Most Kelvina - Kelvin bridge

Kelvin most , zwany także Kelvin podwójny mostek iw niektórych krajach mostowych Thomson , to przyrząd pomiarowy stosowany do pomiaru nieznanych oporniki elektryczne poniżej 1  oma . Jest specjalnie zaprojektowany do pomiaru rezystorów zbudowanych jako cztery rezystory końcowe.

Tło

Rezystory o wartości powyżej około 1 oma mogą być mierzone przy użyciu różnych technik, takich jak omomierz lub mostek Wheatstone'a . W takich rezystorach rezystancja przewodów połączeniowych lub zacisków jest znikoma w porównaniu z wartością rezystancji. W przypadku rezystorów mniejszych niż om rezystancja przewodów lub zacisków połączeniowych staje się znacząca, a konwencjonalne techniki pomiarowe uwzględniają je w wyniku.

Aby przezwyciężyć problemy związane z tymi niepożądanymi rezystancjami (znanymi jako „ oporność pasożytnicza ”), rezystory o bardzo niskiej wartości, a zwłaszcza rezystory precyzyjne i boczniki amperomierzy o dużym natężeniu prądu, są konstruowane jako cztery rezystory końcowe. Rezystory te mają parę zacisków prądowych i parę zacisków potencjałowych lub napięciowych. Podczas użytkowania prąd przepływa między zaciskami prądowymi, ale spadek napięcia na rezystorze jest mierzony na zaciskach potencjałowych. Zmierzony spadek napięcia będzie w całości spowodowany przez sam rezystor, ponieważ pasożytnicza rezystancja przewodów przenoszących prąd do i z rezystora nie jest uwzględniona w obwodzie potencjału. Do pomiaru takich rezystancji potrzebny jest obwód mostkowy zaprojektowany do pracy z czterema rezystancjami końcowymi. Ten most to most Kelvina.

Zasada działania

Działanie mostka Kelvina jest bardzo podobne do mostka Wheatstone'a, ale wykorzystuje dwa dodatkowe rezystory. Rezystory R ₁ i R ₂ są połączone z zewnętrznymi potencjalnych zaciskach cztery terminal znany lub standardowy rezystor R _s i brak rezystora R _x (oznaczony jako P ₁ i P " ₁ na schemacie). Rezystory R _s , R _x , R ₁ i R ₂ są zasadniczo mostek Wheatstone'a. W tym układzie, oporność pasożytnicza górnej części R _s i dolną część R _x jest poza potencjalnej części pomiarowej mostka, a zatem nie są włączone do pomiaru. Jednak połączenie między R _s i R _x ( R _par ) jest zawarte w potencjalnej części pomiarowej obwodu i dlatego może wpływać na dokładność wyniku. Aby temu zaradzić, druga para rezystorów R ′ ₁ i R ′ ₂ tworzy drugą parę ramion mostka (stąd „podwójny mostek”) i jest połączona z wewnętrznymi zaciskami potencjałów R _s i R _x (oznaczonych jako P ₂ i P ′ ₂ na schemacie). Detektor D jest włączony pomiędzy złącze R ₁ i R ₂ oraz złącze R ′ ₁ i R ′ ₂ .

Równanie bilansowe tego mostu jest podane przez równanie

${\ Displaystyle {\ Frac {R_ {x}} {R_ {s}}} = {\ Frac {R_ {2}} {R_ {1}}} + {\ Frac {R_ {\ tekst {par}}} {R_{s}}}\cdot {\frac {R'_{1}}{R'_{1}+R'_{2}+R_{\text{par}}}\cdot \left( {\frac {R_{2}}{R_{1}}}-{\frac {R'_{2}}{R'_{1}}}\right)}$

W praktycznym układzie mostka, stosunek R ' ₁ do R " ₂ jest umieszczony za taki sam jak stosunek R1 do R2 (i w większości wzorów, R ₁ = R ' ₁ i R ₂ = R ' ₂ ). W rezultacie ostatni człon powyższego równania staje się zerem, a równanie bilansowe staje się

${\ Displaystyle {\ Frac {R_ {x}} {R_ {s}}} = {\ Frac {R_ {2}} {R_ {1}}}}$

Zmiana kolejności, aby R _x był tematem

${\ Displaystyle R_ {x} = R_ {2} \ cdot {\ Frac {R_ {s}} {R_ {1}}}}$

Opór pasożytniczy R _par został wyeliminowany z równania bilansu i jego obecność nie ma wpływu na wynik pomiaru. To równanie jest takie samo jak dla funkcjonalnie równoważnego mostka Wheatstone'a.

