Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления

Предположим, мы хотим измерить сопротивление для некоего элемента цепи, находящегося на значительном расстоянии от нашего омметра. Такой сценарий был бы проблематичным, потому что омметр измеряет всё сопротивление в контуре цепи, которое включает сопротивление проводов (R_провод), соединяющих омметр с измеряемым компонентом (R_{элемент}):

Рис. 1. Омметры в подобных схемах измеряют не только сопротивление элемента, но и сопротивление проводов.

Обычно сопротивление провода очень мало и составляет всего несколько Ом на сотни футов, зависит в первую очередь от калибра (сечения) провода. Однако если соединительные провода очень длинные (т.е. их собственное сопротивление не такое уж и маленькое) и/или сам измеряемый элемент имеет низкое сопротивление – в подобных случаях влияние сопротивления провода на замеренное общее сопротивление будет значительным.

Простой в своей гениальности способ измерить сопротивление элемента в такой ситуации – использование как амперметра, так и вольтметра. Мы знаем из закона Ома, что сопротивление равно напряжению, делённому на силу тока (R = E/I). Таким образом, мы сможем определить сопротивление исследуемого компонента, если измерим ток, проходящий через него, и падение напряжения на нём:

Рис. 2. Измеряем сопротивление элемента с помощью амперметра и вольтметра.

Ток одинаков во всех точках цепи, потому что это последовательный контур – поэтому не важно, насколько далеко от измеряемого элемента находится амперметр. Поскольку в этой схеме мы измеряем напряжение, которое приходится только на сопротивление измеряемого объекта (а не сопротивление проводов), вычисленное по закону Ома сопротивление является показателем только сопротивления компонента (R_{элемент}).

Наша первоначальная цель, однако, состоит в том, чтобы измерить это сопротивление объекта на расстоянии, поэтому наш вольтметр должен быть расположен где-то рядом с амперметром и быть подключённым к измеряемому объекту другой парой проводов, тоже содержащих сопротивление:

Рис. 3. Омметр, состоящий из амперметра и вольтметра, находящихся на расстоянии от измеряемого элемента.

Сначала кажется, что мы добровольно отказались от преимущества, которое давало нам непосредственное подключение вольтметра к измеряемому элементу. Ведь теперь вольтметр измеряет напряжение через длинную пару (резистивных) проводов, возвращая паразитное сопротивление обратно в измерительную схему. Однако при более внимательном рассмотрении видно, что вообще ничего не потеряно, потому что по проводам вольтметра проходит минимальный ток. Таким образом, на этих длинных проводах, соединяющих вольтметр и измеряемый объект, будет незначительное падение напряжения, в результате чего показания вольтметра будут практически такими же, как если бы он был подключён непосредственно к измеряемому объекту:

Рис. 4. Через провода, соединяющие измеряемый элемент и вольтметр, течёт минимальный ток.

Любое падение напряжения на основных токоведущих проводах не будет измеряться вольтметром и, следовательно, не учитывается при вычислении сопротивления. Точность измерения может быть улучшена ещё больше, если сила тока на вольтметре будет сведена к минимуму, либо за счёт использования высококачественного (т.е. рассчитанного на низкие токи для полной шкалы) движителя и/или за счёт потенциометрической (с нулевым балансом) системы.

Метод Кельвина

Этот метод измерения, позволяющий избежать погрешностей, к которым может привести сопротивление дополнительных проводов. Метод Кельвина ещё называют 4-проводным методом. Для этого нужны специальные зажимы, называемые зажимами Кельвина, с помощью которых можно легко подсоединить и амперметр и вольтметр к измеряемому объекту:

Рис. 5. Зажимы Кельвина.

В обычных зажимах типа «крокодил» обе половины каждой «челюсти» электрически общие друг с другом, обычно они соединены в том месте, где расположен шарнир. В зажимах Кельвина половины челюстей изолированы друг от друга в области шарнира и контактируют только на концах, где они непосредственно зажимают провод или клемму измеряемого объекта. Таким образом, ток проходящий по проводу, обозначенный на диаграмме ниже буквой «Т» (т.е. «ток», так как данный провод проходит через амперметр, измеряющий силу тока) не проходит через провод, обозначенный буквой «П» («потенциал», что в данном случае то же самое что и напряжение, так как этот провод проходит через вольтметр, измеряющий разность потенциалов т.е. падение напряжения). Поскольку из показаний вольтметра исключается падение напряжения по всей длине основных проводов, связанные с этим ошибки измерения уже не возникают:

Рис. 6. На схеме показано, что в зажимах Кельвина через одну из половинок каждой челюсти проходит провод, подключенный к амперметру, а через вторую из половинок каждой челюсти – провод, подключенный к вольтметру.

Тот же принцип использования разных точек контакта для измерения токопроводимости и напряжения используется в прецизионных шунтирующих резисторах для измерения больших значений силы тока. Как уже обсуждалось в предыдущем разделе «Мультиметры», шунтирующие резисторы функционируют как устройства измерения силы тока, интерпретируя точное значение напряжения в амперах, причём падение напряжения измеряется вольтметром. В этом смысле прецизионный шунтирующий резистор «преобразует» текущее значение силы тока в пропорциональное значение напряжения. Таким образом, силу тока можно точно измерить, измерив падение напряжения на шунте:

Рис. 7. Значение падения напряжения на шунте позволяет пропорционально измерить силу тока.

