Mesure de résistance Kelvin (4 fils)

Supposons que nous souhaitions mesurer la résistance d'un composant situé à une distance significative de notre ohmmètre. Un tel scénario serait problématique car un ohmmètre mesure tout résistance dans la boucle du circuit, qui comprend la résistance des fils (R_fil ) reliant l'ohmmètre au composant à mesurer (R_sujet ):

Habituellement, la résistance du fil est très faible (seulement quelques ohms par centaines de pieds, en fonction principalement du calibre (taille) du fil), mais si les fils de connexion sont très longs et/ou le composant à mesurer a une très faible résistance de toute façon, l'erreur de mesure introduite par la résistance du fil sera substantielle.

Une méthode ingénieuse pour mesurer la résistance du sujet dans une situation comme celle-ci implique l'utilisation à la fois d'un ampèremètre et d'un voltmètre. Nous savons d'après la loi d'Ohm que la résistance est égale à la tension divisée par le courant (R =E/I). Ainsi, nous devrions être en mesure de déterminer la résistance du composant en question si nous mesurons le courant qui le traverse et la tension qui le traverse :

Le courant est le même en tous points du circuit, car il s'agit d'une boucle en série. Étant donné que nous ne mesurons que la chute de tension à travers la résistance du sujet (et non les résistances des fils), la résistance calculée est indicative de la résistance du composant du sujet (R_sujet ) seul.

Notre objectif, cependant, était de mesurer la résistance de ce sujet à distance , donc notre voltmètre doit être situé quelque part près de l'ampèremètre, connecté à travers la résistance du sujet par une autre paire de fils contenant une résistance :

Au début, il semble que nous ayons perdu tout avantage à mesurer la résistance de cette manière, car le voltmètre doit maintenant mesurer la tension à travers une longue paire de fils (résistifs), introduisant à nouveau une résistance parasite dans le circuit de mesure. Cependant, en y regardant de plus près, on constate que rien n'est perdu du tout, car les fils du voltmètre transportent un courant infime. Ainsi, ces longues longueurs de fil reliant le voltmètre à la résistance du sujet feront chuter des quantités de tension insignifiantes, ce qui donnera une indication du voltmètre qui est presque la même que s'il était connecté directement à la résistance du sujet :

Toute chute de tension sur les principaux fils porteurs de courant ne sera pas mesurée par le voltmètre et n'entre donc pas du tout dans le calcul de la résistance. La précision de la mesure peut être encore améliorée si le courant du voltmètre est maintenu au minimum, soit en utilisant un mouvement de haute qualité (faible courant à pleine échelle) et/ou un système potentiométrique (balance nulle).

Méthode Kelvin

Cette méthode de mesure qui évite les erreurs causées par la résistance du fil est appelée le Kelvin , ou 4 fils méthode. Clips de connexion spéciaux appelés clips Kelvin sont faits pour faciliter ce genre de connexion à travers une résistance de sujet :

Dans les pinces ordinaires de style « alligator », les deux moitiés de la mâchoire sont électriquement communes l'une à l'autre, généralement jointes au point de charnière. Dans les clips Kelvin, les moitiés de la mâchoire sont isolées l'une de l'autre au niveau du point de charnière, ne contactant qu'aux extrémités où elles serrent le fil ou la borne du sujet à mesurer. Ainsi, le courant traversant les moitiés de mâchoire « C » (« courant ») ne passe pas par le « P » (« potentiel » ou la tension ) moitiés de mâchoire, et ne créera aucune chute de tension induisant une erreur sur leur longueur :

Le même principe d'utilisation de différents points de contact pour la conduction de courant et la mesure de tension est utilisé dans les résistances shunt de précision pour mesurer de grandes quantités de courant. Comme indiqué précédemment, les résistances shunt fonctionnent comme des dispositifs de mesure de courant en laissant tomber une quantité précise de tension pour chaque ampère de courant qui les traverse, la chute de tension étant mesurée par un voltmètre. En ce sens, une résistance shunt de précision "convertit" une valeur de courant en une valeur de tension proportionnelle. Ainsi, le courant peut être mesuré avec précision en mesurant la chute de tension aux bornes du shunt :

La mesure de courant à l'aide d'une résistance shunt et d'un voltmètre est particulièrement bien adaptée aux applications impliquant des amplitudes de courant particulièrement élevées. Dans de telles applications, la résistance de la résistance shunt sera probablement de l'ordre de milliohms ou de microohms, de sorte que seule une faible quantité de tension chutera à plein courant.

