Меню

Как получают диапазон малых токов

III. Измерение малых токов.

date image2015-06-30
views image1955

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление измерителя. Для снижения этого тока до уровня 10 -17 -10 -16 А в полосе частот от 0 до 0,1 Гц необходимо применять приборы с внутренним сопротивлением не менее 10 11 -10 12 Ом, поэтому магнитоэлектрические гальванометры, гальванометрические компенсаторы, усилители на биполярных транзисторах, относящиеся к сравнительно низкоомным устройствам, не могут использоваться для измерения токов менее 10 -10 -10 -9 А.

Для измерения малых постоянных и медленно меняющихся токов применяют пассивные преобразователи тока в напряжение в сочетании с чувствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление (до 10 14 -10 16 Ом) и малый уровень шумов. Максимально должны быть уменьшены также паразитные токи. К пассивным преобразователям относят резистивные, емкостные, логарифмирующие преобразователи.

В резистивных преобразователях тока в напряжение применяют высокоомные резисторы, значение сопротивления которых зависит от протекающего через резистор тока, и изменяется во времени под влиянием температуры, влажности и т.п. Номинальные значения выпускаемых высокоомных резисторов до 10 12 Ом значительно зависят от приложенного напряжения, температурный коэффициент до 0,25%/ºК и временной дрейф до нескольких процентов в год.

В емкостных преобразователях тока в напряжение применяют конденсаторы с высококачественной изоляцией или специальные воздушные конденсаторы. Погрешность преобразования определяется погрешностью измерения емкости конденсатора и изменением емкости в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляризации диэлектрика, поэтому емкость конденсатора зависит от частоты измеряемого тока. Для конденсатора характерны те же источники помех по току и напряжению, что и для резистора. Шунтирующее сопротивление конденсатора достигает 10 15 -10 16 Ом.

В логарифмирующих преобразователях тока в напряжение используются элементы с естественной нелинейностью, такие как полупроводниковые диоды, транзисторы, электровакуумные диоды, многоэлектродные лампы. Сопротивление логарифмирующего элемента под действием измеряемого тока изменяется таким образом, что абсолютные приращения напряжения при одинаковых относительных изменениях тока остаются неизменными.

Вольт-амперную характеристику логарифмирующего элемента целесообразно представлять в виде полинома первой степени с логарифмическим аргументом и остаточным членом, т.е. в виде

Где U – выходное напряжение; I – входной ток; a, a1 – соответственно смещение и крутизна логарифмической характеристики; ΔU(I) – остаточный член, учитывающий отклонение вольт-амперной характеристики от логарифмической зависимости.

Диапазон токов, в котором отклонение от логарифмической зависимости не превышает определенного значения, принято называть динамическим диапазоном логарифмической характеристики логарифмирующего элемента. Погрешность преобразования тока в напряжение с помощью логарифмирующего элемента зависит от факторов, вызывающих отклонение вольт-амперной характеристики от номинальной логарифмической зависимости ().

Источник

ПРИСТАВКА ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ТОКОВ

Для измерения токов в диапазоне микро- и наноампер, потребуется усилитель с активным преобразователем. Из-за очень большого усиления операционного усилителя падение напряжения во время измерений с помощью амперметра с активным преобразователем может быть исключено. Благодаря этому результаты измерений намного точнее, чем в случае амперметров с шунтом. Поскольку падение напряжения в активном преобразователе близко к нулю, также можно устранить влияние колебаний напряжения на работу устройства.

Принципиальная схема микро- наноамперметра

Типичный пример амперметра с активным преобразователем приведен на схеме ниже:

Чтобы эта зависимость выполнялась в реальных условиях, входное напряжение дисбаланса должно быть очень маленьким, а входной поляризационный ток пренебрежимо малым. Эти параметры становятся особенно важными когда дело доходит до измерений токов порядка пикоампер, на результат которых будет влиять входной поляризационный ток. Есть несколько примеров пикоамперметров на основе микросхемы LMC662. Согласно даташита, м/с имеет очень низкий входной поляризационный ток, порядка 2 фемтоампер.

