การวัดค่าความต้านทานขนาดต่ำ (ระดับมิลลิโอห์มหรือน้อยกว่า)

4-Wire Method to get accurate a low Resistance value

หากเราต้องการวัดค่าความต้านทานของชิ้นงาน (ภาระ หรือ Load) ซึ่งเป็นค่าที่แท้จริงเท่านั้น แต่ความเป็นจริงแล้วนั้น ค่าที่ได้จากการวัดของมิเตอร์ที่ได้นั้น จะเป็นค่าความต้านทานรวมของวงจร ที่ประกอบไปด้วยค่าที่ได้จากภาระ (Load) รวมกับค่าความต้านทานของสายไฟของตัวมิเตอร์ที่ใช้วัดเข้าด้วยกัน ดังตัวอย่างรูปด้านล่าง 

โดยทั่วไปแล้วความต้านทานของสาย (Rwire) จะน้อยมาก (เพียงไม่กี่โอห์มต่อระยะทางหลายร้อยฟุต ขึ้นอยู่กับขนาดเกจของสายเป็นหลัก) แต่หากสายเชื่อมต่อยาวมากและ/หรือส่วนประกอบที่จะวัดมีความต้านทานต่ำมากอยู่แล้ว ข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากความต้านทานของสายจะมีมาก

วิธีการที่ชาญฉลาดในการวัดความต้านทานของวัตถุในสถานการณ์เช่นนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ทั้งแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ เราทราบจาก กฎของโอห์ม ว่าความต้านทานเท่ากับแรงดันไฟฟ้าหารด้วยกระแสไฟฟ้า (R = V/I) ดังนั้น เราควรสามารถกำหนดความต้านทานของส่วนประกอบของวัตถุได้หากเราวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านและแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อม RLaad

กระแสไฟฟ้าจะเท่ากันที่จุดทั้งหมดในวงจร เพราะเป็นวงจรแบบอนุกรม (Series circuit) เนื่องจากเราวัดเฉพาะแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมความต้านทานของวัตถุเท่านั้น (ไม่ใช่ความต้านทานของสายไฟ) อย่างไรก็ตาม ความต้านทานที่คำนวณได้นั้นบ่งชี้ถึงความต้านทานของส่วนประกอบวัตถุ (R ) เท่านั้น

เป้าหมายคือ การวัดความต้านทานของภาระ (Load) ากระยะไกล ดังนั้นโวลต์มิเตอร์จะต้องอยู่ที่ไหนสักแห่งใกล้กับแอมมิเตอร์ โดยเชื่อมต่อข้ามความต้านทานของภาระด้วยสายคู่หนึ่งที่มีความต้านทาน:

ในตอนแรก ดูเหมือนว่าจะสูญเสียข้อได้เปรียบในการวัดความต้านทานด้วยวิธีนี้ไป เนื่องจากปัจจุบันโวลต์มิเตอร์ต้องวัดแรงดันไฟฟ้าผ่านสายคู่ยาว (ตัวต้านทาน) ทำให้ความต้านทานหลงเหลือกลับเข้าสู่วงจรวัดอีกครั้ง อย่างไรก็ตาม เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิด จะเห็นว่าไม่มีอะไรสูญหาย เนื่องจากสายของโวลต์มิเตอร์ส่ง กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ดังนั้น สายยาวที่เชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ข้ามความต้านทานของวัตถุจะลดแรงดันไฟฟ้าลงเล็กน้อย ส่งผลให้ค่าที่วัดได้จากโวลต์มิเตอร์ใกล้เคียงกับค่าที่ต่อโดยตรงข้ามความต้านทานของภาระ:

โวลต์มิเตอร์จะไม่วัดแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมสายไฟหลักที่ส่งกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่ถือเป็นปัจจัยในการคำนวณความต้านทานเลย ความแม่นยำในการวัดอาจดีขึ้นได้อีก หากควบคุมกระแสไฟของโวลต์มิเตอร์ให้อยู่ในระดับต่ำสุด (pA หรือ fA) ไม่ว่าจะด้วยการใช้การเคลื่อนที่ที่มีคุณภาพสูง (กระแสไฟเต็มสเกลต่ำ) และหรือ Potentiometric (สมดุลศูนย์)

