Pengukuran Resistansi Kelvin (4-kawat)

Misalkan kita ingin mengukur resistansi beberapa komponen yang terletak pada jarak yang cukup jauh dari ohmmeter kita. Skenario seperti itu akan menjadi masalah karena ohmmeter mengukur semua resistansi dalam loop sirkuit, yang mencakup resistansi kabel (R_kawat ) menghubungkan ohmmeter ke komponen yang diukur (R_subjek ):

Biasanya, hambatan kawat sangat kecil (hanya beberapa ohm per ratusan kaki, terutama tergantung pada pengukur (ukuran) kawat), tetapi jika kabel penghubung sangat panjang, dan/atau komponen yang akan diukur memiliki resistansi rendah, kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh resistansi kawat akan sangat besar.

Metode yang cerdik untuk mengukur hambatan subjek dalam situasi seperti ini melibatkan penggunaan ammeter dan voltmeter. Kita tahu dari Hukum Ohm bahwa resistansi sama dengan tegangan dibagi arus (R =E/I). Dengan demikian, kita harus dapat menentukan resistansi komponen subjek jika kita mengukur arus yang melaluinya dan tegangan yang turun melintasinya:

Arus adalah sama di semua titik dalam rangkaian, karena merupakan loop seri. Karena kami hanya mengukur tegangan yang dijatuhkan pada resistansi subjek (dan bukan resistansi kabel), resistansi yang dihitung menunjukkan resistansi komponen subjek (R_subjek ) sendirian.

Namun, tujuan kami adalah mengukur resistensi subjek ini dari kejauhan , jadi voltmeter kita harus ditempatkan di suatu tempat di dekat ammeter, dihubungkan melintasi resistansi subjek dengan sepasang kabel lain yang mengandung resistansi:

Pada awalnya, tampaknya kita telah kehilangan keuntungan dari mengukur resistansi dengan cara ini, karena voltmeter sekarang harus mengukur tegangan melalui sepasang kabel (resistif) yang panjang, memasukkan resistansi nyasar kembali ke sirkuit pengukuran lagi. Namun, setelah diperiksa lebih dekat, terlihat bahwa tidak ada yang hilang sama sekali, karena kabel voltmeter membawa arus yang sangat kecil. Dengan demikian, kabel panjang yang menghubungkan voltmeter melintasi resistansi subjek akan menurunkan voltase dalam jumlah yang tidak signifikan, menghasilkan indikasi voltmeter yang hampir sama seperti jika voltmeter terhubung langsung melintasi resistansi subjek:

Setiap tegangan yang jatuh pada kabel pembawa arus utama tidak akan diukur oleh voltmeter, dan karenanya tidak diperhitungkan dalam perhitungan resistansi sama sekali. Akurasi pengukuran dapat ditingkatkan lebih jauh lagi jika arus voltmeter dijaga agar tetap minimum, baik dengan menggunakan gerakan berkualitas tinggi (arus skala penuh rendah) dan/atau sistem potensiometri (keseimbangan nol).

Metode Kelvin

Metode pengukuran yang menghindari kesalahan yang disebabkan oleh hambatan kawat ini disebut Kelvin , atau 4-kawat metode. Klip penghubung khusus yang disebut Klip Kelvin dibuat untuk memfasilitasi koneksi semacam ini di seluruh resistensi subjek:

Dalam klip gaya "buaya" biasa, kedua bagian rahang secara elektrik sama satu sama lain, biasanya bergabung pada titik engsel. Dalam klip Kelvin, bagian rahang diisolasi satu sama lain pada titik engsel, hanya bersentuhan di ujung tempat mereka menjepit kawat atau terminal subjek yang diukur. Jadi, arus yang melalui bagian rahang “C” (“arus”) tidak melalui “P” (“potensial”, atau tegangan ) bagian rahang, dan tidak akan membuat penurunan tegangan yang menyebabkan kesalahan di sepanjang panjangnya:

Prinsip yang sama dalam menggunakan titik kontak yang berbeda untuk konduksi arus dan pengukuran tegangan digunakan dalam resistor shunt presisi untuk mengukur arus dalam jumlah besar. Seperti dibahas sebelumnya, resistor shunt berfungsi sebagai alat pengukur arus dengan menjatuhkan jumlah tegangan yang tepat untuk setiap amp arus yang melaluinya, penurunan tegangan diukur dengan voltmeter. Dalam pengertian ini, resistor shunt presisi "mengubah" nilai arus menjadi nilai tegangan proporsional. Dengan demikian, arus dapat diukur secara akurat dengan mengukur tegangan yang dijatuhkan pada shunt:

Pengukuran arus menggunakan resistor shunt dan voltmeter sangat cocok untuk aplikasi yang melibatkan besaran arus yang sangat besar. Dalam aplikasi seperti itu, resistansi resistor shunt kemungkinan akan berada di urutan miliohm atau mikroohm, sehingga hanya sejumlah kecil tegangan yang akan turun pada arus penuh.

