سایت آموزشی الکترونیک و کامپیوتر اوپن مقاله های آموزشی الکترونیک و کامپیوتر و فن آوری
فرض کنید میخواهیم مقاومت قطعهای را که در فاصلهی قابل توجهی از اهمسنج ما قرار دارد، اندازهگیری کنیم. چنین سناریویی مشکلساز خواهد بود زیرا اهمسنج تمام مقاومت موجود در حلقهی مدار را اندازهگیری میکند، که شامل مقاومت سیمها (سیم R) متصلکنندهی اهمسنج به قطعهی مورد اندازهگیری (موضوع R) نیز میشود:
معمولاً مقاومت سیم بسیار کوچک است (فقط چند اهم در هر صدها فوت، که عمدتاً به گیج (اندازه) سیم بستگی دارد)، اما اگر سیمهای اتصال بسیار طولانی باشند و/یا قطعهای که قرار است اندازهگیری شود، مقاومت بسیار کمی داشته باشد، خطای اندازهگیری ناشی از مقاومت سیم قابل توجه خواهد بود.
یک روش هوشمندانه برای اندازهگیری مقاومت قطعه در چنین شرایطی شامل استفاده از آمپرمتر و ولتمتر است. از قانون اهم میدانیم که مقاومت برابر است با ولتاژ تقسیم بر جریان (R = E/I). بنابراین، اگر جریان عبوری از قطعه مورد نظر و ولتاژ افت یافته در آن را اندازهگیری کنیم، باید بتوانیم مقاومت آن را تعیین کنیم:
جریان در تمام نقاط مدار یکسان است، زیرا مدار یک حلقه سری است. از آنجا که ما فقط ولتاژ افت یافته در مقاومت مورد نظر (و نه مقاومت سیمها) را اندازهگیری میکنیم، مقاومت محاسبه شده تنها نشاندهنده مقاومت قطعه مورد نظر (Rsubject) است.
با این حال، هدف ما اندازهگیری این مقاومت مورد نظر از فاصله دور بود، بنابراین ولتمتر ما باید در جایی نزدیک آمپرمتر قرار گیرد و توسط یک جفت سیم دیگر حاوی مقاومت به مقاومت مورد نظر متصل شود:
در ابتدا، به نظر میرسد که ما هیچ مزیتی در اندازهگیری مقاومت به این روش از دست ندادهایم، زیرا ولتمتر اکنون باید ولتاژ را از طریق یک جفت سیم بلند (مقاومتی) اندازهگیری کند و دوباره مقاومت سرگردان را به مدار اندازهگیری وارد کند. با این حال، با بررسی دقیقتر مشاهده میشود که هیچ چیز از دست نرفته است، زیرا سیمهای ولتمتر جریان بسیار کمی را حمل میکنند. بنابراین، آن سیمهای بلندی که ولتمتر را به مقاومت مورد نظر متصل میکنند، مقادیر ناچیزی از ولتاژ را کاهش میدهند و در نتیجه، نشانگر ولتمتر تقریباً مشابه حالتی است که مستقیماً به مقاومت مورد نظر متصل شده باشد:
هرگونه افت ولتاژ در سیمهای اصلی حامل جریان توسط ولتمتر اندازهگیری نمیشود و بنابراین به هیچ وجه در محاسبه مقاومت لحاظ نمیشود. اگر جریان ولتمتر به حداقل برسد، چه با استفاده از یک سیستم حرکتی با کیفیت بالا (جریان کامل کم) و/یا یک سیستم پتانسیومتری (توازن صفر)، دقت اندازهگیری میتواند حتی بیشتر بهبود یابد.
