Medição de resistência Kelvin (4 fios)

Suponha que desejamos medir a resistência de algum componente localizado a uma distância significativa de nosso ohmímetro. Tal cenário seria problemático porque um ohmímetro mede todos resistência no loop do circuito, que inclui a resistência dos fios (R _fio ) conectando o ohmímetro ao componente sendo medido (R _assunto ):



Normalmente, a resistência do fio é muito pequena (apenas alguns ohms por centenas de pés, dependendo principalmente da bitola (tamanho) do fio), mas se os fios de conexão forem muito longos e / ou o componente a ser medido tiver uma baixa resistência de qualquer maneira, o erro de medição introduzido pela resistência do fio será substancial.

Um método engenhoso de medir a resistência do objeto em uma situação como essa envolve o uso de um amperímetro e um voltímetro. Sabemos pela Lei de Ohm que a resistência é igual à tensão dividida pela corrente (R =E / I). Assim, devemos ser capazes de determinar a resistência do componente em questão se medirmos a corrente que passa por ele e a tensão caiu através dele:



A corrente é a mesma em todos os pontos do circuito, porque é um loop em série. Como estamos apenas medindo a queda de tensão na resistência em questão (e não nas resistências dos fios), a resistência calculada é indicativa da resistência do componente em questão (R ​​ _assunto ) sozinho.

Nosso objetivo, porém, era medir a resistência deste sujeito à distância , então nosso voltímetro deve estar localizado em algum lugar perto do amperímetro, conectado através da resistência em questão por outro par de fios contendo resistência:



A princípio, parece que perdemos qualquer vantagem de medir a resistência dessa maneira, porque o voltímetro agora tem que medir a tensão através de um longo par de fios (resistivos), introduzindo a resistência dispersa de volta no circuito de medição. No entanto, após uma inspeção mais detalhada, é visto que nada se perde, porque os fios do voltímetro carregam uma corrente minúscula. Assim, os longos comprimentos de fio que conectam o voltímetro através da resistência em questão cairão quantidades insignificantes de voltagem, resultando em uma indicação de voltímetro que é quase a mesma como se estivesse conectado diretamente através da resistência em questão:



Qualquer queda de tensão nos fios condutores de corrente principais não será medida pelo voltímetro e, portanto, não será considerada no cálculo da resistência. A precisão da medição pode ser melhorada ainda mais se a corrente do voltímetro for mantida em um mínimo, usando um movimento de alta qualidade (baixa corrente de escala total) e / ou um sistema potenciométrico (equilíbrio nulo).

Método Kelvin

Este método de medição que evita erros causados ​​pela resistência do fio é chamado de Kelvin ou 4 fios método. Clipes de conexão especiais chamados clipes Kelvin são feitos para facilitar este tipo de conexão através de uma resistência sujeita:



Em clipes regulares do tipo “jacaré”, as duas metades da mandíbula são eletricamente comuns uma à outra, geralmente unidas no ponto de dobradiça. Nos clipes Kelvin, as metades da mandíbula são isoladas uma da outra no ponto de articulação, apenas entrando em contato nas pontas onde prendem o fio ou terminal do objeto que está sendo medido. Assim, a corrente através das metades da mandíbula "C" ("corrente") não passa pelo "P" ("potencial" ou tensão ) metades da mandíbula e não criará nenhuma queda de tensão indutora de erro ao longo de seu comprimento:



O mesmo princípio de usar diferentes pontos de contato para condução de corrente e medição de tensão é usado em resistores shunt de precisão para medir grandes quantidades de corrente. Conforme discutido anteriormente, os resistores de derivação funcionam como dispositivos de medição de corrente, reduzindo uma quantidade precisa de tensão para cada ampere de corrente através deles, a queda de tensão sendo medida por um voltímetro. Nesse sentido, um resistor shunt de precisão “converte” um valor de corrente em um valor de tensão proporcional. Assim, a corrente pode ser medida com precisão medindo a tensão que caiu através do shunt:



A medição de corrente usando um resistor shunt e voltímetro é particularmente adequada para aplicações que envolvem magnitudes de corrente particularmente grandes. Em tais aplicações, a resistência do resistor de derivação provavelmente será da ordem de miliohms ou microohms, de modo que apenas uma quantidade modesta de voltagem cairá com a corrente total.

