează citiri
la o perioadă stabilă, determinată prin integrarea perioadei.
"etoda ragului restabilit
Metoda pragului prestabilit, aratată în igura "."8, este într%o oarecare măsură similară
metodei de integrare pe o perioadă fixă de timp pe care am descris%o mai sus. În acest caz,
măsurările de sarcină încep la un timp t- şi continuă până când valoarea sarcinii atinge
valoarea unui prag predeterminat, la momentul t". Astfel, curentul este calculat după cum
urmează1
"9
ig. "."D !ircuit ecivalent pentru un coulumbmetru cu reacţie
J
*3 [J@[t
[t
[J
t
ig. ".": Metoda de integrare a timpului pentru determinarea curenţilor de sarcină
intervalul de timp
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
30/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
t
$ I AVG ∆
∆= unde -" t t t −=∆
7e observat este faptul că şi coeficientul de tensiune al condensatorului
coulombmetrului are un efect redus asupra preciziei măsurării curentului. !ât timp punctul de
prag şi perioadele de timp sunt cunoscute cu exactitate, precizia măsurării curentului va fi
destul de bună. ?ricum, citirile nu vor fi separate atunci când nivelul de curent variază şi
intervalul dintre citiri poate fi destul de lung, atunci când curentul mediu pentru o perioadă
stabilită de timp este mic.
A#anta$e ale folosirii coulombmetrului la m!surarea curentului
xistă numeroase avantaGe atunci când se utilizează coulombmetre în locul
ampermetrelor, la măsurarea curentului, în anumite situaţii. !ele mai importante avantaGe
sunt1
- zgomot de curent mic+ ampermetrul foloseşte un rezistor de feedbac5 F cu reacţie, care va
produce un nivel semnificativ de zgomot \onson. 2entru măsurarea sarcinii, acest rezistor
este înlocuit cu un condensator, care teoretic nu prezintă zgomot \onson. În consecinţă
metoda de sarcină la măsurarea curentului va avea ca rezultat un zgomot mai mic decâtmăsurarea directă a curenţilor cu un ampermetru cu reacţie. Astfel metodă de sarcină este utilă
atunci când performanţele de zgomot ale curentului sub - fA, p%p sunt necesare. &vezi figura
".:K din secţiunea ".#.8 şi se ţine cont că rezistenţele de reacţie de peste -4 -" omi nu sunt
foarte practice(.
- timpi de sta*ilizare mai rapizi+ viteza unui ampermetru cu reacţie este limitată de
constanta de timp a circuitului &) , !(. 7e exemplu, pentru rezistenţele de reacţie mai mari
de -4>6 , capacitatea parazită limitează timpii de răspuns la zeci de milisecunde. 2e de altă
parte, un integrator de reacţie va răspunde imediat şi este limitat doar de viteza
D4
ig. "."8 Metoda fixării pragului la determinarea curentului de sarcină
J
*3 [J@[t
[t
[J
tt"
t-
ixarea pragului
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
31/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
amplificatorului operational.
- pulsurile aleatoare pot "i integrate+ sarcina medie transferată pe unitatea de timp a unui
tren de impulsuri aleatoare poate fi evaluată prin integrarea trenului de impulsuri ale
curentului, pe o perioadă specifică de timp. Amplitudinea media a curentului poate fi
exprimată ca totalul sarcinii divizată la perioada de timp utilizată la măsurare. Această tenică
este, în special utilă când se lucrează cu valori ale curenţilor foarte mici.
- e"ectele zgomotului pe intrarea capacităţii şuntate sunt reduse+ deoarece câştigul în
zgomot este, în principal determinat de raportul !*+@!, şi ! este mult mai mare la un
coulombmetru decât la un ampermetru, o valoare mai mare a capacităţii de intrare poate fi
tolerată. Această caracteristică este utilă atunci când se fac măsurări utilizând surse cu
capacitate mare sau când sunt folosite cabluri lungi de conectare.
