Medición de resistencia Kelvin (4 hilos)

Supongamos que deseamos medir la resistencia de algún componente ubicado a una distancia significativa de nuestro ohmímetro. Tal escenario sería problemático porque un ohmímetro mide todos resistencia en el bucle del circuito, que incluye la resistencia de los cables (R _cable ) conectando el ohmímetro al componente que se está midiendo (R _sujeto ):

Por lo general, la resistencia del cable es muy pequeña (solo unos pocos ohmios por cientos de pies, dependiendo principalmente del calibre (tamaño) del cable), pero si los cables de conexión son muy largos y / o el componente que se va a medir tiene una muy baja resistencia de todos modos, el error de medición introducido por la resistencia del cable será sustancial.

Un método ingenioso para medir la resistencia del sujeto en una situación como esta implica el uso de un amperímetro y un voltímetro. Sabemos por la ley de Ohm que la resistencia es igual al voltaje dividido por la corriente (R =E / I). Por lo tanto, deberíamos poder determinar la resistencia del componente sujeto si medimos la corriente que lo atraviesa y el voltaje que cae a través de él:

La corriente es la misma en todos los puntos del circuito, porque es un bucle en serie. Sin embargo, debido a que solo estamos midiendo la caída de voltaje a través de la resistencia del sujeto (y no las resistencias de los cables), la resistencia calculada es indicativa de la resistencia del componente del sujeto (R _sujeto ) solo.

Nuestro objetivo, sin embargo, era medir la resistencia de este sujeto desde la distancia , por lo que nuestro voltímetro debe estar ubicado en algún lugar cerca del amperímetro, conectado a través de la resistencia del sujeto por otro par de cables que contengan resistencia:

Al principio, parece que hemos perdido cualquier ventaja de medir la resistencia de esta manera, porque el voltímetro ahora tiene que medir el voltaje a través de un par largo de cables (resistivos), introduciendo la resistencia parásita nuevamente en el circuito de medición. Sin embargo, tras una inspección más cercana, se ve que no se pierde nada en absoluto, porque los cables del voltímetro llevan una corriente minúscula. Por lo tanto, esos largos tramos de cable que conectan el voltímetro a través de la resistencia del sujeto caerán cantidades insignificantes de voltaje, lo que dará como resultado una indicación del voltímetro que es casi la misma que si estuviera conectado directamente a través de la resistencia del sujeto:

El voltímetro no medirá cualquier voltaje que caiga a través de los cables principales que transportan corriente, por lo que no se tendrá en cuenta en el cálculo de la resistencia. La precisión de la medición puede mejorarse aún más si la corriente del voltímetro se mantiene al mínimo, ya sea mediante el uso de un movimiento de alta calidad (baja corriente de escala completa) y / o un sistema potenciométrico (equilibrio nulo).

Método Kelvin

Este método de medición que evita errores causados ​​por la resistencia del cable se llama Kelvin o 4 hilos método. Clips de conexión especiales llamados clips Kelvin están hechos para facilitar este tipo de conexión a través de la resistencia de un sujeto:

En las pinzas normales de estilo "cocodrilo", ambas mitades de la mandíbula son eléctricamente comunes entre sí, generalmente unidas en el punto de articulación. En los clips Kelvin, las mitades de la mandíbula están aisladas entre sí en el punto de bisagra, solo contactando en las puntas donde sujetan el cable o terminal del sujeto que se está midiendo. Por lo tanto, la corriente a través de las mitades de la mandíbula "C" ("corriente") no pasa por la "P" ("potencial" o voltaje ) mitades de la mandíbula, y no creará ninguna caída de voltaje que induzca errores a lo largo de su longitud:

El mismo principio de usar diferentes puntos de contacto para la conducción de corriente y la medición de voltaje se usa en resistencias de derivación de precisión para medir grandes cantidades de corriente. Como se discutió anteriormente, los resistores de derivación funcionan como dispositivos de medición de corriente al dejar caer una cantidad precisa de voltaje por cada amperio de corriente a través de ellos, la caída de voltaje se mide con un voltímetro. En este sentido, una resistencia de derivación de precisión "convierte" un valor de corriente en un valor de voltaje proporcional. Por lo tanto, la corriente se puede medir con precisión midiendo la caída de voltaje a través de la derivación:

La medición de corriente utilizando una resistencia de derivación y un voltímetro es particularmente adecuada para aplicaciones que involucran magnitudes de corriente particularmente grandes. En tales aplicaciones, la resistencia de la resistencia de derivación probablemente será del orden de miliohmios o microohmios, por lo que solo una pequeña cantidad de voltaje caerá a plena corriente.

