Pomiar rezystancji jest jednym z najczęściej wykonywanych pomiarów, również w elektrotechnice samochodowej. Przyrządy stosowane do tego celu różnią się znacznie pod względem stosowanych metod pomiarowych i konstrukcji.
Metody pomiaru rezystancji
Przyrządy stosowane do pomiaru rezystancji dzieli się w zależności od tego, jakiego typu sygnał do tego wykorzystują. Laboratoryjne miliomomierze (fot. 1), popularne multimetry cyfrowe oraz mierniki rezystancji izolacji (megaomomierze) wykorzystują do pomiaru rezystancji sygnał napięciowy stały (DC). Z kolei mierniki RLC (fot. 2), testery akumulatorów (fot. 3) oraz drogie mierniki impedancji – sygnał napięciowy przemienny (AC). Proste i tanie przyrządy mierzą rezystancję tylko przy jednej częstotliwości, droższe przy kilku, a zawansowane technicznie mierniki impedancji zarówno sygnałem stałym, jak i przemiennym, i to w szerokim paśmie (nawet kliku megaherców). Zaawansowany technicznie miernik impedancji wskazuje zwykle kilkanaście parametrów impedancyjnych badanego obiektu, a jego użytkownik może wybrać nie tylko wartość częstotliwości sygnału pomiarowego, ale też jego napięcie. Może w razie potrzeby zastosować polaryzację wstępną badanego obiektu przez doprowadzenie do niego napięcia lub prądu stałego. W celu pomiaru popularny miernik rezystancji łączy się z badanym obiektem dwoma przewodami. Profesjonalny przyrząd tego typu korzysta z połączenia czteroprzewodowego. Przewaga metody czteroprzewodowej nad dwuprzewodową uwidacznia się przy pomiarze małych rezystancji, już rzędu kilku omów, gdy negatywny wpływ na dokładność pomiaru zaczyna wywierać rezystancja okablowania pomiarowego.
- Metody pomiaru sygnałem stałym i przemiennym
Mierniki rezystancji sygnałem napięciowym stałym (DC) są szeroko stosowane do pomiaru rezystancji rezystorów ogólnego przeznaczenia, uzwojeń, styków, izolacji itd. Układ mierzący sygnałem stałym (DC) składa się w dużym uproszczeniu z zasilacza DC i woltomierza DC. Choć prosty układ elektryczny takiego przyrządu ułatwia uzyskanie dużej dokładności pomiaru, to z drugiej jest on wrażliwy na błędy pomiaru spowodowane siłą termoelektryczną powstającą na styku dwóch różnych metali, która może znajdować się w obwodzie pomiarowym. Zakres pomiaru takiego przyrządu rozciąga się od 10-8 do 1016 Ω.
Mierniki rezystancji sygnałem przemiennym (AC) są używane wszędzie tam, gdzie pomiar prądem stałym nie jest możliwy. Służą zatem do pomiaru impedancji elektromagnesów, kondensatorów oraz rezystancji wewnętrznej akumulatorów. Z założenia miernik rezystancji sygnałem AC nie jest wrażliwy na wpływ siły termoelektrycznej DC, gdyż jego układ pomiarowy składa się z zasilacza AC i woltomierza AC. Jednak trzeba pamiętać, że miernik rezystancji sygnałem AC może wskazywać wartości różne niż miernik rezystancji sygnałem DC z powodu np. strat występujących w rdzeniu testowanej cewki. Zakres pomiaru miernika rezystancji sygnałem przemiennym wynosi od 10-3 do 108 Ω.
- Metody dwuprzewodowa i czteroprzewodowa
Problemy z uzyskaniem wymaganej dokładności narastają przy pomiarze rezystancji małych, mniejszych od kilku omów, gdyż zaczyna odgrywać wtedy rolę rezystancja doprowadzeń pomiarowych oraz ich styków zarówno z badanym obiektem, jak i samym przyrządem pomiarowym. Prąd pomiarowy, płynąc przez rezystancję przewodów łączących badany obiekt z przyrządem oraz styków, wytwarza na nich napięcie wprost proporcjonalne do rezystancji tych elementów. Napięcie to jest wykorzystywane przez przyrząd do obliczenia rezystancji, gdyż dodaje się do napięcia na badanym obiekcie. W efekcie wynik pomiaru rezystancji zawiera w sobie rezystancję przewodów połączeniowych (pomiarowych) i styków, co ma niekorzystny wpływ na dokładność pomiaru.
Rezystancja okablowania pomiarowego zmienia się znacznie zależnie od grubości i długości użytych przewodów. Na przykład przewód pomiarowy typu AWG24 (znormalizowany amerykański system średnic przewodów elektrycznych) o przekroju 0,2 mm2 ma rezystancję na metr równą ok. 90 mΩ/m, a przewód typu AWG18 o przekroju 0,75 mm2 – ok. 24 mΩ/m. Z kolei rezystancja styku sond przewodu pomiarowego zależy od stopnia ich zużycia oraz nacisku w trakcie kontaktu z badanym obiektem. Zależy też od bieżącej wartości prądu pomiarowego. Nawet przy dobrym styku rezystancja ta wynosi kilka mΩ, a nierzadko może osiągnąć kilka Ω. Stąd też przewody pomiarowe powinny być możliwie jak najkrótsze i jak najgrubsze, a metalowe końcówki sond wykonane z materiału o dobrej przewodności oraz czyste. Gdy zakończenia pomiarowe sondy są pokryte złotem, to typowa wartość rezystancji styku wynosi kilka mΩ, a gdy niklem to kilka dziesiątek mΩ.