В этом устройстве использовался усилитель TS1001 от Touch Stone. Схема имеет посредственные параметры и на первый взгляд не подходит измерять такие маленькие токи. Но особенность, которая отличает микросхему TS1001, заключается в чрезвычайно низком энергопотреблении, схема работает нормально даже при напряжении 0,8 В и потребляет ток 0,8 мкА. Следовательно будет отлично работать в аккумуляторных устройствах, а энергопотребление её настолько мало, что даже не требуется пользоваться кнопкой подачи питания!

TS1001 также имеет относительно небольшой входной поляризационный ток, который обычно составляет 25 пА. Это совершенно низкое значение, когда дело доходит до измерения тока в диапазоне наноампер. Поскольку входное напряжение дисбаланса является постоянным во время измерения, точность не снижается из-за устранения этого значения только путем обнуления.

На принципиальной схеме ниже амперметр с активным преобразователем на основе микросхемы TS1001. Применяя разное значения резистора, разрешения варьируются от 1 мА / В до 1 мкА / В в четырех поддиапазонах. Используя любой популярный мультиметр можно измерить ток в диапазоне наноампер. Как упоминалось ранее, входной ток смещения усилителя TS1001 составляет 25 пА, поэтому самый низкий диапазон был специально выбран 1 мкА / В.

Читайте также:  Реле с маленьким током срабатывания

Усилитель может питаться от одного напряжения с мультиметром или использовать виртуальную массу. В случае несимметричного источника измеряемый ток должен поступать на неинвертирующий вход усилителя, чтобы напряжение появлялось на выходе. Следовательно, это решение более выгодно для измерений постоянных токов, где поляризация тока может быть заранее определена. Использование виртуальной массы, как показано на схеме ниже, позволяет измерять постоянные и переменные токи. Схема может питаться от одной 1,5-вольтовой батареи.

Поскольку приставка имеет довольно низкое произведение коэффициента усиления и предельной частоты, можно измерять только токи с низкой изменчивостью (до 60 Гц).

Точность используемых резисторов определяет точность всего измерителя. Советуем выбрать с допуском 0,1%. Также важно использовать резисторы с низким температурным коэффициентом.

Все устройство питается от одной батареи и поскольку оно используется для измерения только постоянного тока, источник питания с виртуальной массой был отложен.

Если же необходимо измерить более низкие токи или более высокие частоты, то можете выбрать другой операционный усилитель — например AD8603, который совместим с выводами TS1001 и может использоваться для измерения токов в диапазоне пикоампер.

Источник

Люди, что такое малые токи!

Cистемы для измерения малых токов и больших сопротивлений

Общая информация о продукте (

184 КБ)
Измерение малых токов (от 1Е-15 А) обеспечивают средства измерений, имеющие рекордно низкие уровни шума и высокое разрешение. В данную группу входят пикоамперметры (модели 6485, 6487, 2502), электрометры (модели 6514, 6517А) , измерительно-питающие устройства (модели 6430, 236, 237, 238), система 4200-SCS и быстродействующий преобразователь ток-напряжение (модель 428). Для организации взаимодействия с внешними устройствами используются стандартные интерфейсы GPIB, RS-232, цифровые ТТЛ-линии и аналоговые выходы. Высокое быстродействие и встроенная память данных обеспечивают необходимую скорость измерений. В комплект поставки входят драйверы и библиотеки для LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic, C/C++, TestPoint и др.

Измерение больших сопротивлений (до 1Е+16 Ом) чаще всего производится путем измерения малых токов через исследуемый образец или устройство при приложении электрического напряжения. Ряд моделей имеют встроенные программируемые источники напряжения: +100 В ( модель 2502, 236, 237), +200 В (модели 6430, 4200-SCS), +500 В (модель 6487), +1000 В (модель 6517А) , +1100 В (модель 237). Внешний программируемый источник напряжения (модель 248) позволяет подавать напряжение +5 кВ.

В некоторых случаях большие сопротивления определяются по падению напряжения на исследуемом образце или участке цепи при пропускании тока. Для этого используются программируемые источники постоянного тока (модель 6220), тока произвольной формы (модель 6221) и электрометрометрические вольтметры, содержащиеся в моделях 6514, 6517А. Также могут использоваться измерительно-питающие устройства 6430, 236,237, 238 и система 4200-SCS.