2.$ Măsurarea rezistenţelor mari
!ând trebuie măsurată o rezistenţa mai mare de ->6 , se impune folosirea unui
electrometru, a unui 0M$, sau a unui picoampermetru @ sursa de tensiune. $n electometru
poate măsura rezistenţe mari fie prin metoda tensiunii constante, fie prin metoda curentului
constant. $nele electometre permit utilizatorului sa aleaga oricare metodă. Metoda tensiunii
constante foloseşte un ampermetr şi o sursă de tensiune, în timp ce metoda curentului constant
foloseşte voltmetrul electrometrului şi o sursă de curent. Aceste două tenici vor fi descrise în
cele ce urmează.
2.$.1 Metoda tensiunii constante
2entru a putea măsura rezistenţe mari folosind metoda tensiunii constante, sunt
necesare un instrument care poate măsura intensităţi mici şi o sursă de tensiune constantă.$nele electrometre şi picoampermetre au surse de tensiune incluse în instrument şi pot calcula
rezistenţa necunoscută în mod automat. Aceasta secţiune descrie această metodă şi modurile
de reducere a rezistenţei de scăpări datorată conexiunilor din timpul măsuratorii.
Configuraţia de baz!
!onfiguratia de baza a metodei de tensiune constanta este aratata în figura "."#. Înaceasta metodă, o sursă de tensiune constantă &'( este plasată în serie cu un rezistor
D-
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
32/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
necunoscut &)( şi un ampermetru &*M(. 7acă consideram căderea de tensiune pe ampermetru
negliGabilă, atunci toată tensiunea va apare pe rezistorul ). !urentul rezultat este măsurat de
ampermetru şi rezistenţa este calculată cu aGutorul Cegii lui ?m &) 3 ' @ *(.
)ezistenţele mari sunt deseori proporţionale cu tensiunea aplicată, aceasta metoda este
preferata celei de curent constant. 2rin testarea la tensiunile selectate, poate fi trasat un grafic
rezistenţă @ tensiune şi poate fi determinat Vcoeficientul de variaţie a rezistenţei cu
temperaturaV.
Această metodă poate fi folosită la aplicaţii gen1 testarea dispozitivelor cu două
terminale de rezistenţă mare, măsurarea rezistenţei izolatorului şi determinarea rezistivităţii de
volum şi de suprafaţă a materialelor izolatoare.
Metoda tensiunii constante necesită utilizarea ampermetrului din electrometru, astfel
încât toate sursele de erori şi tenicile de evitare a lor descrise în capitolul UMăsurări de
curenţi slabiV se aplică acestei metode. !ele mai frecvente surse de eroare la măsurarea
rezistenţelor mari sunt interferenţele electrostatice şi curenţilor de scăpări. *nterferenţele
electrostatice pot fi minimizate prin ecranarea componentelor circuitului de înaltă impedanţă.
*nterferenţele datorate curenţilor de scăpări pot fi controlate prin metodele explicate pe larg în
!apitolul ".D.-.
Te%nici de comensare a curenţilor de sc!!ri
!u toate că metoda tensiunii constante este potrivită pentru măsurarea rezistenţelor
foarte mari şi este suficient de rapidă, trebuie totuşi luate unele precauţii pentru reducerea
curenţilor de scăpări prezenţi în sistem. În caz contrar, orice curent de scăpări este adăugat
curentului testat, reducând precizia măsurătorii.
D"
*M
'
)
B*
C?
ig. "."# Metoda tensiunii constante pentru măsurarea rezistenţelor mari
*0!2)*
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
33/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
!onsiderăm circuitul de test din igura ".";a. În acest caz, rezistenţa de test este
îndepărtată din sistem şi orice curent de scăpări care trece prin ) 0!2)* este măsurat de aparat
ca fiind *0!2)*. În acest moment, caracteristica aparatului de reducere a curentului este de
anulare a curentului de scăpări.7acă se conectează dispozitivul de test pentru măsurare &igura ".";b( rezistenţa poate
apoi fi determinata pe baza curentului măsurat în prezent şi a scăpărilor reduse determinate
anterior1
S#A'ARI M
S S I I
V R
−=
xemplu1 2resupunem ca '0 3 -4', *M 3 --pA şi *0!2)* 3 -pA. ară a fi redusă,
rezistenţa măsurata este1
DD
*M
'0) 0!2)*
B*
C?
