Guida alla misura di basse resistenze

Sommario:

1. Introduzione
2. Applicazioni
3. Resistenza
4. Principi della misura di resistenza
5. Metodi di connessione a quattro terminali
6. Possibili errori di misura
7. Scelta dello strumento adatto
8. Apparecchiature di misura

Riassunto:

Nella misura di resistenza la precisione è tutto. Questa guida spiega come ottenere misure della più alta qualità possibile.

Introduzione:

Misurare grandezze molto grandi o molto piccole è sempre difficile e la misura di resistenza non è un'eccezione. I valori superiori e inferiori a 1 GΩ presentano problemi di misura. Amperis è leader nella misura di basse resistenze: produce un'ampia gamma di ohmmetri per basse resistenze e di accessori che coprono la maggior parte delle esigenze di misura.

Questa guida di consultazione rapida offre una panoramica delle tecniche di misura di basse resistenze, illustra le cause di errore più comuni e spiega come evitarle. Comprende inoltre tabelle utili sui cavi e sulle loro caratteristiche, sui coefficienti di temperatura e diverse formule, per facilitare la scelta dello strumento e della tecnica di misura più adatti. Ci auguriamo che questa guida si riveli uno strumento utile.

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Applicazioni

Sono molte le ragioni per misurare la resistenza di un materiale. Queste sono alcune.

Costruttori di componenti

Resistori, induttori e induttanze di filtro: occorre verificare che i loro prodotti rispettino la tolleranza di resistenza specificata, nelle prove di fine linea di produzione e nel controllo di qualità.

Costruttori di interruttori, trasmettitori e connettori

Per verificare che la resistenza di contatto sia inferiore ai limiti prestabiliti. La verifica può essere eseguita nelle prove di fine linea di produzione, a garanzia del controllo di qualità.

Costruttori di cavi

Devono misurare la resistenza dei cavi di rame che producono: una resistenza troppo elevata significa che la portata di corrente del cavo si riduce; una resistenza troppo bassa significa che il costruttore è troppo generoso con il diametro del cavo e impiega più rame del necessario, con costi molto elevati.

Installazione e manutenzione di cavi di potenza, quadri elettrici e trasformatori con commutatore di prese

Queste attività richiedono che le giunzioni dei cavi e i contatti degli interruttori presentino la resistenza più bassa possibile, per evitare che la giunzione o il contatto si surriscaldino: una giunzione difettosa o un contatto difettoso cede rapidamente proprio per questo effetto di riscaldamento. Una routine di manutenzione preventiva basata su controlli periodici della resistenza garantisce una vita di servizio più lunga.

Costruttori di motori elettrici e generatori

Si tratta di un requisito per determinare la temperatura massima raggiunta a pieno carico. Per dimostrare questa temperatura si utilizza il coefficiente di temperatura dell'avvolgimento di rame. La resistenza viene misurata inizialmente con il motore o il generatore freddo, cioè a temperatura ambiente; l'unità viene poi fatta funzionare a pieno carico per un periodo determinato e la resistenza viene misurata di nuovo. Dalla variazione del valore di resistenza si stabilisce la temperatura interna del motore o del generatore. I nostri ohmmetri si impiegano anche per misurare le singole bobine di un motore avvolto, per garantire che non vi siano cortocircuiti e che ogni bobina sia equilibrata.

Il settore automobilistico

È richiesta la misura della resistenza dei cavi dei robot di saldatura, per confermare che la qualità della saldatura non peggiori: ossia i connettori crimpati delle batterie al piombo, la resistenza dell'innesco degli airbag, la resistenza del cablaggio e la qualità dei connettori crimpati sui componenti.

Costruttori di fusibili

Per il controllo di qualità occorre eseguire misure della resistenza dei collegamenti equipotenziali su aeromobili e veicoli militari: è necessario garantire che tutte le apparecchiature installate a bordo dell'aeromobile siano collegate elettricamente alla struttura, comprese quelle della cucina di bordo. Carri armati e altri veicoli militari hanno gli stessi requisiti.

Chi produce e chi impiega correnti elettriche elevate deve misurare la distribuzione della resistenza delle giunzioni, delle sbarre in alta tensione e dei connettori agli elettrodi per la galvanizzazione.

Aziende ferroviarie

Compresi i tram e le metropolitane, per la misura della distribuzione dell'energia nelle giunzioni dei cavi. Vi rientra la resistenza delle giunzioni dei binari, poiché le rotaie sono spesso impiegate per la segnalazione.

