Сопротивление прибор: Прибор для измерения электрического сопротивления

Прибор для измерения электрического сопротивления

Чтобы проверить рабочее состояние электрокабеля, необходимо определить сопротивление изоляционного материала. Есть разные способы измерить сопротивление с учетом их абсолютной величины, точности. В этих целях используют спецустройства для замеров. Для определения исправности либо неисправности цепей и некоторых фрагментов, нужно знать, как использовать прибор для измерения сопротивления.

Зачем измерять сопротивление

Изоляция является защитой провода от прохождения электротока сквозь него. Во время работы электрических установок их конструкция подвергнется влиянию внешних факторов, старению и изнашиванию в процессе нагревания. Это отрицательно отразится на функциональности оборудования, потому необходимо периодически измерять сопротивления изоляции провода.

Прибор для измерения сопротивления

Чтобы измерить сопротивление, требуется иметь спецразрешение. Электропровод испытывают лишь спецкомпании и организации, имеющие квалифицированных специалистов.

Они проходят обучение и получают необходимый разряд по электрической безопасности.

Важно! Проведение замеров требуется, чтобы своевременно обнаруживать повреждения в технике. Изоляция имеет важное значение в безопасности работ с оборудованием. Когда провод имеет повреждения, то установка будет опасна во время работы, так как появляется риск возгорания.

Когда вовремя проверить провод на исправность изоляции, это предупредит такие проблемы:

• преждевременную поломку техники;
• короткое замыкание;
• удар током;
• различные аварии.

Измерение сопротивления

Потому крайне важно измерять показатели сопротивления изоляционного материала провода.

Какие есть приборы для измерения электрического сопротивления

Часто возникает вопрос, как называются приборы для измерения сопротивления. Чтобы измерить электрическое сопротивление, используются следующие приборы:

• Омметр. Это прибор спецназначения, который предназначен, чтобы определить сопротивление электротока.
• Мегаомметр. Измерительное устройство, которое предназначено, чтобы измерять большие показатели сопротивления. Отличием от омметра станет то, что при замерах в цепь будет подаваться высокое напряжение.
• Мультиметр. Электроприбор, который способен измерить разные показатели электроцепи, включая сопротивление. Есть 2 разновидности: цифровой и аналоговый.

Омметр

Ремонт проводки, электро- и радиотехнических изделий предполагает проверку целостности кабелей и поиск нарушения контактов в соединениях. В некоторых ситуациях сопротивление равняется бесконечности, в других — 0.

Важно! Измерять сопротивление в цепи с помощью омметра, чтобы избежать поломки, допустимо лишь при обесточивании проводов.

Измерение сопротивления омметром

До замеров сопротивления омметром требуется приготовить измеритель. Требуется:

• Зафиксировать переключатель изделия в позицию, которая соответствует наименьшему замеру величины сопротивления.
• Затем проверяется функциональность омметра, поскольку бывают плохие элементы питания и устройство способно не функционировать. Соединяются окончания щупов друг с другом. В омметре стрелка устанавливается точно на 0, когда это не произошло, возможно покрутить рукоятку «Уст. 0». Если изменений нет, заменяются батарейки.
• Чтобы прозвонить электроцепь, возможно использовать прибор, где сели батарейки и стрелка не ставится на 0. Сделать вывод о целостности электроцепи возможно по отклонению стрелки. Омметр должен показывать 0, вероятно отклонение в десятых омов.
• После проверки изделие готово к функционированию. Когда коснуться окончаниями щупов проводника, то в ситуации с его целостностью, устройство показывает нулевое сопротивление, иначе показания не поменяются.

Использование омметра

Мегаомметр

Чтобы измерить электросопротивление в диапазоне мегаомов, применяется устройство мегаомметр. Принцип функционирования устройства основывается на использовании закона Ома.

Для реализации такого закона в изделии, понадобятся:

• генератор постоянного тока;
• головка для измерений:
• клеммы, чтобы подключить измеряемое сопротивление;
• резисторы для работы измерительной головки в рабочем диапазоне;
• переключатель, который коммутирует резисторы.

Важно! Реализация мегаомметра нуждается в минимальном количестве элементов. Подобные изделия исправно функционируют длительное время. Напряжение в аппаратах будет выдавать генератор постоянного тока, величины которого разнятся.

Измерение сопротивления мегаомметром

Работы на электрооборудовании с таким устройством несут повышенную опасность в результате того, что устройство будет вырабатывать высокое напряжение, возникает риск травматизма. Работы с мегаомметром производит персонал, который изучил руководство по использованию устройства, правила техники безопасности во время работ в электрооборудовании. Специалист должен иметь группу допуска и время от времени проходить проверку на знание правил работы в установке.

Мультиметр

Мультиметры бывают универсальными и специализированными, предназначенными в целях выполнения одного действия, однако проводимого по максимуму точно. В устройстве омметр считается лишь элементом прибора, его нужно включить в необходимый режим. Мультиметры нуждаются в определенных навыках применения — необходимо знать об их правильном подключении и интерпретировании готовых сведений.

На вид цифровое и аналоговое устройства легко различить: в цифровом информация выводится на монитор цифрами, в аналоговом циферблат проградуирован и на показатели указывает стрелка. Цифровой мультиметр более прост в применении, поскольку тут же покажет готовые данные, а показания аналогового нужно расшифровывать.

Во время работы с подобными приспособлениями, нужно учесть, что в цифровом мультиметре присутствует индикатор разрядки источника питания — когда силы тока аккумулятора не хватает, он перестанет функционировать. Аналоговый в подобном случае ничего не показывает, а просто выдает ошибочные сведения.

Важно! Для бытового использования подходит любое устройство, на шкале которого указывается достаточный предел измерения сопротивления.

Измерение мультиметром

В каких единицах измеряется сопротивление

Электросопротивление — противодействие, оказываемое проводником проходящему сквозь него электротоку. Главной единицей измерения в системе СИ станет ом, в системе СГС спецпоказатель отсутствует. Сопротивление (зачастую обозначено буквой R) считается, в некоторых пределах, постоянным показателем для конкретного проводника.

• R — сопротивление;
• U — разница электропотенциалов на окончаниях проводника в вольтах;
• I — ток, который протекает меж концов проводника под воздействием разницы потенциалов, замеряется в амперах.

Измерение сопротивления

Как правильно использовать приборы для измерения сопротивления

Относительно технологии замеров, применять приборы требуется по указанной методике:

1. Выводят людей из проверяемого места электрической установки. Говорится об опасности, вывешиваются спецплакаты.
2. Снимается напряжение, обесточивается в полной мере щит, кабель, принимаются меры от случайной подачи напряжения.
3. Проверяется отсутствие напряжения. Заранее заземляются выводы испытываемого объекта, устанавливаются щупы для измерений, снимается заземление. Такую процедуру проводят во время каждого нового замера, так как смежные элементы накапливают заряд, вносят отклонения в показания и несут риск для жизни.
4. Монтаж и снятие щупов производят за изолированные ручки в перчатках. Делается акцент на том, что изоляция провода до проверки сопротивления очищается от загрязнения.
5. Проверяется изоляция провода между фазами. Данные заносят в протокол измерений.
6. Отключаются автоматы, УЗО, лампы и светильники, отсоединяются нулевые кабели от клеммы.
7. Производится замер всех линий по отдельности между фазами. Данные также вносятся в протокол.
8. При выявлении изъянов разбирается измеряемая часть на элементы, находится дефект и устраняется.

По завершении испытания с помощью переносного заземления снимается остаточный заряд с помощью короткого замыкания, разряжаются щупы.

Использование приборов

Меры безопасности при измерении

Даже когда возникла необходимость в бытовых условиях провести измерения сопротивления изоляции провода, перед использованием мегаомметра нужно ознакомиться с требованиями по безопасности. Главные правила:

• Удерживать щупы лишь за изолированный и ограниченный упорами участок.
• До подсоединения изделия отключается напряжение, нужно удостовериться, что рядом нет людей (вдоль всего измеряемого участка, когда речь о проводах).
• До подсоединения щупов снимается остаточное напряжение посредством подключения переносного заземления. Отключается тогда, когда щупы установлены.
• После каждого замера снимается со щупов остаточное напряжение, соединяются оголенные участки.
• По завершении замеров к жиле подключается переносное заземление, снимается остаточный заряд.
• Работы проводятся в перчатках.

Правила несложные, однако от них будет зависеть безопасность работника.

Требования к безопасности

Чтобы оценить функциональность электропровода, проводки, требуется замерять сопротивление изоляционного материала. В этих целях используются специальный измерительные приборы. Они будут подавать в измеряемую электроцепь напряжение, после чего на мониторе будут выданы данные.

Resipod – прибор для измерения удельного электрического сопротивления бетона

Прибор Resipod швейцарской компании Proceq – это полностью интегрированный 4-точечный датчик Веннера, предназначенный для измерения удельного электрического сопротивления бетона или камня. Измерение удельного сопротивления поверхности дает очень важную информацию о состоянии бетонной конструкции.

Доказано, что удельное сопротивление напрямую связано с вероятностью коррозии и ее скоростью, кроме того последние исследования показали прямую корреляцию между удельным сопротивлением и скоростью карбонизации, а также определением прочности свежих бетонов на сжатие.

Принцип работы. В процессе работы на два внешних датчика подается ток и измеряется разность потенциалов между двумя внутренними датчиками. Удельное сопротивление бетона определяется сопротивлением жидкости в порах, структурой пор и степенью насыщения. Расчетное удельное сопротивление зависит от расстояния между датчиками. На сегодняшний день, Resipod это один из самых точных и быстрых приборов на российском рынке. Прибор имеет прочный, водонепроницаемый корпус, для работы в сложных погодных условиях, все это делает Resipod одним из наиболее универсальных приборов неразрушающего контроля бетонных конструкций. Ниже перечислены основные области применения датчика электрического сопротивления бетона Resipod.

Области применения

• Определение вероятности коррозии
• Индикатор скорости коррозии
• Корреляция с проницаемостью для хлорида (карборнизация)
• Определение участков конструкции, наиболее подверженных карбонизации
• Оценка эффективности отверждения на месте
• Определение зональных требований к системам катодной защиты
• Выявление влажных и сухих участков в бетонной конструкции
• Выявление отклонений соотношения воды и цемента в бетонной конструкции
• Корреляция с ранней прочностью на сжатие
• Корреляция с водопроницаемостью камня

Характеристика	Значение
Разрешение (номинальный ток 200 мкА)	±0,2 кОм*см или ±1% (большее значение)
Разрешение (номинальный ток 50 мкА)	±0,3 кОм*см или ±2% (большее значение)
Разрешение (номинальный ток меньше50 мкА)	±2 кОм*см или ±5% (большее значение)
Частота	40 Гц
Диапазон измерения	от 0 до ок. 1000 кОм*см
Возможность изменения шага датчика	есть
Индикатор электрического тока и индикатор плохого контакта	есть
Возможность замены стандартных наконечников дополнительными	есть
Память	Энергонезависимая, ок. 500 измеренных значений
Электропитание	Более 50 часов автономной работы
Подключение зарядного устройства	USB, тип B (5 В, 100 мА)
Размеры	197 x 53 x 69,7 мм
Вес	318 г
Рабочая температура	от 0° до 50°C (от 32° до 122°F)
Температура хранения	-от -10° до 70°C (от 14° до 158°F)
Степень защиты IP	IPX7
Стандарты	AASHTO
Гарантия	2 года (с возможностью продления до 3х лет)

Электронный блок прибора Resipod поставляется в двух модификациях, с шагом датчиков 50мм и 38мм. Шаг датчика 50мм обеспечивает более устойчивые показания при измерении на таком неоднородном материале, как бетон. Тем не менее, если шаг слишком большой, больше и опасность влияния на измерение арматурной стали. Модель с шагом датчиков 38 мм создана специально, чтобы соответствовать стандарту AASHTO TP 95-11 “Индикация устойчивости бетона к проникновению ионов хлорида посредством измерения удельного сопротивления поверхности”. Тест на удельное сопротивление поверхности (SR) – гораздо более быстрое и простое испытание для определения проницаемости бетона. Это проверенный метод, который может заменить более трудоемкое испытание на проницаемость для хлорида.

По дополнительному заказу, возможна поставка прибора в специальных комплектациях Resipod Geometric (с датчиком с изменяемым шагом) и Комплект Resipod Bulk Resistivity с расширенным функционалом для контроля бетонных цилиндров.

Применение	Resipod	Resipod Geometric	Resipod Bulk Resistivity
Фото прибора
Измерение удельного сопротивления поверхности на стандартных цилиндрах (4″ x 8″, 100 x 200 мм) или (6″ x 12″, 150 x 300 мм) с максимальным размером заполнителя (1,5″, 38 мм). Датчик с фиксированным шагом (1,5″, 38 мм)	•	•	•
Измерение объемного удельного электрического сопротивления на цилиндрах диаметром до 100 мм (4″)			•
Испытание удельного сопротивления поверхности на нестандартных цилиндрах с размером заполнителя > 1,5″, 38 мм		•
Коэффициент коррекции для шага датчика	•	•	•
Коэффициент коррекции для геометрии образца		•
Задаваемый пользователем коэффициент коррекции		•
Датчик с изменяемым шагом		•
Схема удельного сопротивления поверхности на объекте для определения вероятности коррозии, скорости коррозии и внедрения систем катодной защиты	•	•

Комплект Resipod Geometric (УЭСП). Resipod Geometric поставляется с датчиком с изменяемым шагом, который корректируется под заполнители большего размера. Он также позволяет пользователю при помощи программного обеспечения ResipodLink вводить коэффициенты геометрической коррекции для корректных показаний проходимости непосредственно на самом приборе.

Комплект Resipod Bulk Resistivity (ОУЭС) имеет все необходимое для проведения испытания на стандартных цилиндрах диаметром 4″, 100 мм. Метод измерения объемного удельного электрического сопротивления это альтернативный метод, при котором сопротивление образца измеряется между электрическими планками на его краях. Геометрический коэффициент очень прост в использовании, а процесс испытания достаточно быстр и по преимуществам схож с испытанием удельного сопротивления поверхности.

Программное обеспечение ResipodLink для Windows, разработанное компанией Proceq, позволяет пользователю просматривать и манипулировать данными на подключенном ПК. Оно позволяет также установить изменяемый шаг электродов.

Комплект поставки

• Прибор Resipod, шаг датчика 50 мм (или 38 мм),
• контрольная полоска,
• контактные площадки из пенопласта,
• зарядное устройство с кабелем USB,
• программное обеспечение, подвесной ремень,
• документация и сумка

Дополнительные принадлежности

• Набор удлинителей кабеля
• Набор сменных контактных площадок из пенопласта (20 штук)
• Контрольная полоска
• Крышка порта USB
• Подвесной ремень
• 341 80 112 Зарядное устройство USB, стандартное

Дополнительная информация

Вебинар с описанием возможностей прибора

 

Цена прибора Resipod указана в прайс-листе. Цена указана с учетом НДС. Смотрите так же раздел Приборы для контроля бетона

прибор для измерения сопротивления изоляции

Мегаоомметр – прибор для измерения сопротивления изоляции. Его устройство основано на схеме логарифмического измерителя отношений. Основные узлы мегаомметра – электронный измеритель, электромеханический генератор, преобразователь. Генератор постоянного тока в мегаомметре представляет собой гальванические элементы или аккумуляторные батареи, в ранних моделях, которые по возрасту начитывают уже более полувека, ток подавался через динамо-машину, в которой, для того, чтобы она заработала, надо было покрутить ручку. Тем не менее, как прибор для проверки и измерения сопротивления изоляции, мегаомметр М1101М, например, вполне годится: как и полвека назад, он показывает высокую точность измерений.

Мегаомметр работает так: измерительное напряжение поступает через входящий резистор R11 одновременно на резисторы R16, R33, R32 и измеряемый резистор (см. схему). Ток измерителя рассчитывается по формуле:

где К – коэффициент пропорциональности, Rх – измеряемое сопротивление, R16, R17, R18, R32, R33 – сопротивления. Из приведенной выше зависимости следует, что ток измерителя пропорционален логарифму отношения сопротивлений и не зависит от измерительного напряжения.  

Обычно мегаомметр, являясь прибором для измерения сопротивления изоляции, имеет токонепроводящий корпус – пластмассовый, или обрезиненный, как, например, в Е6-32. Это создает дополнительное удобство есть защита от поражения электрическим током.

Сопротивление изоляции: как и для чего измерять

Итак, мегаомметр – средство измерений, которое проводит замеры с использованием повышенного выпряиленного напряжения, исключает необходимость подключения к сети, а также имеет несколько фиксированных значений выходного напряжения на зажимах, что дает возможность проводить измерения по разным нормативным требованиям. Мегаомметр применяется как прибор для измерения сопротивления изоляции в различных областях, например в производстве: как правило, требуются замеры обмоток электрических машин и трансформаторов, сопротивления изоляции проводов и кабелей, разъемов, поверхностных и объёмных сопротивлений изоляционных материалов.

Мегаомметр как прибор для измерения сопротивления изоляции довольно редко имеется в организациях, непрофильных электроизмерениям, несмотря на его доступность и широкую распространенность: низкие напряжения измеряются омметром, и еще один прибор, как правило, не приобретают – тем более, что для измерений требуется не только мегаомметр, но и допуск соответствующего уровня. Почему такое важное значение придается изоляции, измерению ее сопротивления, испытаниям?