ig. ".";&a( 7etreminarea curenţilor de scăpări
0ursă detensiune
*M
'0 ) 0!2)*
B*
C?
ig.".";&b( Metoda anulării curentului de scăpări
*) *0!2)*
0ursă detensiune
) 0
*)
ără măsuri de reducere1
+==
S#(#('( R
R
R
S
M
S M
I I
I
I
V
I
V R
!u măsuri de reducere 1 R
S
S#(#('( M
S M I
V I I V R =−=
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
34/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Ω== G pA
V RS 949
--
-4
!u reducere, rezistenţa măsurată este1
Ω=−
= T pA pA
V RS -
---
-4
Astfel, vedem ca reducerea elimină o eroare de aproximativ 9< în acest exemplu.
2.$.2 Metoda curentului constant
xecutarea de măsuratori pentru rezistenţe foarte mari folosind metoda curentului
constant, poate fi realizată prin folosirea fie a unui voltmetru şi a unei surse de curent, fie
numai prin folosirea unui ommetru. olosind voltmetrul cu sursa de curent separata, permiteutilizatorului sa facă măsurători pe patru fire şi sa controleze cantitatea de curent prin mostră.
?mmetrul face o măsuratoare a rezistenţei pe două fire la un curent specific de test care
depinde de spectrul măsurătorii.
Folosirea #oltmetrului şi a unei surse e&terne de curent
!onfiguraţia de bază pentru metoda curentului constant este arătată în igura "."K.
!urentul din sursa constantă de curent &*( circulă prin rezistenţa necunoscută &)( iar căderea
de tensiune este măsurată de voltmetrul &'(. olosind aceasta metodă, pot fi măsurate
rezistenţe de pană la aproximativ -4-: O. !iar dacă procedura de baza pare simplă, trebuie,
totuşi, luate anumite măsuri de precauţie.
D:
0ursă decurent
'oltmetru
ig."."K Metoda curentului constant utilizând o sursa de curent si un voltmetru
')
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
35/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
*mpedanţa la intrare a voltmetrului trebuie sa fie de cel puţin -44 ori mai mare decât
rezistenţa necunoscută pentru a putea evita erorile de încărcare. În mod normal, impedanţa la
intrare a voltmetrului este de aproximativ -4-: O. 7e asemenea rezistenţa de ieşire a sursei de
curent trebuie sa fie mult mai mare decât rezistenţa necunoscută, pentru ca măsuratorile să fie
liniare. 7in moment ce tensiunea la bornele eşantionului depinde de rezistenţa eşantionului,
este dificil de ţinut seama şi de coeficientul de tensiune, atunci când se foloseşte metoda
curentului constant. 7acă trebuie avut, totuşi, în vedere coeficientul de tensiune, este mai bine
să se folosească metoda tensiunii constante.
!ând folosim voltmetrul pentru a face măsuratori de rezistenţe mari, toate sursele de
eroare şi tenicile de evitare ale acestora descrise în capitolul -, se aplică acestor măsurători.
$n voltmetru şi o sursă separata de curent sunt folosite la determinarea rezistivităţilor
mari folosind măsurarea la patru puncte sau metoda Uvan der 2au]V. Aceste metode de
determinare a rezistivităţii sunt folosite pe materiale semiconductoare.
Folosirea '%mmetrului
!ând este utilizat un ommetru, precizia măsurătorilor poate fi afectată de o serie de
factori. În cele ce urmează, se vor prezenta cele mai importante aspecte în cazul efectuării
măsuratorilor precise asupra rezistenţelor mari.
Con"iguraţia de *ază
În igura "."9 este prezentat un ommetru care măsoară o rezistenţă.
D8
C?
B*
')
?mmetru
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
36/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
?mmetrul foloseşte o sursă internă de curent şi un voltmetru pentru a efectua
măsurători. !alculează şi afişează în mod automat valoarea rezistenţei măsurate. 0e observă
ca aceasta este o metodă de măsurare a rezistenţei în două fire, în comparaţie cu metoda care
foloseşte voltmetrul şi sursa externă de curent, care poate face o măsurare în patru fire.