اندازه گیری با روش کلوین
این روش اندازهگیری که از خطاهای ناشی از مقاومت سیم جلوگیری میکند، روش کلوین یا 4 سیمه نامیده میشود. گیرههای اتصال ویژهای به نام گیرههای کلوین برای تسهیل این نوع اتصال در سراسر مقاومت مورد نظر ساخته شدهاند:
در گیرههای معمولی به سبک “سوسماری”، هر دو نیمه فک از نظر الکتریکی با یکدیگر مشترک هستند و معمولاً در نقطه لولا به هم متصل میشوند. در گیرههای کلوین، نیمههای فک در نقطه لولا از یکدیگر عایق هستند و فقط در نوکهایی که سیم یا ترمینال مورد اندازهگیری را میبندند، با هم تماس دارند. بنابراین، جریان عبوری از نیمههای فک “C” (“جریان”) از نیمههای فک “P” (“پتانسیل” یا ولتاژ) عبور نمیکند و هیچ افت ولتاژ ناشی از خطا در طول آنها ایجاد نمیکند:
همان اصل استفاده از نقاط تماس مختلف برای هدایت جریان و اندازهگیری ولتاژ در مقاومتهای شنت دقیق برای اندازهگیری مقادیر زیاد جریان استفاده میشود. همانطور که قبلاً بحث شد، مقاومتهای شنت با کاهش مقدار دقیقی از ولتاژ برای هر آمپر جریان عبوری از آنها، به عنوان دستگاههای اندازهگیری جریان عمل میکنند و افت ولتاژ توسط ولتمتر اندازهگیری میشود. به این معنا، یک مقاومت شنت دقیق، مقدار جریان را به مقدار ولتاژ متناسب “تبدیل” میکند. بنابراین، جریان را میتوان با اندازهگیری ولتاژ افت یافته در شنت به طور دقیق اندازهگیری کرد:
اندازهگیری جریان با استفاده از یک مقاومت شنت و ولتمتر به ویژه برای کاربردهایی که شامل مقادیر بسیار زیاد جریان هستند، بسیار مناسب است. در چنین کاربردهایی، مقاومت مقاومت شنت احتمالاً در حد میلی اهم یا میکرو اهم خواهد بود، به طوری که تنها مقدار کمی ولتاژ در جریان کامل افت خواهد کرد.
مقاومت به این کم با مقاومت اتصال سیم قابل مقایسه است، به این معنی که ولتاژ اندازهگیری شده در چنین شنتی باید به گونهای انجام شود که از تشخیص افت ولتاژ در اتصالات سیم حامل جریان جلوگیری شود، مبادا خطاهای اندازهگیری بزرگی ایجاد شود. برای اینکه ولتمتر فقط ولتاژ افت یافته توسط خود مقاومت شنت را اندازهگیری کند، بدون اینکه هیچ ولتاژ سرگردانی از مقاومت سیم یا اتصال ناشی شود، شنتها معمولاً به چهار ترمینال اتصال مجهز هستند:
در کاربردهای مترولوژیکی (مترولوژی = “علم اندازهگیری”) که در آن دقت از اهمیت بالایی برخوردار است، مقاومتهای “استاندارد” بسیار دقیق نیز به چهار ترمینال مجهز شدهاند: دو ترمینال برای انتقال جریان اندازهگیری شده و دو ترمینال برای انتقال افت ولتاژ مقاومت به ولتمتر. به این ترتیب، ولتمتر فقط افت ولتاژ روی خود مقاومت دقیق را اندازهگیری میکند، بدون اینکه هیچ ولتاژ سرگردانی روی سیمهای حامل جریان یا مقاومتهای اتصال سیم به ترمینال افت کند.
عکس زیر یک مقاومت استاندارد دقیق با مقدار ۱ اهم را نشان میدهد که در یک حمام روغن با دمای کنترلشده به همراه چند مقاومت استاندارد دیگر غوطهور شده است. به دو ترمینال بزرگ بیرونی برای جریان و دو ترمینال اتصال کوچک برای ولتاژ توجه کنید:
در اینجا یک مقاومت استاندارد قدیمیتر (قبل از جنگ جهانی دوم) ساخت آلمان را مشاهده میکنید. این واحد دارای مقاومت ۰.۰۰۱ اهم است و دوباره چهار نقطه اتصال ترمینال را میتوان به صورت دستگیرههای سیاه (پدهای فلزی زیر هر دستگیره برای اتصال مستقیم فلز به فلز با سیمها)، دو دستگیره بزرگ برای محکم کردن سیمهای حامل جریان و دو دستگیره کوچکتر برای محکم کردن سیمهای ولتمتر (“پتانسیل”) مشاهده کرد:
تصویر بالا از شرکت فلوک در اورت، واشنگتن است. این مقاومتهای استاندارد گران و تا حدودی نادر در آزمایشگاه استانداردهای اولیه شرکت فلوک قرار دارند.