Основные области применения:

измерение токов ионных пучков
исследование материалов и устройств в микро- и наноэлектронике
измерение токов утечки и сопротивлений изоляции
измерение параметров и тестирование датчиков, полупроводниковых и оптоэлектронных устройств
измерение вольтамперных характеристик и анализ электрических цепей по постоянному току, на низких частотах и в импульсном режиме.

Краткие характеристики систем для измерения малых токов и больших сопротивлений

Модель 428 — быстродействующий преобразователь ток-напряжение (ПТН) в полосе частот до 175 кГц, с временем нарастания фронта от 2 мкс и программируемым коэффициентом усиления до 1Е+11 В/А. Максимальная чувствительность по току составляет 1,2 фА (1,2Е-15 А) .

Модель 6485 — экономичный пикоамперметр с разрешением 10 фА (1Е-14 А) и падением напряжения менее 200 мкВ.

Модель 6487 — пикоамперметр, аналогичный модели 6485, со встроенным программируемым источником напряжения от -500 В до +500 В для измерения сопротивлений и вольтамперных характеристик. Имеет помимо цифровых интерфейсов аналоговый выход.

Модель 2502 — 2-х-канальный пикоамперметр с разрешением 1 фА (1Е-15 А) , диапазоном измерения токов от 1 фА до 20 мА и встроенным программируемым источником напряжения от -100 В до +100 В. Аналоговый выход 0…+10 В позволяет организовывать оптическую обратную связь, а цифровые и триггерные линии обеспечивают синхронизацию с внешними устройствами.

Модели 6514 — экономичный электрометр с шумом менее 1 фА (1Е-15 А) , предназначенный для измерения тока, напряжения, сопротивления и электрического заряда в диапазоне от 10 фКл (1Е-14 Кл) до 20 мкКл. Входное сопротивление в режиме измерения напряжений превышает 200 ТОм (2Е+14 Ом) . Падение напряжения при измерении тока не превышает 20 мкВ.

Модель 6517А — электрометр и измеритель высоких сопротивлений до 10 ПОм (1Е+16 Ом) со встроенным программируемым источником напряжения от -1000 В до +1000 В. Амплитуда шума не превышает 0,75 фА (7,5Е-16 А) , а входной ток смещения — 3 фА (3Е-15 А) . Падение напряжения при измерении малых токов менее 20 мкВ.

Измерительно-питающие устройства (ИПУ) 6430, 236, 237, 238 объединяют в себе функции прог

Широкий диапазон возможного применения электричества привёл к его повсеместному распространению. Применение электричества можно разделить на две категории: малые токи (электроника, связь) и большие токи (электричество, электротехника, силовая электроника и т.п.). В случае малых токов риск, связанный с неправильным применением электричества, заключается в нарушении работы систем и сокращению срока их службы. В случае больших токов имеется не только риск поломки оборудования, но и подвергается опасности человеческая жизнь. Когда уровни токов и напряжений несут такие риски, требуется особо эффективные меры защиты.

Читайте также:  Как узнать максимальный ток блока питания

Источник



Как получают диапазон малых токов

Лабораторная работа №2

Измерения малых напряжений и токов.

Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений малых постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов, получение навыков измерений малых напряжений и обработки результатов измерений.

Особенности измерений малых напряжений и токов. Измерение малых напряжений и токов имеет большое значение во многих областях науки и техники: термометрии, фотометрии, кулонометрии, измерении сопротивлений изоляции, измерении ионизирующих излучений и др. Особенностью измерений малых напряжений и токов является чрезвычайно малая мощность источника сигнала. Используемые в настоящее время приборы для измерения малых напряжений имеют порог чувствительности до 10 -12 В, Мощность, которую измерительные приборы потребляют от объекта измерения, составляет 10 -18 ..10 -20 Вт.

Источники малых напряжений имеют сравнительно (от долей ома до десятков ом) внутреннее сопротивление и развивают напряжение от долей микровольта до нескольких десятков микровольт. Так, например, термоэдс различных материалов с медью изменяется в пределах от 0,1 до 30 мкВ/К, а термоэдс медных проводов различных катушек составляет около 0,01 мкВ/К. Внутреннее сопротивление термопар имеет значение от. 0,01 до 1 Ом, а развиваемая ими мощность лежит в пределах: от 10 -9 до 10 -16 Вт.

