8.9: Medición de Resistencia Kelvin (4 hilos)

Supongamos que deseamos medir la resistencia de algún componente ubicado a una distancia significativa de nuestro ohmímetro. Tal escenario sería problemático, porque un ohmímetro mide toda la resistencia en el bucle del circuito, lo que incluye la resistencia de los cables (_cable R) que conectan el ohmímetro al componente que se está midiendo (R _sujeto):

Por lo general, la resistencia del cable es muy pequeña (solo unos pocos ohmios por cientos de pies, dependiendo principalmente del calibre (tamaño) del cable), pero si los cables de conexión son muy largos, y/o el componente a medir tiene una resistencia muy baja de todos modos, el error de medición introducido por la resistencia del cable será sustancial.

Un ingenioso método para medir la resistencia del sujeto en una situación como esta implica el uso tanto de un amperímetro como de un voltímetro. Sabemos por la Ley de Ohm que la resistencia es igual a voltaje dividido por corriente (R = E/I). Así, deberíamos poder determinar la resistencia del componente sujeto si medimos la corriente que lo atraviesa y el voltaje cayó a través de él:

La corriente es la misma en todos los puntos del circuito, porque es un bucle en serie. Debido a que solo estamos midiendo el voltaje caído a través de la resistencia objeto (y no las resistencias de los cables), sin embargo, la resistencia calculada es indicativa de la resistencia del componente sujeto (_sujeto R) solo.

Nuestro objetivo, sin embargo, era medir esta resistencia del sujeto a distancia, por lo que nuestro voltímetro debe ubicarse en algún lugar cerca del amperímetro, conectado a través de la resistencia del sujeto por otro par de cables que contengan resistencia:

Al principio parece que hemos perdido alguna ventaja de medir la resistencia de esta manera, porque el voltímetro ahora tiene que medir el voltaje a través de un par largo de cables (resistivos), introduciendo nuevamente la resistencia parásita en el circuito de medición. Sin embargo, tras una inspección más cercana se ve que nada se pierde en absoluto, porque los cables del voltímetro llevan corriente minúscula. Por lo tanto, esas largas longitudes de cable que conectan el voltímetro a través de la resistencia del sujeto caerán cantidades insignificantes de voltaje, lo que dará como resultado una indicación de voltímetro que es casi la misma que si estuviera conectada directamente a través de la resistencia del sujeto:

Cualquier voltaje caído a través de los cables principales portadores de corriente no será medido por el voltímetro, por lo que no tiene en cuenta el cálculo de la resistencia en absoluto. La precisión de la medición puede mejorarse aún más si la corriente del voltímetro se mantiene al mínimo, ya sea mediante el uso de un movimiento de alta calidad (baja corriente completa) y/o un sistema potenciométrico (balance nolo).

Este método de medición que evita errores causados por la resistencia del cable se llama Kelvin, o método de 4 hilos. Los clips de conexión especiales llamados clips Kelvin están hechos para facilitar este tipo de conexión a través de una resistencia de sujeto:

En los clips regulares de estilo “cocodrilo”, ambas mitades de la mandíbula son eléctricamente comunes entre sí, generalmente unidas en el punto de bisagra. En los clips Kelvin, las mitades de la mandíbula están aisladas entre sí en el punto de bisagra, solo contactando en las puntas donde sujetan el cable o terminal del sujeto que se está midiendo. Por lo tanto, la corriente a través de las mitades de la mandíbula “C” (“corriente”) no pasa por las mitades de la mandíbula “P” (“potencial” o voltaje), y no creará ninguna caída de voltaje inductora de errores a lo largo de su longitud:

El mismo principio de usar diferentes puntos de contacto para la conducción de corriente y la medición de voltaje se usa en resistencias de derivación de precisión para medir grandes cantidades de corriente. Como se discutió anteriormente, las resistencias de derivación funcionan como dispositivos de medición de corriente al dejar caer una cantidad precisa de voltaje por cada amperio de corriente a través de ellas, siendo la caída de voltaje medida por un voltímetro. En este sentido, una resistencia de derivación de precisión “convierte” un valor de corriente en un valor de voltaje proporcional. Por lo tanto, la corriente se puede medir con precisión midiendo la tensión caída a través de la derivación:

La medición de corriente utilizando una resistencia de derivación y un voltímetro es particularmente adecuada para aplicaciones que involucran magnitudes de corriente particularmente grandes. En tales aplicaciones, la resistencia de la resistencia de derivación probablemente será del orden de miliohmios o microohmios, de modo que solo se disminuirá una cantidad modesta de voltaje a plena corriente. Resistencia tan baja es comparable a la resistencia de conexión de cables, lo que significa que el voltaje medido a través de dicha derivación debe hacerse de tal manera que se evite detectar la caída de voltaje a través de las conexiones de cables portadores de corriente, para que no se induzcan grandes errores de medición. Para que el voltímetro mida solo el voltaje caído por la propia resistencia de derivación, sin ningún voltaje parásito originado por la resistencia de cable o conexión, las derivaciones suelen estar equipadas con cuatro terminales de conexión:

En aplicaciones metrológicas (metrología = “la ciencia de la medición”), donde la precisión es de suma importancia, las resistencias “estándar” de alta precisión también están equipadas con cuatro terminales: dos para transportar la corriente medida y dos para transportar la caída de voltaje de la resistencia al voltímetro. De esta manera, el voltímetro solo mide la caída de voltaje a través de la propia resistencia de precisión, sin que se caigan tensiones parásitas a través de cables portadores de corriente o resistencias de conexión de cable a terminal.

La siguiente fotografía muestra una resistencia estándar de precisión de valor de 1 Ω sumergida en un baño de aceite de temperatura controlada con algunas otras resistencias estándar. Tenga en cuenta los dos terminales exteriores grandes para corriente y los dos terminales de conexión pequeños para voltaje:

Aquí hay otra resistencia estándar más antigua (anterior a la Segunda Guerra Mundial) de fabricación alemana. Esta unidad tiene una resistencia de 0.001 Ω, y nuevamente los cuatro puntos de conexión terminales pueden verse como perillas negras (almohadillas metálicas debajo de cada perilla para la conexión directa de metal a metal con los cables), dos perillas grandes para asegurar los cables portadores de corriente y dos perillas más pequeñas para asegurar el voltímetro (” cables potenciales”):

El agradecimiento se extiende a Fluke Corporation en Everett, Washington, por permitirme fotografiar estas costosas y algo raras resistencias estándar en su laboratorio de estándares primarios.

Cabe señalar que la medición de resistencia utilizando tanto un amperímetro como un voltímetro está sujeta a error compuesto. Debido a que la precisión de ambos instrumentos influye en el resultado final, la precisión general de la medición puede ser peor que cualquiera de los dos instrumentos considerados solos. Por ejemplo, si el amperímetro tiene una precisión de +/- 1% y el voltímetro también es de +/- 1%, cualquier medición dependiente de las indicaciones de ambos instrumentos puede ser inexacta tanto como +/- 2%.

Se puede obtener una mayor precisión reemplazando el amperímetro por una resistencia estándar, utilizada como derivación de medición de corriente. Todavía habrá un error compuesto entre la resistencia estándar y el voltímetro utilizado para medir la caída de voltaje, pero esto será menor que con una disposición de voltímetro + amperímetro porque la precisión típica de resistencia estándar supera con creces la precisión típica del amperímetro. Usando clips Kelvin para hacer conexión con la resistencia del sujeto, el circuito se ve así:

Todos los cables portadores de corriente en el circuito anterior se muestran en “negrita”, para distinguirlos fácilmente de los cables que conectan el voltímetro a través de ambas resistencias (_sujeto R y _estándar R). Idealmente, se utiliza un voltímetro potenciométrico para asegurar la menor cantidad posible de corriente a través de los cables “potenciales”.

La medición Kelvin puede ser una herramienta práctica para encontrar conexiones deficientes o resistencias inesperadas en un circuito eléctrico. Conecte una fuente de alimentación de CC al circuito y ajuste la fuente de alimentación para que suministre una corriente constante al circuito como se muestra en el diagrama anterior (dentro de las capacidades del circuito, por supuesto). Con un multímetro digital configurado para medir el voltaje de CC, mida la caída de voltaje en varios puntos del circuito. Si conoce el tamaño del cable, puede estimar la caída de voltaje que debe ver y compararla con la caída de voltaje que mida. Esto puede ser un método rápido y efectivo para encontrar conexiones deficientes en el cableado expuesto a los elementos, como en los circuitos de iluminación de un remolque. También puede funcionar bien para conductores de CA sin alimentación (asegúrese de que la alimentación de CA no se pueda encender). Por ejemplo, puede medir la caída de voltaje a través de un interruptor de luz y determinar si las conexiones de cableado al interruptor o los contactos del interruptor son sospechosas. Para ser más efectivo usando esta técnica, también debes medir el mismo tipo de circuitos después de que estén recién hechos para que tengas una idea de los valores “correctos”. Si usa esta técnica en nuevos circuitos y coloca los resultados en un libro de registro, tiene información valiosa para resolver problemas en el futuro.