Resistansi yang rendah ini sebanding dengan resistansi sambungan kawat, yang berarti tegangan yang diukur pada shunt semacam itu harus dilakukan sedemikian rupa untuk menghindari pendeteksian tegangan yang jatuh pada sambungan kawat pembawa arus, agar kesalahan pengukuran yang besar tidak diinduksi. Agar voltmeter hanya mengukur tegangan yang dijatuhkan oleh resistansi shunt itu sendiri, tanpa ada tegangan nyasar yang berasal dari kawat atau resistansi sambungan, shunt biasanya dilengkapi dengan empat terminal koneksi:

Resistor Standar Presisi

Dalam metrologi (metrologi =“ilmu pengukuran” ) aplikasi, di mana akurasi sangat penting, resistor "standar" yang sangat presisi juga dilengkapi dengan empat terminal:dua untuk membawa arus terukur, dan dua untuk menyampaikan penurunan tegangan resistor ke voltmeter. Dengan cara ini, voltmeter hanya mengukur voltase yang turun pada resistansi presisi itu sendiri, tanpa voltase menyimpang yang jatuh pada kabel pembawa arus atau resistansi koneksi kabel ke terminal.

Foto berikut menunjukkan resistor standar presisi dari nilai 1 yang direndam dalam penangas minyak yang dikontrol suhu dengan beberapa resistor standar lainnya. Perhatikan dua terminal luar yang besar untuk arus, dan dua terminal sambungan kecil untuk tegangan:

Ini adalah resistor standar lain yang lebih tua (sebelum Perang Dunia II) dari pabrikan Jerman. Unit ini memiliki resistansi 0,001 , dan lagi-lagi keempat titik koneksi terminal dapat dilihat sebagai kenop hitam (bantalan logam di bawah setiap kenop untuk koneksi logam-ke-logam langsung dengan kabel), dua kenop besar untuk mengamankan pembawa arus kabel, dan dua kenop yang lebih kecil untuk mengamankan kabel voltmeter (“potensial”):

Penghargaan diberikan kepada Fluke Corporation di Everett, Washington karena mengizinkan saya memotret resistor standar yang mahal dan agak langka ini di laboratorium standar utama mereka.

Perlu dicatat bahwa pengukuran resistansi menggunakan keduanya amperemeter dan voltmeter dapat mengalami kesalahan majemuk. Karena akurasi kedua instrumen menjadi faktor hasil akhir, akurasi pengukuran keseluruhan mungkin lebih buruk daripada instrumen yang dipertimbangkan sendiri. Misalnya, jika ammeter akurat hingga +/- 1% dan voltmeter juga akurat hingga +/- 1%, setiap pengukuran yang bergantung pada indikasi kedua instrumen mungkin tidak akurat sebanyak +/- 2%.

Akurasi yang lebih besar dapat diperoleh dengan mengganti ammeter dengan resistor standar, yang digunakan sebagai shunt pengukur arus. Masih akan ada kesalahan gabungan antara resistor standar dan voltmeter yang digunakan untuk mengukur penurunan tegangan, tetapi ini akan lebih kecil daripada dengan pengaturan voltmeter + ammeter karena akurasi resistor standar tipikal jauh melebihi akurasi ammeter tipikal. Menggunakan klip Kelvin untuk membuat koneksi dengan resistansi subjek, rangkaiannya terlihat seperti ini:

Semua kabel pembawa arus di sirkuit di atas ditampilkan dalam huruf "tebal", untuk membedakannya dengan mudah dari kabel yang menghubungkan voltmeter melintasi kedua resistansi (R_subjek dan R_standar ). Idealnya, voltmeter potensiometri digunakan untuk memastikan arus yang melalui kabel "potensial" sesedikit mungkin.

Pengukuran Kelvin dapat menjadi alat praktis untuk menemukan koneksi yang buruk atau hambatan yang tidak terduga dalam rangkaian listrik. Hubungkan catu daya DC ke rangkaian dan sesuaikan catu daya sehingga memasok arus konstan ke rangkaian seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas (tentu saja dalam kemampuan rangkaian). Dengan multimeter digital yang disetel untuk mengukur tegangan DC, ukur penurunan tegangan di berbagai titik di sirkuit.

Jika Anda mengetahui ukuran kabel, Anda dapat memperkirakan penurunan tegangan yang harus Anda lihat dan membandingkannya dengan penurunan tegangan yang Anda ukur. Ini bisa menjadi metode yang cepat dan efektif untuk menemukan koneksi yang buruk pada kabel yang terpapar ke elemen, seperti di sirkuit penerangan trailer. Ini juga dapat bekerja dengan baik untuk konduktor AC tanpa daya (pastikan daya AC tidak dapat dihidupkan).

Misalnya, Anda dapat mengukur penurunan tegangan pada sakelar lampu dan menentukan apakah koneksi kabel ke sakelar atau kontak sakelar dicurigai. Agar lebih efektif menggunakan teknik ini, Anda juga harus mengukur jenis sirkuit yang sama setelah sirkuit baru dibuat sehingga Anda dapat merasakan nilai yang "benar". Jika Anda menggunakan teknik ini di sirkuit baru dan memasukkan hasilnya ke dalam buku catatan, Anda memiliki informasi berharga untuk pemecahan masalah di masa mendatang.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Ohmmeter - Lembar Kerja Kelvin
• Ammeter - Lembar Kerja Kelvin
• Motor DC - Lembar Kerja Kelvin