Aceasta se datorează faptului că sursa de curent este conectată intern la voltmetru şi nu poate
fi utilizată separat.
,ncărcarea dispoziti-ului
igura ".D4 demonstrează efectele încărcării aparatului la măsurătorile rezistenţelor
mari. În acest caz, un ommetru format dintr%o sursă de curent de referinta &* ) ( este conectat
în paralel cu un voltmetru de rezistenţă infintă la intrare &'M( având o rezistenţa de intrare ) *.
?mmetrul este conectat la rezistenţa testată &) 0( iar rezistenţa indicată &) M( este1
+
== I S
I
S
R
M
M
R R
R R
I
V R
xemplu1 2resupunem ca ) * 3 -/6 şi că ) 0 3 ->6 1
Ω=
+
=
G R
R
M
M
999.4
-4-4
-4-4
-"9
-"9
Astfel, dacă un electrometru cu rezistenţa de intrare de -/6 este folosit pentru
măsurarea unei rezistenţe de ->6, eroarea de încărcare este de numai 4.-6 folosind un multimetru digital cu o rezistenţa la intrare de ->6, ar avea o
eroare de 84
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
37/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
Mărimea încărcării pentru orice caz specific poate fi calculată folosind formulele
prezentate mai sus.
ardarea
!a şi în cazul măsurătorilor de tensiune la impedanţă mare şi a măsurărilor de curent,
gardarea conexiunilor de test pentru rezistenţe mari poate reduce semnificativ efectele
rezistenţei de scurgere şi poate creşte precizia măsurătorilor.
0e consideră o scemă negardată de măsurare a rezistenţei, arătate în figura -.D-a.
Aici, un ommetru forţează un curent &*) ( printr%o rezistenţa necunoscută &) 0( şi apoi măsoară
tensiunea &'M( pe dispozitivul supus testării. 7acă se presupune infinită rezistenţa de intrare a
aparatului de măsură, rezistenţa măsurată este atunci calculată dupa legea lui ?m1
R
M M I
V R =
7in moment ce rezistenţa scurgerii prin cablu &) C( este în paralel cu ) 0, rezistenţa
efectivă măsurată &) M( este redusă, după cum se arată în circuitul paralel ecivalent din
figura -.D-b. )ezistenţa măsurată devine1
+=
S
S M
R R
R R R
fectele de încărcare a rezistenţei cablului &si ale altor rezistenţe de scurgere(, poate fi
eliminată prin ecranarea cablului cu un amplificator cu câştig pe unitate, după este prezentat
în igura -.D-c. 7in moment ce tensiunea din ) C este zero, tot curentul de test &*) ( trece acum
prin ) 0, astfel valoarea rezistenţei sursei poate fi determinata exact. !urentul de scurgere &* >(
prin calea de scurgere la împământare &) >( poate fi considerabil, dar acel curent este asigurat
de ieşirea la impedanţa mică a amplificatorului x- decât de sursa de curent &*) (.
&impul de sta*ilizare
D;
C?
ig.".D4 fectele rezistenţei de încărcare asupra preciziei măsurarii
?mmetru de tip electrometru0e măsoară ) 0
0e indică
+== I S
M M R R
R R
I
V R
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
38/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
/impul de stabilizare a circuitului este important în special în cazul măsurătorilor
rezistenţelor mari. 7upă cum se arăta în figura ".D", capacitatea şuntata &!I$+/( trebuie
încărcată la tensiunea de test de catre curentul &*0(. 2erioada de timp necesară pentru
încărcarea condensatorului este determinată de constanta de timp )! &o constantă de timp
L3) 0!I$+/(, şi rezultă curba exponenţială din figura ".DD. Astfel, devine necesară aşteptarea a
: sau 8 constante de timp pentru a face citire exacta. !ând se măsoară valorile rezistenţelor
mari, timpul de stabilizare poate aGunge şi de ordinul minutelor, depinzănd de capacitatea
şuntuluit. 0pre exemplu, dacă !I$+/ este de numai -4p, o rezistenţa de test de -/6 va avea
ca rezultat o constantă de timp de -4 secunde. Astfel, un timp de stabilizare de 84 secunde
este necesar pentru ca citirea sa se stabilizeze la ^-< din valoarea finala.
