Мера электрического сопротивления

Магазин сопротивлений Р-33, к.т. 0,2/6×10⁶, 6 декад, от 0,1 до 99999,9 Ом.

Мера электрического сопротивления — образцовые резисторы, специально сконструированные и изготовленные для использования в качестве мер электрического сопротивления. Основные разновидности — катушки сопротивления и магазины сопротивлений.

Определение

Мерами электрического сопротивления называют образцовые резисторы, если они для этой цели сконструированы, изготовлены и прошли государственную поверку. Подразделяются на 2 группы:

• меры электрического сопротивления однозначные (ОМЭС) — катушки сопротивления;
• меры электрического сопротивления многозначные (ММЭС) — магазины сопротивлений.

Диапазон значений сопротивления, воспроизводимых с помощью:

• катушки сопротивления — от 10⁻⁴ до 10¹² Ом
• магазины сопротивлений — для одной ступени декады от 10⁻⁴ до 10¹² Ом

История

Однозначная мера сопротивления с номиналом 1 Ом

История мер сопротивления в XIX столетии тесно связана с развитием единиц измерения сопротивления В 1843 Чарльз Уитстон предложил устройство для измерения сопротивления — измерительный мост, известный также как мост Уитстона. Для быстрого и удобного уравновешивания моста Уитстон сконструировал 3 типа реостатов, один из которых по конструкции напоминал магазины сопротивлений, который в 1860 улучшил и широко распространил Вернер фон Сименс. По некоторым источникам, Уитстон не использовал переменные резисторы для уравновешивания моста, а первый мост с регулируемым плечом был сконструирован Вернером Сименсом в 1847 году

В 1848 году Борис Якоби предложил собственную единицу измерения сопротивления и изготовил эталоны из медной проволоки однородного сечения длиной 25 футов (7,61975 м) и весом 345 гран (22,4932 г). Эталоны представляли собой катушки с проволокой, залитые изолирующим составом и помещённые в деревянные ящики. Копии своего эталона Якоби послал И. Х. Поггендорфу, который изготовил ряд копий эталона Якоби и разослал их наиболее выдающимся физикам Европы.

В 1857 году Якоби демонстрировал устройство, содержащее 3 группы по 11 одинаковых катушек серебряной проволоки толщиной 0,07 дюйма в общем деревянном корпусе. Катушки первой группы несли 4 дюйма проволоки, второй — 40 а третьей — 400.

До начала 1900-х годов для изготовления катушек мер сопротивлений применялся преимущественно нейзильбер благодаря своему высокому удельному сопротивлению. Стабильность сопротивления во времени и ТКС оставляли желать лучшего и с появлением альтернатив от использования сплава отказались. В последнем десятилетии XIX века наряду с нейзильбером широко применялся платиноид — сходный по составу сплав, дополненный вольфрамом (Cu — 60 %, Ni — 14 %, Zn — 24 %, W 1 — 2 %), более стабильный и с меньшим ТКС. С середины 1890-х годов для изготовления катушек начинают применять константан и манганин. Последний удовлетворял большинству требований к материалам для изготовления образцовых сопротивлений: высокое удельное сопротивление, низкий ТКС, малая термоЭДС в паре с медью. Чувствительность к влажности воздуха и атмосферным коррозионным агентам компенсировалась изоляцией проволоки шеллаком.

Устройство и классификация

Магазин сопротивлений со штепсельной системой коммутации

Меры сопротивления изготавливаются обычно из манганина, поскольку он:

• имеет большое удельное электрическое сопротивление — 0,43-0,48·10⁻⁶ Ом·м;
• очень малый температурный коэффициент — порядка 1·10⁻⁵ К⁻¹;
• малую термоЭДС в паре с медью.

При этом в зависимости от сопротивления обычно используют:

• от 10⁻⁴ до 10⁻² Ом — листовой манганин для сопротивлений;
• от 10⁻² до 10² Ом — манганиновую проволоку, намотанная бифилярно;
• от 10³ до 10⁵ Ом — манганиновую проволоку, намотанную по Шаперону;
• свыше 10⁷ Ом — манганиновый микропровод в стеклянной изоляции.

Высокостабильные меры могут быть изготовлены также из нихрома.

Однозначные меры

На металлический или фарфоровый каркас наматывается обмотка из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. Меры с номинальным сопротивлением 10⁵ Ом и более имеют электростатический экран, роль которого, как правило, выполняет корпус устройства. В некоторых конструкциях корпус заполняется трансформаторным маслом, керосином или силиконовыми маслами, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи обмотки. Ранние меры, применявшиеся для измерения больших токов (до 1000 А), могли иметь устройства для перемешивания заполняющей жидкости и змеевик для принудительной циркуляции охлаждающей воды. Для контроля температуры катушки предусматривается гнездо для установки термометра. Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными. Потенциальные зажимы предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Образцовые резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне — до 4 Вт.

Многозначные меры

Магазин сопротивлений Р40102 к.т. 0,02, 4 декады, от 10⁴ до 10⁷ Ом

Магазин сопротивлений МСР-47 в Музее энергетики Урала, 5 декад, 0,1—10 000 Ом

Классификация

По числу декад:

• однодекадные;
• многодекадные.

