Kelvin (4-draads) weerstandsmeting
Stel dat we de weerstand willen meten van een onderdeel dat zich op een aanzienlijke afstand van onze ohmmeter bevindt. Een dergelijk scenario zou problematisch zijn omdat een ohmmeter alles meet weerstand in de circuitlus, inclusief de weerstand van de draden (Rdraad ) de ohmmeter aansluiten op het te meten onderdeel (Ronderwerp ):
Gewoonlijk is de draadweerstand erg klein (slechts een paar ohm per honderden voet, voornamelijk afhankelijk van de dikte (maat) van de draad), maar als de verbindingsdraden erg lang zijn en/of het te meten onderdeel een zeer hoge hoe dan ook lage weerstand, de meetfout die wordt geïntroduceerd door draadweerstand zal aanzienlijk zijn.
Een ingenieuze methode om de weerstand van het onderwerp in een dergelijke situatie te meten, omvat het gebruik van zowel een ampèremeter als een voltmeter. We weten uit de wet van Ohm dat weerstand gelijk is aan spanning gedeeld door stroom (R =E/I). We zouden dus in staat moeten zijn om de weerstand van de betreffende component te bepalen als we de stroom die er doorheen gaat meten en de spanning die erover valt:
De stroom is op alle punten in het circuit hetzelfde, omdat het een serielus is. Omdat we echter alleen de spanning meten die is gedaald over de weerstand van het onderwerp (en niet over de weerstanden van de draden), is de berekende weerstand een indicatie van de weerstand van het onderwerp (Ronderwerp ) alleen.
Ons doel was echter om de weerstand van deze proefpersoon van een afstand te meten , dus onze voltmeter moet zich ergens in de buurt van de ampèremeter bevinden, verbonden over de weerstand van het onderwerp door een ander paar draden met weerstand:
In eerste instantie lijkt het erop dat we elk voordeel van het meten van weerstand op deze manier hebben verloren, omdat de voltmeter nu spanning moet meten door een lang paar (resistieve) draden, waardoor de verdwaalde weerstand weer in het meetcircuit wordt geïntroduceerd. Bij nadere inspectie blijkt echter dat er helemaal niets verloren gaat, omdat de draden van de voltmeter minuscule stroom voeren. Dus die lange stukken draad die de voltmeter over de weerstand van het onderwerp verbinden, zullen onbeduidende hoeveelheden spanning laten dalen, wat resulteert in een voltmeter-indicatie die bijna hetzelfde is alsof deze direct over de weerstand van het onderwerp zou zijn aangesloten:
Elke spanning die over de hoofdstroomvoerende draden valt, wordt niet gemeten door de voltmeter en wordt dus helemaal niet meegenomen in de weerstandsberekening. De meetnauwkeurigheid kan nog verder worden verbeterd als de stroom van de voltmeter tot een minimum wordt beperkt, hetzij door een beweging van hoge kwaliteit (lage volledige schaalstroom) en/of een potentiometrische (nulbalans) systeem te gebruiken.
Kelvin-methode
Deze meetmethode die fouten veroorzaakt door draadweerstand vermijdt, wordt de Kelvin . genoemd , of 4-draads methode. Speciale verbindingsclips genaamd Kelvin-clips zijn gemaakt om dit soort verbinding over de weerstand van een onderwerp te vergemakkelijken:
Bij gewone clips in "alligator"-stijl zijn beide helften van de kaak elektrisch gemeenschappelijk voor elkaar, meestal verbonden op het scharnierpunt. In Kelvin-clips zijn de kaakhelften geïsoleerd van elkaar bij het scharnierpunt en maken ze alleen contact met de uiteinden waar ze de draad of het aansluitpunt van het te meten object omklemmen. De stroom door de "C" ("stroom") kaakhelften gaat dus niet door de "P" ("potentiaal" of spanning). ) kaakhelften, en zal geen fout-inducerende spanningsval over hun lengte veroorzaken:
Hetzelfde principe van het gebruik van verschillende contactpunten voor stroomgeleiding en spanningsmeting wordt gebruikt in precisieshuntweerstanden voor het meten van grote hoeveelheden stroom. Zoals eerder besproken, functioneren shuntweerstanden als stroommeetapparaten door een precieze hoeveelheid spanning te laten vallen voor elke ampère stroom die er doorheen gaat, waarbij de spanningsval wordt gemeten door een voltmeter. In die zin "converteert" een precisieshuntweerstand een stroomwaarde in een proportionele spanningswaarde. De stroom kan dus nauwkeurig worden gemeten door de spanning te meten die over de shunt is gevallen:
Stroommeting met een shuntweerstand en voltmeter is bijzonder geschikt voor toepassingen met bijzonder grote stroomsterkten. In dergelijke toepassingen zal de weerstand van de shuntweerstand waarschijnlijk in de orde van milliohm of microohm zijn, zodat slechts een bescheiden hoeveelheid spanning bij volledige stroom zal vallen.