W praktycznym zastosowaniu wielkość zasilania B może być ustawiona tak, aby dostarczać prąd przez Rs i Rx przy znamionowych prądach roboczych rezystora o mniejszej wartości znamionowej lub zbliżonych. Przyczynia się to do mniejszych błędów pomiarowych. Prąd ten nie przepływa przez sam mostek pomiarowy. Ten mostek może być również używany do pomiaru rezystorów o bardziej konwencjonalnej konstrukcji z dwoma zaciskami. Połączenia potencjałów mostka są po prostu połączone jak najbliżej zacisków rezystora. Każdy pomiar będzie wówczas wykluczał całą rezystancję obwodu poza dwoma połączeniami potencjałów.

Precyzja

Dokładność pomiarów wykonywanych za pomocą tego mostu zależy od wielu czynników. Dokładność rezystora pomiarowego ( R _s ), ma zasadnicze znaczenie. Również ważne jest to, jak blisko stosunek R ₁ do R ₂ jest stosunek R ' ₁ do R ' ₂ . Jak pokazano powyżej, jeśli stosunek jest dokładnie taki sam, błąd spowodowany opornością pasożytniczą ( R _par ) jest całkowicie wyeliminowany. W praktycznym moście celem jest, aby ten stosunek był jak najbardziej zbliżony, ale nie jest możliwe, aby był dokładnie taki sam. Jeśli różnica w stosunku jest wystarczająco mała, to ostatni człon powyższego równania bilansowego staje się na tyle mały, że jest nieistotny. Dokładność pomiaru zwiększa się również, ustawiając prąd płynący przez R _s i R _x tak duży, jak pozwala na to wartość znamionowa tych rezystorów. To daje największą różnicę potencjałów między najskrytszych potencjalnych połączeń ( R ₂ i R ' ₂ ) do tych rezystorów i konsekwencji napięcie wystarczające do zmiany R ' ₁ i R ' ₂ , aby mieć największy wpływ.

Istnieją mosty komercyjne osiągające dokładność lepszą niż 2% dla rezystancji w zakresie od 1 mikrooma do 25 omów. Jeden z takich typów został zilustrowany powyżej.

Mostki laboratoryjne są zwykle konstruowane z rezystorami zmiennymi o wysokiej dokładności w dwóch ramionach potencjału mostka i osiągają dokładność odpowiednią do kalibracji rezystorów standardowych. W takim zastosowaniu „standardowy” rezystor ( R _s ) będzie w rzeczywistości typem niespełniającym normy (tzn. rezystor o dokładności około 10 razy większej niż wymagana dokładność wzorcowanego rezystora). Przy takim zastosowaniu błąd wprowadzony przez niedopasowanie stosunku w dwóch potencjalnych ramionach oznaczałby, że obecność pasożytniczego oporu R _par może mieć znaczący wpływ na wymaganą bardzo wysoką dokładność. Aby zminimalizować ten problem, obecne połączenia do standardowego rezystora ( R _x ); rezystor niespełniający standardów ( R _s ) i połączenie między nimi ( R _par ) są zaprojektowane tak, aby mieć jak najniższą rezystancję, a połączenia zarówno w rezystorach, jak i w mostku bardziej przypominają szyny zbiorcze niż drut.

Niektóre omomierze zawierają mostki Kelvina w celu uzyskania dużych zakresów pomiarowych. Przyrządy do pomiaru wartości subomowych są często określane jako omomierze o niskiej rezystancji, miliomomierze, mikroomomierze itp.

Bibliografia

Dalsza lektura

• Jones, Larry D.; Chin, A. Foster (1991), Przyrządy elektryczne i pomiary , Prentice-Hall, ISBN 978-013248469-5

Zewnętrzne linki

• Multimedia związane z mostem Thomson w Wikimedia Commons
• Rozdział Obwody pomiarowe prądu stałego z serii Lekcje w obwodach elektrycznych Vol 1 DC i Lekcje w obwodach elektrycznych .
• Omówienie 4 pomiarów końcowych