По конструкции коммутирующей системы:

• штепсельные — меры соединяются с помощью конических латунных стержней (штепселей) которые вставляют в гнёзда металлических пластин, соединённых с мерами. Контактное сопротивление при хорошем состоянии поверхности и достаточном нажатии равно примерно 1х10⁻⁴ Ом; при загрязнении поверхности и слабом нажатии сопротивление контакта может увеличиться в сотни раз, вследствие этого могут возникнуть значительные погрешности. Старейший тип коммутационной системы.
• вилочные — меры соединяются с помощью двухштырьковой вилки, вставляемой в гнёзда наборной доски;
• рычажные — меры соединяются с помощью многопластинчатых щёток из фосфористой бронзы, скользящих по латунным контактам. Благодаря тому, что ширина щёток превышает зазор между контактами, это единственный тип коммутирующей системы, обеспечивающий переключение без разрыва цепи.
• электронные — коммутация осуществляется с помощью низкотемпературных прецизионных реле, управляемых микроконтроллером. Такой магазин требует для своей работы источник электропитания (от сети или аккумуляторная батарея).

В СССР в Российской Федерации к концу XX века штепсельные и вилочные магазины были совершенно вытеснены рычажными, но такие устройства присутствуют в ассортименте зарубежных производителей.

Применение

В настоящее время меры сопротивлений применяются для:

• поверки и калибровки омметров и мегомметров;
• поверки и калибровки вторичных приборов, предназначенных для работы с термометрами сопротивления.

Основные нормируемые характеристики

В соответствии с действующим в настоящее время на территории России ГОСТ 23737-79 «Меры электрического сопротивления. Общие технические условия» нормируются следующие характеристики:

1. для всех видов мер сопротивления
   1. допускаемое отклонение действительного значения сопротивления от номинального (класс точности);
   2. допускаемое изменение сопротивления в процентах за год (нестабильность);
   3. предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха (среды) (в диапазоне между верхней точкой диапазона нормальных условий применения и точкой в пределах диапазона рабочих условий применения соответствующей максимальному сопротивлению);
   4. предельное значение мощности рассеивания и допустимое время её воздействия (необратимые изменения сопротивления после такого воздействия не должны превышать установленного предела, выраженного в долях от основной погрешности)
   5. предел допускаемой дополнительной погрешности при изменении мощности рассеивания (в пределах от номинальной до любого значения не превышающего максимальную мощность);
   6. значение термоконтактной ЭДС для многозначных мер с сопротивлением ступени старшей декады 10⁴ Ом и менее и однозначных мер номинальным сопротивлением менее 10⁴ Ом;
2. для мер сопротивления предназначенных для использования на переменном токе
   1. предельные значения постоянной времени
   2. верхний предел частотного диапазона в кГц
   3. начальная индуктивность и индуктивность при включении сопротивления не более 1 Ома (включая начальную индуктивность) для многозначных мер с сопротивлением декады 100 Ом и менее.
   4. предел допускаемой дополнительной погрешности вызванной изменением частоты (от нуля до верхнего предела частотного диапазона)
3. только для рычажных ММЭС с сопротивлением старшей декады 10⁴ Ом и менее
   1. среднее значение начального сопротивления (то есть сопротивление при установке всех декадных переключателей на нулевые показания);
   2. вариация начального сопротивления, вызванная изменением переходных сопротивлений контактов переключающих устройств

Эталон сопротивления

Для быстрого и надёжного включения в цепь однозначных образцовых сопротивлений выводы последних делали из толстых медных брусков, концы которых загибались вниз (как показано на рисунке) и помещались в чашечки с ртутью. В эти же чашки опускались концы проводников, к которым требовалось присоединить образцовую катушку. Впоследствии от этого способа отказались по причине высокой токсичности ртути.

Литература

• Магазин сопротивлений // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Войнаровский П. Д.,. Электрические измерительные аппараты // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Магазин измерительный // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). Под ред. Шрамкова Е. Г. Учебное пособие для ВТУЗов — М.:Высшая школа, 1972—520, С
• Бирюков С. В., Чередов А. И. Метрология: Тексты лекций. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000, — 110 с

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 23737-79 «Меры электрического сопротивления. Общие технические условия»
• ГОСТ 8.237-2003 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры электрического сопротивления однозначные. Методика поверки»
• МИ 1695-87 «Меры электрического сопротивления многозначные, применяемые в цепях постоянного тока. Методика поверки.»

Ссылки

• T.D. Lockwood Electrical Measurement and the Galvanometer: Its Construction and Uses. second edition — New York, 1890 — P.50-64 (англ.). Internet Archive: digital library of free Books, Movies, Music & Wayback Machine. Дата обращения: 3 мая 2013.
• Bob Mills. The RESISTANCE BOX (англ.). Australasian Telephone Collectors Society Inc. (1996). Дата обращения: 12 января 2014.
• Магазин электрического сопротивления Р4831  (рус.).