Источники малых токов в отличие от источников малых напряжений имеют весьма высокое внутреннее сопротивление — от 10 6 до 10 18 Ом. Они развивают токи от 10 -6 до 10 -16 А. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, фото умножители и фотоэлемента генерируют ток от 10 -6 до 10 -12 А и имеют внутреннее сопротивление более 10 13 Ом. На практике обычно считают малыми напряжения менее 1 мкВ и ток менее 1 мкА.

Характеристики приборов для измерения малых напряжений и токов. Кроме характеристик, общих для всех приборов, измеряющих напряжение или ток, приборы для измерения малых значений напряжений и токов характеризуют некоторыми особыми величинами. К ним относят: помехозащищенность приборов, их порог чувствительности, дрейф нулевого уровня, шумы входной цепи и др. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

Помехозащищенность приборов для измерения малых напряжений, и токов. Помехами при измерении постоянных напряжений и токов называют переменные напряжения и токи любой частоты и формы, которые действуют на входных зажимах прибора и искажают результат измерения. Помехи возникают в результате электромагнитных и электростатических наводок, гальванической связи входных целей прибора с паразитными источниками напряжения и тока, термоэдс и контактной разности потенциалов, действующих во входных цепях.

По способу воздействия на входную цепь прибора помехи можно разделить на аддитивные (наложенные) и мультипликативные (модуляционные). Аддитивные помехи могут преобразовываться в мультипликативные при наличии нелинейностей во входных целях.

При исследовании аддитивных помех применим принцип наложения, так как входной сигнал рассматривают как сумму полезного напряжения Ux и напряжения помехи Uп.

При исследовании модуляционных помех принцип наложения неприменим, так как входной сигнал Uх является результатом перемножения напряжения помехи и полезного сигнала.

Мультипликативные помехи проявляются значительно и их влияние на погрешность измерения незначительно.

Аддитивные помехи делят на помехи нормального вида (продольные) и помехи общего вида (поперечные). Помехи нормального вида UН действуют между сигнальными проводами, а помехи общего вида U .возникают в цепях заземления приборов, как показано на рис. 1.

Наиболее эффективно аддитивные помехи ослабляют фильтрацией и интегрированием. С этой целью на входе измерительного прибора включают полосовой фильтр, настроенный на частоту помехи. Если частота помехи неизвестна или изменяется в процессе проведения измерений, то применяют интегрирование.

Интегрирующие цифровые вольтметры эффективно ослабляют помехи нормального вида, наложенные на полезный сигнал, при условии, что полное значение входного напряжения не превышает динамического диапазона входного устройства. Напряжение помехи, подводимое к входу вольтметра, представим в виде

где UH — амплитуда напряжения помехи, jп — начальная фаза помехи, wп- угловая частота помехи.

Интегрирующий вольтметр измеряет среднее значение помехи за время интегрирования Ти , поэтому

Максимальное значение напряжения ошибки от гармонической помехи.

Помехозащищенность определяют напряжения помехи к максимальной погрешности измерения, вызванной этой помехой. Коэффициент ослабления нормальной помехи NMR (normal mode rejection) имеет значение

График зависимости коэффициент ослабления помехи нормального вида от частоты помехи при времени интегрирования 0,1 с и 20 мс приведен на рис.2.

Читайте также:  Сила тока при переменном токе в конденсаторе

Помехи общего вида, как показано на рис. 1, приложены между заземлённым корпусом измерительного прибора и заземлённым источником сигнала. Напряжение помехи общего вида может быть обусловлено блуждающими по земле токами и составлять десятки и сотни вольт. Для ослабления помех общего вида входную цепь прибора заключают в защитный экран, который подключают в месте заземления источника сигнала.

На рис. 3.а. изображено включение прибора при отсутствие защитного экрана, а на рис. 3.б. – с защитным экраном. Подключение прибора с защитным экраном к источнику сигнала выполняют при помощи двухпроводного экранированного кабеля.

Коэффициент ослабления помехи общего вида CMR (common mode rejection) определяют отношением максимального значения напряжения помехи Uо к максимальной погрешности измерения Uоm , вызванной этой помехой.