Une résistance aussi faible est comparable à la résistance de connexion des fils, ce qui signifie que la tension mesurée sur un tel shunt doit être effectuée de manière à éviter de détecter une chute de tension sur les connexions des fils porteurs de courant, de peur que d'énormes erreurs de mesure ne soient induites. Afin que le voltmètre ne mesure que la tension chute par la résistance du shunt elle-même, sans aucune tension parasite provenant du fil ou de la résistance de connexion, les shunts sont généralement équipés de quatre bornes de connexion :

Résistance standard de précision

En métrologie (métrologie =« la science de la mesure » ) pour les applications où la précision est primordiale, les résistances « standard » de haute précision sont également équipées de quatre bornes :deux pour transporter le courant mesuré et deux pour transmettre la chute de tension de la résistance au voltmètre. De cette façon, le voltmètre ne mesure que la chute de tension sur la résistance de précision elle-même, sans aucune chute de tension parasite sur les fils porteurs de courant ou les résistances de connexion fil-borne.

La photographie suivante montre une résistance standard de précision d'une valeur de 1 immergée dans un bain d'huile à température contrôlée avec quelques autres résistances standard. Notez les deux grandes bornes extérieures pour le courant et les deux petites bornes de connexion pour la tension :

Voici une autre résistance standard plus ancienne (avant la Seconde Guerre mondiale) de fabrication allemande. Cette unité a une résistance de 0,001 Ω, et encore une fois, les quatre points de connexion des bornes peuvent être considérés comme des boutons noirs (patins métalliques sous chaque bouton pour une connexion métal-métal directe avec les fils), deux gros boutons pour fixer le courant fils et deux petits boutons pour fixer les fils du voltmètre (« potentiels ») :

Nous remercions Fluke Corporation à Everett, Washington, pour m'avoir permis de photographier ces résistances standard chères et quelque peu rares dans leur laboratoire d'étalonnage primaire.

Il convient de noter que la mesure de résistance utilisant les deux un ampèremètre et un voltmètre sont sujets à une erreur composée. En raison de la précision des deux instruments pris en compte dans le résultat final, la précision globale de la mesure peut être pire que celle de l'un ou l'autre des instruments considérés seuls. Par exemple, si l'ampèremètre est précis à +/- 1 % et que le voltmètre est également précis à +/- 1 %, toute mesure dépendant des indications des deux instruments peut être inexacte jusqu'à +/- 2 %.

Une plus grande précision peut être obtenue en remplaçant l'ampèremètre par une résistance standard, utilisée comme shunt de mesure de courant. Il y aura toujours une erreur composée entre la résistance standard et le voltmètre utilisé pour mesurer la chute de tension, mais ce sera moins qu'avec un arrangement voltmètre + ampèremètre car la précision de la résistance standard dépasse de loin la précision typique de l'ampèremètre. En utilisant des clips Kelvin pour établir une connexion avec la résistance du sujet, le circuit ressemble à ceci :

Tous les fils porteurs de courant dans le circuit ci-dessus sont indiqués en "gras", pour les distinguer facilement des fils reliant le voltmètre entre les deux résistances (R_sujet et R_standard ). Idéalement, un voltmètre potentiométrique est utilisé pour assurer le moins de courant possible dans les fils « potentiels ».

La mesure Kelvin peut être un outil pratique pour trouver de mauvaises connexions ou une résistance inattendue dans un circuit électrique. Connectez une alimentation CC au circuit et ajustez l'alimentation afin qu'elle fournisse un courant constant au circuit comme indiqué dans le schéma ci-dessus (dans les limites des capacités du circuit, bien sûr). Avec un multimètre numérique réglé pour mesurer la tension continue, mesurez la chute de tension à divers points du circuit.

Si vous connaissez la taille du fil, vous pouvez estimer la chute de tension que vous devriez voir et la comparer à la chute de tension que vous mesurez. Cela peut être une méthode rapide et efficace pour trouver de mauvaises connexions dans le câblage exposé aux éléments, comme dans les circuits d'éclairage d'une remorque. Il peut également bien fonctionner pour les conducteurs CA non alimentés (assurez-vous que l'alimentation CA ne peut pas être allumée).

Par exemple, vous pouvez mesurer la chute de tension à travers un interrupteur d'éclairage et déterminer si les connexions de câblage vers l'interrupteur ou les contacts de l'interrupteur sont suspectes. Pour être plus efficace en utilisant cette technique, vous devez également mesurer le même type de circuits après leur nouvelle fabrication afin d'avoir une idée des valeurs « correctes ». Si vous utilisez cette technique sur de nouveaux circuits et mettez les résultats dans un journal de bord, vous disposez d'informations précieuses pour le dépannage à l'avenir.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Ohmmètre - Feuille de travail Kelvin
• Ampèremètre - Feuille de travail Kelvin
• Moteur à courant continu - Feuille de travail Kelvin