四線式與二線式電表之差異
  • 2018-07-16

四線式與二線式電表之差異

測量電阻大家都做過,1kΩ~100kΩ我想很容易測量,一般的三用電表就可以輕鬆完成。但對於0.01Ω的低電阻,若以三用電表來測量,你會發現電表顯示的結果非常奇怪,可能是0Ω或0.1Ω,那我該相信電表還是電阻上的0.01Ω標示,這到底是甚麼回事呢?

 

電阻的定義

電阻的公式如下,想必大家耳熟能詳,只要有電壓V與電流I就能得到電阻值。

R=V(Voltage)/I(Current)

 

阻測量-二線式測量法Two Wire Measurement Method

電流(I)流過要測量的電阻R0和測試線阻抗r1和r2。

因此測量電壓(E)可以從E = I(r1 + R0 + r2)獲得,其中包括測試線阻抗r1和r2。

 

這樣的電路架構就是一般常見的電表架構,也就是所謂的二線式Two wire測量法,這種架構非常簡單明瞭乍看之下似乎沒甚麼問題。事實上,當你測量的電阻是10Ω以上的時候,這個架構確實沒有問題。

 

但若測量的對象是0.01Ω這種超小阻值時,這種測量架構會變得不準確,原因是銅線本身也帶有阻抗,當待測物的電阻與導線阻抗(既Figure 1.1  r1與r2)旗鼓相當的時候,你會很難分辨電阻的讀值是誰貢獻的。

 

導線的阻抗

先給大家一個觀念,天底下沒有完全的導體與絕緣體,任何材料都能導電,差別只在於比較好導電與比較不好導電的差別而已,導電性好的稱為導體,表示阻抗很低;導電性很差的稱為絕緣體,表示阻抗非常高。

所有的材料都有個描述電阻的係數,稱為電阻率ρ,它的單位是Ω⋅m,若截取一段材料,它的電阻與電阻率的關係式如下

Resistance=ρ (L/A),  A為截面積L為長度

我們可以依此來計算銅線的阻抗,根據Resistivity Table銅的電阻率為1.68×E−8Ω⋅m,以AWG25規格的導線來說它的截面積是0.162mm2,所以經過計算後1m長度的AWG25導線的阻抗如下

因此一段1m長度的銅製導線含有約0.1Ω的阻抗。

 

導線阻抗的影響

一般來說,如果待測物是1kΩ的電阻器,我們完全可以忽略導線的阻抗,因為導線阻抗只有0.1Ω,它造成的壓降微不足道。但若待測物的阻抗是0.01Ω,那情況就完全不同了,待測物的阻抗竟然比導線阻抗還低10倍,這個時候我們若仍用上面的方法來測量,其實量到的會是導線的阻抗‧.

 

低電阻測量-四線式測量法Four Wire Measurement Method

為了避免測量電阻時受到導線阻抗的影響,可以採用四線式Four Wire的測量法。它利用較大的電流通過電阻,藉以取得較大的電壓差,對於電壓計來說,越大的電壓差代表電壓計越容易測量到電壓。

所有電流(I)流過要測量的電阻R0。因為電壓計為高阻抗,電流不會流經r3及r4這條迴路,因此r3和r4兩端間的電壓降基本上為零,因此測量電壓(E)和電壓降(E0)為相等的,故待測電阻(R0)在不受r3和r4影響的情況下測量到正確的電阻值。


四端法對於測量非常小的阻抗值至關重要。使用二線式測量法(Figure 1.1),測試線的阻抗已包含在測量中的”電阻值”內,導致測量誤差。四線式測量法(Figure 1.2)包括提供恆定電流的電流源端子,以及用於檢測電壓降的電壓檢測端子。由於電壓表的輸入阻抗非常高,測試電流不會通過電壓檢測端,而會直接流過測試電阻(R0),實際上消除了測線阻抗的影響,既可測得”待測電阻R0”阻抗值。

 

以下試驗照片可輕易讓大家了解2種測試法對於低阻抗的差異:

 

二線式HIOKI DT4282 測試249 Ω

四線式HIOKI RM3545 測試249 Ω

二線式HIOKI DT4282 測試0.985Ω (已扣除了測線阻抗)

四線式HIOKI RM3545 測試985mΩ

二線式HIOKI DT4282 測試39.1671mΩ (已扣除了測線阻抗)

四線式HIOKI RM3545 測試39.1671mΩ

二線式HIOKI DT4282 測試4.0961mΩ (已扣除了測線阻抗)

四線式HIOKI RM3545 測試4.0961mΩ

二線式HIOKI DT4282 測試1.3936mΩ (已扣除了測線阻抗)

四線式HIOKI RM3545 測試1.3936mΩ

從上例可清楚得知,

2線式電錶已扣除測線阻抗後,但是實測結果還是無法測出正確的電阻值,

故1Ω以下建議使用四線式電表量測即能取得正確測試點阻抗值,請參HIOKI RM3545 電阻計

http://www.donho.com.tw/products_3.php?gid=88

 

 

 

 

 

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