KR20150069893A

KR20150069893A - 고저항 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150069893A
Application number: KR1020130156587A
Authority: KR
Inventors: 유광민; 김완섭; 이상화; 강전홍; 한권수
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-24
Also published as: KR101563592B1

Abstract

본 발명은 고저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서 더욱 자세하게는 누설 저항 효과를 제거하는 별도의 보조 장치 없이 전압원, 전압계 및 두 저항을 이용하여 고 저항의 정밀 측정에 대한 것이다.
본 발명의 고저항 측정 장치는 정전압을 공급하는 전압 공급부; 및 상기 전원 공급부와 폐회로를 구성하는 저항부; 를 포함하며 상기 저항부는 기준 저항과 상기 기준 저항과 직렬로 피측정 저항을 전기적으로 접속하기 위한 전기 접속부가 구비되고, 상기 기준 저항의 양단의 전압을 측정하기 위한 고정밀 DMM이 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고저항 측정 장치 및 방법에 의하면, 별도의 보조 회로 또는 장치를 사용하지 않고 명목값이 같은 두 개의 기준 저항을 사용하여 누설 저항 효과 없이 고저항을 정확하게 측정할 수 있다는 효과를 가진다.

Description

고저항 측정 장치 및 방법{High resistance measuring apparatus and method}

본 발명은 고저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서 더욱 자세하게는 누설 저항 효과를 제거하는 별도의 보조 장치 없이 전압원, 전압계 및 두 개의 기준 저항을 이용하여 고 저항을 정밀하게 측정하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 상용 디지털 멀티미터(Digital multimeter:이하 DMM)들의 고저항 측정 범위가 점점 확대되고 있고 그에 따른 불확도 역시 향상되고 있다.

또한, 전자기적 정밀 측정 분야의 국제적인 핫 이슈인 Quantum metrology triangle을 위한 고저항 측정과 저전류 측정의 중요성이 커지고 있다.

그리고, Smart grid와 같은 세계적인 에너지 효율 이슈에 대처하기 위한 직류 고전압 송전 등에 사용되는 직류 고전압 분할기의 구성 요소인 고저항의 정밀 측정이 중요해지고 있다.

그런 고저항 측정의 중요성을 고려하여 세계 측정 표준 기관들 사이에서 이루어지고 있는 국제 비교인 CCEM(Consultative committee for electricity and magnetism) KC(Key comparison) 및 RMO(Regional metrology organization) KC와 같은 국제 비교가 진행되어 왔으며, 그 내용에는 고저항 측정의 정확도를 높이기 위하여 여러 가지의 방법이 적용되어 왔다.

전통적인 휘스톤 브리지(Wheastone bridge) 방법 이외에 널리 알려진 측정 방법으로서 Modified wheastone bridge(MWB), Binary voltage divider(BVD), DMM-DC calibrator 방법, Direct current comparator resistance bridge(DCCRB) 방법 등이 있다.

MWB와 BVD는 1:10~1:1,000 사이에서 주로 사용되며, 1:10에서 가장 정확하게 측정된다.

그러므로 높은 저항을 측정하려면 1:10의 비율 측정을 여러 번 거쳐야 하는데 번거로움과 그에 따른 불확도도 커지게 된다.

DCCRB 방법은 1:10의 비율을 사용하여 1 GΩ이하의 저항값을 측정할 때 사용하지만, 브리지 자체의 누설과 용량 효과로 인하여 1 GΩ에서의 측정 불확도가 크다.

반면에 Cryogenic current comparator resistance bridge(CCCRB)를 사용하면, 1:1,000의 비율에서 1 GΩ을 바로 비교하여 기존 상온 DCCRB에 비하여 훨씬 정확하게 측정된다.

그러나, CCCRB는 극저온에서 동작하고, Squid를 사용하므로 잡음에 민감하며 1 GΩ 이하에서 측정되고 있다.

DMM-DC calibrator 방법은 10:1 이상의 비율을 사용하여 적은 저항값으로 높은 저항값을 비교할 때 유용하며, 이들 방법 이외에도 고저항용 헤이몬 전달 표준기가 사용되고 있다.

그러나, 일반적으로 위에서 언급한 방법들로 고저항을 정확하게 측정할 때에 누설 효과를 제거하기 위하여 별도의 보조 장치를 적용하고 있지만, 시스템의 구성이 복잡해지며, 그에 따른 구조적, 기술적 문제들이 생길 수 있다.

