Измерение сопротивления Кельвина (4-проводное)

Предположим, мы хотим измерить сопротивление некоторого компонента, находящегося на значительном расстоянии от нашего омметра. Такой сценарий был бы проблематичным, потому что омметр измеряет все сопротивление в контуре цепи, которое включает сопротивление проводов (R _wire ) подключение омметра к измеряемому компоненту (R _subject ):

Обычно сопротивление провода очень мало (всего несколько Ом на сотни футов, в первую очередь, в зависимости от калибра (размера) провода), но если соединительные провода очень длинные и / или измеряемый компонент имеет очень в любом случае при низком сопротивлении погрешность измерения, связанная с сопротивлением провода, будет значительной.

Гениальный метод измерения сопротивления объекта в такой ситуации включает использование как амперметра, так и вольтметра. Мы знаем из закона Ома, что сопротивление равно напряжению, деленному на ток (R =E / I). Таким образом, мы сможем определить сопротивление исследуемого компонента, если измерим ток, проходящий через него, и падение напряжения на нем:

Ток одинаков во всех точках цепи, потому что это последовательный контур. Поскольку мы измеряем только падение напряжения на сопротивлении объекта (а не сопротивление проводов), вычисленное сопротивление указывает на сопротивление компонента объекта (R _subject ) в одиночку.

Однако нашей целью было измерить сопротивление этого объекта на расстоянии . , поэтому наш вольтметр должен быть расположен где-то рядом с амперметром, подключенным к сопротивлению объекта другой парой проводов, содержащих сопротивление:

Сначала кажется, что мы потеряли какое-либо преимущество измерения сопротивления таким способом, потому что вольтметр теперь должен измерять напряжение через длинную пару (резистивных) проводов, снова вводя паразитное сопротивление обратно в измерительную схему. Однако при ближайшем рассмотрении видно, что вообще ничего не потеряно, потому что по проводам вольтметра протекает минимальный ток. Таким образом, на этих длинных отрезках провода, соединяющего вольтметр через испытуемое сопротивление, будет падать незначительное напряжение, в результате чего показания вольтметра будут почти такими же, как если бы он был подключен непосредственно через испытуемое сопротивление:

Любое падение напряжения на основных токоведущих проводах не будет измеряться вольтметром и, следовательно, не учитывается при вычислении сопротивления. Точность измерения может быть улучшена еще больше, если ток вольтметра будет сведен к минимуму, либо за счет использования высококачественного (низкий ток полной шкалы) движения и / или потенциометрической (нулевой баланс) системы.

Метод Кельвина

Этот метод измерения, позволяющий избежать ошибок, вызванных сопротивлением проводов, называется Кельвином . , или 4-проводный метод. Специальные соединительные зажимы, называемые зажимами Кельвина сделаны для облегчения такого соединения через предметное сопротивление:

В обычных зажимах типа «крокодил» обе половины челюсти электрически общие друг с другом, обычно соединяются в точке шарнира. В зажимах Кельвина половины губок изолированы друг от друга в точке шарнира, контактируя только на концах, где они зажимают провод или клемму объекта измерения. Таким образом, ток через «C» («ток») половинки кулачка не проходит через «P» («потенциал» или напряжение ) половинки кулачков и не будут создавать вызывающего ошибку падения напряжения по всей их длине:

Тот же принцип использования разных точек контакта для измерения токопроводимости и напряжения используется в прецизионных шунтирующих резисторах для измерения больших значений тока. Как обсуждалось ранее, шунтирующие резисторы функционируют как устройства измерения тока, понижая точное значение напряжения на каждый ампер протекающего через них тока, при этом падение напряжения измеряется вольтметром. В этом смысле прецизионный шунтирующий резистор «преобразует» текущее значение в пропорциональное значение напряжения. Таким образом, ток можно точно измерить, измерив падение напряжения на шунте:

Измерение тока с использованием шунтирующего резистора и вольтметра особенно хорошо подходит для приложений, требующих особенно больших значений тока. В таких приложениях сопротивление шунтирующего резистора, вероятно, будет порядка миллиомов или микроом, так что при полном токе будет падать только небольшое напряжение.

