Guía para Medición de Bajas Resistencias

Sumario:

1. Introducción
2. Aplicaciones
3. Resistencia
4. Principios de la Medicion de Resistencias
5. Métodos de conexiones de 4 terminales
6. Posibles errores de medicion
7. Escogiendo el Instrumento adecuado
8. Equipos de medición

Resumen:

Para la medición de resistencia, la precisión lo es todo. Esta guía trata sobre la obtención de mediciones de la más alta calidad posible.

Introducción:

La medición de grandes o pequeñas cantidades es siempre dificultosa, y la medición de resistencia no es la excepción. Los valores mayores y menores a 1GΩ presentan problemas de medición. Amperis es líder en la medición de bajas resistencias; producimos un amplio rango de ohmimetros de baja resistencia y accesorios que cubren la mayoría de posibilidades de medición.

Esta guía de bolsillo brinda una perspectiva general sobre las técnicas de medición de baja resistencia, explica las causas comunes de errores y cómo evitarlos. También incluimos tablas útiles de cable y sus características, coeficientes de temperatura y varias fórmulas para asegurarle que escoja la mejor opción al seleccionar su instrumento de medición y técnica de medición. Deseamos que esta guía sea un instrumento útil para Ud.

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Aplicaciones

Hay muchas razones para medir la resistencia del material. éstas son algunas.

Fabricantes de componentes

Resistencias, inductores y obstrucciones; debe verificarse que sus productos cumplan con la tolerancia de resistencia especificada, con el fin de la línea de producción y con el testeo de control de calidad.

Fabricantes de interruptores, transmisores y conectores

Verificar que la resistencia de contacto sea menor a los límites que deben ser preestablecidos. Esto puede lograrse al finalizar el testeo de la línea de producción, asegurando el control de calidad.

Fabricantes de cables

Deben medir la resistencia de los cables de cobre que producen, una resistencia muy alta significa que la actual capacidad de transporte del cable es reducida; una resistencia muy baja significa que el fabricante está siendo muy generoso con el diámetro del cable usando más cobre del que necesita, lo cual puede ser muy costoso.

Instalación y mantenimiento de cables de energía, tableros y transformadores de toque de tensión

éstos requieren que las uniones de los cables y los contactos de los interruptores tengan la mínima resistencia posible, así se evita que la unión o contacto se caliente excesivamente, una mala unión de los cables o un mal contacto de los interruptores fallará pronto debido a este efecto de calentamiento. Una rutina preventiva de mantenimiento mediante controles regulares de la resistencia asegurará una mejor vida útil.

Fabricantes de motores eléctricos y generadores

éste es un requerimiento para determinar la máxima temperatura alcanzada bajo plena carga. Para demostrar esta temperatura, se utiliza el coeficiente de temperatura del bobinado de cobre. Inicialmente se mide la resistencia con el motor o generador frío, es decir, a temperatura ambiente, luego se corre la unidad a plena carga por un período específico y se vuelve a medir la resistencia. Puede comprobarse la temperatura interna del motor/generador por el cambio de valor de la resistencia. Nuestros ohmímetros también son utilizados para medir las bobinas individuales de un motor bobinado, para garantizar que no haya corto circuito y que cada bobina esté equilibrada.

La industria automotriz

Como requerimiento, debe medirse la resistencia de los cables del robot de soldar para afirmar que la calidad de soldadono se deteriore, es decir, conectores prensados de batería de plomo, resistencia detonante de bolsa de aire, resistencia del cableado, y calidad de los conectores prensados en los componentes.

Fabricantes de fusibles

Para el control de calidad, deben realizarse mediciones de la resistencia de conexión en aviones y vehículos militares, es necesario garantizar que todo el equipamiento instalado en el avión está conectado eléctricamente a la estructura, incluyendo el equipamiento de cocina. Los tanques y otros vehículos militares tienen las mismas exigencias.

Los productores y usuarios de largas corrientes eléctricas precisan medir la distribución de la resistencia conjunta, barras de alta tensión, y conectores a electrodos para enchapados.

Utilidades para rieles

Incluyendo tranvías y subterráneos, para la medición de la distribución de energía en las juntas de los cables. Abarcando la resistencia de las juntas de las vías, debido a que los rieles son usados a menudo para señalización.