또한 이러한 고저항 측정에 관한 기술이 대한민국 등록특허공보 제 0974650호(저항 측정 장치 및 측정 방법)에 개시된다.

상기 기술은 두 개의 고정 전압원으로 정전압을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부와 병렬 연결되며, 포텐시오미터를 사이에 두고 직렬 연결된 두 개의 기준 저항을 포함하는 저항부; 상기 두 개의 고정 전압원의 연결 노드와 상기 포텐시오미터의 가변 단자 노드 사이의 전압을 측정하는 전압계; 및 두 개의 기준 저항 중 어느 하나에 피측정 저항을 병렬 연결할 수 있는 전기 접속 수단을 포함하는 구성을 제시한다.

그러나, 상기 기술은 누설 저항 효과를 효과적으로 제거할 수 없어 측정 불확도가 높아지며 측정 장치가 복잡하다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고정 전압원, 디지털 멀티미터 및 두 개의 기준 저항으로 이루어진 측정 회로를 이용하여 누설 저항 효과없이 측정하고자 하는 저항값을 결정할 수 있는 고저항 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고저항 측정 장치는 정전압을 공급하는 전압 공급부; 및 상기 전원 공급부와 폐회로를 구성하는 저항부; 를 포함하며 상기 저항부는 기준 저항과 상기 기준 저항과 직렬로 피측정 저항을 전기적으로 접속하기 위한 전기 접속부가 구비되고, 상기 기준 저항의 양단의 전압을 측정하기 위한 고정밀 DMM이 연결된다.

여기서, 상기 피측정 저항의 저항값은 하기 수학식을 만족한다.

Rx/Rs1=V/Vs1-1 (단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1는 제1 기준 저항값, V는 전원 공급부의 전압값, Vs1은 제1 기준 저항 양단의 전압값)

또한, 이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고저항 측정 장치는 정전압을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부와 폐회로를 구성하는 저항부;를 포함하며 상기 저항부는 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항과 상기 기준 저항과 직렬로 피측정 저항을 전기적으로 접속하기 위한 전기 접속부가 구비되고, 상기 기준 저항의 양단의 전압을 측정하기 위한 고정밀 DMM이 연결된다.

또한, 상기 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항의 명목 저항값은 동일하다.

또한, 상기 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항의 명목 저항값은 다를 수 있다.

또한, 상기 피측정 저항의 저항값은 하기 수학식을 만족한다.

V/Vs1-V/Vs≒Rx*{1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)} (단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1은 제1 기준 저항값, Rs2는 제2 기준 저항값, Vs는 Rs1과 Rs2의 직렬 저항에서 생성된 전압값, Vs1은 Rs1 양단의 생성 전압값, V는 전원 공급부의 전압값)

또한, 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고저항 측정 방법은 고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법에 있어서, 제1 기준 저항에 측정하고자하는 피측정 저항을 직렬로 연결하는 단계(S110); 상기 직렬 연결된 제1 기준 저항과 측정 저항의 양 끝에 가변 가능하게 정전압을 공급하는 전원 공급부를 연결하는 단계(S120); 상기 전원 공급부에 의해 상기 제1 기준 저항의 양 끝에서 생성되는 전압을 측정하기 위한 전압계를 연결하는 단계(S130); 및 상기 전원 공급부의 전압값, 전압계에서 측정된 전압값 및 제1 기준 저항값을 이용하여 피측정 저항값을 결정하는 단계(S140)를 포함한다.

또한, 상기 고저항 측정 장치는 상기 단계(S140)에서, 상기 측정값을 하기 수학식 Rx/Rs1=V/Vs1-1 에 의해 연산한다. (단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs는 제1 기준 저항값, V는 전원 공급부의 전압값, Vs1은 제1 기준 저항 양단의 전압값)

또한, 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고저항 측정 방법은 고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법에 있어서, 제2 기준 저항의 양 끝에 온/오프 스위치를 병렬로 연결하는 단계(S210); 상기 제2 기준 저항에 제1 기준 저항을 직렬로 연결하는 단계(S220); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항의 한끝에 측정하고자하는 피측정 저항을 직렬로 연결하는 단계(S230); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항과 피측정 저항의 양끝에 전원 공급부를 연결하여 정전압을 공급하는 단계(S240); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항 양끝에 전압계를 연결하고 상기 온/오프 스위치를 온/오프하여 상기 제1,2 기준 저항의 양끝에서 생성되는 전압을 측정하는 단계(S250); 및 상기 측정된 전압, 상기 제1,2 기준 저항값 및 전원 공급부의 전압값을 이용하여 상기 피측정 저항값을 결정하는 단계(S260)를 포함하며, 상기 고저항 측정 장치는 누설 저항 효과를 상쇄한 상기 피측정 저항의 저항값을 결정한다.

