Kelvin (4-Draht)-Widerstandsmessung

Angenommen, wir möchten den Widerstand einer Komponente messen, die sich in erheblicher Entfernung von unserem Ohmmeter befindet. Ein solches Szenario wäre problematisch, da ein Ohmmeter alle misst Widerstand in der Stromkreisschleife, der den Widerstand der Drähte enthält (R_Draht ) Anschließen des Ohmmeters an die zu messende Komponente (R_Subjekt ):

Normalerweise ist der Drahtwiderstand sehr klein (nur wenige Ohm pro Hunderte von Fuß, hauptsächlich abhängig von der Drahtstärke (Größe)), aber wenn die Anschlussdrähte sehr lang sind und/oder das zu messende Bauteil einen sehr Niedriger Widerstand sowieso, der durch den Drahtwiderstand verursachte Messfehler wird erheblich sein.

Eine ausgeklügelte Methode zum Messen des Subjektwiderstands in einer solchen Situation beinhaltet die Verwendung sowohl eines Amperemeters als auch eines Voltmeters. Aus dem Ohmschen Gesetz wissen wir, dass der Widerstand gleich der Spannung geteilt durch den Strom ist (R =E/I). Daher sollten wir in der Lage sein, den Widerstand der betreffenden Komponente zu bestimmen, wenn wir den durch sie fließenden Strom und die daran abfallende Spannung messen:

Der Strom ist an allen Punkten im Stromkreis gleich, da es sich um eine Reihenschleife handelt. Da wir jedoch nur den Spannungsabfall über den Widerstand des Subjekts messen (und nicht die Widerstände der Drähte), ist der berechnete Widerstand ein Hinweis auf den Widerstand des Subjekts (R_Subjekt .). ) allein.

Unser Ziel war es jedoch, diesen Subjektwiderstand aus der Ferne zu messen , also muss sich unser Voltmeter irgendwo in der Nähe des Amperemeters befinden, verbunden mit dem Widerstand des Subjekts durch ein weiteres Paar von Drähten, die einen Widerstand enthalten:

Zunächst scheint es, dass wir jeden Vorteil der Widerstandsmessung auf diese Weise verloren haben, da das Voltmeter jetzt die Spannung über ein langes Paar (Widerstands-) Drähte messen muss, wodurch der Streuwiderstand wieder in den Messkreis zurückgeführt wird. Bei genauerem Hinsehen zeigt sich jedoch, dass überhaupt nichts verloren geht, denn die Drähte des Voltmeters führen winzige Ströme. Daher werden die langen Kabellängen, die das Voltmeter über den Widerstand der Versuchsperson verbinden, unbedeutende Spannungswerte absenken, was zu einer Anzeige des Voltmeters führt, die fast dieselbe ist, als ob sie direkt über den Widerstand der Versuchsperson angeschlossen wäre:

Jegliche Spannung, die über die stromführenden Hauptleitungen abfällt, wird vom Voltmeter nicht gemessen und fließt daher überhaupt nicht in die Widerstandsberechnung ein. Die Messgenauigkeit kann noch weiter verbessert werden, wenn der Strom des Voltmeters auf einem Minimum gehalten wird, entweder durch Verwendung eines hochwertigen Uhrwerks (geringer Vollausschlag) und/oder eines potentiometrischen (Null-Balance-)Systems.

Kelvin-Methode

Diese Messmethode, die Fehler durch den Drahtwiderstand vermeidet, wird als Kelvin . bezeichnet , oder 4-adrig Methode. Spezielle Verbindungsclips namens Kelvin-Clips werden gemacht, um diese Art der Verbindung über einen Subjektwiderstand zu erleichtern:

Bei normalen „Alligator“-Clips sind beide Kieferhälften elektrisch miteinander verbunden, normalerweise am Scharnierpunkt verbunden. Bei Kelvin-Clips sind die Kieferhälften am Gelenkpunkt voneinander isoliert und berühren nur an den Spitzen, wo sie den Draht oder die Klemme des Messobjekts umfassen. Somit fließt Strom durch die „C“ („Strom“) Kieferhälften nicht durch das „P“ („Potenzial“ oder Spannung ) Backenhälften und erzeugt keinen fehlerinduzierenden Spannungsabfall entlang ihrer Länge:

Das gleiche Prinzip der Verwendung unterschiedlicher Kontaktpunkte für Stromleitung und Spannungsmessung wird bei Präzisions-Shunt-Widerständen zur Messung großer Ströme verwendet. Wie zuvor besprochen, fungieren Shunt-Widerstände als Strommessgeräte, indem sie für jeden durch sie fließenden Strom einen genauen Spannungsbetrag abfallen lassen, wobei der Spannungsabfall von einem Voltmeter gemessen wird. In diesem Sinne „wandelt“ ein Präzisions-Shunt-Widerstand einen Stromwert in einen proportionalen Spannungswert um. Somit kann der Strom genau gemessen werden, indem die über den Shunt abfallende Spannung gemessen wird:

Die Strommessung mit Shunt-Widerstand und Voltmeter eignet sich besonders gut für Anwendungen mit besonders großen Stromstärken. Bei solchen Anwendungen liegt der Widerstand des Shunt-Widerstands wahrscheinlich in der Größenordnung von Milliohm oder Mikroohm, sodass bei vollem Strom nur eine bescheidene Spannung abfällt.