วิธีการวัด 4 สายแบบเคลวิน (4-Wire Kelvin Method)

วิธีการวัดนี้ซึ่งหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดที่เกิดจากความต้านทานของสายเรียกว่าเคลวิน (Kelvin) หรือ วิธี 4 สายคลิป (4-Wire clips) เชื่อมต่อพิเศษที่เรียกว่า 4 วาย์คลิปเคลวิน ถูกสร้างขึ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อประเภทนี้ผ่านความต้านทานของภภาระ:

ในคลิปแบบ “ปากจระเข้” ทั่วไป ขากรรไกรทั้งสองส่วนจะเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้า โดยปกติจะเชื่อมกันที่จุดบานพับ ในคลิปเคลวิน ขากรรไกรทั้งสองส่วนจะหุ้มฉนวนกันที่จุดบานพับ โดยสัมผัสกันเฉพาะที่ปลายที่หนีบกับสายไฟหรือขั้วต่อของภาระที่จะวัดเท่านั้น ดังนั้น กระแสไฟฟ้าผ่านขากรรไกร “C” (Current) จะไม่ผ่านขากรรไกร “P” (“Voltage หรือ แรงดันไฟฟ้า ) และจะไม่สร้างแรงดันไฟฟ้าตกที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดตลอดความยาวของขากรรไกร:

หลักการเดียวกันในการใช้จุดสัมผัสที่แตกต่างกัน สำหรับการวัดการนำกระแสและแรงดันไฟฟ้าใช้ในตัวต้านทานแบบแยกส่วน ที่มีความแม่นยำสำหรับการวัดกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ตัวต้านทานแบบแยกส่วนทำงานเป็นอุปกรณ์วัดกระแสไฟฟ้าโดยลดแรงดันไฟฟ้าในปริมาณที่แม่นยำสำหรับทุกแอมแปร์ของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทาน โดยแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงจะถูกวัดโดยโวลต์มิเตอร์ ในแง่นี้ ตัวต้านทานแบบแยกส่วนที่มีความแม่นยำจะ "แปลง" ค่ากระแสไฟฟ้าเป็นค่าแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วน ดังนั้น กระแสไฟฟ้าจึงสามารถวัดได้อย่างแม่นยำโดยการวัดแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงทั่วแยกส่วน:

การวัดกระแสโดยใช้ตัวต้านทานแบบชันท์และโวลต์มิเตอร์นั้นเหมาะเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับกระแสขนาดใหญ่เป็นพิเศษ ในการใช้งานดังกล่าว ความต้านทานของตัวต้านทานแบบชันท์มักจะอยู่ในระดับมิลลิโอห์มหรือไมโครโอห์ม ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจะลดลงเพียงเล็กน้อยเมื่อกระแสเต็ม

ความต้านทานที่ต่ำนี้จะเทียบได้กับความต้านทานของการเชื่อมต่อสายไฟ ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ข้ามการเชื่อมต่อดังกล่าวจะต้องทำในลักษณะที่จะหลีกเลี่ยงการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมการเชื่อมต่อสายไฟที่ส่งกระแสไฟฟ้า มิฉะนั้นจะเกิดข้อผิดพลาดในการวัดที่ร้ายแรง เพื่อให้โวลต์มิเตอร์วัดเฉพาะแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมโดยความต้านทานของการเชื่อมต่อเท่านั้น โดยไม่มีแรงดันไฟฟ้าหลงทางใดๆ ที่มาจากสายไฟหรือความต้านทานการเชื่อมต่อ โดยทั่วไปแล้ว การเชื่อมต่อแบบเชื่อมต่อจะประกอบด้วยขั้วต่อสี่ขั้ว (4 polarity)