В силовых кабелях и проводах изоляция разделяет токоведущие жилы, в ячейках распредустройств – отделяет токоведущие установки от заземления, создает систему безопасности при работе с электроустановками и силовыми линиями. Если значение сопротивления изоляции ниже нормируемого, то возможно наступление сразу нескольких последствий: это пожарная опасность – от задымления ядовитыми веществами от горящей изоляции до постоянных утечек тока. И первое, и последнее создает серьезную угрозу жизни и безопасности обслуживающего персонала электрооборудования. При этом измерение сопротивления изоляции, особенно в организациях, занимающихся обслуживанием потребителей (обывателей, покупателей, клиентов), которые, в отличие от персонала, могут не иметь даже минимальной грамотности в сфере электробезопасности – единственная возможность избежать несчастных случаев.

Повреждения изоляции могут возникать по разным причинам. Это заломы и повреждения при транспортировке, перетирание из-за неправильной установки, деградация изоляции вследствие времени, агрессивной среды, температурных воздействий, перепадов напряжения, по каким-либо иным причинам. С помощью мегаомметра – прибора для измерения сопротивления изоляции – при проведении измерений сопротивления изоляции силами специалистов электролаборатории – можно выявить место утечки и впоследствии ликвидировать нарушения в кратчайшие сроки. Нельзя также исключать человеческий фактор – ошибочные действия персонала также могут повредить изоляцию, причем повреждения могут быть системными, поэтому измерение сопротивления изоляции требуется проводить согласно графику измерительных работ и испытаний, утвержденных в нормативных документах: ПУЭ, ПТЭЭП ОиНИЭ, ГОСТ. Измерение для различных видов электрооборудования проводят при значениях постоянного (выпрямленного)  напряжения U=250,500,1000,2500,5000В. Значения измеряемого напряжения указываются в методиках, пособиях, руководствах на оборудование.

Специфика измерения сопротивления изоляции

Первым этапом проверки изоляции электропроводки является визуальный осмотр, во время которого можно выявить серьезные нарушения: оплавление изоляции, разрывы, заломы, отсутствие частей изолирующего покрытия, трещины, съеживание или провисание. Точно так же перед тем, как использовать прибор для измерения сопротивления изоляции, необходимо проинспектировать места стыка кабелей, присоединение их к шинам, контакты распределительной коробки, клеммы и пр. Несмотря на то, что, в отличие от показаний мегаомметра при измерениях, визуальный осмотр не дает точных численных значений , его результаты также заносятся в протокол и подшиваются к акту.

Затем производится полное отключение оборудования: силовых трансформаторов, кабельных линий , в электроустановках до 1000В остаточное напряжение снимается, выкручиваются лампы накаливания, выключатели переводятся в режим включения. Это делается для того, чтобы при измерении сопротивления изоляции контуры были замкнуты, но при этом не произошло перегорание «слабых звеньев», не рассчитанных на перепады напряжения.

При использовании мегаомметра – прибора для проверки и измерения сопротивления изоляции – проводятся следующие работы:

1. измерение сопротивления между токоведущими частями электроустановок и заземляющими элементами;
2. измерение сопротивления между обмотками первичного и вторичного напряжения в силовых и измерительных трансформаторах;
3. измерение сопротивления изоляции между нейтралью и землей, между фазными проводниками и землей, между фазой и нулем, между фазными проводниками.

В любом случае, проверка должна выявить либо полное соответствие ПУЭ и ПТЭЭП, либо некоторое несоответствие, которое измеряется дополнительно – если это необходимо – фиксируется и заносится в акт проверки. Проверочное напряжение мегаомметра может быть разным, поэтому измерения классифицируются еще и для разного типа оборудования:

1. напряжение 1 кВ используется при проверке проводов, кабелей  до 1000В в соответствии с требованиями НД.  
2. напряжение 2,5 кВ используется для магистральных кабельных линий до 1000В и оборудования выше 1000В.

Отметим, что сотрудникам электротехнической лаборатории, проводящим проверку, необходимо иметь достаточный уровень квалификации: для работ с мегаомметром производителю работ IV группу по электробезопасности, членам бригады –  III  группу по электробезопасности, при этом в бригаде должно быть не менее двух человек.

Правила эксплуатации мегаоомметра

Правила эксплуатации мегаомметра – прибора для проверки и измерения сопротивления изоляции описаны в Руководстве по эксплуатации средства измерений.

«5.4.1. Измерения мегаомметром в процессе эксплуатации разрешается выполнять обученным работникам из числа электротехнического персонала. В электроустановках напряжением выше 1000 В измерения производятся по наряду, в электроустановках напряжением до 1000 В – по распоряжению. В тех случаях, когда измерения мегаомметром входят в содержание работ, оговаривать эти измерения в наряде или распоряжении не требуется.

5.4.2. Измерение сопротивления изоляции мегаомметром должно осуществляться на отключенных токоведущих частях, с которых снят заряд путем предварительного их заземления. Заземление с токоведущих частей следует снимать только после подключения мегаомметра.

5.4.3. При измерении мегаомметром сопротивления изоляции токоведущих частей соединительные провода следует присоединять к ним с помощью изолирующих держателей (штанг). В электроустановках напряжением выше 1000 В, кроме того, следует пользоваться диэлектрическими перчатками.

5.4.4. При работе с мегаомметром прикасаться к токоведущим частям, к которым он присоединен, не разрешается. После окончания работы следует снять с токоведущих частей остаточный заряд путем их кратковременного заземления».

При работе с мегаомметром нашими специалистами, все правила по предварительной подготовке измерений, безопасности труда, проведению измерений и фиксации их результатов соблюдаются неукоснительно, что обеспечивает высокое качество выполнения исследований. Сотрудники электролаборатории имеют необходимые допуски, а организация –разрешительные документы на виды деятельности. Работы проводятся на территории Северо-Западного Федерального Округа.  

Если проверка сопротивления изоляции выявила несоответствие показаний требованиям нормативных документов (например ПТЭЭП или  ПУЭ), то данное испытуемое оборудование бракуют, о чем делают запись в протоколе и ведомости дефектов.

Измерение сопротивления изоляции кабелей, имеющих фазные жилы, сечение которых – 16мм2 или меньше, выполняется при помощи мегаомметра (проверочное напряжение – 1000В).

Измерение сопротивления изоляции кабелей и проводов, фазные жилы которых имеют сечение больше 16мм2, осуществляется мегаомметром (проверочное напряжение – 2500В).

Удовлетворительным принято считать сопротивление изоляции линий напряжением до 1000В при значении между любыми её проводами не больше 0,5МОм.

Для силовых кабельных линий значение  сопротивления не нормируется.

Для оборудования электроустановок до и выше 1000В нормируемые значения сопротивления изоляции используют из НД : ПУЭ , 7-е изд., гл.1.8., ПТЭЭП, ОиНИЭ, паспорта заводов –производителей оборуования.

Работы выполняются специалистами имеющими III гр. по ЭБ для членов бригады и IV гр. по ЭБ до и выше 1000В для производителя работ.

Методы измерения активных сопротивлений

В современных телекоммуникационных системах значения изме­ряемых активных (активное – значит потребляющее мощность) со­противлений лежат в пределах от 10-8 до 10-10
Ом. Измеряют активное сопротивление как на постоянном, так и на переменном токе. Среди распространенных методов измерения активных сопротивлений на постоянном токе отметим: основанные на использовании амперметра-­вольтметра, логометрические, мостовые.

14.2.1. Измерение сопротивлевий методом амперметра-вольтметра

Измерение методом амперметра-вольтметра (точнее, методом амперметра или вольтметра) сводится к определению тока или на­пряжения в цепи с измеряемым двухполюсником и последующему расчету его параметров по закону Ома. Метод используют для изме­рения активного и полного сопротивления, индуктивности и емкости.

На рис. 14.1 показана схемная реализация этих методов при из­мерениях активного сопротивления. Измерение активных сопротив­лений проводят на постоянном токе, при этом включать резистор Rx в измерительную цепь можно по двум схемам.

В схеме с амперметром (рис. 14.1, а) отклонение показаний мил­лиамперметра мА
пропорционально току

                                                                                   (14.1)

и обратно пропорционально измеряемому сопротивлению Rx. По такой схеме удается измерять достаточно большие сопротивления (от 1 Ом до 200 МОм). Перед измерениями зажимы х замыкают Кл (тем самым закорачивают, т. е. шунтируют резистор Rx
) и переменным резистором Rдo6 устанавливают такой ток, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, что соответствует точке 0 Ом.

         

   а                                          б

Рисунок 14.1. Измерение активных сопротивлений методом:

а – амперметра ;б – вольтметра

Для измерения небольших сопротивлений (0,01. ..100 Ом) исполь­зуют схему с вольтметром (рис. 14.1, б), показания которого равны

                                                                        (14.2)

если Rдo6
>> Rx и U ≈ ERx /Rдo6, т. е. имеет место прямая зависимость вольтметра от измеряемого сопротивления Rx. Перед измерением стрелку на приборе совмещают с отметкой «¥» при разомкнутых за­жимах х (тем самым отключают резистор Rx).

Обе схемы измерения активных сопротивлений вызывают появле­ние методических погрешностей ΔRx, зависящих от внутренних сопро­тивлений схем. Для схемы, показанной на рис. 14.1, а, методическая погрешность тем меньше, чем ниже внутреннее сопротивление ампер­метра (при RА → 0, ΔRx → 0), а в схеме, показанной на рис. 14.1, б, погрешность тем меньше, чем выше внутреннее сопротивление вольт­метра (при RV → ¥ , ΔRx → 0). Итак, схемой, показанной на рис. 14.1, а, следует пользоваться для измерения больших сопротивлений, а схемой, показанной на рис. 14.1, б, – малых сопротивлений.

Погрешности измерения параметров элементов цепей методом вольтметра-амперметра на низких частотах составляют 0,5… 10% и определяются погрешностью используемых приборов и наличием па­разитных параметров. Погрешности увеличиваются с ростом частоты.

14.2.2. Измерение активного сопротивления логометром

     

Уменьшить влияние источника питания Е на точность измерения сопротивлений можно с помощью логометра. Логометром называют измерительный механизм, показывающий отношение двух электри­ческих величин, чаще всего двух токов. Логометры бывают магнито­электрическими и электродинамическими.

                                                     

                                                    а                                 6

Рис. 14.2. Логометр:
а- устройство; б- схема включения

Наиболее распространен при практических измерениях лого­метр магнитоэлектрической системы. Логометр содержит две жестко скрепленные между рамки, помещенные в неравномерное поле по­стоянного магнита (рис. 14.2, а), которое реализуется специальной конфигурации полюсных наконечников. Неравномерным поле соз­дают для того, чтобы вращающие моменты, приложенные к рамкам, зависели не только от токов, протекающих в рамках, но и от положе­ния рамок в магнитном поле, т. е. М1
= ψ1(a)I1; М2 = ψ2 (a)IX, где I1, IX – токи, протекающие в рамках; ψ1(a), ψ2
(a)  – значения потокосце­плений магнитов с их рамками. Противодействующий момент будет равен нулю, когда М1
= М2; ψ1(a)I1
= ψ2 (a)Ix, а значит, угол отклоне­ния подвижной системы

                                                                     (14.3)

Для схемы включения, приведенной на рис. 14.2, б,

                                                         (14.4)

где Rp – сопротивление рамок; Ro – образцовое сопротивление.

Итак, согласно формуле (14.4), показания логометра не зависит от колебания напряжения питания. Зависимость показаний от сопротивления RX позволяет создавать лабораторные логометры с погрешностью измерений, не превышающей 0,5 %. Нечувствительность логометра к колебаниям напряжения питания дала возможность разработать класс приборов, питающихся от генераторов, ротор которых вращают вручную и еще иногда использующиеся для определения сопротивления изоляции действующих телефонных сетей.

                                  

Измерение сопротивлений омметрами

Омметр
– измерительный прибор, предназначенный для измерения сопротивлений. Электронный омметр аналогового типа выполняют по схеме инвертирующего усилителя на ОУ, охваченного отри­цательной ОС с помощью измеряемого сопротивления Rx
(рис. 14.3, а) Напряжение на выходе усилителя омметра определяется как

                                            Uвых = – URХ / R1.                                                        (14.5)

                     

а                                             6

Рис. 14.3. Схемы омметров для измерения сопротивлений:
а – малых; б – больших

Поскольку выходное напряжение линейно связано с измеряемым сопротивлением Rx, то шкала прибора И может быть проградуирована  непосредственно в единицах сопротивления. Шкала равномерна в широ­ких пределах. Погрешности измерения электронных омметров 2…4%.

В приборах для измерения особо больших активных сопротивле­ний (тераомметрах) сопротивления Rz
и R, надо поменять местами (рис. 14.3, б), при этом шкала измерительного прибора И получается обратной и напряжение

Uвых
= – UR1 / RХ                                                                        (14.6)

Применение в одном приборе обоих вариантов схем позволяет создать измерители сопротивления с диапазоном измерения от еди­ниц Ом до нескольких десятков МОм с погрешностью не более 10%. Измерители сопротивлений, построенные по приведенным схемам, используют для измерения сопротивлений и на переменном токе.

Похожие материалы:

Прибор для измерения активного сопротивления. Как устроены и работают приборы для измерения сопротивления

Определяющий работу любой цепи или установки.

Получение определенных величин сопротивлений при изготовлении электрических машин, аппаратов, приборов при монтаже и эксплуатации электроустановок является необходимой предпосылкой для обеспечения нормального режима их работы.

Одни сопротивления сохраняют свою величину практически неизменной, другие, наоборот, в очень сильной степени подвержены изменению от времени, от температуры, влажности, механических усилий и т. д. Поэтому, как при производстве электрических машин, аппаратов, приборов, так и при монтаже эксплуатации электроустановок неизбежно приходится производить измерение сопротивлений.

Весьма разнообразны условия и требования к производству измерений сопротивлений. В одних случаях нужна высокая точность, в других, наоборот, достаточно нахождение приближенного значения сопротивления.

В зависимости от величины делятся на три группы:

• 1 ом и меньше – малые сопротивления,

• от 1 ом до 0,1 Мом – средние сопротивления,

• от 0,1 Мом и выше – большие сопротивления.
  

При измерении малых сопротивлений необходимо принимать меры для устранения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов, контактов и термо-ЭДС.

При измерении средних сопротивлений можно не считаться с сопротивлениями соединительных проводов и контактов, можно не учитывать влияния сопротивления изоляции.

При измерении больших спротивлений необходимо учитывать наличие объемного и поверхностного сопротивлений, влияние температуры, влажности и других факторов.

Особенности измерения малых сопротивлений

К группе малых сопротивлений относятся: обмотки якорей электрических машин, сопротивления амперметров, шунтов, сопротивления обмоток трансформаторов тока, сопротивления коротких проводов шин и т. д.

При измерении малых сопротивлений всегда приходится считаться с возможностью влияния сопротивлений соединительных проводов и переходных сопротивлений на результат измерения.

Сопротивления измерительных проводов имеют значения 1 х 10 4 – 1 х 10 2 ом, переходные сопротивления – 1 х 10 5 – 1 х 10 2 ом.

Под переходными сопротивлениями или понимают сопротивления, которые встречает электрический ток при переходе с одного проводника на другой.

Переходные сопротивления зависят от величины поверхности соприкосновения, от ее характера и состояния – гладкая или шероховатая, чистая или загрязненная, а также от плотности соприкосновения, силы нажатия и т. д. Выясним на примере влияние переходных сопротивлений и сопротивлений соединительных проводов на результат измерения.

На рис. 1 дана схема для измерения сопротивления с применением образцовых приборов амперметра и вольтметра.

Рис. 1. Неправильная схема соединения для измерения малых сопротивлений амперметром и вольтметром.

Допустим, искомое сопротивление r х – 0,1 ом, а сопротивление вольтметра rv = 500 ом. Так как они соединены параллельно, то r х/rv = Iv/Ix = 0 ,1/500 = 0,0002, т. е. ток в вольтметре составляет 0,02% от тока в искомом сопротивлении. Таким образом, с точностью до 0,02% можно считать ток амперметра равным току в искомом сопротивлении.

Разделив показание вольтметра, присоединенного к точкам 1, 1″ на показание амперметра, получим: U”v /Ia = r”x = r х + 2r пр + 2r к, где г”х – найденное значение искомого сопротивления; r пр – сопротивление соединительного провода; гк – сопротивление контакта.

Считая r пр = r к = 0,01 ом, получаем результат измерения г”х = 0,14 ом, откуда погрешность измерения, обусловленная сопротивлениями соединительных проводов и сопротивлениями контактов равна 40% – ((0,14 – 0,1)/0,1))х 100%.

Необходимо обратить внимание на то, что с уменьшением искомого сопротивления погрешность измерения от указанных выше причин увеличивается.

Присоединив вольтметр к токовым зажимам – точки 2 – 2 на рис. 1, т. е. к тем зажимам сопротивления rx , к которым присоединены провода цепи тока, получим показание вольтметра U”v меньше U”v на величину паления напряжения в соединительных проводах и, следовательно, найденное значение искомого сопротивления r х”= U””v /I а = rx + 2 r к будет содержать погрешность, обусловленную только сопротивлениями на контактах.