В характеристиках приборов обычно указывают коэффициенты ослабления помехи общего вида на постоянном токе или переменном токе промышленной частоты 50 Гц. Для интегрирующих приборов это значение коэффициента ослабления помехи является результатом совместного влияния защитного экрана и интегрирования. Кроме того, коэффициент ослабления помехи измерит при включении между входными зажимами измерительного прибора сопротивления, эквивалентного внутреннему сопротивлению источника сигнала (обычно до 1000 Ом).

Поскольку входные зажимы прибора имеют различные сопротивления утечки на защитный экран, то зажим, имеющий большое сопротивление утечки, называют высокопотенциальным и обозначают буквами ВП, а зажим с меньшим сопротивлением утечки — низко потенциальным и обозначают буквами НП. Номограмма для определения допустимого напряжения помехи общего вида при заданных значениях CMR и погрешности Uom приведена на рис.4

Дрейф нулевого уровня. Существенным недостатком микровольтметров и нановольтметров постоянного тока является дрейф их нулевого уровня»

Дрейф нулевого уровня — это самопроизвольное изменение выходных показаний при отсутствии входного сигнала. Обычно его оценивают эквивалентным входным напряжением, необходимым для возвращения выходного напряжения к первоначальному нулевому уровню.

Дрейф нулевого уровня может быть вызван температурными изменениями или временной нестабильностью, поэтому его разделяют на температурный и временной. Температурный дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения при изменении температуры на 1 К. В современных микровольтметрах температурный дрейф составляет 0,1. 0,001 мкВ/К

Временной дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения за определенный интервал времени, например за час, или за сутки. У наиболее точных приборов благодаря периодической коррекции нулевого уровня временной и температурный дрейфы значительно снижены и не превышают 0,01 мкВ.

Основными причинами, вызывающими дрейф нулевого уровня, являются термоэдс, возникающие при контакте разнородных материалов во входных цепях, временное старение элементов. Влияние изменений питающих напряжений и др. Для снижения дрейфа нулевого уровня используют температурную стабилизацию входных цепей прибора и напряжений питающих источников, а также периодическую коррекцию нулевого уровня. Так, например, в цифровом вольтметре B7-21 коррекция нулевого уровня прибора выполняется автоматически один раз после ста циклов измерений
Порог чувствительности. Наименьшее значение входного си
гнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора, называют его порогом чувствительности. Порог чувствительности зависит от шумов входной цепи прибора и дрейфа нулевого уровня.
Порог чувствительности магнитоэлектрического прибора определяется мощностью Pи , потребляемой прибором от объекта измерения. В установившемся режиме эта мощность лежит в пределах от 10 -7 до 10 -9 Вт и определяет минимальное измеряемое напряжение:

которое сопровождается заметным отклонением указателя.

Так, например, порог чувствительности магнитоэлектрического гальванометра М95 на пределе 0,5 мВ составляет 5 мкВ. Для защиты от внешних магнитных к электрических помех измерительный механизм помещен в экран, который соединен с зажимом Э. Для исключения влияния токов утечки на результате намерений экран подключают к одному из зажимов прибора.

Порог чувствительности электронных приборов зависят от шумов электронного усилителя. Применение малошумящих усилителей позволяет получить порог чувствительности около 10 -9 . 10 -10 В. Современные электронные микровольтметры и нановольтметры имеют порог чувствительное» 10 -9 . 10 -10 В.

1. Определение основной погрешности.
2. Определение чувствительности и цены деления приборов.
3. Определение дрейфа нулевого уровня.
4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида.
5. Определение ослабления помехи общего вида.
6. Определение частотной погрешности.

Порядок выполнения работы.

1. Определение основной погрешности. Основная погрешность определяется ля микровольтметра В2-11. Определение погрешности производится по схеме, изображенной на рис. 5. Для определение погрешности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого ручкой «Установка нуля» установить нулевое показание прибора В2-11 при включённом источнике напряжения ИРН-64.

Затем включить источник ИРН-64 и произвести поверку микровольтметра В2-11 на двух диапазонов – 100мВ и 100 мкВ. Цифровой вольтметр В7-21 используется в качестве образцового прибора. Результаты измерений заносятся в ф.1.

Источник