Zdecydowana większość popularnych przyrządów pomiarowych z funkcją pomiaru rezystancji jest przystosowana do tzw. pomiaru dwuprzewodowego. Przyrząd taki ma tylko dwa gniazda pomiarowe „Ω” i „COM” i niestety nie nadaje się do pomiaru małych rezystancji z często wymaganą dokładnością. Pewnym rozwiązaniem stosowanym w niektórych miernikach jest przy pomiarze małych rezystancji użycie funkcji wskazywania wartości względnej „REL”. Przed pomiarem rezystancji łączy się końce sond pomiarowych ze sobą i naciska wymieniony przycisk. Przyrząd mierzy rezystancję przewodów i zapisuje w pamięci. Odejmuje ją później każdorazowo od wyniku pomiaru. Metoda ta nie jest niestety pozbawiona wad. Nie uwzględnia rzeczywistych warunków pomiaru, w tym rezystancji styku sond pomiarowych z badanym obiektem, wpływu prądu pomiarowego, który w momencie dołączenia badanego obiektu jest inny itd. Jeśli przyrząd nie ma funkcji „REL”, to można samemu zmierzyć rezystancję użytych przewodów pomiarowych i uwzględniać ją przy kolejnych pomiarach ze wszystkimi wymienionymi ograniczeniami co do dokładności pomiaru.
Zaawansowanym technicznie rozwiązaniem stosowanym szeroko nie tylko w profesjonalnym sprzęcie stacjonarnym (w miliomomierzach i miernikach impedancji), ale też i w niektórych przyrządach przenośnych jest metoda pomiaru czteroprzewodowego. Na rysunku przedstawiono uproszczony schemat blokowy takiego przyrządu. Ma on cztery gniazda pomiarowe oznaczane zwykle: „SOURCE A”, „SOURCE B”, „SENSE A” i „SENSE B”, które oznaczają wyprowadzenia odpowiednio: A źródła, B źródła, A czujnika i B czujnika. Przed pomiarem badany obiekt łączy się z przyrządem czterema przewodami. Źródło stałoprądowe „A” wytwarza prąd pomiarowy. Prąd ten płynie w obwodzie: plus źródła stałoprądowego, wyprowadzenie (gniazdo) „SOURCE B”, przewód pomiarowy, obiekt badany, przewód pomiarowy, wyprowadzenie (gniazdo) „SOURCE A”, minus źródła stałoprądowego. Pomiarem prądu steruje monitor prądu. Prąd pomiarowy, płynąc przez badany obiekt, wytwarza napięcie, które jest doprowadzane do wyprowadzeń (gniazd) „SENCE A” i „SENCE B” czujnika napięcia. Napięcie to mierzy woltomierz „B”. Z powodu dużej rezystancji wejściowej woltomierza prąd w jego obwodzie praktycznie nie płynie, a rezystancje doprowadzeń pomiarowych i styków nie mają wpływu na wynik pomiaru. Należy jeszcze dodać, że odległość między punktami dołączeń wyprowadzeń „SOURCE A” i „SENSE A” oraz „SOURCE B” i „SENSE B” powinna być możliwie najmniejsza, stąd też zakończenia pomiarowe kabli stosowane do pomiaru czteroprzewodowego mają specjalną konstrukcję mechaniczną.
Czynnikiem, który ma niebagatelny wpływ na rezystancję, jest też temperatura. Stąd też profesjonalne mierniki małych rezystancji są zwykle wyposażone we własność pomiaru temperatury potrzebną do realizacji funkcji korekcji temperaturowej. W przedstawionym układzie blokowym miernika małych rezystancji jest blok pomiarowy temperatury. Do jego wejścia jest dołączony czujnik temperatury „QTM” (w tym przypadku termistorowy). Mierzy on temperaturę otoczenia badanego obiektu (w tym wypadku nie w punkcie pomiaru). Przyrząd przelicza wartość rezystancji badanego obiektu zmierzoną w danej temperaturze otoczenia na wartość rezystancji w wybranej temperaturze, po czym wyświetla ją. Do obliczeń wykorzystuje typowy wzór zawierający wartości rezystancji w wymienionych temperaturach, przyrostu temperatury i współczynnika temperaturowego (np. drutu miedzianego).
Okablowanie pomiarowe
Do pomiaru metodą czteroprzewodową jest potrzebny specjalny kabel zawierający cztery przewody. Kabel ten jest zakończony z jednej strony czterema wtykami dołączanymi do przyrządu, z drugiej zaś dwoma chwytakami krokodylowymi lub sondami szpilkowymi. Zarówno chwytaki, jak i sondy mają specjalną konstrukcję. W każdym z tych konektorów łączą się ze sobą dwa przewody „SOURCE A” z „SENSE A” i „SOURCE B” z „SENSE B”. Gdy kabel ma być wykorzystywany też do pomiaru temperatury (np. przez tester akumulatora), to jeden z chwytaków krokodylowych ma ukryty w szczękach czujnik temperaturowy.
Oprócz czteroprzewodowych kabli pomiarowych o zastosowaniu uniwersalnym, nazywanych kablami Kelvina, producenci akcesoriów pomiarowych oferują też różnorodne głowice i sondy pomiarowe dedykowane do zastosowań profesjonalnych, w tym do testowania elementów przewlekanych, SMD i innych.
mgr inż. Leszek Halicki,
Labimed Electronics
Komentarze (2)