Присоединив вольтметр, как показано на рис. 2, к потенциальным зажимам, расположенным между токовыми, получим показание вольтметра U””” v меньше U”v на величину падения напряжения на сопротивлениях контактов и, следовательно, найденное значение искомого сопротивления r”””x = U””v/Ia = rx

Рис. 2. Правильная схема соединения для измерения малых сопротивлений амперметром и вольтметром

Таким образом, найденное значение будет равно действительному значению искомого сопротивления, так как вольтметр измерит действительное значение напряжения на искомом сопротивлении гх между его потенциальными зажимами.

Применение двух пар зажимов, токовых и потенциальных, является основным приемом для устранения влияния сопротивлений соединительных проводов и переходных сопротивлений на результат измерений малых сопротивлений.

Особенности измерения больших сопротивлений

Большими сопротивлениями обладают плохие проводники тока и изоляторы. При измерении сопротивлений проводников , изолирующих материалов и изделий из них приходится считаться с факторами, которые могут влиять на величину сопротивления их.

К числу таких факторов прежде всего относится температура, например проводимость электрокартона при температуре 20°С равна 1,64 х 10 -13 1/ом, а при температуре 40°С 21,3 х 10 -13 1/ом. Таким образом, изменение температуры на 20° С вызвало изменение сопротивления (проводимости) в 13 раз!

Цифры наглядно показывают, насколько опасен недоучет влияния температуры на результаты измерения. Точно так же весьма важным факторам, влияющим на величину сопротивления, является содержание влаги как в испытуемом материале, так и в воздухе.

Кроме того, на величину сопротивления могут влиять род тока, которым производится испытание, величина испытуемого напряжения, продолжительность действия напряжения и т. д.

При измерении сопротивлений изолирующих материалов и изделий из них приходится считаться также с возможностью прохождения тока по двум путям:

1) через объем испытуемого материала,

2) по поверхности испытуемого материала.

Способность материала проводить электрический ток тем или иным путем характеризуется величиной сопротивления, которое встречает ток на этом шути.

Соответственно имеются два понятия: объемное сопротивление, относимое к 1 см3 материала, и поверхностное сопротивление, относимое к 1 см2 поверхности материала.

Для иллюстрации рассмотрим пример.

При измерении сопротивления изоляции кабеля при помощи гальванометра могут получиться большие погрешности, вследствие того что гальванометр может измерять (рис. 3):

а) ток Iv , идущий от жилы кабеля к его металлической оболочке через объем изоляции (ток Iv , обусловленный объемным сопротивлением изоляции кабеля, характеризует сопротивление изоляции кабеля),

б) ток Is , идущий от жилы кабеля к его оболочке по поверхности изолирующего слоя (Is , обусловленный поверхностным сопротивлением, зависит не только от свойств изолирующего материала, но и от состояния его поверхности).

Рис. 3. Поверхностный и объемный ток в кабеле

Для устранения влияния поверхностей проводимости при измерении сопротивления изоляции на изолирующий слой накладывается виток проволоки (охранное кольцо), который соединяют, как указано на рис. 4.

Рис. 4. Схема для измерения объемного тока кабеля

Тогда ток Is будет проходить помимо гальванометра и не внесет погрешности в результаты измерения.

На рис. 5 дана принципиальная схема для определения объемного удельного сопротивления изолирующего материала – пластины А. Здесь ББ – электроды, к которым приложено напряжение U, Г – гальванометр, измеряющий ток, обусловленный объемным сопротивлением пластины А, В – охранное кольцо.

Рис. 5. Измерение объемного сопротивления твердого диэлектрика

На рис. 6 дана принципиальная схема для определения поверхностного удельного сопротивления изолирующего материала (пластина А).

Рис. 6. Измерение поверхностного сопротивления твердого диэлектрика

При измерении больших сопротивлений следует также обращать серьезное внимание на изоляцию самой измерительной установки, так как в противном случае через гальванометр будет проходить ток, обусловенный сопротивлением изоляции самой установки, что повлечет за собой соответствующую погрешность измерения.

Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности . Основными методами измерения сопротивлений постоянному току являются косвенный, метод непосредственной оценки и мостовой.

Рисунок 1. Схемы пробников для измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений

Рисунок 2. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра – вольтметра В основных схемах косвенного метода применяют измерители напряжения и тока.

На рисунке 1, а представлена схема, пригодная для измерения сопротивлений одного порядка со входным сопротивлением Rв вольтметра Rн. Измерив при короткозамкнутом Rx напряжение U0, сопротивление Rх определяют по формуле Rx = Rи(U0/Ux-1).

При измерении по схеме рис. 5.1, б резисторы большого сопротивления включают последовательно с измерителем, а малого – параллельно.

Для первого случая Rx = (Rи + Rд)(Iи/Ix-1), где Iи – ток через измеритель при короткозамкнутом Rx; для второго случая

где Iи – ток через измеритель при отсутствии Rх, Rд – добавочный резистор.

Более универсален метод амперметра – вольтметра, позволяющий измерять сопротивления при определенных режимах их работы, что важно при измерении нелинейных сопротивлений (см. рис. 2).

Для схемы рис. 2, а

Для схемы рис. 2, б

Относительная методическая погрешность измерения:

Ra и Rв – сопротивления амперметра и вольтметра.

Рис. 3. Схемы омметров с последовательной (а) и параллельной (б) схемами измерения

Рис. 4. Мостовые схемы измерения сопротивлений: а – одинарный мост, б – двойной.

Из выражений для относительной погрешности видно, что схема на рис. 2, а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а схема на рис. 2, б – при измерении малых.

Погрешность измерения по методу амперметра-вольтметра рассчитывается по формуле

где gв, gа – классы точности вольтметра и амперметра; Uп, Iп – пределы измерений вольтметра и амперметра.

Непосредственное измерение сопротивлений постоянному току выполняется омметрами. Если значения сопротивлений более 1 Ом, применяют омметры с последовательной схемой измерения, а для измерения малых сопротивлений – с параллельной схемой. При пользовании омметром с целью компенсации изменения напряжения питания необходимо произвести установку стрелки прибора. Для последовательной схемы стрелка устанавливается на нуль при шунтированном измеряемом сопротивлений. (Шунтирование производится, как правило, специально предусмотренной в приборе кнопкой). Для параллельной схемы перед началом измерения стрелку устанавливают на отметку “бесконечность”.

Чтобы охватить диапазон малых и больших сопротивлений, строят омметры по параллельно-последовательной схеме . В этом случае имеются две шкалы отсчета Rх.

Наиболее высокая точность может быть достигнута при использовании мостового метода измерения. Средние сопротивления (10 Ом – 1 МОм) измеряют с помощью одинарного моста, а малые – с помощью двойного.

Измеряемое сопротивление Rx включают в одно из плеч моста, диагонали которого подключают соответственно к источнику питания и нуль-индикатору; в качестве последнего могут быть использованы гальвано-метр, микроамперметр с нулем посередине шкалы и др.

Рис 5. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току

Условие равновесия обоих мостов определяется выражением

Плечи R1 и R3 обычно выполняют в виде магазинов сопротивлений (магазинный мост ). С помощью R3 устанавливают ряд значений отношений R3/R2, обычно кратных 10, а с помощью R1 уравновешивают мост. Отсчет измеряемого сопротивления производится по значению, установленному ручками магазинов сопротивлений. Уравновешивание моста может также производиться плавным изменением отношения резисторов R3/R2, выполненных в виде реохорда, при определенном значении R1 (линейный мост).

Для многократных измерений степени соответствия сопротивлений некоторому заданному значению Rн применяют неуравновешенные мосты . Они уравновешиваются при Rx=Rн. По шкале индикатора можно определить отклонение Rх от Rн в процентах.

На принципе самоуравновешивания работают автоматические мосты . Напряжение, возникающее при разбалансе на концах диагонали моста, после усиления воздействует на электродвигатель, перемешивающий движок реохорда. При уравновешивании моста движок останавливается, а положение реохорда определяет значение измеряемого сопротивления .

В данной статье мы попробуем научиться измерять малые сопротивления. У радиолюбителей иногда возникает потребность точно определить сопротивление шунта при изготовлении или ремонте амперметра, чтобы он в свою очередь также точно показывал свои единицы измерения или в других целях. Но как это сделать, когда мультиметр не имеет шкалы измерения милли Ом, маркировка либо отсутствует, либо совсем не известна и не понятна? Большинство измерительных приборов имеют минимальную шкалу 200 Ом для измерения сопротивления и 3,5 – 4 разряда, при закорачивании щупов там уже примерно 0,7 Ом, при измерении сопротивления 0,1 Ом ничего не меняется, беда. Сейчас поправим.

Предлагаю использовать для этой цели мостовую схему измерения. Что такое мост должны представлять все, на этом останавливаться не будем. Составим мост из резисторов, подадим на него какое либо напряжение и будем его же измерять, хотя можно и ток измерять, разницы не будет, что более точное у нас под рукой, то и выбираем. Так а причем здесь измерение малого сопротивления? Терпение, все по порядку из далека. Есть такая замечательная вещь как баланс моста. Произведение сопротивлений противоположных плеч моста, при условии его сбалансированности, будут одинаковы. А напряжения и токи при сбалансированности моста будут взаимокомпенсировать друг друга и в сумме дадут 0.

(Пусть R0 это R3, а Rx это R4 )

Итак, исходя из вышеперечисленного, если в мост поставить вместо одного из резисторов наше малое сопротивление произвольного номинала, а другой резистор сделать переменным или подстроечным (по схеме используем два переменных резистора для точности балансировки моста, особенно в том случае, когда под рукой нет многооборотистых переменных резисторов), чтобы добиться баланса моста. Такую схему можно использовать для измерения шунтов и малых сопротивлений:

Схему было собирать лениво, тем более, что плату изготовить нужно достаточно времени, поэтому навесным монтажом был изготовлен подопытный образец схемы. Здесь резисторы R1 и R2 не 1%, но подбирались максимально близкие к сопротивлению заданного номинала, погрешность сопротивления не превышала 0,5 % при комнатных условиях.

Но нужно знать как получить точное значение измеряемого сопротивления. Во первых, главное особенностью такое схемы является то, что с помощью нее “умножается” измеряемое сопротивление. А это значит, что необходимость в шкале на милли Омы в мультиметре отпадает. Сопротивление в 0,1 Ом уже можно будет измерять на шкале в кило Омы. Только измерение будет теперь не прямым, а косвенным, придется использовать немного математики и подсчитывать конечный результат измерения.

Определимся какой диапазон номиналов будем измерять (имеется ввиду малое сопротивление или сопротивление шунтов). Для этого нужно выбрать номиналы переменных резисторов:

По схеме используем два переменных резистора для большей точности взаимодействия, 1 кОм и 100 Ом. Такое сопротивление переменных резисторов позволит измерить максимально большое сопротивление в 1,1 Ом, минимальное с сохранением точности измерения 0,01 Ом (при Rx=0,01 Ом R0 должно быть 10 Ом, которые также нужно достаточно точно измерять своим мультиметром)

И номиналы постоянных резисторов, чтобы мост легко балансировался и было удобно подсчитать номинал шунта или малого сопротивления:

Кратность резисторов относительно друг друга лучше всего брать именно такой – 10, 100, 1000, чтобы быстро подсчитать конечный результат, хотя никто не запрещает брать не круглые числа, чтобы потом считать еще и с калькулятором. По схеме это отношение 100.000 к 100, то есть умножитель на 1000.

Собираем схему. Использовать можно любые подстроечные или переменные резисторы, но для большей точности советую взять многооборотистые подстроечные или переменные резисторы, а постоянные использовать с допуском не более 1%, а лучше еще меньше. В качестве элемента питания по схеме используется “Крона” на 9 вольт, можно заменить на любой другой источник. Конденсаторы на случай использования блоков питания для фильтрации. Схема в нашей конфигурации сопротивлений потребляет 90 мА от батарейки 9 В, поэтому для частых измерений, конечно, целесообразней использовать блок питания. Схема собрана, теперь изучаем методику измерения. После подсоединения измеряемого сопротивления, необходимо подать на схемку напряжение, не важно какое, но чем больше оно, тем больше точность, устанавливаем измеритель на предел 200 mV и приступаем к процессу балансировки моста путем вращения подстроечного резистора до появления полного нуля на вольтметре. Это значит, что мост сбалансирован и все выражения теперь справедливы к нашей схеме. Далее измеряем сопротивление подстроечного резистора и вычисляем значение малого сопротивления:

или более красиво вот так

(219 Ом * 100 Ом)/100 кОм получаем 0,219 Ом сопротивление шунта (смотри видео).

Или проще полученный результат необходимо разделить на 1000 (так как 100кОм/100Ом будет 1000 – наш умножитель) в нашем случае. И что же мы видим? Да! Это и есть сопротивление, которое мы измеряли 0,219 Ом (~0,22 Ом). В пределах хорошей точности, а если учитывать погрешности при измерении и взаимодействии со схемкой – идеально.

Теперь не нужно будет ломать голову, когда возникнет необходимость в подобных измерениях. Схема проста, но не многие знают о ней.

К статье прилагается печатная плата для изготовления мини приставки к мультиметру и проект для любопытных проверить это чудо, но ленивых, чтобы собрать схему.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
R1	Резистор	100 кОм	1	1%		В блокнот
R2	Резистор	100 Ом	1	1%		В блокнот
R0(1)	Подстроечный резистор	1 кОм	1	3296W		В блокнот
R0(2)	Подстроечный резистор	100 Ом	1	3296W		В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	Можно др. номинал		В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1

По своей физической природе все вещества по-разному реагируют на протекание через них электрического тока. Одни тела хорошо его пропускают и их относят к проводникам, а другие очень плохо. Это диэлектрики.

Свойства веществ противодействовать протеканию тока оценивают численным выражением — величиной электрического сопротивления. Принцип его определения предложил Георг Ом. Его именем названа единица измерения этой характеристики.

Взаимосвязь между электрическим сопротивлением вещества, приложенным к нему напряжением и протекающим электрическим током принято называть законом Ома.

Принципы измерения электрического сопротивления

Исходя из приведенной на картинке зависимости трех важнейших характеристик электричества определяют величину сопротивления. Для этого необходимо иметь:

2. измерительные приборы силы тока и напряжения.

Источник напряжения через амперметр подключают к измеряемому участку, сопротивление которого необходимо определить, а вольтметром меряют падение напряжения на потребителе.

Сняв отсчет тока I амперметром и величину напряжения U вольтметром, рассчитывают значение сопротивления R по закону Ома. Этот простой принцип позволяет выполнять замеры и производить расчеты вручную. Однако, пользоваться им в таком виде сложно. Для удобства работы созданы омметры.

Конструкция простейшего омметра

Производители измерительных приборов изготавливают устройства измерения сопротивления, работающие по:

1. аналоговым;

2. или цифровым технологиям.

Первый вид приборов называют стрелочными за счет способа отображения информации — перемещения стрелки относительно начального положения в точку отсчета на шкале.

Омметры стрелочного типа, как измерительные приборы сопротивлений, появились первыми и продолжают успешно работать до настоящего времени. Они есть в арсенале инструментов большинства электриков.

В конструкции этих приборов:

1. все компоненты приведенной схемы встроены в корпус;

2. источник выдает стабилизированное напряжение;

3. амперметр измеряет ток, но его шкала сразу проградуирована в единицах сопротивления, что исключает необходимость выполнения постоянных математических расчетов;

4. на внешние вывода клемм корпуса подключаются провода с концами, обеспечивающими быстрое создание электрической связи с испытуемым элементом.

Стрелочные приборы подобного класса измерения работают за счет собственной магнитоэлектрической системы. Внутри измерительной головки помещена обмотка провода, в которую подключена токопроводящая пружинка.

По этой обмотке от источника питания через измеряемое сопротивление Rx проходит ток, ограничиваемый резистором R до уровня миллиампер. Он создает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с полем постоянного магнита, расположенного здесь же, которое показано на схеме полюсами N—S.

Чувствительная стрелка закреплена на оси пружинки и под действием результирующей силы, сформированной от влияния этих двух магнитный полей, отклоняется на угол, пропорциональный силе протекающего тока или величине сопротивления проводника Rx.

Шкала прибора выполнена в делениях сопротивления — Омах. За счет этого положение стрелки на ней сразу указывает искомую величину.

Принцип работы цифрового омметра

В чистом виде цифровые измерители сопротивлений выпускаются для выполнения сложных работ специального назначения. Массовому потребителю сейчас доступен , совмещающих в своей конструкции задачи омметра, вольтметра, амперметра и другие функции.

Для замера сопротивления необходимо перевести соответствующие переключатели в требуемый режим работы прибора и подключить измерительные концы к проверяемой схеме.

При разомкнутых контактах на табло будет индикация «I», как показано на фотографии. Оно соответствует большему значению, чем прибор может определить на заданном участке чувствительности. Ведь в этом положении он уже измеряет сопротивление воздушного участка между контактами зажимов соединительных проводов.

Когда же концы установлены на резистор или проводник, то цифровой омметр отобразит значение его сопротивления реальными цифрами.

Принцип измерения электрического сопротивления цифровым омметром тоже основан на применении закона Ома. Но, в его конструкции уже работают более современные технологии, связанные с использованием:

1. соответствующих датчиков, предназначенных для измерения тока и напряжения, которые передают информацию по цифровым технологиям;

2. микропроцессорных устройств, обрабатывающих полученные сведения от датчиков и выводящих их на табло в наглядном виде.