DK
)ezistenţamăsurată
ig. ".D-&a( fectele rezistenţei cablului la măsurarea rezistenţelor mari
?mmetru0e masoară ) 0
0e indică R
M M I
V R =
'M) 0
) C
B*
C?
) M *)
+
= S
S M R R
R R R
) 0 ) C ) M
ig.".D-&b( !ircuit ecivalent pentru figura -.D-&a( arată efectelede încărcare sau rezistenţa cablului de scăpări ) C
) 0
)ezistenţamăsurată
B*
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
39/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
D9
ig.".D-&c( >ardarea ecranului cablului pentru a elimina rezistenţa de scăpări
>ardă
) C
C?) >*>
) M'
M
?mmetru 0e măsoară) 0
0e indică R
M M I
V R =
x- *)
'M
?mmetru
*0
ig.".D" /impul de stabilire determinat de constanta )!
) 0
)ezistenţamăsurată
!I$+/
L 3) 0!I$+/
"4
4 -.4
2rocent din valoarea finală
/imp
D4
:4
84
#4
;4
K4
94
-44
-4
4
".4 D.4 :.4 8.4 ) 0 !I$+/
#D
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
40/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
2entru a minimiza timpul de stabilizare în cazul măsurărilor rezistenţelor mari,
menţinem capacitanţa din sistem la un minim absolut prin scurtarea cablurilor conectoare. 7e
asemenea, gardarea poate fi folosita pentru a descreste substantial timpii de stabilizare.
2.$.3 Caracteristicele rezistorilor de -alori mari
7atorită rezistenţelor lor mari, aceste componente sunt dispozitive foarte neobisnuiteE
în consecinţă, există un număr de elemente de considerat atunci când se măsoară aceste
dispozitive1 coeficienţii de tensiune şi de temperatură, efectele şocurilor mecanice şi
contaminarea.
7ouă tipuri de rezistori sunt foarte des folosite1 cu pelicula de carbon şi cu oxizi
metalici. 7esi există şi alte tipuri, acestea doua sunt cele mai folositoare. !omparaţi cu
rezistorii convenţionali, cei cu pelicula de carbon sunt zgomotoşi, instabili, au coeficienti mari
de temperatură, afişeaza coeficienti mari de tensiune şi sunt foarte fragili. 7ezvoltările recente
în domeniul rezistorilor cu oxizi metalici au avut ca rezultat rezistori cu coeficienţi de
tensiune mult mai mici, precum şi stabilităţi îmbunătăţite ale temperaturii şi timpului.
7ispozitivele moderne prezintă coeficienţi de tensiune sub 8 ppm@' şi nici un offset
semnificativ dupa 8 ani de testare. !oeficienţii de temperatură sunt de ordinul a 4.4-
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
41/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
0arcina este integrala de timp a curentului şi de obicei nu este măsurată în mod
continuu. Ar fi de dorit să se măsoare sarcina pe o cantitate de particule, pe o suprafată sau pe
o componentă cum ar fi un condensator. În timp ce electrometrul poate face astfel de
măsuratori, este supus unor anumite surse de erori şi limitari, care sunt discutate în
paragrafele urmatoare. Î+ 0eciunea ".; se discută utilizarea unui coulombmetru pentru a
măsura un curent foarte mic.
2.%.1 /ursele de eroare
Măsuratorile sarcinii cu un electrometrul sunt supuse unui număr de surse de erori,
inclusiv curentul offset de intrare, tensiunea de încărcare, curenţii generaţi şi impedanţa mică
a sursei.
Curentul de offset de intrare
În cazul unui electrometru, curentul de offset de intrare este foarte mic. În orice caz, la
nivele mici de sarcină, ciar şi acest curent mic poate genera erori semnificante.