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Resistenza

Legge di Ohm V = C x R (volt = corrente x resistenza). Un ohm (Ω) è l'unità di resistenza elettrica pari a quella di un conduttore in cui una corrente di un ampere è prodotta da un potenziale di un volt ai suoi terminali. La legge di Ohm, che prende il nome dal suo scopritore, il fisico tedesco Georg Ohm, è una delle leggi più importanti dell'elettricità. Definisce la relazione tra le tre grandezze elettriche fondamentali: corrente, tensione e resistenza. Quando una tensione viene applicata a un circuito che contiene soltanto elementi resistivi, la corrente scorre secondo la legge di Ohm, riportata di seguito.

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Principi della misura di resistenza

Metodi

Metodo amperometro - voltmetro

Questo metodo torna alle basi. Impiegando una batteria come sorgente di tensione, un voltmetro per misurare la tensione e un amperometro per misurare la corrente nel circuito, è possibile calcolare la resistenza con una precisione ragionevole. Anche se il metodo può fornire buoni risultati, non è una soluzione pratica per le esigenze di misura quotidiane.

Esiste una varietà di strumenti di misura della resistenza che calcolano e visualizzano il valore automaticamente, senza necessità di intervento da parte dell'operatore.

Questi strumenti impiegano una tecnica di misura a due o a quattro fili.

Ponte doppio di Kelvin

Il ponte di Kelvin è una variante del ponte di Wheatstone che consente di misurare basse resistenze. Il campo di misura tipico va da 1 mΩ a 1 kΩ, con una risoluzione minima di 1 µΩ. I limiti del ponte di Kelvin sono:

1. Richiede il bilanciamento manuale.

2. Per rilevare la condizione di equilibrio è necessario un rilevatore di zero sensibile o un galvanometro.

3. La corrente di misura deve essere ragionevolmente elevata per raggiungere una sensibilità sufficiente.

Il ponte doppio di Kelvin è stato in genere sostituito dagli ohmmetri digitali.

DMM – connessione a due fili

Un semplice multimetro digitale può essere impiegato per valori di resistenza più elevati. Questi strumenti usano il metodo di misura a 2 fili e sono adatti soltanto a valori superiori a 100 Ω e ai casi in cui non è richiesta una precisione elevata.

Nella misura della resistenza di un componente (Rx) si forza una corrente di prova attraverso il componente e lo strumento misura la tensione ai propri terminali. Lo strumento calcola quindi e visualizza la resistenza risultante come misura a due fili. Va osservato che lo strumento rileva la tensione ai propri terminali e non da un estremo all'altro del componente. Di conseguenza, nel calcolo della resistenza viene inclusa anche la caduta di tensione sui cavi di collegamento. Cavi di misura di buona qualità presentano una resistenza di circa 0,02 Ω per metro. Oltre alla resistenza dei cavi, nella misura viene inclusa anche la resistenza della connessione, che può essere di valore pari o addirittura superiore a quello dei cavi stessi.

Nella misura di valori di resistenza elevati questo errore aggiuntivo dovuto alla resistenza dei cavi può essere trascurato ma, come si osserva nel grafico sopra, l'errore diventa molto significativo al diminuire del valore misurato e del tutto inaccettabile quando il valore misurato è inferiore a 10 Ω.

TABELLA 1

Per misurare una vera tensione continua gli ohmmetri di resistenza impiegano tipicamente la misura a 4 fili. La corrente continua attraversa Rx e il campione interno dell'ohmmetro. Vengono poi misurate la tensione su Rx e quella sul campione interno, e il rapporto tra le due letture serve a calcolare la resistenza. Con questo metodo la corrente deve rimanere stabile soltanto per i pochi millisecondi necessari all'ohmmetro per acquisire le due letture, ma sono richiesti due circuiti di misura. La tensione misurata è molto piccola ed è necessaria anche una sensibilità di misura dell'ordine dei µV.

In alternativa si impiega una sorgente di corrente costante per far circolare la corrente attraverso Rx. Viene quindi misurata la caduta di tensione su Rx e calcolata la resistenza. Questo metodo richiede un solo circuito di misura, ma il generatore di corrente deve essere stabile in qualsiasi condizione di misura.

Connessione a quattro fili

Il metodo di misura a quattro fili (Kelvin) è preferibile per valori di resistenza inferiori a 100 Ω. Tutti i milliohmmetri e i microhmmetri Amperis utilizzano questo metodo. Le misure si eseguono con 4 cavi separati. 2 cavi trasportano la corrente — detti cavi di sorgente o cavi di corrente — e la fanno circolare attraverso Rx. Gli altri 2 cavi, detti cavi di rilevamento o cavi di potenziale, servono a rilevare la caduta di tensione su Rx. Nei cavi di rilevamento circola una corrente molto piccola, trascurabile e che può essere ignorata. La caduta di tensione ai terminali di rilevamento dell'ohmmetro è quindi praticamente uguale alla caduta di tensione su Rx. Questo metodo fornisce risultati accurati e affidabili nella misura di resistenze inferiori a 100 Ω.