또한, 상기 단계(S220)에서, 상기 제 1기준 저항은 제 2기준 저항과 명목값이 같거나 다를 수 있다.

본 발명에 의한 고저항 측정 장치 및 방법에 의하면, 별도의 보조 회로 또는 장치를 사용하지 않고 명목값이 같은 두 개의 기준 저항을 사용하여 누설 저항 효과 없이 고저항을 정확하게 측정할 수 있다는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 의한 고저항 측정 장치 및 방법에 의하면, 측정하고자 하는 저항값이 큰 저항이라도 저항값이 작은 저항을 이용하여 저항값을 정확하게 결정할 수 있다는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 의한 고저항 측정 장치 및 방법에 의하면, 저저항 측정, 온도 계수 효과, 전압 계수 효과 및 Power 효과를 측정할 수 있다는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 큰 전압비를 이용한 고저항 측정 장치의 회로도 및 그에 따른 누설 저항을 모델링한 등가 회로도;;
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 명목값이 같은 저항을 이용한 고저항 측정 장치의 회로도 및 그에 따른 누설 저항을 모델링한 등가 회로도;
도 3은 종래에 따른 고저항 측정 장치를 도시한 도면;
도 4는 도 1에 따른 고저항 측정 방법을 도시한 순서도;
도 5는 도 2에 따른 고저항 측정 방법을 도시한 순서도;

이하, 본 발명을 아래에서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 큰 전압비를 이용한 고저항 측정 장치의 회로도 및 그에 따른 누설 저항을 모델링한 등가 회로도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 명목값이 같은 저항을 이용한 고저항 측정 장치의 회로도 및 그에 따른 누설 저항을 모델링한 등가 회로도이고, 도 3은 종래에 따른 고저항 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 4는 도 1에 따른 고저항 측정 방법을 도시한 순서도이고, 도 5는 도 2에 따른 고저항 측정 방법을 도시한 순서도이다.

도면 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 큰 전압비를 이용한 고저항 측정 장치의 회로는 전원 공급부(140), 저항부(120) 및 DMM(130)을 포함하여 구성된다.

상기 저항부(120)는 측정 중인 피측정 저항(120)에 전기적인 접속을 확실하게 하기 위한 측정 노드(A,B)가 구비된 전기 접속부를 구비한다.

상기 고저항 측정 장치는 큰 전압비 방법(HDVM:High dividing voltage ratio method)의 측정 원리를 이용한 것으로 별도의 보조 장치를 사용하지 않고 단순하게 두개의 저항(110,120)을 비교하기 위한 전원 공급부(140)과 전압계(130)로 구성되어 있다.

이 장치에서는 안정도가 높은 전압 교정기(Calibrator)를 전원 공급부(140)로 사용하며 DC 1V ~ 1kV 까지 사이에서 수시로 교정하여 그 전압원의 안정도 변화와 정확도를 확인한다.

즉, DC 10V 제너 전압 표준(Zener voltage standard)로서 8^1/2 Digit의 DMM(130)을 Artifact calibration한 다음, 필요한 calibrator의 각 전압 범위를 교정한다.

또한 측정 전압값들이 DC 10V 이하에 있으므로 조셉슨 전압 표준기로 교정된 DC 10V 및 1V Zener voltage standard를 이용하여 8^1/2Digit의 DMM의 DC 10V와 1V 범위를 수시로 교정하여 전압 측정에 사용한다.

나머지는 비교하는 저항들을 포함하는 차폐 부분으로 구성되어 있으며 이 방법에 의한 두 저항의 비율값은 다음 식들로부터 얻어진다.

직렬로 연결된 V, Rx, Rs1을 통해 흐르는 직류 전류를 I라고 하면,

V=I*(Rx+Rs1) --- (1)

Vs1=I*Rs1

두 식을 정리하면,

Rx/Rs1=V/Vs1-1 or Rx=Rs1*(V/Vs1-1) --- (2)

도 1을 참조하면, 왼쪽 도면은 HVDM 개략도이며 오른쪽 도면은 누설 저항, DMM bias 전류, DMM 입력 저항(R_DMM _, _input) 및 리드선 저항 효과 등을 포함한 등가 회로이다.

여기서, V는 전원 공급부(140), Rx는 피측정 저항(110), Rs1은 제1 기준 저항(120), DMM은 디지털 멀티미터(130), R_DMM,input:DMM 입력 저항, Vs1은 Rs1의 두 단자 사이의 전압 측정값, Rx,lead와 Rs1,lead는 Rx와 Rs1의 리드선 저항값, R_LX1,R_LX2,R_LS1과 R_LS2는 Rx와 Rs1 단자들과 DMM의 Shield GND 사이의 누설 저항들이다.

도면 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 명목값이 같은 저항을 이용한 고저항 측정 장치는 전원 공급부(140), 저항부(120,121) 및 DMM(130)을 포함하여 구성된다.

상기 저항부(120,121)는 측정 중인 피측정 저항(120)에 전기적인 접속을 확실하게 하기 위한 측정 노드(A,B)가 구비된 전기 접속부를 구비한다.

도 2는 누설 효과와 입력 저항을 고려한 것으로 도 1에 도시된 누설 저항 중에 R_LX1과 R_LS2는 측정 결과에 전혀 영향을 주지 않음을 쉽게 알 수 있다.

실제 영향을 줄 수 있는 것은 R_LX2, R_LS1 및 R_DMM,input 이며, R_LX2, R_LS1 및 R_DMM,input의 병렬 저항을 누설 저항으로 간주하여 R_L로표시한다.

상기 누설 저항(R_L)과 DMM 입력 저항(R_DMM,input)을 포함하여 식(2)는 식(3)과 같이 쓸 수 있다.

그리고, 1 TΩ 이상의 고저항 측정에서 R_LS2에비하여 R_L은입력저항이 1 TΩ 정도인 DMM을 사용한 전압 측정에 크게 영향을 미치기 때문에 도 2에 나타낸 바와 같이 도 1의 Rs1과 명목값이 같은 저항 Rs2를 직렬로 연결하면, 식(3)에서 나타난 바와 같이 고저항 측정에서 생길 수 있는 R_L 과같은 누설 저항 효과를 상쇄시킬 수 있다.

Vs1은 Rs2를 스위치(125)를 온 시켜 short 하였을 때 얻어진 전압값이고, Vs는 직렬로 연결된 Rs1(120)과 Rs2(121) 사이에서 얻어진 전압값으로서, Rs1(120)과 Rs2(121)를 합친 저항에 대한 저항비를 구하면 식(3)의 누설 저항 효과가 상쇄된 형태의 식(4)와 같이 되며, 식(4)의 자세한 유도 과정을 아래에서 설명한다.

Rx/Rs1=V/Vs1-1-Rx/R_L --- (3)

V/Vs1-V/Vs≒Rx*{1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)} --- (4)

즉, 식(4)에서 보면, 명목값이 같은 기준 저항 두 개(120,121)를 사용하여 별도의 가드(Guard) 장치를 사용하지 않고 누설 효과(Rx/R_L)를 상쇄하여 원하는 저항값 Rx를 결정할 수 있음을 알 수 있다.

여기서, R_L'는 R_LS2 이며, Ix,I₂,I₁ 과 I_L'는 각각의 저항을 흐르는 전류이다.

누설효과를 포함한 식 (3)의 유도 과정은 아래에서 상세하게 설명한다.

도 2에서,

와

이 기준저항(

) 과 누설저항(

)에 흐르는 전류를 나타낸다

고하면 다음 식이 성립한다.

, I=Ixs+I_LX1 ,

,

, (A1)

(A1)에서,

,

(A2)

(A2)에서,

따라서,

식 (4)의 유도는 아래에서 상세하게 설명한다.

도 2에서, 다음 관계식들이 성립한다.

V=Ix*Rx+Vs=Ix*Rx+I_L*R_L, Vs=I₂*Rs2+I₁*Rs1

Ix=I_L+I₂, I₂=I_L'+I₁, I_L'*R_L'=I₁*Rs1, Vs=I_L *R_L

그 관계식들로부터, 다음 식이 얻어진다.