A resistência tão baixa é comparável à resistência da conexão do fio, o que significa que a tensão medida em tal shunt deve ser feita de forma a evitar a detecção de queda de tensão nas conexões do fio condutor de corrente, para que não sejam induzidos grandes erros de medição. Para que o voltímetro meça apenas a queda de tensão pela própria resistência de shunt, sem quaisquer tensões parasitas originadas do fio ou da resistência de conexão, os shunts são geralmente equipados com quatro terminais de conexão:

Resistor padrão de precisão

Em metrológico ( metrologia =“a ciência da medição” ) aplicações, onde a precisão é de suma importância, resistores "padrão" altamente precisos também são equipados com quatro terminais:dois para transportar a corrente medida e dois para transportar a queda de tensão do resistor para o voltímetro. Dessa forma, o voltímetro mede apenas a queda de tensão na própria resistência de precisão, sem nenhuma queda de tensão nos fios condutores de corrente ou resistências de conexão de fio para terminal.

A fotografia a seguir mostra um resistor padrão de precisão de 1 Ω valor imerso em um banho de óleo de temperatura controlada com alguns outros resistores padrão. Observe os dois terminais externos grandes para corrente e os dois terminais de conexão pequenos para tensão:



Aqui está outro resistor padrão de fabricação alemã, mais antigo (antes da Segunda Guerra Mundial). Esta unidade tem uma resistência de 0,001 Ω e, novamente, os quatro pontos de conexão do terminal podem ser vistos como botões pretos (almofadas de metal embaixo de cada botão para conexão direta de metal com metal com os fios), dois botões grandes para proteger o condutor de corrente fios e dois botões menores para proteger os fios do voltímetro ("potencial"):



Agradeço a Fluke Corporation em Everett, Washington, por me permitir fotografar esses resistores padrão caros e um tanto raros em seu laboratório de padrões primários.

Deve-se notar que a medição de resistência usando ambos um amperímetro e um voltímetro estão sujeitos a erro composto. Devido à precisão dos fatores de ambos os instrumentos no resultado final, a precisão geral da medição pode ser pior do que qualquer um dos instrumentos considerados isoladamente. Por exemplo, se o amperímetro tem precisão de +/- 1% e o voltímetro também tem precisão de +/- 1%, qualquer medição dependente das indicações de ambos os instrumentos pode ser imprecisa em até +/- 2%.

Maior precisão pode ser obtida substituindo o amperímetro por um resistor padrão, usado como um shunt de medição de corrente. Ainda haverá um erro composto entre o resistor padrão e o voltímetro usado para medir a queda de tensão, mas isso será menor do que com um arranjo voltímetro + amperímetro porque a precisão típica do resistor padrão excede em muito a precisão típica do amperímetro. Usando clipes Kelvin para fazer uma conexão com a resistência do objeto, o circuito se parece com isto:



Todos os fios condutores de corrente no circuito acima são mostrados em "negrito", para distingui-los facilmente dos fios que conectam o voltímetro em ambas as resistências (R _assunto e R _padrão ) Idealmente, um voltímetro potenciométrico é usado para garantir o mínimo possível de corrente através dos fios de “potencial”.



A medição Kelvin pode ser uma ferramenta prática para encontrar conexões ruins ou resistência inesperada em um circuito elétrico. Conecte uma fonte de alimentação DC ao circuito e ajuste a fonte de alimentação de modo que forneça uma corrente constante ao circuito, conforme mostrado no diagrama acima (dentro das capacidades do circuito, é claro). Com um multímetro digital configurado para medir a tensão CC, meça a queda de tensão em vários pontos do circuito.

Se você sabe o tamanho do fio, pode estimar a queda de tensão que deve ver e comparar com a queda de tensão medida. Este pode ser um método rápido e eficaz de encontrar conexões ruins na fiação exposta aos elementos, como nos circuitos de iluminação de um trailer. Ele também pode funcionar bem para condutores CA sem alimentação (certifique-se de que a alimentação CA não possa ser ligada).

Por exemplo, você pode medir a queda de tensão em um interruptor de luz e determinar se as conexões da fiação para o interruptor ou os contatos do interruptor são suspeitos. Para ser mais eficaz usando essa técnica, você também deve medir o mesmo tipo de circuitos depois de serem feitos novamente, para ter uma ideia dos valores “corretos”. Se você usar essa técnica em novos circuitos e colocar os resultados em um livro de registro, terá informações valiosas para solucionar problemas no futuro.

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