У каждого типа цифрового омметра могут быть свои отличительные пользовательские настройки, которые следует изучить перед работой. Иначе по незнанию можно допустить грубые ошибки, ибо подача напряжения на его вход встречается довольно часто. Она проявляется выгоранием внутренних элементов схемы.

Обычными омметрами проверяют и измеряют электрические цепи, сформированные проводами и резисторами, обладающие относительно небольшими электрическими сопротивлениями на пределах до нескольких десятков или тысяч Ом.

Измерительные мосты постоянного тока

Электрические приборы измерения сопротивления в виде омметров созданы как переносные, мобильные устройства. Ими удобно пользоваться для оценки типовых, стандартных схем или прозвонки отдельных цепей.

В лабораторных условиях, где часто нужна высокая точность и качественное соблюдение метрологических характеристик при выполнении измерений работают другие устройства — измерительные мосты постоянного тока.

Электрические схемы измерительных мостов на постоянном токе

Принцип работы таких приборов основан на сравнении сопротивлений двух плеч и создании баланса между ними. Контроль сбалансированного режима осуществляется контрольным мили- или микроамперметром по прекращению протекания тока в диагонали моста.

Когда стрелка прибора установится на ноль можно вычислить искомое сопротивление Rx по значениям эталонов R1, R2 и R3.

Схема измерительного моста может иметь возможность плавного регулирования сопротивлений эталонов в плечах или выполняться ступенчато.

Внешний вид измерительных мостов

Конструктивно такие приборы выполняются в едином заводском корпусе с возможностью удобной сборки схемы для электрической проверки. Органы управления переключения эталонов позволяют быстро выполнять измерения сопротивлений.

Омметры и мосты предназначены для измерения сопротивления проводников электрического тока, обладающих резистивным сопротивлением определенной величины.

Приборы измерения сопротивления контура заземления

Необходимость периодического контроля технического состояния вызвана условиями их нахождения в грунте, который вызывает коррозионные процессы металлов. Они ухудшают электрические контакты электродов с почвой, проводимость и защитные свойства по стеканию аварийных разрядов.

Принцип работы приборов этого типа тоже основан на законе Ома. Зонд контура заземления стационарно размещен в земле (точка С), за счет чего его потенциал равен нулю.

На одинаковых расстояниях от него порядка 20 метров забивают в грунт однотипные заземлители (главный и вспомогательный) так, чтобы стационарный зонд был расположен между ними. Через оба этих электрода пропускают ток от стабилизированного источника напряжения и замеряют его величину амперметром.

На участке электродов между потенциалами точек А и С вольтметром замеряют падение напряжения, вызванное протеканием тока I. Далее проводится расчет сопротивления контура делением U на I с учетом поправки на потери тока в главном заземлителе.

Если вместо амперметра и вольтметра использовать логометр с катушками тока и напряжения, то его чувствительная стрелка будет сразу указывать конечный результат в омах, избавит пользователя от рутинных вычислений.

По этому принципу работает много марок стрелочных приборов, среди которых популярны старые модели МС-0,8, М-416 и Ф-4103.

Их удачно дополняют разнообразные современные измерители сопротивлений, созданные для подобных целей с большим арсеналом дополнительных функций.

Приборы измерения удельного сопротивления грунта

С помощью только что рассмотренного класса приборов также измеряют удельное сопротивление почвы и различных сыпучих сред. Для этого их включают по другой схеме.

Электроды главного и вспомогательного заземлителя разносят на расстояние, большее 10 метров. Учитывая то, что на точность замера могут влиять близкорасположенные токопроводящие объекты, например, металлические трубопроводы, стальные башни, арматура, то к ним допустимо приближаться не меньше, чем на 20 метров.

Остальные правила измерения остаются прежними.

По такому же принципу работают приборы измерения удельного сопротивления бетона и других твердых сред. Для них применяются специальные электроды и незначительно меняется технология замера.

Как устроены мегаомметры

Обычные омметры работают от энергии батарейки или аккумулятора — источника напряжения небольшой мощности. Его энергии достаточно для того, чтобы создать слабый электрический ток, который надежно проходит через металлы, но ее мало для создания токов в диэлектриках.

По этой причине обычным омметр не может выявить большинство дефектов, возникающих в слое изоляции. Для этих целей специально создан другой тип приборов измерения сопротивлений, которые принято называть на техническом языке «Мегаомметр». Название обозначает:

мега — миллион, приставка;

Ом — единица измерения;

метр — общепринятое сокращение слова измерять.

Внешний вид

Приборы этого типа тоже бывают стрелочными и цифровыми. В качестве примера можно продемонстрировать мегаомметр марки М4100/5.

Его шкала состоит из двух поддиапазонов:

1. МΩ — мегаомы;

2. KΩ — килоомы.

Электрическая схема

Сравнивая ее со схемой устройства обычного омметра, легко увидеть, что она работает по тем же самым принципам, основанным на применении закона Ома.

В качестве источника напряжения выступает генератор постоянного тока, ручку которого необходимо равномерно вращать с определенной скоростью порядка 120 оборотов в минуту. От этого зависит уровень высоковольтного напряжения, выдаваемого в схему. Эта величина должна пробить слой дефектов с пониженной изоляцией и создать сквозь нее ток, который отобразится перемешением стрелки по шкале.

Переключатель режима измерения МΩ—KΩ коммутирует положение групп резисторов схемы, обеспечивая работу прибора в одном из рабочих поддиапазонов.

Отличием конструкции мегаомметра от простого омметра является то, что на этом приборе используются не две выходные клеммы, подключаемые к измеряемому участку, а три: З (земля), Л (линия) и Э (экран).

Клеммами земля и линия пользуются для измерения сопротивдения изоляции токоведущих частей относительно земли или между разными фазами. Клемма экрана призвана устранить воздействие создаваемых токов утечек через изоляцию на точность работы прибора.

У большого количества мегаомметров других моделей клеммы обозначают немного по-другому: «rx», «—», «Э». Но суть работы прибора от этого не меняется, а клемма экрана используется для тех же целей.

Цифровые мегаомметры

Соврменные приборы измерения сопротивления изоляции оборудования работают по тем же принципам, что их стрелочные аналоги. Но они отличаются значительно большим количеством функций, удобством в измерениях, габаритами.

Выбирая цифровые приборы для постоянной эксплуатации следует учитывать их особенность: работу от автономного источника питания. На морозе батарейки быстро теряют работоспоосбность, требуют замены. По этой причине работа стрелочными моделями с ручным генератором остается востребованной.

Правила безопасности при работе с мегаомметрами

Минимальное напряжение, создаваемое прибором на выходных клеммах, составляет 100 вольт. Оно используется для проверки изоляции электронных блоков и чувствительной аппаратуры.

В зависимости от сложности и конструкции оборудования электрической схемы на мегаомметрах применяют другие значения напряжений вплоть дл 2,5 кВ включительно. Самыми мощными приборами можно оценивать изоляцию высоковольтного оборудования линий электропередач.

Все эти работы требуют четкого выполнения правил безопасности, а осуществлять их могут исключительно подготовленные специалисты, имеющие допуск к работам под напряжением.

Характерными опасностями, создаваемыми мегаомметрами при работе являются:

опасное высокое напряжение на выходных клеммах, измерительных проводах, подключенном электрическом оборудовании;

необходимость предотвращения действия наведенного потенциала;

создание остаточного заряда на схеме после выполнения замера.

При измерении сопротивления слоя изоляции высокое напряжение прикладывается между токоведущей частью и контуром земли или оборудованием другой фазы. На протяженных кабелях, линиях электропередачи оно заряжает емкость, образованную между разными потенциалами. Любой неумелый работник своим телом может создать путь для разряда этой емкости и получить электрическую травму.

Чтобы исключить такие несчастные ситуации перед выполнением замера мегаомметром проверяют отсутствие опасного потенциала на схеме и снимают его после работы с прибором по специальной методике.

Омметры, мегаомметры и рассмотренные выше измерители работают на постоянном токе, определяют только резистивное сопротивление.

Приборы измерения сопротивления в цепях переменного тока

Наличие большого количества различных индуктивных и емкостных потребителей как в бытовых домашних электросетях, так и на производстве, включая предприятия энергетики, создает дополнительные потери энергии за счет реактивной составляющей полного электрического сопротивления. Отсюда возникает необходимость ее полного учета и выполнения специфических измерений.

Приборы для измерения сопротивления петли фаза-ноль

Когда в электрической проводке происходит неисправность, приводящая к закорачиванию потенциала фазы на ноль, то образуется цепь, по которой идет ток короткого замыкания. На его величину влияет сопротивление участка электропроводки от места КЗ до источника напряжения. Оно определяет величину аварийного тока, который должен отключаться автоматическими выключателями.

Поэтому необходимо выполнять на самой удаленной точке и с его учетом подбирать номиналы защитных автоматов.

Для выполнения подобных замеров разработано несколько методик, основанных на:

падении напряжения при: отключенной цепи и на сопротивлении нагрузки;

коротком замыкании с пониженными токами от постороннего источника.

Замер на нагрузочном сопротивлении, встроенном в прибор, отличается точностью и удобством. Для его выполнения концы прибора вставляют в самую отдалённую от защит розетку.

Нелишним бывает выполнение измерений во всех розетках. Современные измерители, работающие по этому методу, сразу показывают сопротивление петли фаза-ноль на своем табло.

Все рассмотренные приборы представляют только часть устройств для измерения сопротивления. На предприятиях энергетики работают целые измерительные комплексы, позволяющие постоянно анализировать изменяющиеся величины электрических параметров на сложном высоковольтном оборудовании и принимать экстренные меры для устранения возникающих неисправностей.

Введение ………………………………………………………………………………2

Измерение сопротивления при постоянном токе …………………..…….3

Метод амперметра-вольтметра…………………………………………….……3

Метод непосредственной оценки………………………………………………..4

Мосты для измерения сопротивления на постоянном токе…………………6

Измерение очень больших сопротивлений……………………………………9

Измерение сопротивления при переменном токе ………………….……10

Измеритель иммитанса…………………………………………..………………10

Измерительная линия…………………………………………………..……….11

Измерение ультрамалых сопротивлений…………………………..…………13

Выводы …………………………………………………………………. ………..…14

Введение

Электрическое сопротивление – основная электрическая характеристика проводника, величина, характеризующая противодействие электрической цепи или ее участка электрическому току. Также сопротивлением могут называть деталь (её чаще называют резистором) оказывающую электрическое сопротивление току. Электрическое сопротивление обусловлено преобразованием электрической энергии в другие виды энергии и измеряется в Омах.

Сопротивление (часто обозначается буквой R) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника и её можно определить как

R – сопротивление;

U – разность электрических потенциалов на концах проводника, измеряется в вольтах;

I – ток, протекающий между концами проводника под действием разности потенциалов, измеряется в амперах.

Для практического измерения сопротивлений применяют множество различных методов, в зависимости от условий измерения и характера объектов, от требуемой точности и быстроты измерений. Например различают методы для измерения сопротивления при постоянном токе и при переменном, измерение больших сопротивлений, сопротивлений малых и ультрамалых, прямые и косвенные и т.д.

Целью работы является выявление основных, наиболее часто встречающихся в практике, методов измерения сопротивлений.

Измерение сопротивления при постоянном токе

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются косвенный метод, метод непосредственной оценки, а также мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности измерений. Из косвенных методов наиболее универсальным является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра

Данный метод основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (а) и измерение малых сопротивлений (б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

Для схемы (а) искомое сопротивление и относительную методическую погрешность можно определить по формулам:

где Rx – измеряемое сопротивление, а Rа – сопротивление амперметра.

Для схемы (б) искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются по формулам:

Из формулы видно, что при подсчете искомого сопротивления по приближенной формуле возникает погрешность, оттого, что при измерении токов и напряжений во второй схеме амперметр учитывает и тот ток, который проходит через вольтметр, а в первой схеме вольтметр измеряет напряжение помимо резистора еще и на амперметре.

Из определения относительных методических погрешностей следует, что измерение по схеме (а) обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме (б) – при измерении малых сопротивлений. Погрешность измерения по данному методу рассчитывается по выражению:

«Используемые при измерении приборы должны иметь класс точности не более 0,2. Вольтметр подключают непосредственно к измеряемому сопротивлению. Ток при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0,2. Во избежание нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального».

Достоинство схем метода измерение амперметром и вольтметром заключается в том, что по резистору с измеряемым сопротивлением можно пропускать тот же ток, как и в условии его работы, что является важным при измерении сопротивлений, значения которых зависят от тока.

Метод непосредственной оценки предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Омметром называют измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения электрических активных (активные сопротивлений также называют омическими сопротивлениями) сопротивлений. Обычно измерение производится по постоянному току, однако, в некоторых электронных омметрах возможно использование переменного тока. Разновидности омметров: мегаомметры, тераомметры, гигаомметры, миллиомметры, микроомметры, различающиеся диапазонами измеряемых сопротивлений.

По принципу действия омметры можно разделить на магнитоэлектрические – с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры) и электронные, которые бывают аналоговые или цифровые.

«Действие магнитоэлектрического омметра основано на измерении силы тока, протекающего через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника питания. Для измерения сопротивлений от сотен Ом до нескольких мегаом измеритель и измеряемое сопротивление rx включают последовательно. В этом случае сила тока I в измерителе и отклонение подвижной части прибора a пропорциональны: I = U/(r0 + rx), где U – напряжение источника питания; r0 – сопротивление измерителя. При малых значениях rx (до нескольких ом) измеритель и rx включают параллельно».

За основу логометрических мегаомметров берется логометр, к плечам которого подключаются в разных комбинациях (в зависимости от предела измерения) образцовые внутренние резисторы и измеряемое сопротивление, показание логометра зависит от соотношения этих сопротивлений. В качестве источника высокого напряжения, необходимого для проведения таких измерений, в подобных приборах обычно используют механический индуктор – электрогенератор с ручным приводом, в некоторых мегаомметрах вместо индуктора применяется полупроводниковый преобразователь напряжения.

Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый резистор включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя. Цифровой омметр представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок индикации.

«При измерении малых сопротивлений может возникать дополнительная погрешность из-за влияния переходного сопротивления в точках подключения. Чтобы избежать этого применяют так называемый метод четырехпроводного подключения. Сущность метода состоит в том, что используются две пары проводов – по одной паре на измеряемый объект подается ток определенной силы, с помощью другой пары с объекта на прибор подаётся падение напряжения пропорциональное силе тока и сопротивлению объекта. Провода подсоединяются к выводам измеряемого двухполюсника таким образом, чтобы каждый из токовых проводов не касался непосредственно соответствующего ему провода напряжения, при этом получается, что переходные сопротивления в местах контактов не включаются в измерительную цепь».

BTLT-2 прибор для испытания на сопротивление усилию нагрузки сверху на стеклянную тару

BTLT-2 – это прибор для испытания на сопротивление усилию нагрузки сверху на стеклянную тару. Он широко используется производителями и пользователями стеклянной тары. Как стандартный испытательный прибор для производства стеклянной тары, он дает важный технологический ориентир производителям для поддержания или улучшения качества и производительности продукции.

Разработанный для легкой эксплуатации и технического обслуживания, соответствует стандарту испытаний ISO 8113: 2004.

Испытание тары нагрузкой сверху производится до заданной точки давления (пробное испытание) или до разрушения.

Характеристики:

Определяемый пользователем цикл испытаний (до 4 ступеней давления и времени выдержки) удовлетворяет различным требованиям испытаний

Встроенное управление ПЛК и сенсорный экран

Простота в эксплуатации

Может хранить 10 пользователей и 30 образцов

Пользователь определяет номер партии продукции и порядковый номер

Обзор кривой тестирования в реальном времени

Изготовленные на заказ вставок (давящих элементов) для различных типов образцов, упрощающие установку образца и более точные в точке давления.

Огромная вместительность камеры для образца, бутылка высотой до 600 мм

Регулируемая скорость испытания

Запатентованная компанией AT2E конструкция емкости для отходов, более безопасная для эксплуатации и более легкая для очистки от осколков

Максимальное давление при нагрузке сверху до 2000 кгс / 20000 Н

Рама из нержавеющей стали и алюминиевые комплектующие, более прочные и долговечные.

Защита от перегрузки

Современная безопасная конструкция двери обеспечивает безопасность оператора  во время испытаний.

Выходной интерфейс RS232, может быть подключен к принтеру или программному обеспечению сбора данных

 

Технические характеристики:

Диапазон измерения: 0 – 20000 Н

Единицы измерения: кН / кгс

Разрешение: 0,01 кН

Питание: 220 В, 50-60 Гц

Габаритные размеры: 744 (Д) х 493 (Ш) х 1300 (В) мм

Вес: 130 кг

 

Опции:

Мини принтер

Высокоточный калибровочный блок

Программное обеспечение для управления данными

6000 – устройство измерительное электрической прочности и сопротивления изоляции / НПП «Динамика»

Высоковольтные испытания с РЕТОМ-6000 – это просто!

Прибор РЕТОМ-6000 предназначен для проверки электрической прочности и сопротивления изоляции электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей повышенным напряжением переменного и постоянного тока до 6 000 В. Может использоваться как автономно, так и в составе комплексов РЕТОМ-21 и РЕТОМ-25.