Dal punto di vista della misura questo è il tipo di connessione migliore, con 4 cavi separati: 2 di corrente (C e C1) e 2 di potenziale (P e P1). I cavi di corrente devono sempre essere collocati all'esterno dei cavi di potenziale, mentre la loro posizione esatta non è rilevante. I cavi di potenziale devono essere collegati esattamente tra i punti che si intende misurare. Il valore ottenuto dalla misura è quello compreso tra i punti di potenziale. Anche se questo metodo offre i migliori risultati di misura, non è molto pratico. Il mondo non è perfetto e talvolta è necessario un compromesso: per questo Amperis propone diverse soluzioni pratiche di misura.

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Metodi di connessione a quattro terminali

Metodi

Pinze Kelvin

Le pinze Kelvin sono simili alle ganasce di un coccodrillo, ma con ciascuna ganascia isolata dall'altra. Il cavo di corrente è collegato a una delle ganasce e il cavo di potenziale all'altra. Le pinze Kelvin sono una soluzione molto pratica per realizzare una connessione a quattro terminali su cavi, sbarre in alta tensione, piastre e simili.

Puntali duplex

I puntali duplex offrono un'altra soluzione pratica di connessione, in particolare per i laminati, le sbarre in alta tensione e i punti di difficile accesso. Il puntale duplex è costituito da due sonde racchiuse in un'impugnatura: una sonda realizza la connessione di corrente e l'altra la connessione di potenziale o di rilevamento.

Connessione con cavi sovrapposti

A volte l'unica soluzione praticabile per collegarsi a Rx consiste nell'impiegare cavi sovrapposti: il cavo di corrente viene collocato all'estremità del cavo di potenziale. Questo metodo introduce piccoli errori, perché il punto di misura si trova dove il cavo di potenziale si collega al cavo di corrente. Per i campioni difficili da misurare resta però la soluzione migliore.

Morsetti per cavi

Nella misura dei cavi durante la produzione e ai fini del controllo di qualità è necessario mantenere condizioni di misura costanti. La lunghezza del campione di cavo deve normalmente essere di 1 metro e, per garantire che sia esattamente questa, si impiega un morsetto per cavi. Amperis offre un'ampia gamma di morsetti adatti ai tipi di cavo più comuni. Il cavo da misurare va collocato nel morsetto e la sua estremità viene trattenuta nei terminali di corrente. I punti di connessione di potenziale hanno normalmente la forma di contatti a lama, distanti esattamente 1 metro.

Maschere e attrezzature di prova

Nella misura di altri componenti come resistori, fusibili, contatti di interruttori, viti e simili non si può sottolineare abbastanza l'importanza di impiegare una maschera di prova per trattenere il componente. Essa garantisce che le condizioni di misura, cioè la posizione dei cavi di misura, siano le stesse per ogni componente e permette di ottenere misure coerenti, affidabili e significative. Le maschere devono di norma essere progettate appositamente per l'applicazione.

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Possibili errori di misura

Alle misure di basse resistenze sono associate diverse possibili cause di errore. Di seguito sono descritte le più comuni:

Connessioni sporche

Come in tutte le misure, è importante accertarsi che il dispositivo da collegare sia pulito e privo di ossido e sporcizia. Connessioni con resistenza elevata provocano errori di lettura e possono impedire la misura. Va inoltre osservato che alcuni rivestimenti e ossidi presenti sui materiali sono buoni isolanti: l'anodizzazione ha una resistenza molto elevata e ne è l'esempio classico. È necessario rimuovere il rivestimento nei punti di connessione. Gli ohmmetri Amperis integrano una segnalazione di errore sui cavi, che indica se le connessioni hanno una resistenza troppo elevata.

Resistenza dei cavi troppo elevata

Anche se in teoria il metodo di misura a quattro terminali non è influenzato dalla lunghezza dei cavi, occorre prestare attenzione a che i cavi non abbiano una resistenza troppo elevata. I cavi di potenziale non sono critici e possono arrivare di norma fino a 1 kΩ senza che ciò influisca sulla precisione della misura, mentre i cavi di corrente sono critici. Se i cavi di corrente presentano resistenze molto elevate, la tensione cade su di essi e sul DUT (dispositivo in prova) non resta tensione sufficiente per una lettura accurata. Gli ohmmetri Amperis verificano che la tensione sul DUT sia corretta e impediscono la misura se la tensione è troppo bassa. Forniscono inoltre una segnalazione sul display e bloccano la lettura, evitando misure false. Se è necessario impiegare cavi di misura lunghi, occorre aumentarne il diametro per ridurne la resistenza.

