Przegląd połączeń Kelvina
Zarys metod i technik uzyskiwania wysokiej dokładności odczytów małych rezystancji
Zaktualizowano: lipiec 2024 r
Połączenia Kelvina i pomiary testowe
Połączenia Kelvina, znane również jako wykrywanie czterozaciskowe lub wykrywanie Kelvina, to metoda stosowana do pomiaru rezystancji elektrycznej z dużą precyzją, szczególnie w scenariuszach o niskiej rezystancji.
Ta powszechna technika jest niezbędna do minimalizacji błędów związanych z rezystancją styków i przewodów w układach pomiarowych.
Oto przegląd zasady, zastosowania i zalet połączeń Kelvina.
Aby zmierzyć rezystancję elementu, przez element przepuszcza się prąd pomiarowy za pośrednictwem zestawu przewodów pomiarowych.
Następnie miernik mierzy napięcie na zaciskach, aby określić wartość rezystancji elementu.
1. Połączenia dwuprzewodowe
Jednakże w przypadku każdego pomiaru w świecie rzeczywistym wartość rezystancji zależy od rezystancji przewodów pomiarowych i rezystancji styków zastosowanych połączeń.
Rezystancja przewodu i rezystancja styku powodują niewielki spadek napięcia, który zwykle można uznać za nieistotny, jeśli rezystancja testowanego egzemplarza jest znacznie wyższa niż rezystancje „błędu”.
Problem z metodą dwuprzewodową polega na tym, że podczas pomiaru małych wartości rezystancji, zwykle 1 Ω lub mniej, rezystancja przewodów pomiarowych powoduje stosunkowo znaczny spadek napięcia oprócz spadku napięcia na elemencie (patrz po prawej).
Napięcie zmierzone przez miernik nie będzie zatem prawdziwą wartością napięcia na elemencie, który próbujesz zmierzyć.
Rozważmy równoważny obwód mierzący rezystor R(uut)
- Źródło jest ustawione na stałe 1 A
- Załóżmy, że łączna rezystancja styku i przewodu wynosi 0,1 oma
- Przy pomiarze R(uut) = rezystor 0,1 oma
V=IR, więc
Na testowanym egzemplarzu spadek napięcia wynosi 0,1 V
Rezystancja styku + rezystancja przewodu ma spadek napięcia o 0,1 V
Woltomierz DMM widzi to łącznie jako spadek o 0,2 V.
- Multimetr cyfrowy oblicza rezystancję z R=V/I = 0,2 oma!
Oznacza to, że jest to dwukrotność rzeczywistej wartości, którą próbujemy zmierzyć.
Powtarzam to samo, ale podczas pomiaru rezystora 10 omów
V=IR, więc
Na testowanym egzemplarzu występuje spadek napięcia o 10 woltów
Rezystancja styku + rezystancja przewodu ma spadek napięcia o 0,1 V
Woltomierz DMM widzi to łącznie jako spadek o 10,1 V.
- DMM oblicza rezystancję z R=V/I = 10,1 OHMS!
Tj. 1% powyżej rzeczywistej wartości, którą próbujemy zmierzyć.
W miarę jak rezystancja testowanego egzemplarza, który próbujesz zmierzyć, zwiększa się w jego rzeczywistej wartości, straty w stykach i przewodach stają się mniej znaczące, ale zawsze występują.
2. Połączenia czteroprzewodowe
Biorąc pod uwagę ograniczenia metody dwuprzewodowej, w przypadku pomiarów niskich rezystancji ogólnie preferowana jest metoda czteroprzewodowa (Kelvina).
Pomiarów tych można dokonać przy użyciu oddzielnego źródła prądu i woltomierza.
W tej konfiguracji prąd testowy przepływa przez rezystancję testową za pomocą jednego zestawu przewodów pomiarowych (przewodów zasilających), podczas gdy napięcie na testowanym elemencie jest mierzone za pomocą drugiego zestawu przewodów (przewodów czujnikowych).
Prąd jest taki sam na całej ścieżce prądowej, nawet jeśli występuje pewien spadek napięcia spowodowany rezystancją przewodu i styków.
Chociaż przez parę czujnikową może przepływać niewielki prąd, jest on zwykle nieistotny (pA lub mniej), ponieważ impedancja użytego urządzenia do pomiaru napięcia jest bardzo wysoka.
Ponieważ prąd w ścieżce czujnika jest bliski zeru, rezystancja drutu i rezystancja styku nie powodują spadku napięcia w ścieżce pomiaru napięcia.
Spadek napięcia mierzony przez woltomierz jest zatem zasadniczo taki sam jak napięcie na rezystancji testowej.
Dzięki temu wartość rezystancji można wyznaczyć znacznie dokładniej niż metodą dwuprzewodową.
Rozważmy teraz ten nowy obwód dla 4-przewodowego obwodu Kelvina mierzącego rezystor R(uut)
- Źródło jest ustawione na stałe 1 A
- Załóżmy, że łączna rezystancja styku i przewodu wynosi nadal 0,1 oma
- Przy pomiarze R(uut) = rezystor 0,1 oma
V=IR, więc
Na testowanym egzemplarzu spadek napięcia wynosi 0,1 V
Rezystancja styku + rezystancja przewodu nie wykazuje spadku napięcia, ponieważ w tej ścieżce zmysłowej nie przepływa żaden prąd.