Область применения

Испытание повышенным напряжением изоляции:

• вторичных цепей, панелей РЗА, отдельных реле;
• фарфоровой и других видов изоляции;
• кабелей, силовых трансформаторов и реакторов;
• обмоток статора, ротора, цепей возбуждения генераторов, компенсаторов, электродвигателей;
• различных полупроводниковых преобразователей и др.

Прибор также позволяет снимать ВАХ трансформаторов тока (110-750 кВ).

Основные достоинства РЕТОМ-6000:

• возможность работы как в автоматическом, так и в ручном режимах;
• высокая точность и стабильность выходного напряжения до 6 000 В;
• измерение сопротивления изоляции до 2 ГОм благодаря встроенному в прибор мегаомметру;
• снятие ВАХ ТТ (110 – 750 кВ) напряжением до 2 кВ и током до 2 А;
• при измерении тока утечки имеется возможность установки порогового значения отключения прибора, позволяющая уменьшить разрушительное воздействие на изоляцию;
• фиксация на индикаторе значений напряжения, тока, сопротивления и времени пробоя;
• удобная транспортировка прибора к месту работы благодаря пластиковому ударопрочному корпусу со встроенными колесами. 

Комплект аксессуаров

 

Кабели высоковольтные

Переходники и концеватели типа «крокодил»

Кабели питания и заземления

Сертификаты

Прибор  РЕТОМ-6000 внесен в реестры средств измерений России, республик Беларусь и Казахстан.

Гарантия

На испытательный прибор РЕТОМ-6000 предоставляется гарантия 5 лет со дня поставки.

Режим “мегаометр”

Испытательное напряжение постоянного тока	250; 500; 1000; 2500; 5000 В
Диапазон измерения сопротивления:	100 кОм…2000 МОм
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения сопротивления	± 5 %
Максимальный ток (амплитудное значение)	2,5 мА

Режим “испытание изоляции”

Источник высокого напряжения (выход)	∼U2	=U3	∼U4
Диапазон плавной регулировки выходного напряжения	0,1…3 кВ	0,2…6 кВ	0,2…6 кВ
Максимальный выходной ток	0,5 А	0,02 А	0,1 А
Максимальная выходная мощность	1500 ВА	120 ВА	600 ВА
Пределы допускаемой основной относительной погрешности
– измерения напряжения	± 2 %
– измерения силы тока	± 1 %

Режим “снятие вольт-амперной характеристики”

Источник выходного напряжения	∼U1
Диапазон измерений выходного напряжения переменного тока	0…1,0 кВ	0…2,0 кВ
Максимальный выходной ток	2 А	1 А
Диапазон измерения силы переменного тока	2…2000 мА
Максимальная выходная мощность	2000 ВА

Общие технические данные

Диапазон рабочих температур	-10…+40 °С
Питание прибора (однофазная сеть)	220 В;50 Гц
Максимальная потребляемая мощность, не более	2200 ВА
Масса устройства, не более	35 кг
Габаритные размеры устройства, не более	540х460х300 мм

Устройства с отрицательным сопротивлением

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную измерениям с помощью измерителя кривой.

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу о диодах

Устройства с отрицательным сопротивлением обычно используются в качестве детекторов, усилителей или источников на микроволновых частотах. В частности, диоды IMPATT, диоды Ганна, диоды ISIS и туннельные диоды (Esaki) имеют области отрицательного сопротивления, которые используются. На диаграмме Смита область отрицательного сопротивления для коэффициентов отражения находится за пределами единичного круга.Одно замечание об отрицательном сопротивлении: оно обычно нестабильно. Вот почему он является хорошим источником радиочастотных сигналов. Нет более простого способа увидеть нестабильность, чем на трассировщике кривой.

Первым, кто исследовал отрицательное сопротивление для использования в качестве усилителя, был россиянин Олег Владимирович Лосев. Ученый-самоучка, он умер от голода во время блокады Ленинграда. Он также был первым, кто сообщил о феномене светодиодов и объяснил его с помощью квантовой теории.

Лео Эсаки получил Нобелевскую премию по физике за свои работы в области туннельных диодов.Он в нашем Зале славы СВЧ.

По определению, устройство с отрицательным сопротивлением производит энергию. Как это происходит с пассивными устройствами, такими как диод? Вы должны смещать их к ненулевой точке постоянного тока. На трассировщике кривой вы подключаете устройство к испытательному оборудованию (трассировщик кривой).

Вот видео, на котором Конни демонстрирует, как сделать измеритель кривой с помощью O-осциллографа и нескольких резисторов, который занял второе место в студенческом конкурсе MITx 6.002x 2013 года. Сначала она показывает, как выглядит настоящий резистор, и обрыв, и короткое замыкание.Затем она показывает, что происходит, когда вы подключаете к прибору конденсатор или катушку индуктивности (это образует характерную петлю). Ближе к концу она проверяет схему операционного усилителя, настроенную на отрицательное сопротивление. Он совершенно стабилен и хорошо себя ведет, совсем не похож на СВЧ-диод. В конце вы увидите след туннельного диода. В конкретном регионе вы можете увидеть отрицательное сопротивление; также можно сказать, что здесь устройство работает нестабильно (колеблется). Попутно вы заметите влияние шума блока питания! Нам нравится это видео, оно говорит об основных принципах инженерии и лабораторной проверки и хорошо объяснено ведущим-энтузиастом.

Конни показывает, как сделать измеритель кривой макета, а затем показывает примеры отрицательного сопротивления

Перейдите сюда, чтобы узнать больше об измерениях измерителя кривой. Если вы не решили, что хотите заниматься антеннами, которые утомительны по сравнению с отрицательным сопротивлением … возможно, вам понравится это видео.

Ингаляторы для сухого порошка: влияние устойчивости устройства и состава порошка на отложение лекарств и лактозы in vitro

Принципиально при составлении аэрозоля сухого порошка устройство должно обеспечивать доставку в легкие высокой фракции мелких частиц (FPF) лекарственного средства, в то время как любой носитель, такой как лактоза, должен оставаться в верхних дыхательных путях.И устройство, и сама композиция в виде сухого порошка вносят свой вклад в получаемую FPF, и в нескольких исследованиях рассматривалось отложение носителя лактозы. Целью данного исследования было определить эффект сопротивления устройства и влияние порошковой композиции на осаждение лекарственного средства и носителя. Измерение перепада давления на устройствах, исследованных в этом исследовании, показало, что два типа ингалятора Ingelheim имели самое высокое сопротивление, в то время как более низкие перепады давления были обнаружены на устройствах Diskhaler, Cyclohaler и Accuhaler.Самые низкие перепады давления были измерены на устройствах Rotahaler и Spinhaler. При использовании капсул Rotacaps 400 в качестве препарата сальбутамола FPF лекарственного средства была выше, чем у устройств с высоким сопротивлением, в следующем порядке: Ингаляторы Ingelheim> Cyclohaler> Rotahaler = Spinhaler. Тем не менее, Diskhaler, использующий формулу собственной разработки, дает самый высокий FPF, примерно вдвое больше, чем Accuhaler. Статистической разницы между FPF сальбутамола (приблизительно 20% номинальной дозы) из состава Rotacaps не было при аэрозольной обработке с использованием устройств с высоким сопротивлением (Inhalators Ingelheim), работающих при 30 л / мин, устройства среднего сопротивления (Cyclohaler), работающих при 60 л. мин-1 и устройства низкого сопротивления (Spinhaler и Rotahaler) работали при расходе 90 л / мин.Ventolin Diskhaler, использующий его собственный состав, работающий при 60 л / мин, дал FPF 40,33%, но полученный FPF был чувствителен к потоку, составляя только 25,65% от номинальной дозы при 30 л / мин. В то время как лактоза не была обнаружена в FPF из Accuhaler, работающего при 60 л / мин, 100, 400 и 3500 мкг были получены из Diskhaler, Rotacaps и микронизированной рецептуры лактозы, соответственно, при работе с той же скоростью потока. Рецептура собственного производства, содержащая сульфат сальбутамола, смешанный с микронизированной лактозой в массовом соотношении 1:67.5 и распыленный из Cyclohaler, давал FPF, аналогичный Diskhaler, при 60 л / мин. Когда поток воздуха был уменьшен до 30 л / мин, FPF из рецептуры собственного производства снизился значительно меньше, чем из рецептуры Diskhaler.

Устройство с гетеропереходом с множественным отрицательным дифференциальным сопротивлением и его схемное применение в троичной статической оперативной памяти

Для увеличения ограниченной битовой плотности в традиционной двоичной логической системе обширные исследовательские усилия были направлены на реализацию одиночных устройств с двумя пороговыми напряжениями ( В, _TH ), характеристикой через , одиночным отрицательным дифференциальным сопротивлением ( NDR) феномен.В частности, недавние достижения в формировании гетероструктур Ван-дер-Ваальса (ВДВ) с двумерными кристаллами открыли новые возможности для реализации таких туннельных устройств на основе NDR. Однако было сложно продемонстрировать три V _TH посредством явления множественного NDR (m-NDR) в одном устройстве даже при использовании гетероструктур vdW. Здесь мы показываем устройство m-NDR, сформированное на двойной гетероструктуре III типа BP / (ReS ₂ + HfS ₂ ).Это устройство m-NDR затем интегрируется с транзистором vdW, чтобы продемонстрировать троичную схему защелки vdW, способную сохранять три логических состояния. Наконец, тройная защелка расширена до троичной SRAM, и ее высокоскоростные операции записи и чтения теоретически проверены.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Измерение устройств с низким сопротивлением и сильным током с помощью прибора SourceMeter SMU

модели 2460

Введение

Измерения низкого сопротивления – хороший способ определить элементы сопротивления, которые изменились с течением времени.Часто эти типы измерения используются для оценки того, ухудшилось ли устройство или материал из-за факторы окружающей среды, такие как тепло, усталость, коррозия, вибрация и т. д. Для многих В приложениях эти измерения обычно ниже 10 Ом. Изменение в значение сопротивления часто является лучшим индикатором какой-либо формы деградации между двумя точками соприкосновения. Измерения низкого сопротивления, выполненные с использованием высоких токи обычно используются для оценки резисторов большой мощности, автоматических выключателей, переключатели, шины, кабели и соединители, а также другие элементы сопротивления.

Большинство цифровых мультиметров (DMM) не могут проводите измерения низкого сопротивления с помощью больших токов. Цифровой мультиметр в сочетании с источник питания будет работать, но эти инструменты сначала необходимо интегрировать в системы, чтобы автоматизировать процесс измерения, тогда сопротивление должно рассчитываться вручную.

Приборы

Source Measure Unit (SMU) или SourceMeter ^® инструменты могут упростить выполнение измерений низкого сопротивления при сильном токе стимул.Прибор SourceMeter способен производить поиск и измерять как ток и напряжение. Сильноточный источник тока модели 2460 SMU компании Keithley Прибор может подавать / потреблять большой ток и измерять напряжение. и тока, что делает его идеальным решением для измерения устройств с низким сопротивлением. требующие стимулирующих токов до 7А. Модель 2460 автоматически рассчитывает сопротивление, поэтому нет необходимости производить расчет вручную. Встроенные функции, такие как дистанционное зондирование и компенсация смещения, помогают оптимизировать измерения низкого сопротивления.Модель 2460 предлагает разрешение <1 мОм.

Измерения низкого сопротивления могут быть выполнены с использованием клеммы передней или задней панели модели 2460, как показано на рис. 1 и 2 . Обратите внимание, что клеммы на передней панели или на задней панели должны использоваться – соединения нельзя смешивать.

Когда провода подключены к тестируемому устройству (DUT), обратите внимание, что разъемы FORCE LO и SENSE LO подключены к одному из провода DUT и соединения FORCE HI и SENSE HI подключены к другой свинец.Сенсорные соединения следует подключать как можно ближе к резистору. под тестом насколько это возможно. Это четырехпроводное измерение компенсирует сопротивление измерительных проводов при измерении.

На рисунке 1 показана передняя панель. соединения, которые могут быть выполнены с помощью четырех изолированных банановых кабелей, на максимальный ток (7 А), например, два комплекта Keithley Model 8608 Набор высокопроизводительных зажимных проводов.

Рис. 1. Разъемы на передней панели модели 2460 для измерений низкого сопротивления

На рисунке 2 показаны соединения на задней панели, который может быть изготовлен с помощью комплекта разъемов с винтовым зажимом модели 2460-KIT. (входит в комплект модели 2460) или тестовые провода / адаптер для бананов модели 2460-BAN Кабель с соответствующей разводкой.

Рисунок 2. Низкоомные соединения модели 2460 на задней панели

Общие источники ошибок для низкого уровня Измерения сопротивления

При измерении низкого сопротивления возможны ошибки от различных источников, включая сопротивление выводов, неомические контакты и устройство обогрева.

Сопротивление свинца

Как показано на рис. 3 , все измерительные провода имеют некоторый уровень сопротивления, некоторые достигают сотен миллиомов. Это может приведет к неправильному измерению, если сопротивление провода достаточно велико.

Рисунок 3. Двухпроводное измерение сопротивления с помощью прибора SMU

.

Термоэлектрические напряжения

Термоэлектрические ЭДС или напряжения генерируются при разные части цепи находятся при разных температурах и когда проводники из разнородных материалов соединяются вместе. Несколько микровольт могут быть возникает из-за температурных градиентов в испытательной цепи, вызванных колебаниями температуры в лаборатории или сквозняк рядом с чувствительной схемой.

Неомические контакты

Неомические контакты очевидны, когда потенциал разница на контакте не линейно пропорциональна току протекает через него.Неомические контакты могут возникать в цепи низкого напряжения как результат оксидных пленок или других нелинейных связей. Для предотвращения неомического контактов, выберите подходящий контактный материал, например индий или золото. Делать убедитесь, что соответствие / предельное напряжение прибора SMU достаточно высокое, чтобы избежать проблемы из-за нелинейности контакта с источником. Для уменьшения погрешности из-за неомического включения вольтметра. контактов, используйте экранирование и соответствующее заземление для уменьшения наводок переменного тока. (Ссылаться к последнему изданию Руководства по низкоуровневым измерениям Кейтли для дополнительная информация о неомических контактах.)

Устройство обогрева

Испытательные токи, используемые для низкого сопротивления измерения часто намного превышают токи, используемые для высокого сопротивления измерения, поэтому рассеяние мощности в устройстве может быть учтено, если оно достаточно высок, чтобы вызвать изменение значения сопротивления устройства. Власть рассеивание в резисторе определяется по формуле:

P = I ² R.

Из этого соотношения мы видим, что мощность рассеивается в устройстве, увеличивается в четыре раза каждый раз, когда ток удваивается.Поэтому один из способов минимизировать эффект нагрева устройства – это использовать минимально возможный ток при сохранении желаемого напряжения на DUT. Если текущий уровень не может быть уменьшен, рассмотрите возможность использования узкого импульс тока, а не сигнал постоянного тока.

Как сделать низкое сопротивление высоким Текущие измерения успешно

Сопротивление выводов и четырехпроводное соединение (Кельвин) Метод

Измерения сопротивления часто выполняются с помощью Двухпроводный метод показан на Рисунок 3 .Испытательный ток принудительно проходит через измерительные провода и измеряемое сопротивление (R). Затем измеритель измеряет напряжение на сопротивлении через тот же набор измерительных проводов и вычисляет значение сопротивления соответственно.

Основная проблема с использованием двухпроводного метода для Измерение низкого сопротивления заключается в том, что к измерению добавляется общее сопротивление проводов (R _LEAD ). Учитывая, что испытательный ток (I) вызывает небольшое, но значительное падение напряжения между сопротивлениями проводов напряжение (В _M ), измеренное измерителем не будет точно таким же, как напряжение (V _R ) непосредственно на испытательное сопротивление (R), приводящее к значительной погрешности.Типичное сопротивление выводов диапазон от 1 мОм до 10 мОм, так что это очень сложно получить точные двухпроводные измерения сопротивления, когда сопротивление при тестировании ниже 10 Ом до 100 Ом (в зависимости от сопротивления проводов).

Из-за ограничений двухпроводного метода четырехпроводной (Кельвин) метод подключения, показанный на Рис. 4 обычно предпочтительнее для измерений низкого сопротивления. С этой конфигурацией тест ток (I) пропускается через испытательное сопротивление (R) через один набор испытательных проводов, в то время как напряжение (В _M ) на ИУ измеряется через второй набор отведений, называемых сенсорными отведениями.Хотя может течь небольшой ток через сенсорные выводы он обычно незначителен и обычно может быть проигнорирован для всех практических целей. Падение напряжения на измерительных выводах равно пренебрежимо мало, поэтому измеренное измерителем напряжение (V _M ) существенно то же, что и напряжение ( _R В) на сопротивлении (R). Следовательно, значение сопротивления можно определить гораздо точнее, чем двухпроводным методом. Обратите внимание, что провода измерения напряжения должны быть подключены как можно ближе к тестируемому сопротивлению, чтобы избежать включения сопротивление измерительных проводов при измерении.

Рисунок 4. Четырехпроводное измерение сопротивления с помощью прибора SMU

.