2e perioade lungi de timp instrumentul va integra curentul de offset, care va fi văzut
ca un offset pe termen lung în măsurarea sarcinii. !urentul tipic de offset este de :fA, care va
cauza o scimbare de :f!@sec la măsurarea sarcinii.
7acă curentul de offset este cunoscut cu exactitate, este posibilă compensarea acestei
erori prin simpla scăderea a curentului de sarcina datorat curentului de offset din citirea
propriu%zisă.
Tensiunea de (nc!rcare
/ensiunea de încărcare a unui coulombmetru cu reacţie este, în general, destul de
mica &^ -44N'(, exact ca şi în cazul unui picoampermetru cu reacţie. ?ricum, dacă curentul
de vărf instantaneu este =-4NA, tensiunea de încărcare poate depăşi pe moment aceast nivel.
Într%o situatie de supra%încărcare, tensiunea de încărcare poate aGunge la mulţi volţi, depinzând
de valoarea de intrare.
7acă tensiunea sursei circuitului descis este de cel puţin -4m', coulombmetrulobişnuit va integra corect curentul de scurt%circuit. 7acă tensiunea circuitului descis este
:-
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
42/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
mult mai mică, tensiunea de încărcare poate deveni o problema şi zgomotul de stadiu de
intrare va fi amplificat atât de mult încât va preîntâmpina măsurătorile corecte.
Curenţii generaţi
!urenţii generaţi de la cablul de intrare sau curenţii induşi datoraţi ecranării
insuficiente, pot cauza erori în măsurătorile de sarcina, în special la nivele de sarcină _-44p!.
Imedanţa sursei
'aloarea impedanţei sursei poate afecta nivelul de zgomot al coulombmetrului cu
reacţie. igura ".D: arată un circuit generalizat de reacţie conectat la o impedanţă a sursei. Ca
coulombmetru, impedanţa cu reacţie este un condensator. 7in aceasta diagrama câstigul de
zgomot al coulombmetrului poate fi calculat din urmatoarea ecuaţie1
Hgomotul la ieşire 3 Hgomotul la intrare
+×
S
F
%
% -
unde1 H0 3 impedanţa sursei
H 3 impedanţa de reacţie a coulombetrului
În general, pe măsura ce H devine mai mare, câstigul de zgomot devine şi el mai mare.
2.%.2 0eri"icarea la zero
:"
H
H0
%
ig.".D: !ircuit de reacţie general
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
43/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
0pre deosebire de o măsurătorile de tensiune, măsurările de sarcina sunt distructive.
!u alte cuvinte, procesul de măsurare îndepărtează sarcina stocată în dispozitivul testat.
!ând se măsoară sarcina la un dispozitiv cum ar fi un condensator, este important să se
facă mai intai verificarea la zero a electrometrului, apoi sa se conecteze condensatorul la
intrarea cu impedanţă înaltă. Altfel, parte din sarcină se va pierde în impedanţa verificării la
zero şi nu va fi măsurată de coulombmetru.
Acţionarea comutatorului de verificare la zero va produce o scimbare bruscă în
citirea sarcinii, cunoscută sub numele de Uopul zeroV. 2entru a elimina efectele opului zero
se face o citire imediat ce s%a descis punctul de verificare la zero, apoi se scade această
valoare din toate citirile ulterioare. ? modalitate simplă de a face acest lucru este să se
activeze )C%ul sau funcţia )7$!) după ce verificarea la zero a fost descisă, ceea ce
anuleaza citirea sarcinii cauzata de op.
2.' Prezentarea electrometrului
2ână acum au fost discutate consideraţii specifice asupra măsurătorilor de tensiune,
curentului, rezistenţei şi sarcinii. $rmatoarele paragrafe studiază o varietate de consideraţii
despre măsurători care se aplică tuturor tipurilor de măsurători cu electrometrul.
2.'.1 Coneiunile de măsurare
2entru evitarea erorilor de măsurare, este de importanta critica realizarea calitativă a
conexiunilor potrivite între electrometru sau picoampermetru şi dispozitivul supus testării.