Rumore di misura

Come in qualsiasi misura di bassa tensione, il rumore può costituire un problema. Il rumore nasce nei cavi di misura quando questi si trovano sotto l'influenza di un campo magnetico variabile oppure quando si muovono all'interno di tale campo. Per ridurre al minimo questo effetto i cavi devono essere mantenuti il più corti possibile e preferibilmente schermati. Amperis è consapevole dei molti vincoli che ostacolano il raggiungimento di questa condizione ideale e ha quindi progettato i circuiti interni dei propri ohmmetri in modo da ridurre al minimo ed eliminare tali effetti.

F.e.m. termica

La f.e.m. termica nel DUT è probabilmente la causa di errore maggiore nelle misure di basse resistenze. Occorre prima chiarire che cosa si intende per f.e.m. termica e in che modo si genera. Le f.e.m. termiche sono piccole tensioni che si generano quando due metalli diversi vengono uniti, formando quella che si chiama giunzione termocoppia. Una termocoppia genera una f.e.m. che dipende dai materiali impiegati nella giunzione e dalla differenza di temperatura tra la giunzione calda, o di riferimento, e quella fredda.

Questo effetto termocoppia introduce errori nella misura se non si adottano provvedimenti per compensare ed eliminare le f.e.m. termiche. I microhmmetri e i milliohmmetri Amperis eliminano questo effetto offrendo un modo di media automatica della misura, talvolta chiamato corrente continua commutata o metodo della media. Una prima misura viene eseguita con la corrente che scorre in un senso, una seconda con la corrente nel senso opposto. Il valore visualizzato è la media delle due misure. Ogni f.e.m. termica presente nel sistema di misura si somma alla prima misura e si sottrae alla seconda: la media risultante elimina o annulla la f.e.m. termica dalla misura. Questo metodo offre i risultati migliori per i cavi resistivi, ma non è adatto ai campioni induttivi come gli avvolgimenti di motori o di trasformatori. In questi casi l'ohmmetro inverte probabilmente il senso della corrente prima che l'induttanza sia completamente saturata, per cui non si ottiene un valore di misura corretto.

Il secondo metodo talvolta impiegato consiste nel collegare tra loro i terminali di corrente dell'ohmmetro e, con i cavi di potenziale collegati al DUT, visualizzare l'eventuale f.e.m. termica presente. Il valore così ottenuto viene memorizzato e sottratto dalla misura successiva, eseguita con cavi di corrente e cavi di potenziale collegati al DUT in modo normale. Tutto ciò avviene automaticamente impiegando gli ohmmetri Amperis nel modo di azzeramento automatico. Le f.e.m. termiche possono essere relativamente elevate (100 mV), per cui è importante scegliere con cura i materiali impiegati per le connessioni. L'ottone nichelato, per esempio, può produrre f.e.m. elevate nelle giunzioni con il rame. Le pinze Kelvin sono di solito realizzate in ottone nichelato e possono produrre f.e.m. molto elevate quando formano giunzioni di rame con i cavi di collegamento.

Connessione non corretta ai campioni

Nelle connessioni a quattro fili è importante collocare ciascun cavo nella posizione corretta. I cavi di corrente e di potenziale devono sempre essere impiegati in coppia, con la connessione di corrente all'esterno di quella di potenziale, come illustrato di seguito.

Corrente di prova errata

Va sempre considerato l'effetto che la corrente di misura ha sul DUT. I dispositivi di massa ridotta o costruiti con materiali ad alto coefficiente di temperatura, come i filamenti di filo di rame, devono essere misurati con la corrente più bassa disponibile per evitarne il riscaldamento. In questi casi un singolo impulso di corrente è adatto a provocare il riscaldamento minimo. Se il DUT è soggetto all'influenza di f.e.m. termiche, il metodo a corrente commutata descritto sopra non è idoneo. Gli ohmmetri Amperis della serie PDRM-10A hanno correnti selezionabili dal 10 % al 100 % a passi dell'1 %, includono il modo a impulso singolo e possono quindi essere configurati per adattarsi ad applicazioni diverse.