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Resistencia

Ley de Ohm V = C x R (Voltios = Corriente x Resistencia). Un Ohm (Ω) es la unidad de resistencia eléctrica igual a la de un conductor en el que una corriente de un amperio es producida por un potencial de un voltio a través de sus terminales. La Ley de Ohm, designada así por su descubridor el físico alemán Georg Ohm, es una de las leyes de electricidad más importantes. Define la relación entre las tres cantidades eléctricas fundamentales: corriente, voltaje y resistencia. Cuando un voltaje es aplicado a un circuito conteniendo solo elementos resistores, la corriente fluye según la Ley de Ohm, que se enseña debajo.

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Principios de la Medicion de Resistencias

Métodos

Método Amperímetro - Voltímetro

Este método regresa a lo básico. Si usamos una batería como nuestra fuente de voltaje, un voltímetro para medir el voltaje y un amperímetro para medir la corriente en el circuito, podemos calcular la resistencia con una exactitud razonable. Si bien este método puede proveer buenos resultados de medición, no es una solución práctica para las necesidades diarias de medición.

Existe una variedad instrumentos de medición de resistencia que calculan y muestran la resistencia automáticamente sin necesidad de intervención por parte del usuario.

Estos instrumentos de medición emplean una técnica de medición de dos o cuatro cables.

Puente Doble Kelvin

El Puente Kelvin es una variación del Puente de Wheatstone que posibilita la medición de bajas resistencias. El rango de medición típicamente es de 1mΩ a 1kΩ con la menor resolución de 1µΩ. Las limitaciones del Puente Kelvin son:

1. Requiere balanceo manual.

2. Se requiere un detector sensible nulo o galvanómetro para detectar la condición de balance.

3. La medición actual debe ser razonablemente alta para alcanzar la suficiente sensibilidad.

El Puente Doble Kelvin ha sido, generalmente, reemplazado por ohmímetros digitales.

DMM – Conexión de Dos cables

Un simple multímetro digital puede utilizarse para valores superiores de resistencia. Emplean el método de medición de 2 cables, solo son aptos para valores mayores a 100Ω y cuando no se precisa mucha exactitud.

Al medir la resistencia de un componente (Rx), se fuerza a una prueba a través del componente, y el medidor de pruebas mide el voltaje en sus terminales. Luego el medidor calcula y expresa la resistencia resultante como una medida de dos cables. Cabe señalar que el medidor estime el voltaje de sus terminales y no de un extremo a otro del componente. Por consiguiente, el voltaje desciende a través de los cables de conexión que también están incluidos en el cálculo de la resistencia. Los cables de prueba de buena calidad tendrán una resistencia de aproximadamente 0.02Ω por metro. Además de la resistencia de los cables, la resistencia de la conexión de cables también será incluida en la medición y ésta podrá ser la más elevada o incluso mayor en valor que los propios cables.

Al medir altos valores de resistencia, puede ser ignorado este error adicional de resistencia del cable pero, como se puede observar en el gráfico superior, el error se torna altamente significante mientras el valor medido va descendiendo, y totalmente inapropiado cuando el valor medido es inferior a 10Ω.

TABLA 1

Para medir un voltaje DC real, los ohmímetros de Resistencia típicamente usan la medición de 4 cables. La corriente DC pasa a través del Rx y a través del estándar interno del ohmímetro. El voltaje que atraviesa el Rx y el estándar interno, luego son medidos, y el radio de los dos lectores es usado para calcular la resistencia. Con este método la corriente solo necesita permanecer fija durante los pocos milisegundos que requiera el ohmímetro para realizar las dos lecturas, pero también requiere dos circuitos de medición. El voltaje medido es muy pequeño y también se requiere una sensibilidad de medición µV.

Alternativamente se utiliza un recurso de corriente constante para pasar corriente a través del Rx. El voltio desciende por el Rx, que luego es medido, y la resistencia calculada. Este método solo precisa un circuito de medición, pero el generador de corriente debe ser estable bajo cualquier condición de medición.

Conexión de cuatro cables

El método de medición de cuatro cables (Kelvin) es preferible para valores de resistencia menores a 100Ω. Todos los miliómetros y micróhmetros de Amperis usan este método. Estas mediciones se realizan utilizando 4 cables separados. 2 cables transportan la corriente, conocidos como cables de origen o cables de corriente, y pasan la corriente a través del Rx. The other 2 wires known as the sense or potential leads, are used to sense the voltage drop across Rx. Mientras haya una pequeña corriente en los cables de detección, será insignificante y puede ser ignorada. El voltio desciende por los terminales detectores del ohmímetro, por lo tanto, es prácticamente igual a cuando el voltio desciende por el Rx. Este método de medición brinda precisión y resultados concretos al medir resistencias menores a 100Ω.