Deze lage weerstand is vergelijkbaar met de weerstand van de draadverbinding, wat betekent dat de spanning die over een dergelijke shunt wordt gemeten, op zo'n manier moet worden gedaan dat er geen spanning wordt gedetecteerd die over de stroomvoerende draadverbindingen valt, anders ontstaan er grote meetfouten. Om ervoor te zorgen dat de voltmeter alleen de spanning meet die door de shuntweerstand zelf wordt verlaagd, zonder enige zwerfspanningen afkomstig van draad- of verbindingsweerstanden, zijn shunts meestal uitgerust met vier aansluitklemmen:
Precisie standaardweerstand
In metrologische (metrologie ="de wetenschap van het meten") ) toepassingen, waar nauwkeurigheid van het grootste belang is, zijn zeer nauwkeurige "standaard" weerstanden ook uitgerust met vier klemmen:twee voor het dragen van de gemeten stroom en twee voor het overbrengen van de spanningsval van de weerstand naar de voltmeter. Op deze manier meet de voltmeter alleen de spanning die valt over de precisieweerstand zelf, zonder dat er strooispanningen vallen over stroomvoerende draden of draad-naar-terminal-verbindingsweerstanden.
De volgende foto toont een precisiestandaardweerstand van 1 -waarde ondergedompeld in een temperatuurgecontroleerd oliebad met een paar andere standaardweerstanden. Let op de twee grote buitenste klemmen voor stroom en de twee kleine aansluitklemmen voor spanning:
Hier is nog een oudere (pre-Tweede Wereldoorlog) standaardweerstand van Duitse makelij. Dit apparaat heeft een weerstand van 0,001 Ω, en opnieuw kunnen de vier aansluitpunten worden gezien als zwarte knoppen (metalen pads onder elke knop voor directe metaal-op-metaal verbinding met de draden), twee grote knoppen voor het vastzetten van de stroomvoerende draden en twee kleinere knoppen om de draden van de voltmeter (“potentiaal”) vast te zetten:
Mijn waardering gaat uit naar de Fluke Corporation in Everett, Washington voor het feit dat ik deze dure en enigszins zeldzame standaardweerstanden heb mogen fotograferen in hun primaire standaardlaboratorium.
Opgemerkt moet worden dat weerstandsmeting met behulp van beide een ampèremeter en een voltmeter zijn onderhevig aan samengestelde fouten. Vanwege de nauwkeurigheid van beide instrumenten die van invloed zijn op het uiteindelijke resultaat, kan de algehele meetnauwkeurigheid slechter zijn dan elk afzonderlijk instrument. Als de ampèremeter bijvoorbeeld nauwkeurig is tot +/- 1% en de voltmeter ook nauwkeurig is tot +/- 1%, kan elke meting die afhankelijk is van de indicaties van beide instrumenten tot +/- 2% onnauwkeurig zijn.
Een grotere nauwkeurigheid kan worden verkregen door de ampèremeter te vervangen door een standaardweerstand, die wordt gebruikt als stroommeetshunt. Er zal nog steeds een samengestelde fout zijn tussen de standaardweerstand en de voltmeter die wordt gebruikt om de spanningsval te meten, maar dit zal minder zijn dan bij een voltmeter + ampèremeter-opstelling, omdat de typische standaardweerstandsnauwkeurigheid de typische nauwkeurigheid van de ampèremeter ver overtreft. Met behulp van Kelvin-clips om een verbinding te maken met de weerstand van het onderwerp, ziet het circuit er ongeveer zo uit:
Alle stroomvoerende draden in het bovenstaande circuit zijn "vet" weergegeven om ze gemakkelijk te onderscheiden van draden die de voltmeter over beide weerstanden verbinden (Ronderwerp en Rstandaard ). Idealiter wordt een potentiometrische voltmeter gebruikt om te zorgen voor zo min mogelijk stroom door de "potentiële" draden.
De Kelvin-meting kan een praktisch hulpmiddel zijn om slechte verbindingen of onverwachte weerstanden in een elektrisch circuit te vinden. Sluit een gelijkstroomvoeding aan op de schakeling en stel de voeding zo af dat deze een constante stroom aan de schakeling levert zoals weergegeven in het bovenstaande schema (uiteraard binnen de mogelijkheden van de schakeling). Met een digitale multimeter die is ingesteld om gelijkspanning te meten, meet u de spanningsval over verschillende punten in het circuit.
Als u de draadmaat weet, kunt u de spanningsval schatten die u zou moeten zien en deze vergelijken met de spanningsval die u meet. Dit kan een snelle en effectieve methode zijn om slechte verbindingen te vinden in bedrading die is blootgesteld aan de elementen, zoals in de verlichtingscircuits van een aanhangwagen. Het kan ook goed werken voor stroomloze AC-geleiders (zorg ervoor dat de AC-stroom niet kan worden ingeschakeld).
U kunt bijvoorbeeld de spanningsval over een lichtschakelaar meten en bepalen of de bedradingsverbindingen naar de schakelaar of de contacten van de schakelaar verdacht zijn. Om het meest effectief te zijn bij het gebruik van deze techniek, moet u ook hetzelfde type circuits meten nadat ze nieuw zijn gemaakt, zodat u een gevoel krijgt voor de "juiste" waarden. Als je deze techniek op nieuwe circuits gebruikt en de resultaten in een logboek noteert, heb je waardevolle informatie voor het oplossen van problemen in de toekomst.
GERELATEERDE WERKBLAD:
- Ohmmeter - Kelvin-werkblad
- Ammeter - Kelvin-werkblad
- DC-motor - Kelvin-werkblad
Industriële technologie