Influenze della temperatura

È importante sapere che la resistenza della maggior parte dei materiali è influenzata dalla loro temperatura. In funzione della precisione richiesta nella misura, può essere necessario controllare l'ambiente in cui la misura viene eseguita e mantenerne stabile la temperatura. È il caso delle misure di resistenza riferite ai campioni di riferimento, eseguite in laboratori controllati a 20 °C o 23 °C. Per le misure in cui non è possibile controllare la temperatura ambiente si impiega l'ATC (compensazione automatica della temperatura): una sonda di temperatura collegata all'ohmmetro rileva la temperatura ambiente e la lettura di resistenza viene corretta a una temperatura di riferimento di 20 °C. Due dei materiali più comunemente misurati sono il rame e l'alluminio, i cui coefficienti di temperatura sono riportati nel grafico a destra.

Il coefficiente di temperatura del rame (in prossimità della temperatura ambiente) è +0,393 % per °C. Ciò significa che, se la temperatura aumenta di 1 °C, la resistenza aumenta dello 0,393 %. Per l'alluminio è +0,4100 % per °C.

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Scelta dello strumento adatto

TABELLA 2

Portata:

La lettura più elevata possibile per quella impostazione.

Risoluzione:

Il numero (digit) più piccolo ottenibile per quella portata.

Corrente di misura:

La corrente nominale impiegata dalla portata.

Precisione:

Incertezza di misura nell'intervallo di temperatura ambiente compreso tra 15 e 25 °C.

Coefficiente di temperatura:

Il possibile errore aggiuntivo al di sotto della temperatura ambiente di 15 °C e al di sopra di 25 °C.

Nella scelta dello strumento più adatto all'applicazione occorre tenere conto di quanto segue:

La precisione si descrive al meglio come incertezza di misura, ossia il grado di accordo tra il risultato ottenuto e il valore vero. Viene normalmente espressa in due parti: una percentuale della lettura e una percentuale del fondo scala. La dichiarazione di precisione deve indicare l'intervallo di temperatura applicabile e il tempo per il quale la precisione resta entro i limiti dichiarati. Attenzione: alcuni costruttori dichiarano una precisione molto elevata, valida però soltanto per un periodo di 30 o 90 giorni. Tutti gli ohmmetri Amperis specificano una precisione a 1 anno intero.

La risoluzione è l'incremento più piccolo che lo strumento di misura è in grado di visualizzare. Va osservato che, per ottenere un'elevata precisione nella misura, serve un'elevata risoluzione, ma un'elevata risoluzione di per sé non indica che la misura sarà precisa.

Esempio: per misurare 1 Ω con una precisione dello 0,01 % (± 0,0001) la misura deve essere visualizzata con una risoluzione minima di 100 µΩ (1,0001 ohm).

Un valore di misura può anche essere calcolato con una risoluzione molto elevata ma con una precisione bassa: 1 Ω calcolato con una precisione dell'1 % e una risoluzione di 100 μΩ viene visualizzato come 1,0001 Ω. Le sole cifre significative sono 1,0100 e le ultime due cifre mostrano soltanto le fluttuazioni dei valori di misura. Tali fluttuazioni possono trarre in inganno e accentuare l'instabilità del DUT. Occorre quindi scegliere una risoluzione adeguata, che garantisca una lettura comoda del display.

Lunghezza della scala di misura

Gli strumenti di misura digitali visualizzano i valori su display dotati di un conteggio con limite massimo, spesso 1999 (talvolta indicato come 3Ω digit). Ciò significa che il valore massimo visualizzabile è 1999 e che la risoluzione minima è 1 digit su 1999. Per misure di 1 Ω il display indica 1,000, con una risoluzione di 0,001 mΩ. Per misurare 2 Ω occorre selezionare una portata superiore, con fondo scala 19,99 Ω, e il valore viene visualizzato come 2,00 Ω, con una risoluzione di 0,01 Ω. Si comprende quindi che conviene disporre di una lunghezza di scala superiore ai tradizionali 1999. Gli ohmmetri Amperis offrono lunghezze di scala superiori a 6000, che consentono di raggiungere il valore 2,000 con una risoluzione di 0,001 Ω.

Selezione della portata

La selezione della portata può essere manuale o automatica. Anche se la selezione automatica è molto utile quando il valore di Rx è sconosciuto, la misura richiede più tempo perché lo strumento deve individuare la portata corretta. Per misure su campioni simili è preferibile selezionare la portata manualmente. Inoltre le diverse portate degli strumenti misurano con correnti differenti, cosa non adatta al dispositivo in prova. Nella misura di campioni induttivi, come motori o trasformatori, il valore ottenuto aumenta mentre l'induttanza si satura, fino al raggiungimento del valore finale. In questi casi la selezione automatica della portata non va applicata: al cambio di portata la corrente di misura viene interrotta e la sua ampiezza può variare, rendendo difficile ottenere una lettura stabile.