4線式測量-Kelvin measurement

一、何謂4線式測量

4線式測量又稱Kelvin measurement,其作用在於精準的量測電阻值,一般在使用2線式量測電阻時,我們會採用一歐姆計透過檢流計檢測出電阻大小,但這種方法通常會將整個迴路的阻抗計算在內,在量測距離較長時或精度要求較高的情況底下,是無法滿足的。

2wire-1

上圖為2線式阻抗測量的模擬,假設由電阻計連接出的碳棒正負線長均帶有3Ω(共6Ω)的阻抗下,實際測得R(load)阻抗會得到106Ω,此與我們想要的結果會有落差。

而4線式的量測方式,則是送出一固定電流,然後測量待測物之壓降,則可精確的換算出其阻抗,其因電壓表與被測電阻成並聯型態,又因電壓表本身輸入阻抗極大,故此時電壓表的線電阻可忽略不計(基本上也不會構成影響,因流經電壓表的電流非常的小)。

4wire-1

 

上圖來看我把電壓表的線電阻模擬成0Ω,此時得到電壓為2V,因定電流輸出為20mA×100Ω=2V

所以反之我們可以用歐姆定律從獲得的電壓得知阻抗 R = V/I

但如果把電壓表的線電阻模擬成更大的阻值是否會構成影響?

4wire-2

因電壓表的輸入阻抗極高,以及並聯情況下,對於電壓表的線電阻上來說,基本上不會流經電流(小到忽略),故不會影響到量測結果。

二、4線式的量測要點

a.需要能夠產生穩定的定電流

需要能夠產生穩定的定電流,第一個必須要有足夠的驅動能力,且產生的定電流基本上是不可漂移的,一旦飄移則會影響到整個量測的結果。而飄移有可能來自於溫度、電阻誤差等因素。

簡易的定電流產生

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b.擁有好的電壓量測

一般高級的量測電表會有提供4線式的量測方式,如Agilent/HP 34401A就有提供4wire的量測方式,因為透過穩定的定電流在負載端產生的壓降是相當穩定的,如電壓取樣不良時,所得到的結果就失去意義。

4wire-4

而如果是應用在電路設計上,則必須慎選AD,以及取樣的方式,考量的要素可以評估所要採樣的電壓範圍,作為考慮。例如量測電壓範圍應盡量提高(如:2mV~20mV與0.2V~2V的選擇)。

(笑一下:當學生的時候很多人都會很好奇為什麼測量電阻的檔位還會分2Watt跟4Watt,我也曾經這樣想過)

 c.電壓sensor測量線必須盡量靠近待測電阻

因為電壓sensor線就是為了測量待測電阻上的壓降,故在測量的時候應盡量靠近所要量測的待測電阻。

例如在使用Shunt檢測電流時,這個概念就很重要,下圖是從參考網站上抓來的(因為他畫的太好了)

(http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_8/9.html)

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 三、4線式量測的使用時機

目前我所遇過的4線式量測的使用時機有兩個時候,

a.待測阻抗極小

所謂的待測阻抗極小,小到可能前後的連接線、吃錫量都足以影響阻抗,此時就很適合使用4wire測量。

b.當測量的待測物距離很遠

這種例子是很典型的應用,例如一個溫度sensor,通常可能是一溫度電阻,如PT100,外置的時候可能會離量測電路很遠,此時量測的線電阻的含量可能足以影響溫度電阻本身(如上第一圖所示)因距離拉得很長時,線電阻隨之變大,則如使用2線式測量則可能會一併將線電阻阻抗一起包含在內測量,顯然這個結果不是我們要的,所以這時候也很適合使用4wire測量。

 

如果有人有閒時間的話,可以試試看使用4wire的量測方式測量相同線徑,但是長度不同的錳銅線,可以發現是存在比例關係的,例如1cm的錳銅線跟2cm的錳銅線是兩倍的阻抗。(很瞎吧,我之前曾經這樣做過),因為錳銅線的阻抗很小,所以使用2wire的方式是測量不出阻抗的。

 

參考資料:http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_8/9.html

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