Desde el punto de vista de la medición, este es el mejor tipo de conexión con 4 cables separados; 2 corrientes (C y C1) y 2 potencias (P y P1). Los cables de corriente siempre deben ubicarse por fuera de la potencia, aunque no importa en qué lugar exactamente. Los cables de potencia deben conectarse exactamente entre los puntos que desee medir. El valor obtenido de la medición estará entre los puntos de potencia. Si bien este método brinda los mejores resultados de medición, no es muy práctico. Vivimos en un mundo no perfecto y a veces es necesario comprometerse en la situación, para esto, Amperis puede ofrecerle varias soluciones prácticas de medición.

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Métodos de conexiones de 4 terminales

Métodos

Clips de Kelvin

Los clips de Kelvin son similares a la quijada de un cocodrilo, pero con cada pinza aislada de la otra. El cable de corriente se conecta a una de las pinzas y el cable de potencia a la otra. Los clips de Kelvin resultan una solución muy práctica para realizar una conexión de cuatro terminales en cables, barras de alta tensión, placas, etc.

Palancas de maniobra dobles

Las palancas de maniobra brindan otra práctica solución de conexión particularmente para laminados, barras de alta tensión, y donde sea difícil de acceder. Las palancas se componen de dos pinzas encerradas en un mango. Una pinza es la conexión de corriente y la otra pinza es la conexión de potencia o sensibilidad.

Conexión de cables apilados

A veces la única solución práctica para hacer una conexión al Rx consiste en utilizar cables apilados. El cable de corriente se ubica al final del cable de potencia. Este método ocasionará pequeños errores porque el punto de medición estará donde el cable de potencia conecte con el cable de corriente. Para lograr muestras difíciles de medir, ésta será la mejor solución.

Abrazaderas de cables

Al medir cables durante su fabricación, y con el propósito de controlar su calidad, es necesario mantener condiciones de medición consistentes. La longitud de la muestra del cable debe ser normalmente de 1 metro, y para asegurar que la longitud sea exactamente ésta, se utiliza una abrazadera de cables. Amperis ofrece una amplia gama de abrazaderas que se acomodan a los tipos más comunes de cables. El cable a medir debe ubicarse en la abrazadera y el final del cable se sujeta en los terminales de corriente. Los puntos de conexión de potencia se ubican normalmente en forma de contactos del borde de una cuchilla, los cuales tienen exactamente 1 metro de separación.

Plantillas y accesorios

Al medir otros componentes como resistores, fusibles, contactos de interruptores, tornillos, etc. la importancia de utilizar una plantilla de prueba para mantener el componente no puede enfatizarse lo suficiente. Esto garantizará que las condiciones de medición, es decir, la posición de los cables de medición, sean los mismos para cada componente y resultarán mediciones consistentes, confiables y significativas. Las plantillas habitualmente deben ser diseñadas específicamente para favorecer a su aplicación.

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Posibles errores de medicion

Existen varias causas posibles de errores asociadas con las mediciones de baja resistencia. Las más comunes se describen a continuación:

Conexiones sucias

Como ocurre con todas las mediciones, es importante asegurarse de que el dispositivo que se conecta está limpio y libre de óxido y suciedad. Las conexiones de alta resistencia causarán errores de lectura y pueden impedir las mediciones. Cabe señalar también que algunos recubrimientos y óxidos sobre los materiales son buenos aislantes. El anodizado tiene una muy alta resistencia y es un ejemplo clásico. Asegúrese de limpiar fuera del recubrimiento en los puntos de conexión. Los ohmetros de Amperis incorporan una advertencia de errores de cable que indicarán si las conexiones son demasiado altas en resistencia.

Resistencia muy alta de cables

Aunque en teoría el método de medición de cuatro terminales no se ve afectado por la longitud del cable, se debe tener cuidado para garantizar que los cables no tengan resistencia demasiado alta. Los cables de potencia no son críticos y usualmente pueden ser de hasta 1kΩ sin que ello afecte a la exactitud de medición, pero los cables de corriente sí son críticos. Si los cables de corriente tienen resistencias muy altas, el voltaje descenderá a través de ellos y será insuficiente voltaje a través del DUT (abr. en inglés, Dispositivo Bajo Prueba) para realizar una lectura precisa. Los ohmimetro de Amperis controlan que sea correcto el voltaje a través del DUT e impiden realizar mediciones si el voltaje es muy bajo. También provee una pantalla de advertencia; previniendo la lectura, asegurando que no haya falsas mediciones. Si se precisa utilizar cables de medición largos, debe incrementarse el diámetro de los cables para reducir sus resistencias.