ตัวต้านทานมาตรฐานความแม่นยำ

ในงานด้านการวัด ( metrology = “ศาสตร์แห่งการวัด” ) ซึ่งความแม่นยำมีความสำคัญสูงสุด ตัวต้านทาน “มาตรฐาน” ที่มีความแม่นยำสูงยังมาพร้อมกับขั้วต่อสี่ขั้ว ได้แก่ ขั้วต่อสองขั้วสำหรับส่งกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ และขั้วต่อสองขั้วสำหรับส่งแรงดันตกของตัวต้านทานไปยังโวลต์มิเตอร์ วิธีนี้ทำให้โวลต์มิเตอร์วัดเฉพาะแรงดันตกคร่อมความต้านทานที่แม่นยำเท่านั้น โดยไม่มีแรงดันตกคร่อมสายไฟที่ส่งกระแสไฟฟ้าหรือความต้านทานการเชื่อมต่อระหว่างสายไฟกับขั้วต่อ

ภาพถ่ายต่อไปนี้แสดงตัวต้านทานมาตรฐานความแม่นยำที่มีค่า 1 Ω จุ่มอยู่ในอ่างน้ำมันควบคุมอุณหภูมิพร้อมกับตัวต้านทานมาตรฐานอื่นๆ อีกสองสามตัว สังเกตขั้วต่อขนาดใหญ่ สองขั้วด้านนอกสำหรับกระแสไฟและขั้วต่อขนาดเล็กสองขั้วสำหรับแรงดันไฟฟ้า

โปรดทราบว่าการวัดความต้านทานโดยใช้ทั้งแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์อาจมีข้อผิดพลาดร่วมกัน เนื่องจากความแม่นยำของเครื่องมือทั้งสองตัวมีผลต่อผลลัพธ์ขั้นสุดท้าย ความแม่นยำของการวัดโดยรวมอาจแย่กว่าเครื่องมือใดเครื่องมือหนึ่งที่พิจารณาเพียงตัวเดียว ตัวอย่างเช่น หากแอมมิเตอร์มีความแม่นยำถึง +/- 1% และโวลต์มิเตอร์มีความแม่นยำถึง +/- 1% การวัดใดๆ ที่ขึ้นอยู่กับการบ่งชี้ของเครื่องมือทั้งสองตัวอาจไม่แม่นยำถึง +/- 2%

ความแม่นยำที่มากขึ้นอาจได้รับโดยการเปลี่ยนแอมมิเตอร์ด้วยตัวต้านทานมาตรฐานซึ่งใช้เป็นชันท์วัดกระแส ข้อผิดพลาดแบบทบต้นระหว่างตัวต้านทานมาตรฐานและโวลต์มิเตอร์ที่ใช้ในการวัดแรงดันตกจะยังคงมี แต่จะน้อยกว่าการจัดเรียงโวลต์มิเตอร์ + แอมมิเตอร์ เนื่องจากความแม่นยำของตัวต้านทานมาตรฐานทั่วไปจะเกินความแม่นยำของแอมมิเตอร์ทั่วไปมาก การใช้คลิปเคลวินเพื่อเชื่อมต่อกับความต้านทานของวัตถุ วงจรจะมีลักษณะดังนี้

สายไฟที่นำกระแสไฟฟ้าทั้งหมดในวงจรด้านบนจะแสดงเป็น "เส้นหนา" เพื่อให้แยกแยะได้ง่ายจากสายไฟที่เชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ข้ามความต้านทานทั้งสอง ( แบบ R และแบบ R มาตรฐาน ) โดยปกติแล้ว ควร ใช้ โวลท์มิเตอร์แบบโพเทนชิโอเมตริก เพื่อให้แน่ใจว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายไฟ "ศักย์" น้อยที่สุด

การวัดเคลวินสามารถเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการค้นหาการเชื่อมต่อที่ไม่ดีหรือความต้านทานที่ไม่คาดคิดในวงจรไฟฟ้า เชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ DC เข้ากับวงจรและปรับแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้จ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ให้กับวงจรตามที่แสดงในแผนภาพด้านบน (แน่นอนว่าอยู่ในขีดความสามารถของวงจร) โดยใช้มัลติมิเตอร์ดิจิทัลที่ตั้งค่าให้วัดแรงดันไฟฟ้า DC ให้วัดแรงดันตกคร่อมจุดต่างๆ ในวงจร