Měření kolem nás (21) Měření okrajových hodnot proudu a napětí – 1

Měření napětí a proudu se jeví jako celkem snadná záležitost. Stačí vzít správný přístroj, připojit a lze měřit. U velmi malých napětí a proudů to ale problém je. Na opačné straně spektra, u velkých proudů a vysokých napětí, je to nejen problém, ale i značně nákladná a nebezpečná záležitost.

V typickém obvodu zdroj generuje proud, který protéká obvodem. Pro měření proudu stačí obvod přerušit a do přerušení umístit ampérmetr. Ideální ampérmetr má nulový odpor, takže lze snadno změřit protékající proud. Ampérmetry však, stejně jako jakákoliv jiná zařízení, nejsou ideální a vnášejí do měření chyby a nejistotu měření. U malých proudů nad 1 mA (10^-3 A) jsou chyby stále ještě zanedbatelné.

Velmi stručně řečeno je pro měření velmi malých proudů využito principu zesílení proudu zesilovačem a principu mechanického převodu proudu na pohyb (cívky v magnetickém poli).

Napětí se měří elektrometry různých konstrukcí (zesilovač, vibrační kondenzátor).

Vliv měřicího prostředí

U malých proudů pod 1 mA lze hovořit o proudech v řádu fA (10^-15 A). V těchto případech již vůbec nejde o zanedbatelné vlivy. Jde o chyby způsobené odporem vodičů, vnitřní spotřebou přístroje (např. o snižování náboje ionizačním zářením nebo přenosem přes vzduch mezi součástkami v přístroji), vlivem proudových šumů způsobených triboelektrickými (třecími) efekty, kdy při ohybu kabelů a posunu izolace po vodičích vznikají velmi malé rozdíly v potenciálech a s nimi vznikají i vyrovnávací proudy, piezoelektrické efekty, kdy mechanickým působením vzniká na některých materiálech (obvykle keramických izolantech, ale i některých plastech) velmi malý, ale měřitelný náboj ovlivňující měření. Dále jsou to elektrochemické efekty, kdy např. na desce plošných spojů může vlivem nečistot docházet k přenosu proudu v řádu nA (10^-9 A). Nezanedbatelný je i vliv dielektrické absorpce, která vzniká v dielektrikách po odstranění napětí (např. vypnutí zdroje). Náboj v dielektriku – důsledek polarizace dielektrika, který vznikl v důsledku napětí ve vodiči – je zdrojem vyrovnávacích proudů, které tečou obvodem i po vypnutí. V některých případech trvá hodiny, než vyrovnávací proudy ustanou a je možné přistoupit k dalšímu měření. Souhrnně lze říci, že výše uvedené vlivy vytvářejí proudy mezi 10^-15 až 10^-8 A.

Dalším významným vlivem je konduktivní proud protékající mezi vodiči a jejich izolací. Při napětí 15 V a odporu izolantu 15 GΩ se jedná o nezanedbatelný proud 15 nA.

Pro odstranění zdrojů chyb existuje mnoho řešení. Některá jsou z oblasti organizačních a procesních opatření (např. dost času na vyrovnání důsledků dielektrické absorpce), některá leží v oblasti kvality a kontroly kvality propojovacích vodičů a jejich izolace a jiná ve způsobu zapojení měřicích obvodů.

U měření malých proudů jde tedy především o potlačení vlivů způsobených konstrukčními a fyzikálními vlastnostmi přístrojů a součástek měřicích obvodů.

Samotné proudy jsou měřeny pikoampérmetry jak analogovými (pohyblivá cívka v magnetickém poli) tak i digitálními, které si lze celkem snadno opatřit v běžné prodejní síti.

Ty nejmenší proudy měří elektrometr.

Elektrometr

Elektrometr principiálně měří elektrický náboj nebo rozdíl potenciálů. Nejjednodušší variantou elektrometru je elektroskop. V něm jsou ve vakuové baňce zavěšeny dva plátky zlata. Když je na ně přenesen elektrický náboj, plátky se od sebe odpudivou silou oddálí.