Ruido de medición

Como ocurre con cualquier tipo de medición de baja tensión, el ruido puede ser un problema. El ruido es creado dentro de los cables de prueba cuando se encuentran en la influencia de un campo magnético que está cambiando, o los cables se mueven dentro de ese campo. Para minimizar este efecto, los cables deben dejarse lo más corto posible, mantenerse cortos y preferentemente revestidos. Amperis sabe que hay muchas limitaciones para lograr este ideal, por lo tanto ha diseñado los circuitos dentro de sus ohmetros para minimizar y eliminar estos efectos.

Emf térmico

El emf térmico en el DUT es probablemente la mayor causa de error en mediciones de baja resistencia. En primer lugar debemos comprender lo que entendemos por emf térmico, y la forma en que es generado. Los emf térmicos son pequeños voltajes que se generan cuando dos metales diferentes se unen, formando lo que se conoce como una unión termopar. Un termopar generará un emf dependiendo de los materiales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre el calor y la referencia, o el frío y la unión.

Este efecto termopar introducirá errores en la medición si no se toman medidas para compensar y eliminar estos emf térmicos. Los micróhmetros y miliómetros de Amperis eliminan este efecto ofreciendo un modo de promedio automático para la medición, a veces denominado DC conmutado o método de promedio. Una medición se realiza con la corriente que fluye hacia la parte delantera luego una segunda medición se realiza con la corriente en la dirección opuesta. El valor que se muestra es el promedio de estas dos mediciones. Cualquier emf térmico en el sistema de medición se sumará a la primera medición y se restará de la segunda medición; el promedio resultante elimina o cancela el emf térmico de la medición. Este método brinda los mejores resultados para cables resistivos, pero no es apropiado para muestras inductivas tales como bobinas de motor o transformador. En estos casos, el ohmímetro probablemente cambie la dirección de la corriente antes de que la inductancia sea totalmente saturada, entonces no se logrará un valor de medición correcto.

El segundo método a veces empleado consiste en conectar juntos los terminales de corriente del ohmímetro, y con los cables de potencia conectados al DUT, puede presentarse algún emf térmico. Este valor de medición obtenido es almacenado y deducido de la siguiente medición con cables de corriente y cables de potencia conectados al DUT de forma normal. Todo esto se realiza automáticamente al utilizar los ohmetros de Amperis en el modo auto cero.Los emf térmicos pueden ser relativamente altos (100mV), por lo tanto, es importante seleccionar cuidadosamente los materiales utilizados para realizar las conexiones. Latón niquelado, por ejemplo, puede producir emf altos al efectuar uniones de cobre. Los clips de Kelvin habitualmente se componen de latón niquelado y pueden producir emf muy altos al formar uniones de cobre conectando cables.

Conexión inapropiada a muestras

Al realizar conexiones de cuatro cables, es importante ubicar cada cable en el lugar apropiado. Los cables de corriente y potencia siempre deben ser usados en pares, y la conexión de corriente afuera de la potencia, como se muestra debajo.

Prueba errónea de corriente

Siempre debe tenerse en cuenta el efecto que tenga la medición de corriente sobre en el DUT. Los dispositivos de masa pequeña o construidos con materiales con alto coeficiente de temperatura, tales como los filamentos de cables de cobre, deben medirse con la mínima corriente disponible para prevenir el calentamiento. En estos casos, un simple pulso de corriente será apropiado para causar el mínimo calentamiento. En el caso de que el DUT esté sujeto a las influencias de emf térmicos, entonces el método de corriente conmutada descrito anteriormente no es conveniente. Los ohmetros de la serie PDRM-10A de Amperis poseen corrientes seleccionables desde el 10% hasta el 100% en pasos de 1%, también incluyen el modo de pulso simple y consecuentemente puede configurarse para adaptarse a distintas aplicaciones.