لازم به ذکر است که اندازهگیری مقاومت با استفاده از هر دو آمپرمتر و ولتمتر در معرض خطای مرکب است. به دلیل دقت هر دو ابزار در نتیجه نهایی، دقت کلی اندازهگیری ممکن است بدتر از هر یک از ابزارها به تنهایی باشد. به عنوان مثال، اگر آمپرمتر تا +/- ۱٪ و ولتمتر نیز تا +/- ۱٪ دقیق باشد، هر اندازهگیری وابسته به نشانگرهای هر دو ابزار ممکن است تا +/- ۲٪ نادرست باشد.
با جایگزینی آمپرمتر با یک مقاومت استاندارد که به عنوان شنت اندازهگیری جریان استفاده میشود، میتوان دقت بیشتری به دست آورد. همچنان یک خطای مرکب بین مقاومت استاندارد و ولتمتر مورد استفاده برای اندازهگیری افت ولتاژ وجود خواهد داشت، اما این مقدار کمتر از زمانی است که از یک چیدمان ولتمتر + آمپرمتر استفاده میشود، زیرا دقت معمول مقاومت استاندارد بسیار بیشتر از دقت معمول آمپرمتر است. با استفاده از گیرههای کلوین برای ایجاد اتصال با مقاومت مورد نظر، مدار چیزی شبیه به این خواهد بود:
تمام سیمهای حامل جریان در مدار فوق به صورت “پررنگ” نشان داده شدهاند تا به راحتی از سیمهایی که ولتمتر را به هر دو مقاومت (Rsubject و Rstandard) متصل میکنند، متمایز شوند. در حالت ایدهآل، از یک ولتمتر پتانسیومتری برای اطمینان از عبور هرچه کمتر جریان از سیمهای “پتانسیل” استفاده میشود.
اندازهگیری کلوین میتواند ابزاری کاربردی برای یافتن اتصالات ضعیف یا مقاومت غیرمنتظره در یک مدار الکتریکی باشد. یک منبع تغذیه DC را به مدار وصل کنید و منبع تغذیه را طوری تنظیم کنید که جریان ثابتی را به مدار بدهد، همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است (البته در محدوده قابلیتهای مدار). با یک مولتیمتر دیجیتال که برای اندازهگیری ولتاژ DC تنظیم شده است، افت ولتاژ را در نقاط مختلف مدار اندازهگیری کنید.
اگر اندازه سیم را میدانید، میتوانید افت ولتاژی را که باید ببینید تخمین بزنید و آن را با افت ولتاژی که اندازهگیری میکنید مقایسه کنید. این میتواند یک روش سریع و مؤثر برای یافتن اتصالات ضعیف در سیمکشیهای در معرض عناصر، مانند مدارهای روشنایی یک تریلر، باشد. همچنین میتواند برای هادیهای AC بدون برق به خوبی کار کند (مطمئن شوید که برق AC نمیتواند روشن شود).
به عنوان مثال، میتوانید افت ولتاژ را در یک کلید برق اندازهگیری کنید و مشخص کنید که آیا اتصالات سیمکشی به کلید یا کنتاکتهای کلید مشکوک هستند یا خیر. برای اینکه استفاده از این تکنیک بیشترین تأثیر را داشته باشد، باید همان نوع مدارها را پس از ساخت جدید نیز اندازهگیری کنید تا مقادیر «صحیح» را حس کنید. اگر از این تکنیک در مدارهای جدید استفاده کنید و نتایج را در یک دفترچه ثبت کنید، اطلاعات ارزشمندی برای عیبیابی در آینده خواهید داشت.