Pentru a "ace o coneiune corectă tre*uie conectat terminalul de rezistenţa mare al
aparatului de măsură la punctul de rezistenţă maimă a circuitului testat.
igura ".D8 arată un electrometru conectat la o sursa de curent care constă într%o sursă detensiune în serie cu un rezistor. 0ursa de tensiune alimentată în curent alternativ are de obicei
un nivel semnificativ &adesea de mai multi volti( de tensiune de mod comun a frecvenţei
liniare. 7upă cum arată figura ".D#, aceasta va determina un curent &i( sa circule spre
condensatorul legat la masa al electrometrului &*M(. Acest circuit este conectat corect, astfel
încât acest curent nu circula prin electrometru si, asadar, nu determină nici o eroare de
măsurare. ?ricum, când B*%ul electrometrului este conectat la o sursa de alimentare cu
impedanţă mică, acest curent alternativ &i( circulă prin electrometru &*M( aşa cum este ilustrat
:D
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
44/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
în figura ".D;. Acest curent poate afecta acurateţea măsurătorii, în special la nivelele de
semnal mic.
::
0ursă decurent
)
ig.".D8 !onectarea bornei B* a ampermetrului la o rezistenţă mare
*M
B*
C?
0ursă decurent
)
ig. ".D# Cegatură corectă
*M
B*
C?
i
0ursă decurent
)
B*
C?
*M
i
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
45/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
2.'.2 Inter"erenţele electrostatice şi ecranarea
!uplarea electrostatică sau interferenţa apare atunci când un obiect încărcat este adus
în apropierea unui obiect fără sarcină. Ca nivele de impedanţă mică, efectele interferenţei nu
sunt sesizabile deoarece încărcătura se disipează rapid. În orice caz, materialele de rezistenţa
mare nu permit sarcinii sa scadă rapid, ceea ce poate duce la măsurători instabile. !itirile
eronate pot fi datorate câmpurilor electrostatice fie de curent alternativ, fie de curent continuu,
astfel ecranarea electrostatica va aGuta la minimizarea efectelor acestor câmpuri.
!âmpurile de curent continuu pot produce citiri eronate din cauza zgomotului sau erori
nedetectate. Aceste câmpuri pot fi detectate atunci când mişcarea persoanei care manevrează
instrumentul sau a altor persoane din imediata apropiere determina fluctuaţii pe afişaGul
electrometrului. 2entru a face o scurta verificare asupra existenţei interferenţelor, se
amplasează o bucată de material plastic încărcat electrostatic, cum ar fi un pieptene, în
apropierea circuitului. ? scimbare de amploare pe afişaGul aparatului, indică o ecranare
insuficientă.
!âmpurile de curent alternativ pot fi la fel de problematice. Acestea sunt cauzate cel
mai des de liniile electrice şi de câmpurile ). 7acă tensiunea curentului alternativ la intrare
este mare, o parte din acest semnal este corectat, producând o eroare în semnalul de curent
continuu care este măsurat. Acest fapt poate fi verificat prin observarea ieşirii analoage a
electrometrului, cu un osciloscop. ? forma de undă clipped indică necesitatea îmbunătăţirii
ecranării electrostatice.
igura ".DK arata un exemplu de cuplare electrostatică la curent alternativ. ? sursa detensiune electrostatica aflată în apropierea unui conductor, asa cum este un cablu pe o placa de
computer, generează un curent proporţional cu viteza scimbării tensiunii şi a capacitanţei de
cuplare. Acest curent poate fi calculat cu urmatoarea formulă1
dt
d# V
dt
dV # i +=
7e exemplu, doi conductori, fiecare având suprafaţa de -cm` şi aflaţi la o distanţă de
-cm unul de altul, vor avea o capacitanţă de aproximativ 4,-p. !u o diferenta de tensiune de
:8
ig. ".D; Cegatură incorectă
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
46/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
-44' şi cu o vibraţie cauzatoare de scimbări în capacitanţă de 4,4-p@secundă &o fluctuaţie
de -4
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
47/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
înconGurarea acelor conductori cu un scut din metal cu împământare, aşa cum se prezintă în
igura ".:4. 7upă fixarea acestui scut, zgomotul generat de sursa de tensiune electrostatică şi
capacitanţa de cuplare, sunt conduse prin ecran la pământ, în loc să treacă prin conductorii de
semnal.
