열기전력과 영점 오차를 줄이는 저저항 교정 결선

마이크로옴미터를 저저항 표준으로 교정하다 보면 리드를 다시 연결할 때마다 끝자리가 바뀌거나 표준값과 일정하게 어긋나는 일이 생기는데, 원인 가운데 하나는 측정기보다 접점의 열기전력과 영점 오차에 있습니다. Ohm-Labs 1000 시리즈 저저항 표준과 100-0 영옴 표준을 예로 그 오차의 크기를 계산하고, 저저항 교정 결선 순서를 정리했습니다.

신호 크기

저저항 표준의 신호는 얼마나 작을까요?

Ohm-Labs 1000 시리즈는 1 Ω(1 A)부터 1 µΩ(100 A)까지 일곱 가지 값이 있고, 정격 전류로 측정하면 양단 전압은 1 Ω의 1 V에서 1 µΩ의 0.1 mV까지 줄어듭니다. 정격 전류는 1004까지 저항에 전류 제곱을 곱한 전력이 1 W 안팎이 되도록 정해져 있어서, 1 mΩ까지는 정격 전류를 흘리면 수십 mV 이상을 얻을 수 있습니다. 반면 100 A에서 멈추는 10 µΩ과 1 µΩ은 신호가 1 mV, 0.1 mV에 그칩니다. 아래 표의 출력 전압과 열기전력 영향은 사양값으로 계산한 값입니다.

신호 크기에 따라 달라지는 열기전력의 비중

열기전력은 서로 다른 금속이 만나는 접점에 온도차가 있을 때 생기는 작은 전압으로, 접점이 열전대처럼 동작해 측정 전압에 그대로 더해집니다. 이 전압은 측정 전류와 상관없이 일정하게 남기 때문에 측정 전류를 낮출수록 신호 대비 비중이 커집니다. 열기전력 1 µV를 가정하면 1003(1 mΩ)을 30 A로 측정할 때는 약 33 ppm이지만, 같은 표준을 1 A로 측정하면 1000 ppm, 즉 0.1%가 됩니다. 마이크로옴미터의 저전류 레인지로 mΩ 표준을 확인할 때 결과가 흔들릴 수 있는 이유의 하나입니다(일반 원리).

같은 1 µV도 표준값이 작을수록 결과에 훨씬 크게 섞입니다

영옴 표준으로 측정기 영점부터 확인

100-0 영옴 표준은 어떤 결선에서도 50 nΩ 미만이라서, 여기에 측정기를 연결했을 때 나오는 값은 대부분 측정기 자신의 영점 오차와 열기전력입니다. 네 선 중 두 선에 전류를 흘려도 나머지 두 선에 전위차가 생기지 않도록 만든 균형 테트라정션 구조로, 장눈금 멀티미터와 마이크로옴미터의 4선 단락 확인용입니다. 연속 5 A까지 흘릴 수 있으며, 5 A에서도 저항에 의한 전압은 50 nΩ × 5 A로 계산해 0.25 µV 이하입니다. 표준을 연결하기 전에 이 값을 읽어 두면 측정기와 리드가 만드는 오프셋을 따로 알 수 있습니다. 운용 환경은 20~40 °C, 10~90 %RH입니다.

표준을 물리기 전에 오프셋부터 읽어 둡니다

전류 반전으로 남은 열기전력 상쇄하기

전류 방향을 바꿔 두 번 측정하고 두 전압 차의 절반을 취하면, 방향과 상관없이 같은 부호로 더해지는 열기전력이 산술적으로 빠집니다. 일반적인 전류 반전(델타) 측정이며, Ohm-Labs의 션트 교정 논문도 전류를 반전하면 열기전력의 효과가 반대로 나타나 측정 후 상쇄할 수 있다고 설명합니다. 예를 들어 실제 전압이 1 mV이고 열기전력이 +2 µV라면 정방향은 +1.002 mV, 역방향은 −0.998 mV로 읽히며, 차의 절반은 1.000 mV가 됩니다. 반전 기능이 없는 측정기라면 리드를 바꿔 물리는 대신 전류원 극성을 바꾸는 편이 접점 조건을 덜 흔들어 일반적으로 유리합니다.

측정 전류는 몇 A로 맞춰야 할까요?

1000 시리즈는 여러 전류 수준에서 교정되므로, 성적서에 있는 전류와 같은 전류로 측정해야 자기가열까지 같은 조건에서 비교할 수 있습니다. 전류가 흐르면 저항체가 스스로 데워져 값이 바뀌고, 1000 시리즈의 온도계수는 1 Ω의 1 ppm/°C 미만에서 1 µΩ의 50 ppm/°C 미만까지 값이 작을수록 커집니다. 허용 과전류는 문서마다 다르게 적혀 있습니다. 제품 페이지는 정격의 150%까지 짧은 시간 손상이 없다고 밝히고, 매뉴얼은 2배까지 손상이 없다고 적고 있습니다. 다만 매뉴얼도 정확도를 위해서는 정격 전류를 넘기지 말라고 안내합니다. 사용 온도가 23 °C와 다르면 성적서의 저항-온도 표나 α·β 식으로 보정하세요.

열기전력을 줄이는 결선과 안정화

매뉴얼은 1000 시리즈를 반드시 4단자로 사용하고, 표준을 23 °C 환경에 24시간 둔 뒤 측정하라고 안내합니다. 전류 단자와 전위 단자는 케이스에 표시돼 있으며, 전류 단자는 값의 범위에 따라 바인딩 포스트 또는 나사 포스트입니다. 4단자 원리와 Sense 위치에 따른 측정 구간 문제는 기존 글에서 다루었으므로, 여기서는 열기전력을 줄이는 쪽에 맞춰 아래 순서를 권합니다.

• 같은 재질(구리)의 리드를 쓰고 접속부를 깨끗이 합니다
• 리드를 연결한 뒤 손의 열이 빠질 때까지 잠시 기다립니다
• 측정 전 100-0으로 측정기 영점을 기록합니다
• 성적서와 같은 전류로 정방향·역방향을 측정합니다
• 저항체 또는 주변 온도를 함께 기록합니다

리드 재질을 맞추면 열기전력이 줄어듭니다

교정 순서

저저항 교정의 여섯 단계 절차

영점 확인에서 시작해 반전 측정, 온도 보정, 기록 순서로 진행하면 접점 오차를 단계마다 따로 떼어 볼 수 있습니다.

1. 표준과 측정기를 23 °C 환경에서 24시간 순응시킵니다.
2. 100-0을 4선으로 연결해 측정기 영점을 기록합니다.
3. 1000 시리즈 표준을 연결하고 성적서 전류로 정·역방향을 측정합니다.
4. 두 값의 차 절반으로 열기전력을 상쇄합니다.
5. 저항체 온도로 표준값을 보정해 측정기 지시값과 비교합니다.
6. 결선 방식과 전류, 온도를 성적서에 함께 기록합니다.

관련 제품

• Ohm-Labs 1000 시리즈
• Ohm-Labs 100-0

자주 묻는 질문

참고 자료

• Ohm-Labs, 1000 Series Low Resistance Standards Product Sheet·Manual
• Ohm-Labs, 100-0 Zero Ohm Standard 제품 페이지
• Ohm-Labs, 2000 Series Low Resistance Standards 제품 페이지
• Ohm-Labs, Calibrating Current Shunts – Techniques and Uncertainties