Измерение силы тока с использованием шунтирующего резистора и вольтметра особенно хорошо подходит для случаев, в которых приходится иметь дело с особенно высокими значениями силы тока. Тогда сопротивление шунтирующего резистора, вероятно, будет порядка миллиомов или микроомов, так что даже при полном токе падение напряжения будет небольшим. Такое низкое сопротивление сравнимо с сопротивлением соединения проводов. А это значит, что во избежание неприемлемо больших ошибок измерения на таком шунте напряжение нужно измерить таким образом, чтобы в значение не попало падение напряжения на соединениях токоведущих проводов. Чтобы вольтметр измерял только напряжение, выпадающее на сопротивление шунта, без каких-либо паразитных напряжений, возникающих из-за сопротивления проводов или соединений, шунты обычно оснащены четырьмя соединительными клеммами:

Рис. 8. Измерение напряжения, выпадающее только на сопротивление шунта.

Прецизионный стандартный резистор

В метрологических приборах (метрология это «наука об измерениях», если кто не в курсе), где точность имеет первостепенное значение, высокоточные «стандартные» резисторы также оснащены четырьмя выводами: двумя для измерения силы тока и ещё двумя – для измерения напряжения на самом резисторе. Таким образом, вольтметр измеряет падение напряжения только на самом прецизионном резисторе, без каких-либо паразитных падений напряжения на токоведущих проводах или соединения провод/клемма.

На следующем фото показан прецизионный стандартный резистор с номинальным сопротивлением в 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:

Рис. 9. Прецизионный стандартный резистор.

Вот ещё один, более старый (такие делали ещё до Второй мировой войны) стандартный резистор немецкого производства. Этот блок имеет сопротивление 0,001 Ом. Здесь тоже четыре контакта для подключения клемм, они выполнены в виде чёрных ручек. Под каждой ручкой находится металлическая площадка, предназначенная для соединения с металлической клеммой на конце провода. Две большие ручки служат для фиксации токонесущего провода. Другие две ручки поменьше предназначены для фиксации («потенциометрических») проводов вольтметра:

Рис. 10. Довоенный резистор с ручками для крепления проводов вольтметра.

Отдельное спасибо ребятам из Fluke, что в Эверетте, штат Вашингтон, за то, что дали мне возможность сфотографировать эти дорогие раритеты из их лаборатории эталонов.

Следует учитывать, что при измерении сопротивления амперметром и вольтметром сложной погрешности не избежать. Из-за того, что точность обоих инструментов влияет на общий конечный результат, суммарная точность измерения может оказаться хуже, чем если бы каждый прибор использовался по-отдельности. Например, если точность амперметра составляет ±1%, и такая же точность у вольтметра, то любое измерение, зависящее от показаний обоих инструментов, может быть неточным уже 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 иметь место совокупная погрешность, но она будет меньше, чем в случае комбинации вольтметр + амперметр, потому что типовая точность стандартного резистора намного превышает типовую точность амперметра. Используя зажимы Кельвина для соединения с резисторным элементом, схема выглядит примерно так:

Рис. 11. Выясняем сопротивление элемента с применением зажимов Кельвина. Вместо амперметра используется шунтирующий резистор.

Все токоведущие провода в приведённой выше схеме выделены жирным шрифтом, чтобы отличать их от проводов, соединяющих вольтметр через оба резистора (R_{элемент} и R_{стандартн.}). В идеале, потенциометрический вольтметр используется для того, чтобы через «потенциометрические» провода шёл минимальный ток.

Рис. 12. Потенциометрический вольтметр.

Измерение Кельвина удобно для определения плохих контактов или обнаружения непредусмотренного сопротивления в электрической цепи. Подключите источник питания постоянного тока к цепи и отрегулируйте источник питания так, чтобы он подавал постоянный ток в цепь, как показано на диаграмме выше (в пределах возможностей самой схемы, конечно). С помощью цифрового мультиметра, переключённого в режим измерения постоянного напряжения, измерьте падение напряжения в различных точках цепи. Если вам известен размер провода, вы можете оценить ожидаемое падение напряжения и сравнить его с измеренным. Это может быть быстрым и эффективным методом обнаружения плохих контактов в проводке, подверженной воздействию элементов, например, в осветительных электрических цепях в трейлерах. Метод также может хорошо работать с проводниками, отключёнными на время от сети переменного тока (при этом стоит лишний раз убедиться, что во время замера питание переменного тока невозможно включить). Например, можно измерить падение напряжения на выключателе света и оценить, вызывают ли подозрения контакты выключателя или провода, соединённые с ним. Для максимально эффективного применения метода Кельвина следует измерять только что собранные схемы, чтобы точно знать, какими должны быть «правильные» значения. Если вы будете применять данную технику на новых схемах и не лениться заносить показания в журнал, у вас будет крайне ценная информация для устранения неисправностей, которые могут возникнуть в будущем для этих цепей.