În concluzie, curenţii de eroare datoraţi cuplării electrostatice pot fi minimizaţi prin
urmatoarele acţiuni1
• Menţinerea unei distanţe suficient de mari între orice obiect încărcat
electrostatic &inclusiv oamenii( şi zonele sensibile din circuitE
• vitarea mişcării şi a vibraţiilor în apropierea zonei de testareE
• Atunci când se măsoară curenţti ^-nA, se ecranează dispozitivul testat
prin impreGmuirea lui cu un cadru metalic şi conectarea electrică a
acestui ecran la terminalul comun al circuitului de test.
Argumente (n fa#oarea ecran!rii sau gard!rii
cranarea implică de obicei folosirea unei impreGmuiri metalice, pentru a impiedice
afectarea unui circuit cu impedanţa mare de către interferenţele electrostatice. >ardarea
implică utilizarea unui conductor de impedanţă mică, menţinut la acelaşi potenţial ca şi în
cazul circuitului cu impedanţă mare, care va intercepta orice tensiune sau curent care poate
interfera. ? gardare nu asigură neaparat şi ecranarea.
2.'.3 )actori de mediu
:;
ig. ".:4 cranarea electrostatică
'
!apacitatea sursei ecranate
!apacitatea cabluluide ecranare
0ursă de tensiune electrostatică
Cinie de semnal
Masă
crancran
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
48/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
$n mediu stabil este esenţial în cadrul măsurătorilor Goase corecte. În cele ce urmează,
sunt prezentaţi factorii de mediu care pot afecta precizia acestor măsurători.
Temeratura si stabilitatea acesteia
/emperaturile neconstantă poate afecta măsurătorile electrometrului în mai multe
moduri, incusiv prin cauzarea variaţiei dimensiunilor izolatorilor şi producerea curenţilor de
zgomot. 7easemeni, o creştere a temperaturii poate cauza o creştere a curentului de polarizare
a intrării electrometrului. !a o regulă generală, scăpările prin poarta tranzistorilor \/ se
dublează ca şi cantitate pentru fiecare -4X! în plus, dar cele mai moderne electrometre au
compensare de temperatură pentru a minimiza efectele variaţiilor de curent de intrare intr%o
gamă largă de temperaturi.
2entru a minimiza erorile datorate variaţiilor de temperatură, intregul sistem trebuie
operat intr%un mediu stabil din punct de vedere al temperaturii. *nstrumentele sensibile trebuie
ţinute la distanţă de căldură iar sistemul trebuie lăsat sa atingă stabilitate termica înainte de a
se face măsurători. În momentul în care sistemul a aGuns în punctul de stabilitate termică,
instrumentul trebuie resetat la zero. Acest procedeu trebuie repetat ori de câte ori temperatura
ambientală se modifică. 2entru a asigura precizie maximă, instrumentul trebuie resetat la zero
în aceeaşi gamă ca si cea în care se vor face măsuratorile.
)miditatea
$miditatea excesivă poate reduce izolarea pe plăcile de computer şi în rezistenţa
izolatorilor de conexiune. ? reducere a rezistenţei izolării poate afecta, desigur, măsurările de
înaltă impedanţă. În plus, umezeala poate să se combine cu orice agent contaminant prezent şisă creeze efecte electrocimice care pot produce curenţi de offset.
2entru a minimiza aceste efecte nedorite, umezeala trebuie menţinută la un mimim &în
mod ideal, sub 84
8/19/2019 Masurari La Impedanta Ridicata
49/65
Tehnici de minimizare a erorilor inregistrate la masurari cu impedanta mare si mica
!âteva componente cum ar fi Goncţiunile semiconductoare sau condensatorii M?0 de
pe placuţele semiconductoare sunt detectori de lumină excelenţi. În consecinţă, aceste
Top Related