Термоэлектрические напряжения (ЭДС) и Сопротивление с компенсацией сопротивления Метод

Метод сопротивления с компенсацией смещения – это метод используется для минимизации термоэлектрических ЭДС. Как показано на рис. 5a , источник ток подается к измеряемому сопротивлению только в течение части цикл. Когда ток источника включен, полное напряжение, измеренное прибор ( Рисунок 5b ) включает падение напряжения на резисторе как а также любые термоэлектрические ЭДС.Во второй половине измерения цикла, ток источника устанавливается на ноль ампер и единственное напряжение, измеренное измеритель ( Рисунок 5c ) – это любая термоэлектрическая ЭДС, присутствующая в цепи. Учитывая, что V _EMF точно измеряется во второй половине цикла, его можно вычесть из измерения напряжения, сделанного во время первого половина цикла, поэтому измерение напряжения с компенсацией смещения становится:

ВМ = ВМ1 – ВМ2

ВМ = (VEMF + ИК) – VEMF

В _M = I _R и,

R = V _M / I

Опять же, обратите внимание, что процесс измерения отменяет термоэлектрический член ЭДС (В _ЭДС ).

Рис. 5. Метод измерения сопротивления с компенсацией смещения

Ограничения по приборам

Даже такое оборудование, как SMU приборы, которые могут подавать постоянный ток до 7А, имеют ограничения на общую количество мощности, которое он может выдать, что может повлиять на значение сопротивления, которое может быть измеренным. Этот предел является функцией внутренней конструкции оборудования и обычно зависит от проектных параметров, таких как максимальная мощность источник питания внутри самого прибора, безопасная рабочая зона (SOA) дискретных компонентов, используемых в приборе, расстояние между металлами линии на внутренней печатной плате прибора и т. д.Что-нибудь из этого проектные параметры ограничены максимальным пределом тока, некоторые – максимальным пределы напряжения, а некоторые – пределы максимальной мощности (I × V).

На рисунке 6 показано максимальное значение постоянного тока модели 2460. ток и мощность в различных рабочих точках. Например, максимальный ток в огибающей мощности SMU 7A (точка A на рисунке) и максимальное напряжение 100В (точка D). Максимальная выходная мощность SMU составляет 100 Вт, что составляет достигается в точке D (1 А × 100 В). В точке А мощность ниже – 49 Вт.

Рис. 6. Огибающая мощности сильноточного SMU прибора модели 2460

Измерительные приборы с низким сопротивлением с 2460 Возможность измерения высокого тока прибора SourceMeter

Измерения низкого сопротивления могут быть выполнены с на передней панели или через удаленный интерфейс, используя код SCPI или код TSP. Этот включает следующие шаги:

• Перезагрузите прибор.

• Выберите источник тока и функция измерения сопротивления.

• Установите текущее исходное значение.

• Выбрать четырехпроводный (дистанционный) режим. Это исключает влияние сопротивления свинца на точность измерения.

• Включить смещение компенсация. Это уменьшает смещения, вызванные термоэлектрическими напряжениями.

• Включите источник вывода и начать измерения.

• Создать показания с лицевой панели или удаленного интерфейса.

• Выключите выход источника.

Настройте измерение с передняя панель Для настройки приложение с лицевой панели:

Выполнение подключений из модели 2460 к тестируемому устройству.

1. Сбросьте прибор:

а. Нажмите клавишу MENU .

г. В разделе Система выберите Управление .

г. Выберите Сброс системы .

г. Выберите ОК .

2. Нажмите кнопку FUNCTION .

3. В разделе Source Current and Measure выберите Resistance .

4. Нажмите клавишу HOME .

5. В в области ТЕКУЩИЙ ИСТОЧНИК нажмите кнопку рядом с источником.Выберите источник ценить.

6. Нажмите клавишу MENU . В разделе «Измерение» выберите Настройки .

7. Для Sense Mode выберите 4-Wire Sense .

8. Рядом с Offset Comp выберите на .

9. Нажмите клавишу HOME .

10. Нажмите кнопку OUTPUT. Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ для включения выхода и начала измерений.

11. Нажмите кнопку выхода OUTPUT. Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ для отключения выхода и прекращения измерений.

Прибор отображает измерения в области ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ на главном экране.

Рис. 7. Вид передней панели главного экрана модели 2460

Просмотрите измерения на передняя панель, перелистываемый экран TREND и полный экран GRAPH.

Результат измерения сопротивления и текущий источник можно просмотреть на передней панели.

Измерения сопротивления могут быть рассматривается как функция времени на прокручиваемом экране ТРЕНД.Чтобы получить доступ к этому экрану, проведите вправо в нижней части главного экрана. График, похожий на один из Рисунок 8 Появится .

Рис. 8. Перелистываемый экран модели 2460 TREND

Чтобы увидеть график в полноэкранном режиме, проведите вверх по проведите пальцем по экрану ТЕНДЕНЦИЯ, чтобы открыть экран графика.

Просмотр статистики буфера на Передняя панель.

Перелистывающий экран STATISTICS на передней панели модели 2460 отображает разнообразную статистику измерений, в том числе:

• Имя буфера

• Минимальные, максимальные и средние значения чтения

• Среднеквадратичное отклонение

Рисунок 9.Модель 2460 СТАТИСТИКА прокручиваемый экран

Установить низкое сопротивление приложение с помощью команд SCPI.

Следующая последовательность команд SCPI составляет 100 Измерения низкого сопротивления путем измерения тока и сопротивления. В В этом примере задаются величина тока источника и предельное напряжение. автоматически. Дистанционные команды используются для изменения дисплея передней панели на отобразить прокручиваемый экран ТРЕНД, который позволяет просматривать числовые данные в верхней части экран и графические данные внизу экрана.

Некоторые изменения могут потребуются для того, чтобы этот код работал в определенной среде программирования. послать следующие команды для этого примера приложения:

Команда	Описание
* RST	Сбросить Модель 2460.
TRIG: LOAD: LOOP: SIMP 100	Настройка модели триггера Simple Loop шаблон, чтобы сделать 100 чтений.
SENS: FUNC «ВИЭ»	Установить на измерить сопротивление.
SENS: RES: RANG: AUTO НА	Включить авто диапазон.
SENS: RES: OCOM НА	Включить компенсация смещения.
SENS: RES: RSEN НА	Настроить на использование 4-проводной режим считывания.
DISP: SCR УЧАСТОК	Показать ТЕНДЕНЦИЯ, проведите пальцем по экрану.
НА ВЫХОДЕ	Включите выход.
INIT	Посвященный чтения.
* WAI	Подождите, пока законченный.
TRAC: ДАННЫЕ? 1, 100, «defbuffer1», ПРОЧИТАЙТЕ, ОТНОСИТЕСЬ	Прочитать значения сопротивления и времени из defbuffer1.
ВЫХОД ВЫКЛ.	Выключите выход.

Установить низкое сопротивление приложение с помощью команд TSP.

Следующий код TSP разработан для запуска от Keithley’s Построитель тестовых сценариев (TSB). TSB – это программный инструмент, доступный через Keithley Веб-сайт инструментов. После установки TSB можно использовать для написания кода и разработки скрипты для инструментов с TSP. Информация о том, как использовать этот инструмент доступны в файле онлайн-справки TSB и в разделе «Введение в работу TSP» раздел Справочного руководства модели 2460.

Чтобы использовать другие среды программирования, это может быть необходимо изменить пример кода TSP. По умолчанию модель 2460 настроен на использование набора команд SCPI. Всегда выбирайте набор команд TSP перед отправкой команд TSP на прибор.

Чтобы включить команды TSP:

1. Нажмите клавишу МЕНЮ .

2. ниже Система, выберите Настройки .

3.Для Набор команд, выберите TSP .

4.Ат в приглашении на перезагрузку выберите Да .

Эта последовательность команд TSP составляет 100 младших измерения сопротивления путем измерения тока и сопротивления. В этом Например, величина тока источника и предельное напряжение устанавливаются автоматически. Он использует удаленные команды для изменения дисплея передней панели на свайп TREND. экран. Это позволяет просматривать числовые данные в верхней части экрана и графические данные внизу экрана. После выполнения кода данные отображается в инструментальной консоли построителя тестовых скриптов.

Отправьте следующие команды для этого примера приложения:

– Сбросить Сброс прибора к настройкам по умолчанию () – Настройте шаблон модели триггера Simple Loop на 100 чтения. trigger.model.load (“SimpleLoop”, 100) – Измените вид на передней панели на ТРЕНД свайп экран. display.changescreen (display.SCREEN_ PLOT_SWIPE) – Установите для измерения сопротивления, используйте 4-проводное соединение. смысл, –и компенсация смещения.smu.measure.func = smu.FUNC_RESISTANCE smu.measure.sense = smu.SENSE_4WIRE smu.measure.offsetcompensation = smu.ON – Включить вывод smu.source.output = smu.ON – Инициируйте модель триггера и подождите, пока законченный. trigger.model.initiate () waitcomplete () – выключить вывод smu.source.output = smu.OFF – Считайте значения сопротивления и времени из defbuffer1. print (“Resistance: \ tTime:”) для i = 1, 100 сделать print (string.format (“% f \ t% f”, defbuffer1 [i], defbuffer1.relativetimestamps [i])) конец

Прибор SourceMeter SMU модели 2460 является идеальный инструмент для определения характеристик устройств с высоким током, низким сопротивлением и компоненты из-за его четырехквадрантной конструкции, высокой выходной мощности и способности для точного измерения как тока, так и напряжения. Использование одного инструмента для выполнение таких тестов упрощает настройку теста, сокращает время программирования и экономит стоечное пространство.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

границ | Машинное обучение позволяет точно прогнозировать лекарственную устойчивость Mycobacterium tuberculosis на основе данных секвенирования всего генома

Введение

Туберкулез (ТБ), вызываемый бактериями Mycobacterium tuberculosis , остается серьезной проблемой для общественного здравоохранения с более чем 10.0 миллионов человек, инфицированных туберкулезом, и, по оценкам, 1,6 миллиона смертей в 2017 году (Всемирная организация здравоохранения, 2018a). Растущая распространенность лекарственной устойчивости представляет собой серьезную проблему для эффективного контроля над туберкулезом (Всемирная организация здравоохранения, 2018b). В основе противотуберкулезной терапии первой линии лежат четыре препарата: рифампицин (RIF), изониазид (INH), этамбутол (EMB) и пиразинамид (PZA) (Всемирная организация здравоохранения, 2017). M. tuberculosis штаммов, устойчивых как минимум к RIF и INH, называются мультирезистентными (МЛУ-ТБ), при этом в 2017 г. было зарегистрировано> 550 000 новых случаев резистентности (Всемирная организация здравоохранения, 2018b).Дополнительная устойчивость к препаратам второго ряда, фторхинолонам [FQ; ципрофлоксацин (CIP), офлоксацин (OFL) или моксифлоксацин (MOX)] и инъекционные препараты [INJ; амикацин (AMK), канамицин (KAN), капреомицин (CAP)] называют широко лекарственной устойчивостью (ШЛУ-ТБ), и такие случаи зарегистрированы более чем в 115 странах (Всемирная организация здравоохранения, 2018b). Обычные схемы лечения туберкулеза относительно продолжительны (> 6 месяцев) и включают одновременное применение нескольких препаратов (Всемирная организация здравоохранения, 2017).Лечение лекарственно-устойчивого туберкулеза является еще более длительным и включает препараты с тяжелыми побочными эффектами и меньшей эффективностью (Всемирная организация здравоохранения, 2018a).

Противотуберкулезные препараты действуют на M. tuberculosis посредством трех основных механизмов: (i) блокирование ферментов, участвующих в синтезе компонентов клеточной стенки (например, EMB), (ii) нарушение синтеза белка на уровне рибосомы [например, стрептомицин (STM)] и (iii) препятствие различным процессам на уровне ДНК, таким как синтез РНК / ДНК (например,g., RIF, FQ) (Nasiri et al., 2017). Хотя механизмы устойчивости M. tuberculosis к лекарственным средствам до конца не изучены, было обнаружено, что они управляются в основном однонуклеотидными полиморфизмами (SNP) или другими полиморфизмами (например, небольшими вставками и делециями, «инделками»), приводящими к модификации лекарственные мишени (например, ген rpoB для RIF, гены gidB и rpsL для STM, ген embB для EMB, гены gyrA и gyrB для FQ, rrs ген для INJ) или потеря способности активировать пролекарства (например,g., ген katG для INH, ген pncA для PZA) (Gygli et al., 2017). Мутации могут быть локализованы в кодирующих областях генов или внутри промоторов [например, промотор inhA для устойчивости к INH и этионамиду (ETH)] (Palomino and Martin, 2014). Мутация устойчивости может напрямую изменять действие лекарства или быть компенсирующей через активацию альтернативного пути. Мутации могут вызывать устойчивость к нескольким лекарствам и вносить вклад в сложные взаимодействия генов (Safi et al., 2013; Траунер и др., 2014; Gygli et al., 2017).

Устойчивость к лекарствам традиционно диагностируется с помощью бактериального посева и фенотипического тестирования, когда выявление устойчивости к препаратам первого ряда приводит к оценке схем второго ряда. Однако этот подход является относительно медленным и дорогим, и ему присущи неточности и проблемы с воспроизводимостью (Farhat et al., 2016). Полногеномное секвенирование (WGS) все чаще используется в качестве диагностического инструмента для быстрого выявления более широкого набора мутаций для информирования принятия клинических решений (Dheda et al., 2017). WGS также можно использовать для идентификации новых предполагаемых локусов устойчивости, например, с помощью общегеномной ассоциации (GWAS) и подходов конвергентной эволюции на основе филогенетического дерева (Coll et al., 2018). Классические методы регрессии с включением методов регуляризации и без них применялись в контексте GWAS для улучшения обобщаемости модели и предотвращения переобучения модели. Однако эти методы могут не обнаруживать взаимодействия между ковариатами и могут быть менее подходящими для анализа больших и многомерных наборов данных, которые возникают в результате крупномасштабных проектов WGS (Lunetta et al., 2004; Hastie et al., 2009). Этот вопрос имеет особую актуальность, поскольку предыдущие исследования показали, что могут иметь место еще не обнаруженные эпистатические эффекты, которые могут повлиять на устойчивость (Farhat et al., 2016).

Машинное обучение занимается разработкой и применением ресурсоемких аналитических методов для извлечения информации из сложных наборов данных с упором на задачу прогнозирования. С увеличением числа клинических изолятов M. tuberculosis , подвергнутых WGS, и увеличением числа локусов, участвующих в резистентности, машинное обучение предлагает дополнительный подход к GWAS на основе регрессии, поскольку оно обладает превосходной способностью адаптироваться к растущему количеству клинических и биологические данные.По сравнению с регрессией, непараметрические методы машинного обучения, такие как деревья классификации (CT) и деревья с градиентным усилением (GBT), имеют несколько базовых допущений модели, связанных с распределением и функциональными отношениями между включенными ковариатами или предикторами. Они потенциально обеспечивают большую гибкость для задач прогнозирования в многомерных пространствах переменных, когда каждая отдельная ковариата может содержать ограниченную информацию, а взаимодействия ковариант важны (Lunetta et al., 2004; Heidema et al., 2007; Hastie et al., 2009). CT и GBT – это методы рекурсивного разделения, которые превзошли другие методы классификации в исследованиях на уровне всего генома (Chen and Ishwaran, 2012) и обеспечивают прогнозы и ранжированную важность предикторов в качестве выходных данных (Efron and Hastie, 2017). GBT, в частности, достигли самых современных результатов по многим стандартным тестам классификации и продемонстрировали масштабируемость и скорость, что позволяет предположить, что они могут хорошо работать в исследованиях лекарственной устойчивости (Chen and Guestrin, 2016).Мы стремимся использовать отличную интерпретируемость CT с превосходными характеристиками прогнозирования GBT.

Методы машинного обучения ранее применялись в контексте туберкулеза, в том числе для поддержки цифрового рентгеновского анализа (Lakhani and Sundaram, 2017), разработки лекарств и оценки противотуберкулезных свойств соединений (Periwal et al., 2011). В контексте прогнозирования лекарственной устойчивости патогенов исследователи попытались применить случайную лесную классификацию и модели GBT (Farhat et al., 2016; Ян и др., 2018; Кучаки и др., 2018). Что касается туберкулеза, к разным лекарствам в рамках одного исследования применялись разные статистические модели, вместо того чтобы применять единый подход ко всем лекарствам (Kouchaki et al., 2018). Наш подход отличается от этих и других исследований одним или несколькими из следующих аспектов. Во-первых, наш набор данных – один из крупнейших по туберкулезу, состоящий из почти 17000 изолятов M. tuberculosis , полученных по всему миру, и учитывает фенотипические данные для более широкого диапазона лекарств ( n = 14), в том числе для менее часто используемых, таких как в виде пара-аминосалициловой кислоты (ПАСК), циклосерина (CYS) и ETH.Мы не только сосредотачиваемся на известных SNP или генах устойчивости к лекарствам, но также анализируем (640K) SNP для всего генома с возможностью информирования об открытии новых вариантов. Таким образом, наш набор данных предоставляет уникальную возможность оценить методы машинного обучения, которые могут быть применены в клинических условиях, на основе реальных «больших данных» M. tuberculosis . Во-вторых, мы используем комбинацию CT и GBT для оптимизации прогноза устойчивости и обнаружения SNP (Hastie et al., 2009). В-третьих, мы оцениваем влияние и последствия включения маркеров «сопутствующей резистентности» в модели прогнозирования.Известно, что эти мутации вызывают устойчивость к другим лекарствам. Кроме того, мы разработали новый подход для графической интерпретации и ранжирования результатов моделей GBT и предложили приблизительные новые пороги обнаружения SNP, поддерживающие обнаружение и интерпретацию предполагаемых новых SNP, связанных с лекарственной устойчивостью. Таким образом, мы исследуем потенциал применения передовых методов машинного обучения CT и GBT для прогнозирования лекарственной устойчивости и, таким образом, поддержки эпиднадзора и принятия клинических решений, а также помощи в обнаружении предполагаемых новых SNP, связанных с устойчивостью.

