4線式抵抗測定のためにケルビンクリップを作る

DMMで１Ωとか、２Ωの抵抗を普通に測ってみるとずいぶん違った値になります。

測定する抵抗が小さい場合、DMMから抵抗までのリードでの抵抗が無視できなくなるのが、DMMでの測定値が違う理由です。その対策として、4線式（４端子式）抵抗測定があり、持っているDMMでもそのモードが選べます。

引用元　http://www20.tok2.com/home/daisuken/tr6552.html

4線式（４端子式）抵抗測定

測定原理

４線式の測定原理は、低い抵抗値を４端子法で測定する方法(1)　が詳しくてわかりやすかったです。

超簡単に説明すると、DMMでは抵抗の測定にオームの法則　R ＝ V  / I を使っています。２線式では、V と R を同時に２本のテストリードで測るのですが、４線式では V の測定に２本のリードを使い、I の測定に別の２本のリードを使います。２線式で測定される V は、測定経路を流れる電流がもたらす電圧降下の分だけかさ上げされます。 一方、４線式では V の測定経路には電流がほとんど流れないので、正確な V が測定できます。

４線式では弊害として、抵抗にリードを４本接続しなければなりません。先端にワニ口クリップを付けたリードを４本用意して、これを抵抗の両端に２本ずつつ繋げれば、４線式の抵抗測定ができます。４本繋げるのが煩わしいので、抵抗の両端に一本づつ繋げれば、それで済むようにクリップを工夫したものがケルビンクリップです。

ケルビンクリップ

2個の電極を絶縁物で挟み、測定部である先端部だけが試料に接触するような構造になっている。これを二組使用したものをケルビンクリップという。

4端子法での接続例を図2に示す。（用語集：2端子法・4端子法 ）

図2　ケルビンクリップの接続例

引用元：エヌエフ回路設計ブロック　ケルビンクリップ

これの付いたテストリードを買うと万札が何枚か飛びます。秋月にはクリップが単体で売っていますがペアで揃えると約2,000円かかります。あくまでも自分で満足するための１Ωとか、２Ωの抵抗測定なので自作します。自作はここの記事（ダイソーのスプリングクランプでケルビンクリップを自作）が詳しいです。

ネット上に上がっているケルビンクリップは全てが洗濯ばさみ状のものなのですが、自分はIC クリップで作るイメージが頭の中に出来上がりました。HpとHc 2端子の独立を洗濯ばさみ式よりも容易に構成できると思います。ただし、抵抗のリードを挟んだときに第1接点と第2接点がショートしないように微妙な調整がいるかもしれません。

接点の構成については、参考記事の下記の部分が気になります。特に太字箇所の説明です。通常は2つ接点が接触していても、試料を挟む前と試料を挟んだときに独立（ショートしていない）していればいいのでしょうか？

市販されているケルビンクリップを見たことがないのですが、試料を挟んでいないときは両接点が接しているように思います。

下図のようにHcとHp、LcとLpをそれぞれ予め結合しておくと、2本のプローブ（クリップ）でいいようにも思えるのですが、それでは、HcとHpおよびLcとLpとの共有インピーダンスが生じ、また接触抵抗の影響を受けてしまい、結局は四端子法とは言えないものにたってしまいます。

やはり、HcとHp、LcとLpは、それぞれ最後の最後まで独立しておく必要があるのです。
そこで、ケルビンクリップなるものが必要になるのです。引用元：ABCDEFG 大人の電子工作　ダイソーのスプリングクランプでケルビンクリップを自作

製作過程

赤黒1ペアの完成です。

抵抗を測定するときは、こんな風になります。

2Ω抵抗を実測

測定準備：短絡確認（ゼロオーム）

抵抗を測定する前に、両リードを短絡させてゼロオームの確認をしてみました。写真のように見事ゼロΩがでました。（実際は10/10000Ω程度は変動します。写真は偶然ゼロが揃ったときのものです。）

なお、DMMの予熱のため電源スイッチを入れてから、ほぼ1時間待ちました。

2Ω抵抗の測定結果

Amazonで買った２W 2Ω の抵抗を15本測ってみました。1/2 5桁のDMMなので0.1mΩの単位まで数値が表示されます。測定していて気づいたのは、時間経過とともに数値が小さくなります。ある程度落ち着くまでに5分くらいかかります。落ち着いてからも、10/10000Ω程度の変動があります。

DMMを一晩つけっぱなしにしておいて、翌日、同じことをやってみました。落ち着くまでの時間は1分程度になりました。Ts Digital Multi Meter Viewer で時系列グラフを描くと、図のようになります。２つのサンプルの時系列波形を載せます。

再現性

バラツキの原因が測定方法にあるのか、自作ケルビンクリップにあるのか、DMMにあるのかはわかりません。DMMの電源ON後、１Hrと18Hrで、2回測定したのでそれをまとめておきます。

まとめ

測定結果を含めて、自作ケルビンクリップに満足です。ICクリップは手持ちがあったので、新たにかかった費用はテストピンジャック\50 x 2個 です。費用の点でも満足です。

ちゃんとした値を求めると、DMMには十分な予熱時間がいるようです。