Una resistencia tan baja es comparable a la resistencia de la conexión del cable, lo que significa que el voltaje medido a través de dicha derivación debe realizarse de tal manera que se evite detectar la caída de voltaje en las conexiones de los cables que transportan corriente, para que no se induzcan grandes errores de medición. Para que el voltímetro mida solo el voltaje caído por la resistencia de derivación en sí, sin voltajes parásitos originados por la resistencia del cable o de la conexión, las derivaciones generalmente están equipadas con cuatro terminales de conexión:

Resistencia estándar de precisión

En metrología ( metrología ="la ciencia de la medición" ), donde la precisión es de suma importancia, los resistores "estándar" de alta precisión también están equipados con cuatro terminales:dos para transportar la corriente medida y dos para transportar la caída de voltaje del resistor al voltímetro. De esta manera, el voltímetro solo mide la caída de voltaje a través de la resistencia de precisión, sin que caiga ningún voltaje perdido a través de los cables que transportan corriente o las resistencias de conexión de cable a terminal.

La siguiente fotografía muestra una resistencia estándar de precisión con un valor de 1 Ω sumergida en un baño de aceite con temperatura controlada con algunas otras resistencias estándar. Tenga en cuenta los dos terminales exteriores grandes para la corriente y los dos terminales de conexión pequeños para el voltaje:

Aquí hay otra resistencia estándar más antigua (anterior a la Segunda Guerra Mundial) de fabricación alemana. Esta unidad tiene una resistencia de 0.001 Ω, y nuevamente los cuatro puntos de conexión de terminales pueden verse como perillas negras (almohadillas de metal debajo de cada perilla para una conexión directa de metal a metal con los cables), dos perillas grandes para asegurar el transporte de corriente cables y dos perillas más pequeñas para asegurar los cables del voltímetro ("potencial"):

Extendemos nuestro agradecimiento a Fluke Corporation en Everett, Washington, por permitirme fotografiar estos resistores estándar costosos y algo raros en su laboratorio de estándares primarios.

Cabe señalar que la medición de resistencia utilizando ambos un amperímetro y un voltímetro están sujetos a error compuesto. Debido a la precisión de los factores de ambos instrumentos en el resultado final, la precisión general de la medición puede ser peor que la de cualquiera de los instrumentos considerados por separado. Por ejemplo, si el amperímetro tiene una precisión de +/- 1% y el voltímetro también tiene una precisión de +/- 1%, cualquier medida que dependa de las indicaciones de ambos instrumentos puede ser inexacta hasta en +/- 2%.

Se puede obtener una mayor precisión reemplazando el amperímetro con una resistencia estándar, utilizada como derivación de medición de corriente. Aún habrá un error compuesto entre la resistencia estándar y el voltímetro usado para medir la caída de voltaje, pero esto será menor que con una disposición de voltímetro + amperímetro porque la precisión típica de la resistencia estándar supera con creces la precisión típica del amperímetro. Usando clips Kelvin para hacer una conexión con la resistencia del sujeto, el circuito se parece a esto:

Todos los cables que transportan corriente en el circuito anterior se muestran en "negrita" para distinguirlos fácilmente de los cables que conectan el voltímetro a través de ambas resistencias (R _sujeto y R _estándar ). Idealmente, se usa un voltímetro potenciométrico para asegurar la menor corriente posible a través de los cables "potenciales".

La medición de Kelvin puede ser una herramienta práctica para encontrar conexiones deficientes o resistencias inesperadas en un circuito eléctrico. Conecte una fuente de alimentación de CC al circuito y ajuste la fuente de alimentación para que suministre una corriente constante al circuito como se muestra en el diagrama anterior (dentro de las capacidades del circuito, por supuesto). Con un multímetro digital configurado para medir voltaje CC, mida la caída de voltaje en varios puntos del circuito.

Si conoce el tamaño del cable, puede estimar la caída de voltaje que debería ver y compararla con la caída de voltaje que mide. Este puede ser un método rápido y eficaz para encontrar malas conexiones en el cableado expuesto a los elementos, como en los circuitos de iluminación de un remolque. También puede funcionar bien con conductores de CA sin alimentación (asegúrese de que no se pueda encender la alimentación de CA).

Por ejemplo, puede medir la caída de voltaje a través de un interruptor de luz y determinar si las conexiones del cableado al interruptor o los contactos del interruptor son sospechosas. Para ser más eficaz al usar esta técnica, también debe medir el mismo tipo de circuitos después de que se hayan hecho nuevos para que tenga una idea de los valores "correctos". Si usa esta técnica en circuitos nuevos y pone los resultados en un libro de registro, tiene información valiosa para solucionar problemas en el futuro.

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