Současné elektrometry jsou v podstatě tří typů:

Elektronkový elektrometr

Elektronkový elektrometr využívá termionickou elektronku s vysokým ziskem a velkým vstupním odporem. Elektronka je navržena pro co nejmenší konduktivní proud, který dosahuje pouze jednotek fA. Na výstup z elektronky je připojen ampérmetr.

Polovodičový elektrometr

Nejmodernější elektrometry se skládají z polovodičového zesilovače používajícího jeden nebo více tranzistorů FET, připojení pro externí měřicí zařízení a obvykle také připojení k zobrazovacímu a záznamovému zařízení. Zesilovač zesiluje malé proudy tak, aby byly snáze měřitelné.

Vnější připojení se řeší koaxiálními nebo triaxiálními kabely, které umožňují připojení diod nebo ionizačních komor pro měření ionizujícího záření.

Připojení k záznamníku dat umožňuje uživateli zobrazit data nebo je zaznamenat pro pozdější analýzu. Elektrometry konstruované pro použití s ionizačními komorami mohou obsahovat i vysokonapěťový napájecí zdroj, který se používá k napájení ionizační komory.

Polovodičové elektrometry jsou často víceúčelová zařízení, která mohou měřit napětí, náboj, odpor a proud. Měří napětí pomocí vyrovnávání napětí, při kterém je vstupní napětí porovnáváno s interním zdrojem referenčního napětí pomocí elektronického obvodu s velmi vysokou vstupní impedancí (řádově 10¹⁴ Ω). Podobný obvod uprave - ný tak, aby fungoval jako převodník proudu na napětí, umožňuje přístroji měřit proudy v řádu jednotek fA. V kombinaci s interním zdrojem napětí lze režim měření proudu přizpůsobit pro měření velmi vysokých odporů řádově 10¹⁷ Ω. Také pomocí výpočtu ze známé kapacity vstupního terminálu elektrometru, může přístroj měřit velmi malé elektrické náboje až po malý zlomek pC.

Elektrometr s vibračním kondenzátorem

Elektrometry s vibračním kondenzátorem (vibrating reed capacitor – VRC) používají proměnný kondenzátor vytvořený mezi pohybující se elektrodou (ve formě vibrující desky) a pevnou vstupní elektrodou. Protože se vzdálenost mezi těmito dvěma elektrodami mění, mění se také kapacita a mění se i elektrický náboj, kdy je tlačen dovnitř a ven z kondenzátoru. Střídavý proud, vytvářený tokem tohoto náboje je zesílen a použit jako analog pro stejnosměrné napětí přivedené na kondenzátor.

ondenzátor. Vstupní stejnosměrný odpor elektrometru je určen pouze odporem kondenzátoru vůči svodům a je obvykle extrémně vysoký.

Pro pohodlí při použití je sestava VRC často připojena kabelem k elektrometru. To umožňuje umístění relativně malého přístroje poblíž měřeného náboje, zatímco mnohem větší jednotka VRC a zesilovač mohou být umístěny na místě, kde je to výhodné pro operátora.

Zajímavost

Ve snaze minimalizovat konduktivní proud a umožnit tak měřit velmi malé proudy menší než 1 pA, dva vědci v takřka domácích podmínkách vylepšili elektrometr VRC.

Díky elektrickému zapojení pružně uložená deska VRC kmitá a díky kmitům produkuje střídavý proud, závislý na vstupním napětí a změně kapacity VRC v čase. V konstrukci byly použity kondenzátory se vzduchovou mezerou umístěné ve vakuu a zapojení, kdy je na rozdíl od obvyklého použití vstupního rezistoru s velmi vysokým odporem na vstupu použit kondenzátor. Vý - sledkem je konduktivní proud přístroje menší než 8 aA a konduktivní odpor vyšší než 8.10¹⁷ Ω při 10 V. Nejistota měření dosahuje 15 ppm (10^-6). Odkaz na popis přístroje a výsledky měření je v zdrojích.

 

Zdroje:
[1] Wikipedia
[2] http://www.techni-tool.com/site/ARTICLE_ LIBRARY/Keithley-Low%20Current%20 Measurements.pdf
[3] https://www.researchgate.net/publication/3091691_Vibration_Reed_Electrometer_for_Accurate_Measurement_of_Electrical_Currents_Below_10_pA

 

(pokračování)