Результаты

M. Tuberculosis Данные о последовательностях, генетическом разнообразии и лекарственной устойчивости

Данные тестирования WGS и лекарственной чувствительности были доступны для 16688 изолятов (таблица S1), которые охватывают четыре основные линии (L1, 11,1%; L2 , 21,9%; L3, 17,0%; L4, 50,1%; таблица S2). Среди изолятов было идентифицировано 642 580 высококачественных полногеномных SNP, большинство из которых приходилось на генные области (91,6%; 56,9% мутаций приводили к несинонимичным аминокислотным изменениям). Большинство SNP (98.9%) имеют низкие частоты минорных аллелей (<1%). Мы также включили ковариаты, представляющие агрегацию несинонимичных мутаций по локусу в рамках нашего подхода к машинному обучению. Филогенетическое дерево, построенное с использованием всех SNP по всему геному, выявило ожидаемую кластеризацию по клонам (рис. 1). В подходах CT и GBT реализованы также выбранные маркеры, специфичные для клонов, для учета филогеографической стратификации населения.

Рисунок 1 Филогенетическое дерево * (прилагается в виде отдельного файла) * Дерево включает все 16 688 изолятов, дополненных дополнительными данными по линиям 5–7 и M.bovis . Дерево было подогнано с использованием подхода максимального правдоподобия, реализованного в RAxML (Stamakis, 2014).

Лабораторные исследования лекарственной чувствительности (ТЛЧ) противотуберкулезных препаратов показали, что 35,5% изолятов имели фенотип устойчивости (МЛУ-ТБ, 22,5%; ШЛУ-ТБ, 2,1%; другие, 11,0%; Таблица 1; Таблица S2; Таблица S3). Из-за передискретизации эти показатели выше, чем те, которые обычно наблюдаются в клинических условиях или в условиях эпиднадзора. В полногеномный анализ были включены четырнадцать препаратов: INH, RIF, ETH, PZA, EMB, STM, AMK, CAP, KAN, CIP, OFL, MOX, CYS и PAS, а также комбинированный фенотип МЛУ-ТБ.Фенотипические данные ТЛЧ не были доступны для каждого изолята по каждому из 14 препаратов, поскольку только те люди, которые устойчивы к лечению первой линии, обычно тестируются на устойчивость к препаратам второй линии. Таким образом, количество протестированных образцов варьировалось от> 16000 для наиболее часто тестируемых препаратов первого ряда (INH и RIF; ≥98,0%) до <407 (≤2,4%) для менее часто оцениваемых фенотипически препаратов, таких как PAS, CYS и CIP (таблица S3). Недостаточно фенотипических данных для включения новых и перепрофилированных препаратов, таких как бедаквилин, деламанид и линезолид, а также для лечения ШЛУ-ТБ.

Таблица 1 Локусы лекарственной устойчивости, идентифицированные в моделях машинного обучения.

Модели машинного обучения для прогнозирования лекарственной устойчивости

Подходы CT и GBT использовались для прогнозирования лекарственной устойчивости и поддержки открытия новых SNP. Мы подобрали модели CT, используя наборы данных, состоящие либо из SNP в генах, которые, как известно, связаны с лекарственной устойчивостью (CT-KDG), либо из всего генома (CT-ALL). Одна модель GBT была адаптирована к наборам данных со всеми SNP для всего генома (GBT-ALL). Все эти три модели (CT-KDG, CT-ALL и GBT-ALL) исключили известные маркеры сопутствующей резистентности.Мы использовали один дополнительный подход (GBT-CRM), который включал в модель все SNP по всему геному и, следовательно, потенциальные маркеры сопутствующей резистентности. Наконец, с целью сравнения, мы приспособили модель логистической регрессии (LR) к SNP в генах, которые, как известно, связаны с лекарственной устойчивостью (LR-KDG). Для всех подходов мы также включили агрегированный подсчет всех несинонимичных мутаций на ген в наборе данных, чтобы модели могли использовать эту ковариату в качестве потенциальной отправной точки и потенциально охватить известные мутации устойчивости, которые имеют низкую частоту (Phelan et al., 2019). Следует отметить, что набор данных не содержал больших делеций, которые, как мы обнаружили, присутствуют в некоторых устойчивых изолятах, но в целом с очень низкой частотой (Coll et al., 2018). Полученные в результате модели CT-KDG включали от одного до четырех SNP или локусов. Для CT-ALL и GBT-ALL количество выбранных предикторов варьировало от 1 до 10 и от 30 до 134, соответственно (таблица 1), и включали маркеры клонов или штаммов, которые не связаны причинно с устойчивостью. Все модели перекрываются в отношении известных локусов лекарственной устойчивости (таблица 1), подтверждая, что они являются наиболее сильными предикторами устойчивости.В некоторых случаях модели CT-KDG и CT-ALL были идентичны (например, RIF, EMB, AMK, CAP, CIP, OFL).

Производительность моделей машинного обучения

Прогностическая эффективность подходов к машинному обучению была оценена путем расчета чувствительности и специфичности, а также площади под кривой рабочих характеристик приемника (AUC), предполагая, что лабораторный результат ТЛЧ был золотым стандартом ( Таблица 2). Чувствительность GBT-CRM для RIF (88,8%) и INH (91,1%) была выше, чем для EMB (82.8%) и PZA (69,7%). Чувствительность к фторхинолонам была самой высокой для CIP (85,7%), за ним следовали OFL (81,0%) и MOX (53,3%). Чувствительность к инъекционным препаратам была самой высокой для KAN (82,2%), за ней следовали AMK (80,5%) и CAP (74,6%). Чувствительность модели для остальных препаратов [ETH (68,1%), CYS (50,0%) и PAS (20,0%)] существенно ниже. Общая чувствительность к МЛУ-ТБ составила 90,4%. Модель GBT-ALL имела тенденцию превосходить модели CT по чувствительности и специфичности, а CT-ALL имела более высокие характеристики, чем CT-KDG.Значения AUC для большинства основных препаратов первого и второго ряда для модели GBT были выше 90% (а часто и выше 95%) (таблица S4). Общая прогностическая эффективность моделей CYS и PAS была относительно слабой. Как правило, необходимы более крупные наборы данных с хорошо охарактеризованными фенотипами PAS и CYS, чтобы помочь идентифицировать полный репертуар связанных мутаций устойчивости (Farhat et al., 2016; Coll et al., 2018).

Таблица 2 Чувствительность, специфичность и точность для моделей (максимальное значение для каждой меры прогноза выделено жирным шрифтом).

Сравнение GBT-CRM и других моделей машинного обучения

Благодаря включению маркеров сопутствующей резистентности, модель GBT-CRM почти всегда была лучшей с точки зрения точности прогноза и AUC, с заметным улучшением для PZA и PAS (Таблица S1). Модель GBT-ALL, которая исключает сопутствующие маркеры устойчивости, но может включать маркеры взаимодействия и маркеры штаммов, также имеет тенденцию превосходить модели KDG, но в меньшей степени, чем GBT-CRM. Разница в прогностической эффективности между моделями GBT-ALL и KDG была особенно большой для ETH и CYS.

Сравнение с панелью известных мутаций в

Silico и GWAS

Мы также сравнили прогностические способности моделей GBT-ALL, CT-ALL и CT-KDG с таковыми из панели мутаций TB-Profiler, состоящей из> 1300 маркеры 14 препаратов (таблица S5) (Coll et al., 2015; Phelan et al., 2019). Во-первых, мы использовали только те маркеры с частотой минорных аллелей> 0,5% для прогнозирования устойчивости («TB Panel»; S6 Table) и достигли производительности, аналогичной моделям KDG (Таблица 2).Затем мы использовали панель мутаций TB-Profiler (полная) и программное обеспечение (Phelan et al., 2019), которое управляет наблюдаемыми мутациями сдвига рамки считывания, большими делециями и миссенс-мутациями в известных генах устойчивости. Поскольку TB-Profiler включает мутации, встречающиеся с низкой частотой, предсказанная точность была выше, чем подходы машинного обучения для большинства лекарств. Для пяти лекарств, механизмы устойчивости которых менее понятны, включая STM, ETH и PAS, модель GBT-CRM показала несколько лучшую эффективность, чем TB-Profiler (таблица S6).Мы также сравнили прогностические способности GBT-CRM с возможностями обновленного анализа GWAS [реализация аналогична (Coll et al., 2018)] (таблица S6). В целом точность обеих моделей была в одном диапазоне (разница <1%) для большинства препаратов, за исключением CAP, KAN и CYS, где эффективность GWAS была заметно выше, и за исключением PZA, MOX, и ETH, где производительность GBT-CRM была лучше.

Сравнение с другими исследованиями, в которых применяются методы машинного обучения

Мы сравнили наши модели с результатами четырех недавних исследований, в которых применялись разные модели машинного обучения (Yang et al., 2018; Кучаки и др., 2018; Чен и др., 2019; Ян и др., 2019). В частности, мы сравнили как средние, так и максимальные из представленных результатов для каждого показателя (чувствительность, специфичность, AUC) для каждого препарата в четырех исследованиях (таблица S7; таблица S8). Все сравнительные исследования включали маркеры сопутствующей резистентности. Специфика модели GBT-CRM, как правило, была больше. Чувствительность, как правило, была выше для одной или нескольких моделей, использованных в других исследованиях. Однако в целом для шести препаратов (PZA, AMK, CAP, KAN, CIP и MOX) показатели AUC GBT-CRM были выше, чем для лучшей модели для этого конкретного препарата в других исследованиях.

Обнаружение и интерпретация предполагаемых новых SNP

Подходы на основе CT-ALL и GBT не обнаружили никаких предполагаемых новых SNP, которые соответствовали бы строгим порогам обнаружения. Мы представляем и демонстрируем новый визуальный подход к ранжированию мутаций, который использует результаты модели GBT-ALL (S1, рис.). Ряд известных кандидатов (например, Rv1463 для устойчивости к RIF) представлены с ограниченными доказательствами.

Обсуждение

С развертыванием диагностики ТБ на основе WGS во многих странах (включая Великобританию) (PHE, 2018) возникла необходимость в разработке глобальных наборов данных и баз данных по ТБ (Coll et al., 2018; ReSeqTB, 2018), что, в свою очередь, потребует внедрения аналитических подходов к «большим данным» (например, методов машинного обучения) для оказания помощи в принятии решений по клиническим и контрольным программам. Мы показали, что подходы машинного обучения CT и GBT могут играть добавочную роль в прогнозировании лекарственной устойчивости и возможном обнаружении новых предполагаемых вариантов. В целом прогностические характеристики моделей CT уступали подходам GBT, но они отражали наиболее распространенные мутации, вызывающие резистентность.При использовании совокупного количества несинонимичных мутаций в известных генах устойчивости в качестве предиктора на деревьях модели CT не включали какие-либо известные отдельные SNP в этом соответствующем гене исключительным образом в качестве дополнительного предиктора. Это наблюдение обеспечивает не только поддержку достоверности и точности общих списков TB-Profiler, но и использование агрегирования в качестве метода первого анализа для идентификации соответствующих генов. Возможное исключение относится к KAN, CAP и AMK, где модели машинного обучения выбрали подмножество списка SNP TB-Profiler.

Прогностическая эффективность моделей GBT, и особенно модели GBT-CRM, аналогична или выше, чем у моделей, разработанных в других исследованиях (Yang et al., 2018; Kouchaki et al., 2018; Chen et al. , 2019; Ян и др., 2019). Производительность более сложных моделей GBT (GBT-ALL и GBT-CRM) в некоторых случаях хуже, чем у TB-profiler (Phelan et al., 2019), но на сравнение влияет тот факт, что последний подход использует редкие аллели. и удаления для предсказания. Для некоторых препаратов, у которых мутации устойчивости не установлены полностью (например,g., CYS, STM и PAS) модель GBT-CRM имела такую ​​же или лучшую прогностическую эффективность, что и панель TB-profiler. Улучшенная производительность GBT-CRM по сравнению с моделями GBT-ALL и CT может быть объяснена его способностью фиксировать ковариативные взаимодействия и включением маркеров сопутствующей резистентности и специфичных для штамма SNP, которые могут быть информативными при вспышках резистентности, но сами по себе могут быть связано с трансмиссивностью, а не с лекарственной устойчивостью. Включение маркеров сопутствующей резистентности может привести к излишнему оптимизму в расчетных показателях, что может не оптимальным образом применяться в клинической практике.Это смещение оптимизма влияет как на прогнозирование, так и на обнаружение (т. Е. Посредством ранжирования мутаций) и может быть вызвано взаимодействием между высокими ошибками измерения ТЛЧ (например, для пиразинамида) (APHL, 2016), последовательным тестированием, данными из мест, где имеется доступность лекарств. не регулируется, структура и стратификация наборов данных, а также механизмы дифференциальной устойчивости не зафиксированы в базе данных (например, типы штаммов Lisboa, которые имеют разные мутации МЛУ-ТБ) (Coll et al., 2018). В идеале прогнозы устойчивости должны основываться на лежащих в основе биологических механизмах, при этом сопутствующие мутации имеют небольшой эффект, тем самым помогая идентифицировать новые предполагаемые маркеры и пути.Хотя наш анализ машинного обучения не показал никаких новых SNP при используемых порогах важности, в целом подход ранжирует информативность мутаций SNP, что помогает обнаруживать новые полиморфизмы. По мере того, как базы данных становятся больше с большим количеством хорошо охарактеризованных образцов устойчивости, особенно для препаратов третьей линии, повышается потенциал для выявления новых мутаций устойчивости с использованием подходов машинного обучения.

Как и ожидалось, общая способность прогнозирования устойчивости к изониазиду, рифу и МЛУ-ТБ при использовании подходов машинного обучения была высокой (чувствительность ~ 90%), поскольку основные мутации и локусы хорошо установлены.Однако 10% случаев резистентности не были выявлены моделями. Генотипически-фенотипическое несоответствие, измеренное с помощью модели GBT-ALL, было выше для других препаратов первого ряда (например, EMB, ∼20% и PZA, ∼60%) и препаратов второго ряда (AMK и CAP, ∼20–20%). 25%; ETH, ∼35%; CYS, ∼55%), а большие расхождения указывают на неизвестные генетические факторы. Тем не менее, потенциально могут иметь место другие факторы, включая лабораторные ошибки ТЛЧ или неверно указанные или усеченные контрольные точки при анализе лекарств (Всемирная организация здравоохранения, 2018c), усиление оттока-насоса (Balganesh et al., 2012; Gygli et al., 2017), а также эффекты эпигенетики и гетерорезистентности (Folkvardsen et al., 2013; Farhat et al., 2016). Например, недавний пересмотр в сторону понижения критических концентраций фторхинолонов и инъекционных препаратов, вероятно, снизит специфичность и повысит чувствительность анализа на основе WGS (Всемирная организация здравоохранения, 2018c). В будущих исследованиях следует стремиться использовать количественные показатели минимальной ингибирующей концентрации в качестве фенотипов (Farhat et al., 2018). Что касается гетерорезистентности, то при смешанной инфекции встречаются мутации как устойчивости, так и мутации дикого типа.Если устойчивый штамм имеет относительно низкую численность, препарат может быть помечен как устойчивый по результатам ТЛЧ, но чувствительный при геномном секвенировании (Folkvardsen et al., 2013; Farhat et al., 2016), что приводит к ложноотрицательным результатам. Из 32 лекарств-мишеней в библиотеке мутаций TB-Profiler 28, по-видимому, имеют некоторые доказательства гетерорезистентности в наборе данных 17k (Phelan et al., 2019). При более низком уровне ошибок и большей глубине WGS обнаружение таких низкочастотных вариантов возможно; поэтому в сочетании с надежными биоинформатическими подходами секвенирование рассматривается как золотой стандарт для характеристики лекарственной устойчивости (Coll et al., 2018).

Таким образом, наш подход показал, что машинное обучение может надежно прогнозировать лекарственную устойчивость и информировать о лежащих в ее основе мутациях. Более того, такие подходы станут масштабируемыми, когда WGS станет рутинным и потребуется все больше анализов «больших данных».

Материалы и методы

Фенотипические данные и данные секвенирования

Набор данных состоит из 16 688 изолятов (линии 1–4) с данными WGS и фенотипическими данными ТЛЧ (номера доступа см. В таблице S1). Лабораторное тестирование лекарственной чувствительности проводилось в соответствии с рекомендованными ВОЗ протоколами и практикой [см.(Coll et al., 2018)]. Необработанные данные последовательности были сопоставлены с эталонным геномом h4Rv с использованием программного обеспечения bwa-mem , а SNP, вставки и делеции (инделции) были вызваны из консенсуса GATK и программного обеспечения samtools . Окончательный набор SNP ( N = 642 580) и инделей включал те, у которых низкий уровень отсутствующих генотипов (<2%), и исключал те, которые принадлежали к гипервариабельным семействам генов PE / PPE. Недостающие значения были вменены с использованием метода вменения ближайшего соседа. Набор данных был дополнен ковариатами, которые суммировали количество несинонимичных мутаций, изолированных в локусе.

