روش‌های اندازه‌گیری مقاومت (قسمت اوّل)

مقدمه

مقاومت یکی از اساسی‌ترین عناصری است که در مهندسی برق و الکترونیک با آن سر و کار داریم. مقدار مقاومت می‌تواند مثل مقاومت سیم‌پیچ یک ترانس، بسیار کوچک باشد، یا مثل مقاومت ماده‌ی عایق موجود در سیم‌پیچی همان ترانس، بسیار بزرگ باشد. با وجود اینکه در بسیاری از موارد برای اندازه‌گیری مقاومت هر چیزی می‌توانیم از اُهم‌متر یا مولتی‌متر استفاده کنیم؛ اما در موارد خاصی که نیاز داریم تا مقاومت قطعه‌ی مورد نظر خود را با دقت بسیار بالا بدانیم، یا در مواردی که مقاومت مجهول دارای مقداری بسیار بزرگ‌تر یا بسیار کوچک‌تر از محدوده‌ی عملکرد مولتی‌متر باشد باید از روش‌های دیگری استفاده کنیم.

در این مقاله با روش‌های مختلف اندازه‌گیری مقاومت آشنا خواهیم شد. به همین منظور ما مقاومت‌ها را به سه دسته‌ی مقاومت‌های کوچک (کمتر از 1 اهم)، مقاومت‌های متوسط (بین 1 اهم تا 100 کیلواهم) و مقاومت‌های بزرگ (بیشتر از 100 کیلواهم) تقسیم می‌کنیم.

اندازه‌گیری مقاومت‌های کوچک

مهم‌ترین مسئله در اندازه‌گیری مقاومت‌های کوچک این است که سیم و اتصالاتی که برای اندازه‌گیری مقاومت یک قطعه مورد استفاده قرار می‌گیرند، خود دارای مقاومت کوچکی هستند که با مقاومت قطعه‌ی مجهول قابل مقایسه است و می‌تواند موجب بروز خطای شدید در اندازه‌گیری مقاومت شود.

برای برطرف کردن این مسئله برای مقاومت‌های کوچک، چهار ترمینال (پایه) در نظر می‌گیرند. دو ترمینال مخصوص جریان و دو ترمینال مخصوص ولتاژ.

یک جریان معلوم از طریق ترمینال‌های جریان C1 و C2 در مقاومت جاری می‌شوند و موجب بروز افت ولتاژ بین ترمینال‌های ولتاژ V1 و V2 می‌شوند. بنابراین با اندازه‌گیری ولتاژ دو سر مقاومت توسط ولت‌متر و جریان عبوری از آن توسط آمپرمتر و به کمک قانون اهم می‌توانیم مقاومت قطعه را به دست آوریم. با این روش دیگر مقاومت سیم‌ها تأثیری در اندازه‌گیری‌ها نخواهد داشت. با وجود اینکه همچنان مقاومت اتصالات در ترمینال‌های ولتاژ می‌توانند موجب بروز خطا شوند اما چون این خطا بسیار کوچک است می‌توان از آن صرف نظر کرد.

روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری مقاومت‌های کوچک وجود دارد که در اینجا روش پل کلوین مضاعف (Kelvin’s Double Bridge) را شرح خواهیم داد.

روش پل کلوین مضاعف

پل کلوین مضاعف یک نسخه‌ی بهبود یافته از پل وتستون است که در بخش‌های بعدی در مورد آن هم صحبت خواهیم کرد. شکل زیر ساختار مدار پل کلوین را نمایش می‌دهد:

همانطور که در شکل بالا می‌بینید این مدار دارای دو جفت بازو است، یک جفت با مقاومت‌های P و Q و یک جفت دیگر با مقاومت‌های p و q (با حروف کوچک). مقاومت R همان مقاومت مجهول کوچک است که می‌خواهیم مقدارش را اندازه بگیریم و مقاومت S یک مقاومت معلوم است که مقدار آن را با دقت خوبی می‌دانیم و آن را مقاومت استاندارد می‌نامیم. در اینجا منظور از مقاومت r ، مقاومت سیمی است که بین مقاومت مجهول و مقاومت استاندارد قرار دارد و باید اثر آن را از بین ببریم. همچنین یک گالوانومتر (نوعی آمپرمتر بسیار حساس) بین دو نقطه‌ی C و d قرار داده‌ایم.

برای اندازه‌گیری مقاومت تنها کاری که باید بکنیم این است که مقاومت‌های P، Q، p و q را طوری تغییر دهیم تا جریان عبوری از گالوانومتر دقیقاً صفر شود. طبق خاصیت پل وتستون این وضعیت زمانی پیش می‌آید که نسبت P/Q با نسبت p/q مساوی شود. در این وضعیت می‌توانیم مقاومت R را از رابطه‌ی زیر محاسبه کنیم:

\[{\rm{R = }}\frac{{\rm{P}}}{{\rm{Q}}}{\rm{ \times S}}\]

در انتخاب ولتاژ ثابتی که در مدار قرار می‌دهید (E) توجه داشته باشید که چون مقاومت‌های R و S کوچک هستند باید ولتاژی انتخاب شود تا جریان زیادی از مقاومت‌های R و S عبور نکند و موجب آسیب دیدن آن‌ها نشود. برای اینکه بتوانید جلوی مشکلات احتمالی ناشی از ولتاژهای بالای تغذیه را بگیرید بهتر است با باتری یا منبع ولتاژ یک مقاومت متغیر سری کنید تا به کمک آن جریان مدار را محدود کنید.

همچنین برای اینکه بتوانید جریان گالوانومتر را صفر کنید بهتر است حداقل یکی از مقاومت‌های P، Q، p و q را از نوع مقاومت‌های متغیر یا پتانسیومتر انتخاب کنید.

همان طور که دیدید ما با این روش توانستیم خطای ناشی از مقاومت سیم‌ها و اتصالات را از بین ببریم. برای از بین بردن منبع خطای دیگر که ناشی از اثرات ترموالکتریک است بهتر است پس از این که یک بار R را با این روش اندازه‌گیری کردید، جهت اتصال باتری را معکوس کنید و دوباره اندازه‌گیری‌ها را تکرار کنید، سپس بین دو مقدار بدست آمده میانگین بگیرید.

جالب است بدانید که شما با این روش می‌توانید مقاومت‌های مجهول در محدوده‌ی 0.1 میکرواُهم تا 1 اهم را اندازه‌گیری کنید!

مرجع: electrical4u.com

برای تهیه‌ی این مقاله زمان، انرژی و هزینه‌ی قابل توجهی صرف شده است؛ لطفاً در صورت استفاده از این مقاله، برای حمایت از نویسنده و جهت فراهم آوردن امکان ادامه فعالیت پایگاه فناوری تابین، لینک زیر را در رسانه یا مقاله‌ی خود قرار دهید: