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01和11是不是连码:四端接线法在电阻测量中的实际经验

发布时间:2018-11-10 作者:吴裔骞 刘桂欣 来源:本站原创 浏览:2692

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□ 北京市计量检测科学研究院 吴裔骞 刘桂欣

  在测量电阻时,四端接线法,又叫开尔文连接法。当被测电阻阻值小于几欧,测试引线的电阻和探针与测试点的接触电阻与被测电阻相比已不能忽略不计时,若仍采用两线测试方法必将导致测试误差增大。此时可采用开尔文连接方式(或称四线测试方式)来进行测试,如图1。


 
图1 开尔文连接法

  如图1,可以认为A端和B端是电流端子,测试的时候通以一定的电流,然后从电压端子C和B测量电压,利用欧姆定律就可以得到两个定义点(Kelvin接点)α和β之间的电阻。

  对于小阻值的电阻,测试时由于接触电阻和引线电阻的影响,二线法测试不准。而采用四线法,就可以排除接触电阻和引线电阻的影响。无论接到A和B的引线有多长,电流不受影响。而C和D点只测试电压,可以认为没有电流通过,因此也与引线电阻和接触电阻无关。

  以上内容,是理论上,关于四线接线法的原理知识,在实际的计量检测中,四端测量仪器如何连接被测电阻,有一些问题引起了笔者的思考:

  1、 电压夹子比电流夹子靠近电阻根部,是不是测量值更准确?

  从图1,可以看出,测量结果R,包括R和α、β之间的两段引线电阻,所以想当然的就会从直觉上觉得,C、D电压表两根引线的夹子(即α、β两点)越靠近电阻根部越好。于是在进行连线时,把电压的夹子靠近电阻,把电流的夹子夹在外面,如图2,以为这样的测量结果,比夹子交换位置测的准。这一想法,是错误的。

图2下面的夹子是电压端,上面的夹子是电流端

  实际的情况是,无论电压端在下面,还是电流端在下面,测得值是一样的。只取决于下面的夹子结点离电阻的距离。因为图1是原理图,实物结点的宏观图不好想象,让我们来看看放大的具体情况,读者便会明了了。


  
  如图3、4所示,无论电压端在下面,还是电流端在下面,所测的电阻值,都是更靠近R的结点α、β之间的电阻值。

  2、 测量标准电阻时,电压和电流夹子是否可以互换?

  标准电阻上,电流的接线柱,比电压的接线柱粗,是因为小电阻要流过大电流,才能得到合适的测量电压,所以电流的接线柱要粗一些。如果抛开粗细的问题,或者说把电压的接线柱也做的像电流接线柱同样粗,则如同图3、图4的变换,所得到的电阻值是一样的。当然,如果电流过大,或者测量精度很高,需要考虑热电势的影响因素的情况下,还得另当别论。

  3、 测一个1毫欧的柱状电阻,两对儿电压和电流的测量端,使劲挤压在电阻柱两端即可?

  把电压和电流插片挤压在一起,再让其中一个插片和电阻接触,这样的方法和第2问提到的夹子的方法,测量的具体情况是不一样的。注意,这里的插片之间是没有铜柱的,电流和电位是通过插片传递的,而不是通过接线柱。如图5。

图5

  这样测量,下面的插片的接触电阻带来的误差无法忽略,大约几欧至十几欧,影响测量结果,如图6、7所示,接触电阻R’也被计算在测量结果中了。当然,这也再一次证明了,无论夹子还是插片,电压端和电流端互换位置,测量结果不变。

  那么如果避免接触电阻R’带来的误差呢?如果在电流插片不变的情况下,电压插片不是挤压在电流插片外面,而是直接接触电阻柱体两端(如图8的实物图所示),其原理图如图9,,接触电阻带来的误差就被消除了,测量精度大幅度增加。

  由此得到的经验是,电压和电流的两个插片,最好不要在所测电阻物体之外,提前接触,应分别接触所测电阻。

  在实际的计量检测过程中,有的四端测量法的仪器,引出两个夹子,每个夹子上既有电流线又有电压线,那么其制作原理,应该是在接触所测电阻前(即夹子尖端)电压线和电流线,无交集,尤其是在夹子的物理连接处,不能短接。一旦短接,其接触电阻及夹子本身的电阻都会被测量进去,造成很大的误差。笔者发现国内很多接地导通测试仪等四端测量仪器厂家设计的夹子,都是电压端和电流端提早短接,知其然不知其所以然,贻笑大方。

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  4、 插片连接,ZX54电阻箱接线柱的设计,妙处何在?


 
图10

  如图10,ZX54电阻箱的接线柱设计,因为其0.01Ω盘的电阻很小,需要四端接线减小误差。每个接线柱,有两层结构,电流和电压插片分别插入,克服了问题3中的情况,避免了由于插接不实,没有触碰接线柱,“插片”通过“插片”连接的情况,而是直接和接线柱牢固连接,从而避免了接触电阻带来的误差,个中原因,在问题3中已经详细介绍了,此处不再赘述。在这里值得提一句的是,ZX54的精度相对较高,电流和电压插片上下互换的时候,热电势带来的误差会影响测量结果,值得注意。

  以上4个设问,循序渐进,阐述了笔者在电阻测量工作中的一些心得体会,涉及到标准电阻、电桥、电阻箱、微欧计、接地导通电阻测试仪的测量与使用,在此与全国同行交流探讨,献丑之处,恳请指正。

  附:使用台湾固纬GPT-9804接地导通电阻测试功能,测试一个116mΩ左右的小电阻,不同的连接方法,测得的电阻值的真实情况。由于GPT-9804的分辨力和重复性足够好,所以也不必考量具体测量误差,只是知道接线的方法不同,带来的接触电阻的区别就是了。

  图11  测量 四端测量的GPT-9804及被电阻(标称值115.2 mΩ)。

1、直接短接,测量结果为:0

2、用手按着两个电流端,电位端接在相应的电流端后边,测量结果为:1.5~2.5mΩ

3、电位端接在相应的电流端后边,电流端插入端子的孔内。测量结果为:117.9mΩ

4、电位端接在相应的电流端后边,电流端接驳插片,拧压在接线柱上。测量结果为:118.5mΩ

5、电流端通过插片挤压在接线柱,电压端插入接线柱,分别和接线柱连接。测量结果为:116.5mΩ。

  通过比较,第5种方法,测量值最接近实际值,接触电阻最小。

  以上5个测量数据,显示出不同的接线方法,对测量结果带来的影响。试验过程中,笔者也试验了,将同一颜色的电压、电流的插头位置互换,的确不影响测量结果。与前面理论分析中的结论吻合,算是理论联系实际的佐证。

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