Woltomierz DMM widzi jedynie spadek napięcia na R(uut) jako spadek o 0,1 V.
- Multimetr cyfrowy oblicza rezystancję z R=V/I = 0,1 oma.
Tym razem praktycznie nie ma błędu ze względu na rezystancję przewodu i styku.
3. Połączenia półkelwinowskie.
Wielu producentów testów i sprzętu stosuje połączenia z testowanym urządzeniem, które w rzeczywistości nie są „prawdziwymi” Kelvinami, ale „pół” Kelvinami.
Najlepiej można to zilustrować tutaj, gdzie stosowane są sondy „sprężynowe”.
Można zauważyć, że sonda sprężynowa nie zapewnia prawdziwego połączenia Kelvina, ponieważ cztery przewody są zakończone w gnieździe sondy, a nie w punkcie styku z testowanym egzemplarzem.
Spowoduje to usunięcie efektu rezystancji przewodu, ale nie usunie rezystancji styków.
Jeśli rezystancja styku jest wystarczająco niska, może to być akceptowalny kompromis.
Dodatkowe czynniki, takie jak rozmieszczenie fizyczne, separacja pinów i topologia, mogą sprawić, że rozwiązanie półkelwinowe będzie akceptowalne do użytku.
Aby wartość Kelvina była „prawdziwa”, każdy przewód „zasilania” i „czucia” musi być podłączony bezpośrednio do przewodu elementu testowego i jak najbliżej samego elementu testowego.
4. Prawdziwe połączenia Kelvina
Jak wyjaśniono wcześniej, prawdziwy Kelvin zapewnia najbardziej idealną metodę połączenia przy pomiarze rezystancji <1 Ω.
Jednakże przy projektowaniu uchwytu testowego należy wziąć pod uwagę mechaniczny aspekt metody połączenia.
W takim przypadku sondy sprężynowe mogą stanowić alternatywę dla ostrzy Kelvina.
Jednakże prąd płynący przez badany element musi następnie przejść również przez samą sondę sprężynową, powodując dodatkowy, niepożądany spadek napięcia.
Oprawy wykonane przy użyciu sond sprężynowych mają tę zaletę, że są łatwiejsze w budowie, łatwiejsze w utrzymaniu i mają dłuższą żywotność niż ostrza Kelvina, które są podatne na zużycie w wyniku wkładania i wyjmowania elementu testowego.
Ponieważ jednak sondy sprężynowe mogą oferować jedynie połączenia półkelwinowskie, nie należy ich używać do pomiaru rezystancji mniejszej niż 1 Ω.
5 mierników LCR / tester AT i kompensacja.
Większość mierników LCR (oraz testerów Voltech AT) pozwala na wykonanie kompensacji krótkiej i otwartej w celu dalszego usunięcia wpływu przewodów na pomiar. Na początku mogłoby się wydawać, że taka kompensacja usunie wpływ rezystancji przewodu i styku.
Jednakże ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że rezystancja styku może się znacznie różnić między połączeniami KAŻDEJ jednostki testowej.
W rzeczywistości byłoby to inne i niepowtarzalne, rzędu 20 mohm do 150 mohm pomiędzy każdym oddzielnym dopasowaniem komponentu, nawet przy pozornie „dobrych” stykach
4 przewody / pół Kelvina
Problem z każdą ustaloną „jednorazową” krótką kompensacją polega na tym, że usuwa ona jedynie rezystancje styków/przewodów widoczne w momencie kompensacji. Ponieważ będzie się to zmieniać przy każdym kolejnym wstawieniu UUT, usunie ono jedynie stałe przesunięcie z rzeczywistych pomiarów.
4 przewody / True Kelvin
Jak wyjaśniono powyżej, rezystancja styku w linii Sense zmienia się przy każdym podłączeniu
Jednakże w skali Kelvina zerowy przepływ prądu w ścieżce Sense oznacza, że niezależnie od chwilowego poziomu stałej rezystancji, związany z tym spadek napięcia na rezystancji styku nigdy nie zostanie zauważony przez woltomierz o wysokiej impedancji.
6 Wniosek
Zalety połączeń Kelvina
Wysoka dokładność: Eliminując wpływ rezystancji przewodów i styków, połączenia Kelvina zapewniają bardzo dokładne pomiary rezystancji.
Pomiar niskiej rezystancji: Niezbędny w zastosowaniach wymagających pomiaru bardzo małych rezystancji, co jest trudne w przypadku metod dwuprzewodowych.
Powtarzalność: zapewnia spójne i powtarzalne pomiary, co ma kluczowe znaczenie w kontroli jakości i procesach produkcyjnych.
Podsumowując, połączenia Kelvina są nieocenioną techniką precyzyjnych pomiarów elektrycznych, szczególnie w zastosowaniach o niskiej rezystancji. Dzięki zastosowaniu czterech zacisków do oddzielenia zasilania prądowego od pomiaru napięcia, eliminują one błędy wynikające z rezystancji przewodów i styków, zapewniając w ten sposób dokładniejsze i bardziej wiarygodne wyniki. Metoda ta jest niezastąpiona w dziedzinach wymagających bardzo precyzyjnych pomiarów i nadal stanowi podstawową praktykę w elektrotechnice.