Такое низкое сопротивление сравнимо с сопротивлением соединения проводов, что означает, что напряжение, измеренное на таком шунте, должно производиться таким образом, чтобы избежать обнаружения падения напряжения на соединениях токоведущих проводов, во избежание возникновения огромных ошибок измерения. Чтобы вольтметр измерял только напряжение, падающее непосредственно на сопротивление шунта, без каких-либо паразитных напряжений, возникающих из-за сопротивления проводов или соединений, шунты обычно снабжены четырьмя соединительные клеммы:

Прецизионный стандартный резистор

В метрологии ( метрология =«наука об измерениях» В приложениях, где точность имеет первостепенное значение, высокоточные «стандартные» резисторы также оснащены четырьмя выводами:двумя для передачи измеряемого тока и двумя для передачи падения напряжения резистора на вольтметр. Таким образом, вольтметр измеряет только напряжение, падающее на самом прецизионном сопротивлении, без каких-либо паразитных напряжений, падающих на токоведущие провода или сопротивления соединений между проводами.

На следующей фотографии показан прецизионный стандартный резистор номиналом 1 Ом, погруженный в масляную ванну с регулируемой температурой, вместе с несколькими другими стандартными резисторами. Обратите внимание на две большие внешние клеммы для тока и две маленькие клеммы для напряжения:

Вот еще один, более старый (до Второй мировой войны) стандартный резистор немецкого производства. Этот блок имеет сопротивление 0,001 Ом, и снова четыре точки подключения клемм можно увидеть как черные ручки (металлические площадки под каждой ручкой для прямого соединения металла с металлом с проводами), две большие ручки для фиксации токопроводящего провода и две ручки меньшего размера для закрепления проводов вольтметра («потенциальных»):

Выражаем признательность корпорации Fluke в Эверетте, штат Вашингтон, за предоставленную мне возможность сфотографировать эти дорогие и довольно редкие стандартные резисторы в их лаборатории первичных эталонов.

Следует отметить, что измерение сопротивления с использованием обоих амперметр и вольтметр подвержены общей погрешности. Из-за того, что точность обоих инструментов влияет на конечный результат, общая точность измерения может быть хуже, чем у любого другого инструмента, рассматриваемого отдельно. Например, если точность амперметра +/- 1%, а вольтметр также точность +/- 1%, любое измерение, зависящее от показаний обоих приборов, может быть неточным на целых +/- 2%.

Более высокую точность можно получить, заменив амперметр на стандартный резистор, используемый в качестве токоизмерительного шунта. Между стандартным резистором и вольтметром, используемым для измерения падения напряжения, по-прежнему будет сложная ошибка, но она будет меньше, чем в случае комбинации вольтметр + амперметр, потому что типичная точность стандартного резистора намного превышает типичную точность амперметра. Используя зажимы Кельвина для соединения с сопротивлением объекта, схема выглядит примерно так:

Все токоведущие провода в приведенной выше схеме выделены жирным шрифтом, чтобы их можно было легко отличить от проводов, соединяющих вольтметр через оба сопротивления (R _subject и R _{стандартный} ). В идеале использовать потенциометрический вольтметр, чтобы обеспечить минимальный ток через «потенциальные» провода.

Измерение Кельвина может быть практическим инструментом для обнаружения плохих контактов или неожиданного сопротивления в электрической цепи. Подключите источник питания постоянного тока к цепи и отрегулируйте источник питания так, чтобы он подавал постоянный ток в схему, как показано на схеме выше (конечно, в пределах возможностей схемы). С помощью цифрового мультиметра, установленного для измерения постоянного напряжения, измерьте падение напряжения в различных точках цепи.

Если вам известен размер провода, вы можете оценить падение напряжения, которое вы должны увидеть, и сравнить его с измеренным падением напряжения. Это может быть быстрым и эффективным методом поиска плохих соединений в проводке, подверженной воздействию элементов, например, в цепях освещения прицепа. Он также может работать с обесточенными проводниками переменного тока (убедитесь, что питание переменного тока невозможно включить).

Например, вы можете измерить падение напряжения на переключателе света и определить, подозрительны ли соединения проводов с переключателем или его контакты. Чтобы быть наиболее эффективным при использовании этого метода, вам также следует измерять схемы того же типа после того, как они были изготовлены заново, чтобы иметь представление о «правильных» значениях. Если вы примените этот метод на новых цепях и занесете результаты в журнал, у вас будет ценная информация для устранения неполадок в будущем.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Омметр - таблица Кельвина
• Амперметр - таблица Кельвина
• Двигатель постоянного тока - таблица Кельвина