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[分享]开尔文电阻与电阻测量

助工
2020-07-14 19:19:01    评分

开尔文电阻测量

假设我们想测量距离欧姆表很远的某个元件的电阻。这种情况下会遇到一些问题,因为欧姆表将会测量电路回路中的所有电阻,包括连接欧姆表和被测元件(Rsubject)的导线(R线)的电阻,也会被测量。


通常情况下,导线的电阻很小(每数百英尺只有几欧姆,主要取决于导线的规格尺寸),但如果连接导线很长,或待测元件的电阻很低,导线电阻带来的测量误差就会很大。

在这种情况下,一个巧妙的测量被测元件电阻的方法是使用电流表和电压表同时测量。我们从欧姆定律可知,电阻等于电压除以电流(R = E/I)。因此,如果我们测量通过被测元件的电流和电压,就可以确定被测元件的电阻。


在电路中的所有点上的电流都是一样的,因为它是一个串联回路。由于我们只测量的是在被测电阻(而不是导线的电阻)上的电压降,所以计算出的电阻只代表被测元件的电阻(Rsubject)。

不过,我们的目标是要从远处测量这个被测元件的电阻,所以我们的电压表必须位于电流表附近的某处,通过另一对含有电阻的导线连接到被测元件的电阻上。


起初,似乎这样测量电阻是有问题的,因为电压表必须通过一对长长的(电阻)导线来测量电压,这将会把杂散电阻再次引入测量电路。然而,仔细观察一下,就会发现根本没有任何问题,因为电压表的导线所带来的电流很小。因此,将电压表的长线穿过被测电阻连接在一起的长线只会带来很少的电压下降,电压表的数值与直接穿过被测电阻的电压表的数值几乎相同。


电压表几乎不会测量到导线上的任何电压降,因此根本不会计入被测电阻的计算中。如果将电压表的电流控制在最很范围内,可以通过使用高精度(低满量程电流)机芯或电位计(空平衡)系统来进一步提高测量精度。

Kelvin 方法

这种避免了导线电阻引起的误差的测量方法称为开尔文法,也就是4线法。为了方便这种模式被测物电阻的连接,我们制作了特殊的连接夹,称为“开尔文夹”。


在普通的 "鳄鱼夹"中,夹子的两半夹子在电气上是连通的,通常在铰链处连接。在开尔文式夹子中,钳口的两半在铰链点处是相互绝缘的,只在夹住被测对象的导线或端子的尖端处很小的接触。因此,通过 "C""电流")钳口部分的电流不会通过 "P""电势"或电压)钳口部分,也不会沿其长度产生任何引起误差的电压降。


在测量大电流的精密并联电阻中,使用不同的接触点进行电流传导和电压测量的原理是相同的。如前所述,分流电阻作为电流测量装置,每通过一个安培电流,就会降下一个精确的电压,电压降由电压表测量。从这个意义上说,精密并联电阻可以将电流值"转换 "成比例的电压值。因此,可以通过测量分流电阻上的电压降来精确测量电流。


使用并联电阻和电压表进行电流测量,特别适合于超大电流的应用。在这种应用中,分流电阻的电阻可能在毫欧或微欧左右,因此在满电流时只有少量的电压下降。这么低的电阻相当于导线连接电阻,这意味着在测量分流电阻的电压时,必须避免检测到载流导线连接处的电压降,以免产生巨大的测量误差。为了使电压表只测量分流器电阻本身所产生的电压,而不产生任何来自导线或连接电阻的杂散电压,分流器通常配有四个连接端子


精密标准电阻

在计量学(测量科学)的应用中,精度是最重要的,因此高精度的 "标准 "电阻也配备了四个端子:两个端子用于承载被测电流,两个端子用于将电阻的压降传递给电压表。这样一来,电压表只测量精密电阻本身的电压降,而不会有任何杂散的电压降在载流线或线对端连接电阻上。

下面的照片显示的是一个1Ω值的精密标准电阻与其他几个标准电阻浸入温控油浴中。请注意,两个大的外部端子代表电流,两个小的连接端子代表电压。


这里是另一个比较老的(二战前)德国制造的标准电阻。这个装置的电阻为0.001Ω,四个端子连接点再次可以看到是黑色的旋钮(每个旋钮下面有金属垫,用于金属与金属线的直接连接),两个大的旋钮用于固定载流线,两个小的旋钮用于固定电压表("电位")线。


感谢华盛顿州埃弗雷特的Fluke公司允许我在他们的"标准"实验室里拍摄这些昂贵且有些罕见的标准电阻。

需要注意的是,使用电流表和电压表进行电阻测量时,会产生复合误差。由于这两种仪器的精度因素都会影响到最终的结果,因此整体的测量精度可能会比单独考虑的任何一种仪器都要差。例如,如果电流表的准确度为±1%,而电压表的准确度也为±1%,那么任何依赖于这两个仪器的测量结果可能会有多达±2%的误差。

用一个标准电阻代替电流表,作为电流测量分流器,可以获得更高的精度。标准电阻和电压表之间仍然会有一个复合误差,但这个误差会比电压表+电流表的组合要小,因为典型的标准电阻精度远远超过典型的电流表精度。使用开尔文夹子与被测电阻进行连接,电路看起来是这样的。


上述电路中的所有载流线都用 "黑体 "表示,以便于将其与连接电压表的导线穿过两个电阻(RsubjectRstandard)的导线区分开来。理想情况下,使用电位式电压表来确保尽可能少的电流通过 "电位 "导线。


开尔文测量法是一个实用的工具,可以用来发现电路中的连接不良或意外电阻。将直流电源连接到电路上,并调整电源,使其向电路提供恒定的电流,如上图所示(当然要在电路的能力范围内)。用设置好的数字万用表测量直流电压,测量电路中各点的压降。如果知道了导线的尺寸,就可以估算出应该看到的电压降,然后与测量的电压降进行比较。这可以是一个快速有效的方法来发现暴露在环境中的线路中的不良连接,如拖车的照明电路。它也可以很好地用于无电源的交流导线(确保交流电源不能接通)。例如,你可以测量电灯开关上的电压降,以确定开关的接线连接或开关的触点是否有问题。要想最有效地使用这种技术,建议你应该在新完成的同类型的电路后及时测量,这样你就及早发现问题。如果你在新建电路上使用这种技术,并将结果记在记录本上,你就有了宝贵的档案,为今后的故障排除提供了宝贵的信息。

 

此帖出自模拟电子论坛

本主题由 System 于 2020-4-19 18:55 解除限时高亮


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助工
2020-07-14 19:27:08    评分
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