Подгонка моделей машинного обучения

CT (Hastie et al., 2009) были созданы из двух наборов SNP: один основан на наборах известных генов лекарственной устойчивости (Coll et al., 2015) ( N = 1421 SNP; «CT-KDG»), а другой – с использованием всех SNP в наборе данных ( N = 641 159, «CT-ALL»). Алгоритмы CT создают только одно легко интерпретируемое дерево в качестве выходных данных. Модели GBT (Friedman, 2000; Hastie et al., 2009) были приспособлены к набору данных SNP для всего генома (GBT-ALL), что привело к ансамблю коротких и неуклюжих деревьев решений, построенных адаптивным образом.Модели GBT позволили нам выйти за рамки бинарного включения SNP в окончательную модель и оценить, с целью обнаружения SNP, вес и важность включенных SNP. Модель LR была применена к тому же набору SNP, что и модель CT-KDG. Как уже упоминалось, мы исключили известные маркеры резистентности для препаратов, которые не были интересующим фенотипом в каждой отдельной модели в логистической регрессии LR-KDG, CT-KDG, CT-ALL и GBT-ALL, но включили эти маркеры в GBT- CRM-подход.

Мы создали разделение в наборе данных, где 80% использовалось в качестве набора для обучения и проверки, а 20% использовалось в качестве набора для тестирования.Мы применили пятикратную перекрестную проверку к обучающей выборке для расчета точности прогноза и использовали ее для выбора параметра максимальной глубины моделей CT и GBT. (Hastie et al., 2009). Штрафная модель LR прошла перекрестную проверку на силу регуляризации C для штрафа L1. Окончательные модели были обучены на обучающем наборе и впоследствии были применены к набору тестов, а результаты были представлены в разделе «Результаты». Для моделей CT параметр максимальной глубины был выбран как наименьшее значение, которое находится в пределах одной стандартной ошибки от наиболее эффективной настройки максимальной глубины.Мы следовали этому правилу «одной стандартной ошибки», чтобы побудить к выбору экономных моделей и снизить риск чрезмерной подгонки (Hastie et al., 2009). В обеих моделях GBT и CT прогнозы в конечных листовых узлах дерева определялись классом большинства в этих узлах. Сообщенные оценки (чувствительность, специфичность, точность, положительное прогнозируемое значение, отрицательное прогнозируемое значение и AUC) были рассчитаны после подгонки модели к набору обучающих данных с максимальной глубиной, как описано выше, и другими значениями параметров (описанными в таблице S9).Модели GBT основаны на ансамбле из 50 деревьев (для облегчения последовательного сравнения лекарств в отношении ранжирования мутаций) с подвыборкой 60% изолятов для соответствия каждому дереву. Эти модели дают оценку веса, охвата и важности. «Вес» относится к тому, сколько раз объект (ковариата) появляется в дереве / лесу; «Охват» – это относительное количество наблюдений, затронутых особенностью (которое будет выше для ковариат, которые находятся выше в дереве), а «важность» – это средний выигрыш в точности прогноза, когда SNP выбран для разделения дерева. узел.Обнаружению SNP с использованием GBT способствовало построение двумерного графика ранжирования мутаций (см. Рисунок S1), показывающего прирост значимости в зависимости от веса, с охватом в виде размера пузыря. Эти SNP с высокой важностью и весом с большей вероятностью будут предсказуемыми в большом количестве деревьев по разным подвыборкам данных и, следовательно, более универсальны. Предлагаемые пороговые значения важности и веса были выбраны прагматично на основе включения известных и установленных маркеров устойчивости.Эти пороговые значения показаны пунктирными линиями на графиках (рисунок S1).

Основные пакеты, использованные в анализе, включали SHAP (Lundberg and Lee, 2017) для визуализации относительного вклада каждого предиктора, классификатор дерева решений в sklearn (версия 0.19.1) и Xgboost реализация (версия 0.70) использовалась для создания CT и GBT (Chen and Guestrin, 2016). Для реализации этих алгоритмов машинного обучения использовались настройки по умолчанию, за исключением указанных параметров (см. Таблицу S9).Правдоподобность идентифицированных предположительно причинных SNP оценивалась путем поиска в литературе, в том числе для определения функции генов на Mycobrowser (Kapopoulou et al., 2011).

Сравнения с библиотеками мутаций, GWAS и другими исследованиями.

Мы сравнили наши результаты прогнозирования машинного обучения с результатами, полученными при использовании набора известных SNP, связанных с лекарственной устойчивостью, на основе правил. Первое сравнение было проведено с прогнозами, основанными на мутациях в панели TB-Profiler (Phelan et al., 2019), которые были обычными (частота минорных аллелей> 0,5%) в нашем наборе данных (TB-Panel). Второе сравнение было проведено с применением программного обеспечения TB-Profiler и его полной библиотеки мутаций (Phelan et al., 2019) к набору данных. Мы также сравнили наши результаты с применением подхода GWAS смешанной модели регрессии (Coll et al., 2018) к набору данных ∼17k, а также с другими исследованиями, в которых применялись методы машинного обучения (Yang et al., 2018; Kouchaki et al. al., 2018; Chen et al., 2019; Yang et al., 2019).

Заявление о доступности данных

Необработанные данные о секвенировании всего генома доступны в Европейском архиве нуклеотидов (ENA) (таблица S1). Вычислительный код доступен по запросу у соответствующих авторов.

Вклад авторов

WD, SCa, RM, LP и TC разработали и разработали исследование. JP и EB выполнили биоинформатическую обработку исходных данных секвенирования и фенотипических данных. WD выполнила статистический анализ под наблюдением LP и TC.SCa выполнила статистический анализ подмножества данных под наблюдением RM и TC. WD написала первый черновик рукописи, а в окончательную версию вошли правки всех авторов. Окончательная рукопись была прочитана и одобрена всеми авторами.

Финансирование

JP поддерживается грантом Newton Institutional Links (Британский совет) (261868591). SCa финансируется грантами Совета медицинских исследований Великобритании (MR / M01360X / 1, MR / R025576 / 1 и MR / R020973 / 1). TC финансируется Советом по медицинским исследованиям Великобритании (грант №MR / M01360X / 1, MR / N010469 / 1, MR / R025576 / 1 и MR / R020973 / 1) и BBSRC (номер гранта BB / R013063 / 1).

Конфликт интересов

Автор WD работал в компании Dalberg Advisors в Швейцарии. Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Клаудио Кезера за то, что он поделился своими мыслями и идеями о тестировании на лекарственную чувствительность.Мы с благодарностью отмечаем доступность вычислительного ресурса eMedLab (HDR UK), финансируемого Советом по медицинским исследованиям Великобритании.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2019.00922/full#supplementary-material

Ссылки

Balganesh, M. , Динеш, Н., Шарма, С., Куруппат, С., Наир, А.В., Шарма, У. (2012). Насосы оттока микобактерий Mycobacterium tuberculosis играют важную роль в противотуберкулезной активности потенциальных лекарств-кандидатов. Антимикробный. Агенты Chemother. 56 (5), 2643–2651. doi: 10.1128 / AAC.06003-11

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, T., Guestrin, C. (2016). «XGBoost» в Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining – KDD (New York, USA: ACM Press), 785–794. doi: 10.1145 / 2939672.2939785

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, M. L., Doddi, A., Royer, J., Freschi, L., Schito, M., Ezewudo, M., et al. (2019). Помимо множественной лекарственной устойчивости: использование редких вариантов с моделями машинного и статистического обучения для прогнозирования устойчивости к Mycobacterium tuberculosis. EBioMedicine 43, 356–369. doi: 10.1016 / j.ebiom.2019.04.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Coll, F., McNerney, R., Preston, M. D., Guerra-Assunção, J. A., Warry, A., Hill-Cawthorne, G., et al. (2015). Быстрое определение устойчивости к противотуберкулезным препаратам на основе полногеномных последовательностей. Genome Med. 7 (1), 51. doi: 10.1186 / s13073-015-0164-0

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Coll, F., Phelan, J., Hill-Cawthorne, G. A., Nair, M. B., Mallard, K., Ali, S., et al. (2018). Полногеномный анализ мульти- и широкой лекарственной устойчивости Mycobacterium tuberculosis . Нат. Genet. 50 (2), 307–316. DOI: 10.1038 / s41588-017-0029-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дхеда, К., Гамбо, Т., Маартенс, Г., Дули, К. Э., Макнерни, Р., Мюррей, М. и др. (2017). Эпидемиология, патогенез, передача, диагностика и лечение туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью, широкой лекарственной устойчивости и неизлечимого туберкулеза. Ланцет Респир. Med. 5 (4), 291–360. doi: 10.1016 / S2213-2600 (17) 30079-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фархат М. Р., Султана Р., Ярчук О., Бозман С., Галаган Дж., Сиск П. и др. (2016). Генетические детерминанты лекарственной устойчивости Mycobacterium tuberculosis и их диагностическое значение. Am. J. Respir. Крит. Care Med. 194 (5), 621–630. doi: 10.1164 / rccm.201510-2091OC

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фархат, М. Р., Фрески, Л., Кальдерон, Р., Йоргер, Т., Снайдер, М., Михан, К. Дж. (2018). Полногеномная ассоциация с количественными фенотипами устойчивости у Mycobacterium tuberculosis выявляет новые гены устойчивости и регуляторные области. Нат. Commun. 10 (1), 2128. doi: 10.1038 / s41467-019-10110-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Folkvardsen, D.B., Svensson, E., Thomsen, VØ, Rasmussen, E.M., Bang, D., Werngren, J., et al. (2013). Могут ли молекулярные методы обнаружить 1% -ную устойчивость к изониазиду у Mycobacterium tuberculosis ? J. Clin. Microbiol. 51 (5), 1596–1599. doi: 10.1128 / JCM.00472-13

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Friedman, J. (2000). Аппроксимация жадной функции: машина для повышения градиента. Ann. Стат. 29, 1189–1232. doi: 10.1214 / aos / 1013203451

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gygli, S.М., Боррелл, С., Траунер, А., Ганье, С. (2017). Устойчивость к противомикробным препаратам в Mycobacterium tuberculosis : механистические и эволюционные перспективы. FEMS Microbiol. Ред. 41 (3), 354–373. doi: 10.1093 / femsre / fux011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Heidema, A. G., Feskens, E. J. M., Doevendans, P. A. F. M., Ruven, H. J. T., van Houwelingen, H. C., Mariman, E. C. M., et al. (2007). Анализ нескольких SNP в исследованиях генетических ассоциаций: сравнение трех методов с несколькими локусами для определения приоритетов и выбора SNP. Genet. Эпидемиол. 31 (8), 910–921. doi: 10.1002 / gepi.20251

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капопулу А., Лью Дж. М., Коул С. Т. (2011). Портал MycoBrowser: исчерпывающий и вручную аннотированный ресурс по геномам микобактерий. Туберкулез 91 (1), 8–13. doi: 10.1016 / j.tube.2010.09.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кучаки, С., Янг, Ю., Уокер, Т. М., Уокер, А.С., Уилсон, Д. Дж., Пето, Т. Е. А. и др. (2018). Применение методов машинного обучения для анализа лекарственной устойчивости от туберкулеза. Биоинформатика 35 (13), 2276–2282. doi: 10.1093 / bioinformatics / bty949

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лакхани, П., Сундарам, Б. (2017). Глубокое обучение при рентгенографии грудной клетки: автоматическая классификация туберкулеза легких с использованием сверточных нейронных сетей. Радиология 284 (2), 574–582. DOI: 10.1148 / радиол.2017162326

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lunetta, K. L., Hayward, L. B., Segal, J., Van Eerdewegh, P. (2004) Скрининг данных крупномасштабного исследования ассоциации: использование взаимодействий с использованием случайных лесов. BMC Genet. 5 (1), 32. doi: 10.1186 / 1471-2156-5-32

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Nasiri, M. J., Haeili, M., Ghazi, M., Goudarzi, H., Pormohammad, A., Imani Fooladi, A. A., et al. (2017).Новое понимание внутренних и приобретенных механизмов лекарственной устойчивости микобактерий. Фронт. Microbiol. doi: 10.3389 / fmicb.2017.00681

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Паломино, Дж. К., Мартин, А. (2014). Механизмы лекарственной устойчивости Mycobacterium tuberculosis . Antibiot. (Базель, Швейцария) 3 (3), 317–340. doi: 10.3390 / antibiotics3030317

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перивал В., Раджаппан Дж.К., Джалил, А. У., Скария, В. (2011). Прогностические модели для противотуберкулезных молекул с использованием машинного обучения на наборах данных высокопроизводительного биологического скрининга. BMC Res. Примечания 4 (1), 504. doi: 10.1186 / 1756-0500-4-504

PubMed Abstract | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фелан, Дж. Э., О’Салливан, Д. М., Мачадо, Д., Рамос, Дж., Оппонг, Ю. Э. А., Кампино, С. (2019). Интеграция инструментов информатики и портативной технологии секвенирования для быстрого выявления устойчивости к противотуберкулезным препаратам. Genome Med. 11 (1), 41. doi: 10.1186 / s13073-019-0650-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

ReSeqTB. (2018). Интеграция стандартизированного анализа последовательности всего генома с глобальной базой знаний об устойчивости к антибиотикам Mycobacterium tuberculosis. Sci Rep. 8 (1), 15382. doi: 10.1038 / s41598-018-33731-1

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сафи, Х., Лингараджу, С., Амин, А., Ким, С., Джонс, М., Холмс, М. (2013). Эволюция туберкулеза с высокой устойчивостью к этамбутолу за счет взаимодействующих мутаций в генах биосинтеза и пути утилизации декапренилфосфорил-β-D-арабинозы. Нат. Genet. 45 (10), 1190–1197. DOI: 10.1038 / ng.2743

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Trauner, A., Borrell, S., Reither, K., Gagneux, S. (2014). Эволюция лекарственной устойчивости при туберкулезе: недавний прогресс и значение для диагностики и терапии. Наркотики 74 (10), 1063–1072. doi: 10.1007 / s40265-014-0248-y

PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Всемирная организация здравоохранения. (2017). Информационный бюллетень по лечению лекарственного туберкулеза.

Google Scholar

Всемирная организация здравоохранения. (2018b). Что такое туберкулез с множественной лекарственной устойчивостью (МЛУ-ТБ) и как с ним бороться?

Google Scholar

Всемирная организация здравоохранения (2018c). Технический отчет о критических концентрациях для тестирования лекарственной чувствительности лекарственных средств, используемых для лечения лекарственно-устойчивого туберкулеза .Женева: Всемирная организация здравоохранения.

Google Scholar

Янг, Ю., Нихаус, К. Э., Уокер, Т. М., Икбал, З., Уокер, А. С., Уилсон, Д. Дж. (2018). Машинное обучение для классификации лекарственной устойчивости туберкулеза на основе данных секвенирования ДНК. Биоинформатика 34 (10), 1666–1671. doi: 10.1093 / биоинформатика / btx801

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yang, Y., Walker, T. M., Walker, A. S., Wilson, D. J., Peto, T. E. A., Crook, D. W.(2019). DeepAMR для прогнозирования сопутствующей резистентности Mycobacterium tuberculosis . Биоинформатика 34 (10), 1666–1671. doi: 10.1093 / bioinformatics / btx801

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Устройство для снижения сопротивления транцевых кормовых корпусов

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.109351Получить права и контент

Основные моменты

•

Рециркуляционная вода за транцевыми кормовыми корпусами рассматривается как источник потерь энергии.

•

Устройство для толкания транца (TPD) размещается внутри этой области для уменьшения потерь.

•

Производительность TPD была подтверждена экспериментальными и расчетными методами.

•

TPD снижает сопротивление более чем на 10%, когда транец не вентилируется.

•

Характеристики TPD могут отличаться в режиме самодвижения (может быть достигнуто более высокое усиление).

Abstract

Исследуется новая идея по снижению сопротивления транца кормовой части корпуса в водоизмещающем и полу глиссирующем режимах.Поместив устройство в форме ложки в зону рециркуляции за транцем, импульс движущейся вперед воды будет поглощен, и на устройстве будет создаваться толкающая сила. Численные и экспериментальные методы применяются к транцу кормовой части корпуса, чтобы оптимизировать форму и положение устройства и подробно изучить физику усиления. Для буксируемого корпуса при числе Фруда 0,4 максимальное измеренное снижение сопротивления составляет 11%, в то время как вычисленное максимальное снижение составляет 17%.У самоходной установки с одним гребным винтом измеренное снижение мощности составляет 15%. Мощность не может быть рассчитана с использованием применяемой модели гребного винта, которая представляет собой распределение осевой силы тела в диске гребного винта, но снижение тяги с помощью устройства составляет 11%. Более значительный выигрыш возможен при меньших числах Фруда, в то время как эффект уменьшается при более высоких числах Фруда. Больший выигрыш достигается за счет разделения тяги на два гребных винта.