หลักการวัดความต้านทานสี่สายบนชุดทดลอง

การวัดความต้านทานสี่สายช่วยลดผลของสายที่จ่ายกระแส โดยย้ายการอ่านแรงดันไปอยู่ที่ขอบเขตชิ้นงานโดยตรง แนวคิดสำคัญไม่ได้อยู่ที่จำนวนสายมากขึ้นเพียงอย่างเดียว แต่เป็นการแยกหน้าที่ของแต่ละคู่และวางจุดอ่านให้ถูก ถ้านำสายสี่เส้นไปต่อรวมที่ปลายเดียวกับการวัดสองสายโดยไม่คิดตำแหน่ง ข้อดีที่ต้องการอาจไม่เกิดครบ

สายจ่ายกับสายอ่านแรงดันทำหน้าที่ต่างกัน

คู่จ่ายกระแสหรือ force นำกระแสทดสอบผ่านชิ้นงาน ส่วนคู่ sense ต่อกับอินพุตวัดแรงดันที่มีความต้านทานสูง จึงมีกระแสผ่านคู่อ่านน้อยมากในเงื่อนไขปกติ แรงดันตกในสายอ่านจึงเล็กเมื่อเทียบกับแรงดันของชิ้นงาน เครื่องนำแรงดันที่จุด sense หารด้วยกระแสทดสอบเพื่อคำนวณความต้านทาน โดยไม่นับแรงดันตกในสาย force ที่อยู่นอกจุด sense

คำว่าไม่นับแรงดันตกในสายจ่ายไม่ได้แปลว่าสายจ่ายไม่มีผลต่อระบบเลย แหล่งกระแสยังต้องมีแรงดันพอให้กระแสที่กำหนดไหลผ่านสายและชิ้นงาน ถ้าความต้านทานทางจ่ายสูงเกินความสามารถหรือจุดต่อหลวม เครื่องอาจจ่ายกระแสไม่ได้ตามต้องการ ต้องตรวจสถานะและพิกัดของโหมดนั้น ไม่เชื่อค่าคำนวณเพียงเพราะต่อครบสี่ขั้ว

1. 1
   Force

   สายจ่ายพากระแสทดสอบผ่านชิ้นงาน

2. 2
   Sense

   สายรับรู้แรงดันต่อที่ขอบชิ้นงานและดึงกระแสน้อยมาก

3. 3
   คำนวณ R

   ใช้แรงดันระหว่างจุด sense หารกระแสทดสอบ

4. 4
   ขอบเขต

   รอยต่อที่อยู่ภายในขอบ sense ยังรวมอยู่ ไม่ได้ถูกลบทั้งหมด

ตำแหน่ง sense กำหนดว่าความต้านทานใดรวมอยู่ในผล

ตัวอย่างสมมติ: สายจ่ายใหญ่กว่าค่าชิ้นงานหลายเท่า

ให้ชิ้นงานสมมติมีความต้านทาน 0.050 Ω และสายจ่ายรวม 0.300 Ω หากใช้กระแสทดสอบ 0.050 A จะมีแรงดันคร่อมชิ้นงาน 0.0025 V หรือ 2.5 mV และแรงดันตกในสายจ่ายรวม 15 mV การอ่านแรงดันจากขั้วต้นทางแบบสองสายจะครอบคลุม 17.5 mV แล้วคำนวณได้ 0.350 Ω ซึ่งสูงกว่าค่าชิ้นงานมาก

เมื่อต่อสาย sense ที่ขอบของชิ้นงานจริง จะอ่านใกล้ 2.5 mV ในแบบจำลองอุดมคติ และหารด้วย 0.050 A กลับได้ 0.050 Ω ส่วนกำลังในชิ้นงานเท่ากับ 0.050²×0.050 = 0.000125 W หรือ 125 µW ตัวเลขเหล่านี้เป็นแบบฝึกคำนวณ ไม่ใช่กระแสแนะนำสำหรับชิ้นส่วนทุกชนิด กระแสที่ใช้จริงต้องอยู่ในข้อกำหนดเครื่องและชิ้นงาน

จุด sense เป็นตัวกำหนดว่าอะไรถูกนับเป็นชิ้นงาน

ถ้าต้องการวัดตัวต้านทานเพียงตัวเดียว ควรวางจุด sense ให้ตรงขอบที่นิยามค่าของตัวมัน หากต้องการวัดรอยต่อรวมกับสายช่วงหนึ่งก็วางขอบให้ครอบคลุมส่วนนั้น การขยับ sense เข้าออกจึงทำให้ค่าที่อ่านเปลี่ยนได้อย่างมีเหตุผล ไม่ใช่ความไม่นิ่งของเครื่องเสมอไป ต้องบันทึกตำแหน่งด้วยคำอธิบายหรือภาพของชุดทดลองเพื่อให้ทำซ้ำได้

สมมติรอยต่อด้านหนึ่งเพิ่ม 0.010 Ω หากอยู่ภายในขอบ sense ค่าที่อ่านจะเป็น 0.060 Ω แต่หากรอยต่อนั้นอยู่เฉพาะทาง force ด้านนอกขอบ เครื่องอาจยังอ่านชิ้นงาน 0.050 Ω ได้ภายใต้ข้อจำกัดการจ่ายกระแส ทั้งสองการต่อวัดคนละปริมาณ การเปรียบเทียบผลโดยไม่รู้จุด sense จึงอาจทำให้โต้แย้งกันทั้งที่เครื่องแต่ละชุดอ่านถูกตามขอบที่ตนวัด