(A1)

쇼트를 하여

가 0일때, 식 (A1)은 식 (A2)와 같이 간단히 된다.

V/Vs=1+Rx/R_L + Rx/R_L'+ Rx/Rs1 (A2)

식 (A2)-(A1)로부터, 다음 식(A3)를 얻는다.

=

(A3)

이하이면, 식 (A3)는 1차 근사에서 식 (A4)와 같이 된다.

(A4)

Reference 저항이 1 MΩ 이하일때 식 (A4)의 두번째, 세번째 항은 100 TΩ 이상의

에 대하여 무시 가능하다. 그러나, 측정 고저항 1 TΩ에 대하여 reference

저항이 1 GΩ 이면 그 효과는 식 (A5)와 같이 나타낼 수 있다.

(A5)

여기서,

의 단위는 GΩ이다.

일반적으로

는 100 TΩ 이상이므로, 식 (A5)의 마지막 항은

이하로서 reference 저항 1 GΩ 혹은 그 이하에 대하여 무시 가능하다. 그럴 경우, 식 (A5)는 다음 식 (A6)와 같이 간단하게 주어진다.

(A6)

식 (2)와 (4)에 대한 합성 표준 불확도 산출식의 유도는 아래에서 설명한다.

식 (2)에서,

,

≒u²(Rs1)/Rs1²+u²(V)/V²+u²(Vs1)/Vs1²(10:1 이상일 때),

where

식 (4)에서,

=f(V)g(R)

u²(f(v))/[f(v)]²=u²(v)/V² + 1/(1/Vs-1/Vs)²{u²(Vs1²)+u²(Vs)/Vs²}

≒u²(v)/V²+u²(Vs1)/Vs1²+u²(Vs)/Vs² (1차 근사)

≒2.25 u²(Rs1)/Rs1²+0.25u²(Rs2)/Rs2²

따라서,

(Unit : GΩ)

R_L 대신한 dummy 저항	기준 저항	측정값
R_L 대신한 dummy 저항	기준 저항	식(2)사용 (HVDM)	식(4)사용 (LC-HVDM	MWB 사용
No dummy	1 MΩ	1.000 0448(14)	1.000 0434(8)	1.000 0435(30)
1 GΩ	1 MΩ	1.001 0445(14)	1.000 0431(8)	1.000 0435(30)

(괄호 안의 값은 k=2에서의 확장 불확도를 의미함)

표 1은 R_L 대신에Dummy 1 GΩ 저항을 연결하고 식(2)와 (4)를 사용한 1 GΩ 저항 측정 결과이다.

표 2는 HVDM 및 LC-HVDM을 이용한 10 MΩ, 1 GΩ 및 1 TΩ 저항 측정 결과이다.

Resistance ratio	Applied voltage	Reference resistance	Unknown resistance by equation(2)
100:1	100 V	100 kΩ(Rs1)	10.000 070(3) MΩ
10⁴:1	500 V	100 kΩ(Rs1)	1.000 0439(24) GΩ
10⁵:1	500 V	10 MΩ(Rs1)	1.000 32(11) TΩ (active guard type)
10⁵:1	500 V	10 MΩ(Rs1)	0.999 95(8) TΩ (T type)
Resistance ratio	Applied voltage	Reference resistance	Unknown resistance by equation(3)
10:1	10 V	1 MΩ(Rs1) 2 MΩ(Rs1+Rs2)	10.000 072(5) MΩ
1,000:1	500 V	1 MΩ(Rs1) 2 MΩ(Rs1+Rs2)	1.000 0442(8) GΩ
1,000:1	500 V	1 GΩ(Rs1) 2 GΩ(Rs1+Rs2)	1.000 36(9) TΩ (active guard type)
1,000:1	500 V	1 GΩ(Rs1) 2 GΩ(Rs1+Rs2)	1.000 38(6) TΩ*
1,000:1	500 V	1 GΩ(Rs1) 2 GΩ(Rs1+Rs2)	0.999 90(2) TΩ* (T type)

위 데이터는 바이어스(Bias) 전류와 가해진 전압 및 온도 효과에 대하여 보정된 값들이며, 괄호 안의 값들은 확장 불확도를 나타낸다. 그리고, *표시는 Electrometer를 사용하여 전압을 측정한 결과를 나타낸다.