Der so niedrige Widerstand ist vergleichbar mit dem Widerstand der Drahtverbindung, was bedeutet, dass die über einen solchen Shunt gemessene Spannung so erfolgen muss, dass ein Spannungsabfall über den stromführenden Drahtverbindungen nicht erkannt wird, damit keine großen Messfehler induziert werden. Damit das Voltmeter nur die durch den Shunt-Widerstand selbst abfallende Spannung misst, ohne dass Streuspannungen vom Leitungs- oder Anschlusswiderstand entstehen, werden Shunts in der Regel mit vier Anschlussklemmen:

Präzisions-Standardwiderstand

In der Metrologie (Metrologie =„die Wissenschaft des Messens“ ) Anwendungen, bei denen es auf Genauigkeit ankommt, sind hochpräzise „Standard“-Widerstände ebenfalls mit vier Anschlüssen ausgestattet:zwei zum Führen des gemessenen Stroms und zwei zum Weiterleiten des Spannungsabfalls des Widerstands zum Voltmeter. Auf diese Weise misst das Voltmeter nur den Spannungsabfall am Präzisionswiderstand selbst, ohne dass Streuspannungen an stromführenden Drähten oder Draht-zu-Klemmen-Verbindungswiderständen abfallen.

Das folgende Foto zeigt einen Präzisions-Normwiderstand mit 1 Wert, der mit einigen anderen Normwiderständen in ein temperiertes Ölbad getaucht ist. Beachten Sie die beiden großen äußeren Klemmen für Strom und die beiden kleinen Anschlussklemmen für Spannung:

Hier ist ein weiterer, älterer (vor dem 2. Weltkrieg) Standardwiderstand deutscher Herstellung. Dieses Gerät hat einen Widerstand von 0,001 Ω, und auch hier sind die vier Anschlusspunkte als schwarze Knöpfe zu sehen (Metallpads unter jedem Knopf für eine direkte Metall-auf-Metall-Verbindung mit den Drähten), zwei große Knöpfe zum Sichern der stromführenden Drähte und zwei kleinere Knöpfe zum Sichern der Voltmeter-(Potential-)Drähte:

Ich danke der Fluke Corporation in Everett, Washington, dafür, dass sie mir erlaubt hat, diese teuren und etwas seltenen Standardwiderstände in ihrem Primärstandardlabor zu fotografieren.

Es ist zu beachten, dass die Widerstandsmessung mit beide ein Amperemeter und ein Voltmeter unterliegen einem zusammengesetzten Fehler. Aufgrund der Genauigkeit beider Instrumente, die in das Endergebnis einfließen, kann die Gesamtmessgenauigkeit schlechter sein als bei beiden Instrumenten allein betrachtet. Wenn beispielsweise das Amperemeter eine Genauigkeit von +/- 1% und das Voltmeter ebenfalls eine Genauigkeit von +/- 1% hat, kann jede Messung, die von den Anzeigen beider Instrumente abhängt, um bis zu +/- 2% ungenau sein.

Eine höhere Genauigkeit kann erreicht werden, indem das Amperemeter durch einen Standardwiderstand ersetzt wird, der als Strommess-Shunt verwendet wird. Zwischen dem Standardwiderstand und dem zur Messung des Spannungsabfalls verwendeten Voltmeter tritt immer noch ein zusammengesetzter Fehler auf, der jedoch geringer ist als bei einer Voltmeter + Amperemeter-Anordnung, da die typische Standardwiderstandsgenauigkeit die typische Amperemetergenauigkeit bei weitem übersteigt. Unter Verwendung von Kelvin-Clips, um eine Verbindung mit dem Widerstand des Subjekts herzustellen, sieht die Schaltung ungefähr so ​​​​aus:

Alle stromführenden Drähte in der obigen Schaltung sind in „fett“ dargestellt, um sie leicht von den Drähten zu unterscheiden, die das Voltmeter über beide Widerstände verbinden (R_Betreff und R_Standard ). Idealerweise wird ein potentiometrisches Voltmeter verwendet, um sicherzustellen, dass so wenig Strom wie möglich durch die „Potential“-Leitungen fließt.

Die Kelvin-Messung kann ein praktisches Werkzeug sein, um schlechte Verbindungen oder unerwartete Widerstände in einem Stromkreis zu finden. Schließen Sie ein Gleichstromnetzteil an den Stromkreis an und stellen Sie das Netzteil so ein, dass es einen konstanten Strom an den Stromkreis liefert, wie im obigen Diagramm gezeigt (natürlich innerhalb der Möglichkeiten des Stromkreises). Messen Sie mit einem Digitalmultimeter zum Messen der Gleichspannung den Spannungsabfall an verschiedenen Punkten im Stromkreis.

Wenn Sie die Kabelgröße kennen, können Sie den Spannungsabfall abschätzen, den Sie sehen sollten, und diesen mit dem gemessenen Spannungsabfall vergleichen. Dies kann eine schnelle und effektive Methode sein, um schlechte Verbindungen in der den Elementen ausgesetzten Verkabelung zu finden, z. B. in den Beleuchtungskreisen eines Anhängers. Es kann auch gut für nicht mit Strom versorgte Wechselstromleiter funktionieren (stellen Sie sicher, dass der Wechselstrom nicht eingeschaltet werden kann).

Sie können beispielsweise den Spannungsabfall an einem Lichtschalter messen und feststellen, ob die Kabelverbindungen zum Schalter oder die Kontakte des Schalters verdächtig sind. Um mit dieser Technik am effektivsten zu sein, sollten Sie den gleichen Schaltungstyp auch nach der Neuherstellung messen, damit Sie ein Gefühl für die „richtigen“ Werte haben. Wenn Sie diese Technik bei neuen Schaltungen anwenden und die Ergebnisse in ein Logbuch eintragen, haben Sie wertvolle Informationen für die zukünftige Fehlersuche.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Ohmmeter - Kelvin-Arbeitsblatt
• Amperemeter - Kelvin-Arbeitsblatt
• DC-Motor - Kelvin-Arbeitsblatt