1. 1
   แรงดันชิ้น

   0.050 × 0.050 = 2.5 mV

2. 2
   แรงดันสาย

   0.050 × 0.300 = 15 mV

3. 3
   สองสาย

   17.5 mV / 0.050 A = 0.350 Ω

4. 4
   สี่สาย

   sense เฉพาะชิ้นให้ 2.5 mV / 0.050 A = 0.050 Ω ในแบบจำลอง

ตัวอย่างสมมติชิ้น 0.050 Ω สายจ่ายรวม 0.300 Ω กระแส 0.050 A

นำไปใช้จัดชุดวัดที่มีขอบเขตชัดเจน

1. เลือกชิ้นงานแยกที่ไม่มีแหล่งไฟและมีข้อมูลพิกัด ระบุว่าจะรวมรอยต่อใดไว้ในค่าความต้านทาน
2. ตรวจว่าเครื่องรองรับโหมดสี่สายจริงและอ่านขั้ว force กับ sense ตามคู่มือ ไม่อนุมานจากสีสาย
3. ต่อทางจ่ายกระแสให้มั่นคง แล้วต่อสายอ่านแรงดันที่ขอบชิ้นงานตามนิยาม โดยจัด sense อยู่ด้านชิ้นงานของจุดต่อ force เมื่อเหมาะกับรูปแบบนั้น
4. เลือกกระแสหรือย่านที่ไม่ทำให้ชิ้นงานร้อนเกินเงื่อนไข พร้อมตรวจว่าเครื่องยังควบคุมกระแสได้
5. รอให้ค่าตั้งตัวและเก็บหลายครั้ง จากนั้นตรวจด้วยชิ้นอ้างอิงและการต่อที่ทำซ้ำได้ก่อนนำไปตัดสินผลต่างเล็ก

หัวจับเคลวินที่เหมาะสมช่วยแยกหน้าสัมผัสจ่ายกับอ่าน แต่ต้องเข้าใจว่าหน้าสัมผัสอยู่ส่วนใดของชิ้นงานจริง หากหนีบวัสดุที่มีผิวไม่สม่ำเสมอหรือตัวนำกว้าง ผลอาจขึ้นกับการกระจายกระแสและตำแหน่ง การใช้หัวจับสำเร็จรูปไม่ได้ลบความจำเป็นต้องกำหนดเรขาคณิตของจุดวัด โดยเฉพาะเมื่อต้องเทียบชิ้นงานรูปร่างต่างกัน

ข้อผิดพลาดที่ยังเหลือหลังแยกสาย

แรงดันเทอร์โมอิเล็กทริกจากรอยต่อวัสดุและอุณหภูมิต่างกันสามารถบวกกับแรงดันที่กระแสทดสอบสร้าง การวัดสี่สายไม่ได้ลบออฟเซตนี้โดยตรง สมมติมีออฟเซตคงที่ 20 µV ในการวัดชิ้น 0.050 Ω ที่กระแส 0.050 A ผลหารจะเพิ่ม 20 µV/0.050 A = 0.0004 Ω หรือ 0.4 mΩ เท่ากับ 0.8% ของชิ้นงาน แม้ตัดแรงดันสายจ่ายออกแล้ว

การเพิ่มกระแสทำให้แรงดันจากชิ้นงานสูงขึ้นเมื่อเทียบออฟเซต แต่กำลังความร้อนเพิ่มตามกำลังสองของกระแส และอาจเปลี่ยนค่าที่ต้องการวัดเอง จึงไม่ควรเพิ่มจนตัวเลขดูนิ่งโดยไม่มีเกณฑ์ เครื่องที่มีการชดเชยออฟเซตหรือกลับกระแสตามการออกแบบอาจช่วยได้ แต่ต้องใช้ขั้นตอนของเครื่องและรู้ว่าวิธีนั้นสมมติให้ออฟเซตเปลี่ยนช้าพอระหว่างการวัด

ตรวจสอบผลด้วยการเปลี่ยนส่วนที่ควรถูกตัดออก

ในชุดทดลองที่อยู่ในพิกัด ลองใช้สาย force คนละความยาวโดยคงตำแหน่ง sense และชิ้นงานเดิม หากเครื่องยังจ่ายกระแสได้ตามกำหนด ค่าที่วัดสี่สายควรเปลี่ยนน้อยกว่าการวัดสองสาย การเปรียบเทียบนี้ช่วยตรวจการต่อโดยตรง แต่ต้องแยกผลความร้อนและหน้าสัมผัสที่อาจเปลี่ยนเมื่อจัดสายใหม่ ไม่ใช้ผลต่างศูนย์เป็นข้อบังคับว่าระบบสมบูรณ์แบบ

อีกการตรวจคือย้าย sense ให้ครอบคลุมรอยต่อเพิ่มบนชุดที่ทราบโครงสร้าง แล้วดูว่าค่ารวมเพิ่มตามที่คาดหรือไม่ วิธีนี้พิสูจน์ว่าขอบอ่านแรงดันอยู่ตรงจุดที่ตั้งใจจริง ก่อนรายงานให้จดกระแสทดสอบ ย่าน จุด sense และเวลาหลังเริ่มวัด หากใช้กระแสต่างกันแล้วค่าชิ้นงานเปลี่ยน ควรตรวจความร้อนและความไม่เชิงเส้น แทนการเฉลี่ยรวมจนความต่างหายไป

ผลสุดท้ายควรระบุว่าเป็นความต้านทานระหว่างจุด sense สองจุดในเงื่อนไขที่กำหนด ไม่กล่าวว่าสี่สายรับรองความต้านทานของอุปกรณ์ทั้งหมด วิธีนี้ช่วยลดความผิดพลาดจากสายได้มากเมื่อใช้ถูก แต่คุณภาพข้อสรุปยังขึ้นกับนิยามชิ้นงาน ความสามารถเครื่อง กระแสทดสอบ และสภาพจุดต่อที่ผู้ทดลองควบคุม