측정 방법	10 kΩ to 1 kΩ 비율 측정값	불확도(신뢰도 95%, k=2)
DCCRB	9.999 945	0.1
LVDM	9.999 943	0.5

표 3은 DCCRB(Direct current comparator resistance bridge)와 LVDM(Low voltage differential method)을 사용한 10 kΩ to 1 kΩ 비율 측정 결과이다.

두 방법 모두 10 kΩ 저항에 가한 전류는 DC 0.3 mA 이고, 사용된 표준 저항은 Fluke 742A 10 kΩ과 1 kΩ이다.

DCCRB는 상용 것을 사용하였고, 정확도는 10^-8정도 이다.

LVDM 측정에서 가힌 전압과 측정한 전압은 DC 3.3V와 0.3V 이고, 전압은 국가 전압 표준으로부터 교정된 Zener 10V 와 1V로서 교정한 8^1/2digit DMM을 사용하여 교정하였다.

1 MΩ 이하에서 LVDM으로 측정할 때는 lead 저항 효과를 보정해 주어야한다.

즉, 식(2)나 (4)에서 lead 저항 효과는

Rx = Rs1*(V/Vs1-1)*(1-Rlead/Rx) 혹은 Rx=(V/Vs1-V/Vs)/{(1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)}*(1-Rlead/Rx)로 주어진다.

여기서, Rlead는 Rx,lead와 Rs1,lead 및 Rx와 Rs1 사이의 연결선 저항을 합친 리드선 저항 값을 의미한다.

위 측정 결과와 불확도 평가에서 살펴보면, 고저항 측정에서 HVDM의 식(2)를 사용하면 저항값이 낮은 저항으로 저항값이 높은 저항을 간단하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

다만, 그 기술을 적용하려면 시스템 누설 효과와 측정 DMM의 입력 저항과 bias 전류를 같이 고려해야 한다.

그러나, LC-HVDM의 식(4)를 사용하면 누설 효과 없이 DMM bias 전류 효과가 주된 불확도 요인이므로 bias 전류가 아주 낮은 electrometer를 사용하면 아주 높은 저항에서도 적은 불확도로 측정할 수 있음을 알 수 있다.

반면에 측정 저항값이 낮아지면 누설 저항과 bias 전류 효과는 무시되지만 리드선 저항 효과가 중요한 불확도 요인이 됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명에서의 HVDM 및 LC-HCDM은 10 kΩ 이상의 저항 측정에 효과적으로 적용할 수 있다.

따라서 본 발명의 특징은 큰 전압비를 사용하여 고저항을 측정하는 방법과 그에 따른 두 가지 기술, 즉 저항값이 적은 저항으로 저항값이 큰 저항을 결정하는 기술과 고저항 측정에서 필수적으로 발생하는 누설 효과를 별도의 보조 장치 없이 효과적으로 상쇄시킬 수 있는 기술이다.

첫번째 기술의 응용으로서, 임의의 높은 저항 혹은 절연 저항을 측정하기 위하여 간단한 전압원과 전압계 및 비교적 적은 저항으로 구성된 고저항 측정 장치이다.

두번째 기술의 응용으로서 bias 전류가 적고, 분해능이 높은 electrometer와 같은 전압계를 사용하여 아주 높은 저항을 값이 적은 저항으로 측정하는 장치 및 장비이다.

또한, 저항값이 작은 저항으로 저항값이 큰 저항을 비교할 수 있기 때문에 그 방법을 사용하여 온도 계수가 적은 상용 저항을 기준 저항으로 하여 큰 저항의 온도 계수를 결정하는 방법과 장치이다.

또한, 같은 개념으로 전압 계수가 적은 저항을 기준 저항으로 사용하면 저항값이 큰 저항의 전압 계수 및 Power 효과 등을 결정하는 방법 및 장치로 그 외에 본 발명에서 언급한 내용들을 근거로 하는 장치 혹은 장비이다.

본 발명은 도 2의 측정 장치를 이용하여 10 MΩ, 1 GΩ 및 1 TΩ의 저항값을 측정하였으며, 각각의 범위별 불확도는 0.4*10^-6, 1.5*10^-6, 20*10^-6(k=2)으로 산출되었다.

그 방법의 유효성을 확인하기 위하여 1 GΩ 측정에서 dummy 1 GΩ 저항들을 실제 누설 지점에 연결하여 유도된 식들에서 나타난 부설 저항 효과를 보였고, 그 누설 효과를 상쇄하는 방법을 사용하여 정확한 1 GΩ 교정값을 얻을 수 있음을 증명하였다.

10 kΩ에 대해서도 같은 방법을 사용하여 DCCRB로 얻은 비율값과 본 발명의 방법으로 얻은 비율값을 서로 비교하였으며, 0.2*10^-6이내의 일치도를 얻었다.

그리고, Hamon 100 kΩ/step의 병렬값으로부터 100:1 전달 비율을 사용하여 얻은 1 MΩ의 저항값과 이 방법으로 구한 1 MΩ의 저항값을 서로 비교하였으며, 0.1*10^-6의일치도를 얻었다.

10 MΩ 대 1 MΩ 비율에 대하여 널리 통용되고 있는 저항 브릿지인 Modified wheatstone bridge(이하 MWB)로 얻은 비율값과 이 방법으로 얻은 비율값을 서로 비교하였으며, 0.2*10^-6이내의일치도를 얻었다.

이 방법을 사용하면 10 kΩ 이상부터 아주 높은 저항까지 그 저항값을 결정할 수 있다.

도면 4를 참조하면, 본 발명의 고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법은 제1 기준 저항(120)에 측정하고자하는 피측정 저항(110)을 직렬로 연결하는 단계(S110); 상기 직렬 연결된 제1 기준 저항(120)과 피측정 저항(120)의 양 끝에 가변 가능하게 정전압을 공급하는 전원 공급부(140)을 연결하는 단계(S120); 상기 전원 공급부(140)에 의해 상기 제1 기준 저항(120)의 양 끝에서 생성되는 전압을 측정하기 위한 전압계(130)를 연결하는 단계(S130); 및 상기 전원 공급부(140)의 전압값, 전압계(130)에서 측정된 전압값 및 제1 기준 저항값(120)을 이용하여 피측정 저항값(110)을 결정하는 단계(S140)를 포함한다.

상기 고저항 측정 장치는 상기 단계(S140)에서, 상기 측정값을 하기 수학식 Rx/Rs1=V/Vs1-1 에 의해 연산한다(단, 상기 Rx는 측정 저항값, Rs는 제1 기준 저항, V는 고정 전압원의 전압값, Vs1은 제1 기준 저항 양단의 전압값).

도면 5를 참조하면, 고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법은 제2 기준 저항(121)의 양 끝에 온/오프 스위치(125)를 병렬로 연결하는 단계(S210); 상기 제2 기준 저항(121)에 명목값이 같은 제1 기준 저항(120)을 직렬로 연결하는 단계(S220); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항(120,121) 한끝에 측정하고자하는 피측정 저항(110)을 직렬로 연결하는 단계(S230); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항(120,121)과 피측정 저항(110)의 양끝에 전원 공급부(140)를 연결하여 정전압을 공급하는 단계(S240); 상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항(120.121)의 양끝에 전압계(130)를 연결하고 상기 온/오프 스위치(125)를 온/오프하여 상기 제1,2 기준 저항(120,121)의 양끝에서 생성되는 전압을 측정하는 단계(S250); 및 상기 측정된 전압, 상기 제1,2 기준 저항값 및 전원 공급부의 전압값을 이용하여 상기 피측정 저항값을 결정하는 단계(S260)를 포함하며, 상기 고저항 측정 장치는 누설 저항 효과를 상쇄한 상기 피측정 저항의 저항값을 결정한다.

여기서, 상기 고저항 측정 장치는 상기 단계(S260)에서, 상기 측정값을 하기의 수학식에 의해 연산한다.

V/Vs1-V/Vs≒Rx*{1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)}

단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1은 제1 기준 저항, Rs2는 제2 기준 저항, Vs는 Rs1과 Rs2의 직렬 저항에서 생성된 전압, Vs1은 Rs1 양단의 생성 전압, V는 전원 공급부의 전압값이다.

110 : 피측정 저항(Rx) 120 : 제1 기준 저항(Rs1)
121 : 제2 기준 저항(Rs2) 125 : 스위치(S)
130 : 디지털 멀티미터(DMM) 140 : 전원 공급부(V)

Claims

정전압을 공급하는 전압 공급부; 및
상기 전원 공급부와 폐회로를 구성하는 저항부; 를 포함하며
상기 저항부는 기준 저항과 상기 기준 저항과 직렬로 피측정 저항을 전기적으로 접속하기 위한 전기 접속부가 구비되고, 상기 기준 저항의 양단의 전압을 측정하기 위한 고정밀 DMM이 연결되는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
제 1항에 있어서,
상기 피측정 저항의 저항값은 하기 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
Rx/Rs1=V/Vs1-1
(단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1는 제1 기준 저항값, V는 전원 공급부의 전압값, Vs1은 제1 기준 저항 양단의 전압값)
정전압을 공급하는 전원 공급부; 및
상기 전원 공급부와 폐회로를 구성하는 저항부;를 포함하며
상기 저항부는 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항과 상기 기준 저항과 직렬로 피측정 저항을 전기적으로 접속하기 위한 전기 접속부가 구비되고, 상기 기준 저항의 양단의 전압을 측정하기 위한 고정밀 DMM이 연결되는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
제 3항에 있어서,
상기 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항의 명목 저항값은 동일한 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
제 4항에 있어서,
상기 복수 개가 직렬로 연결된 기준 저항의 명목 저항값은 다른 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
제 3항에 있어서,
상기 피측정 저항의 저항값은 하기 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 장치.
V/Vs1-V/Vs≒Rx*{1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)}
(단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1은 제1 기준 저항값, Rs2는 제2 기준 저항값, Vs는 Rs1과 Rs2의 직렬 저항에서 생성된 전압값, Vs1은 Rs1 양단의 생성 전압값, V는 전원 공급부의 전압값)
고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법에 있어서,
제1 기준 저항에 측정하고자하는 피측정 저항을 직렬로 연결하는 단계(S110);
상기 직렬 연결된 제1 기준 저항과 측정 저항의 양 끝에 가변 가능하게 정전압을 공급하는 전원 공급부를 연결하는 단계(S120);
상기 전원 공급부에 의해 상기 제1 기준 저항의 양 끝에서 생성되는 전압을 측정하기 위한 전압계를 연결하는 단계(S130); 및
상기 전원 공급부의 전압값, 전압계에서 측정된 전압값 및 제1 기준 저항값을 이용하여 피측정 저항값을 결정하는 단계(S140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 방법.
제 7항에 있어서,
상기 고저항 측정 장치는 상기 단계(S140)에서, 상기 측정값을 하기 수학식 Rx/Rs1=V/Vs1-1 에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 방법.
(단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs는 제1 기준 저항값, V는 전원 공급부의 전압값, Vs1은 제1 기준 저항 양단의 전압값)
고저항 측정 장치를 이용한 고저항 측정 방법에 있어서,
제2 기준 저항의 양 끝에 온/오프 스위치를 병렬로 연결하는 단계(S210);
상기 제2 기준 저항에 제1 기준 저항을 직렬로 연결하는 단계(S220);
상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항의 한끝에 측정하고자하는 피측정 저항을 직렬로 연결하는 단계(S230);
상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항과 피측정 저항의 양끝에 전원 공급부를 연결하여 정전압을 공급하는 단계(S240);
상기 직렬 연결된 제1,2 기준 저항 양끝에 전압계를 연결하고 상기 온/오프 스위치를 온/오프하여 상기 제1,2 기준 저항의 양끝에서 생성되는 전압을 측정하는 단계(S250); 및
상기 측정된 전압, 상기 제1,2 기준 저항값 및 전원 공급부의 전압값을 이용하여 상기 피측정 저항값을 결정하는 단계(S260)를 포함하며, 상기 고저항 측정 장치는 누설 저항 효과를 상쇄한 상기 피측정 저항의 저항값을 결정하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 방법.
제 9항에 있어서,
상기 단계(S220)에서, 상기 제 1기준 저항은 제 2기준 저항과 명목값이 같거나 다른 것을 특징으로 하는 고저항 측정 방법.
제 9항에 있어서,
상기 고저항 측정 장치는 상기 단계(S260)에서, 상기 측정값을 하기의 수학식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 고저항 측정 방법.
V/Vs1-V/Vs≒Rx*{1/Rs1-1/(Rs1+Rs2)}
(단, 상기 Rx는 피측정 저항값, Rs1은 제1 기준 저항값, Rs2는 제2 기준 저항값, Vs는 Rs1과 Rs2의 직렬 저항에서 생성된 전압값, Vs1은 Rs1 양단의 생성 전압값, V는 전원 공급부의 전압값)