Influencias de la temperatura

Es importante conocer que la resistencia de la mayoría de los materiales se verá afectada por su temperatura. Quizás sea necesario, dependiendo de la exactitud requerida en la medición, controlar el ambiente en el cual se realice dicha medición, así como mantener estable la temperatura de dicho ambiente. Este sería el caso, cuando la medición de resistencia hace referencia a los estándares, que se miden en laboratorios controlados a 20oC o 23oC. Para las mediciones donde el control de la temperatura ambiente no es posible, se utiliza la ATC (compensación automática de temperatura). Una sonda de temperatura conectada al ohmímetro, percibe la temperatura ambiente y la lectura de la resistencia se corrige a una temperatura de referencia de 20oC. Dos de los materiales más comunes que se miden son el cobre y el aluminio, y sus coeficientes de temperatura se observan en el gráfico de la derecha.

El Coeficiente de Temperatura del Cobre (cercano a la temperatura de la habitación) es +0.393 % por oC. Esto significa que, si la temperatura aumenta 1oC, la resistencia aumentará 0.393%. Para el Aluminio es +0.4100 % por oC.

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Escogiendo el Instrumento adecuado

TABLA 2

Rango:

La mayor lectura posible para dicha configuración.

Resolución:

El número más pequeño (dígito) obtenido para dicho rango.

Corriente de medición:

La corriente nominal utilizada por el rango.

Precisión:

Incertidumbre de la medición por encima del rango de temperatura ambiente entre 15 y 25oC.

Coeficiente de temperatura:

El posible error adicional por debajo de la temperatura ambiente de 15oC y por encima de 25oC.

Al seleccionar el mejor instrumento para su aplicación se deberá tener en cuenta lo siguiente:

La precisión puede ser mejor descrita como la incertidumbre de medición, que es lo más cercano al acuerdo entre el resultado de un valor obtenido y el valor real. Normalmente se expresa en dos partes, es decir, un porcentaje de lectura y un porcentaje a escala completa. La declaración de precisión debe incluir el rango de temperaturas aplicables, además del tiempo en que la precisión se mantendrá dentro de los límites indicados. Advertencia: algunos fabricantes ofrecen una declaración de precisión muy alta, ésta solo es válida por un período de 30 o 90 días. Todos los ohmetros de Amperis especifican una precisión de 1 año entero.

La resolución es el mínimo incremento que el instrumento de medición pueda expresar. Cabe señalar que para lograr alta precisión de una medición, se necesita una alta resolución, pero una alta resolución en sí misma no indica que la medida tendrá una alta precisión.

Ejemplo: Para medir 1Ω con una precisión de 0.01% (± 0.0001) es necesario que la medición se exprese con una mínima resolución de 100µΩ (1.0001ohms).

Un valor de medición también puede calcularse con una resolución muy alta, pero con baja precisión, es decir, 1Ω calculado para una precisión del 1%, pero una resolución de 100 μΩ, se expresará como 1.0001Ω. Los únicos dígitos significativos serán 1.0100, los últimos dos dígitos solo muestran las fluctuaciones en los valores de medición. Estas fluctuaciones pueden ser engañosas y acentuar la inestabilidad del DUT. Debe seleccionarse una adecuada resolución para garantizar una cómoda lectura de la pantalla.

Longitud de la escala de medición

Los instrumentos de medición digital muestran los valores en pantallas que poseen un contador con límite máximo, a menudo 1999 (a veces referido como un dígito 3Ω). Esto significa que el máximo valor que pueda expresarse será 1999, y la resolución mínima es 1 dígito en 1999. Para mediciones de 1Ω, la pantalla leerá 1.000, una resolución de 0.001mΩ. Si queremos medir 2Ω, se necesitará seleccionar un rango más alto de 19.99Ω a escala completa y el valor se mostrará como 2.00Ω, y una resolución de 0.01Ω. Por lo tanto, se puede observar que es conveniente disponer de una escala de longitud más amplia que la tradicional de 1999. Los ohmetros de Amperis ofrecen longitudes de escala superiores a 6000, lo cual posibilitará alcanzar el valor de 2.000, con una resolución de 0.001Ω.

Selección de rango

La selección de rango puede ser manual como automática. Si bien la selección automática de rango puede ser muy útil cuando el valor de Rx es desconocido, la medición toma más tiempo porque el instrumento debe encontrar el rango correcto. Para mediciones en muestras similares, es preferible seleccionar el rango manualmente. Además de esto, los diversos rangos de los instrumentos medirán con diferentes corrientes, lo cual no es adecuado para el dispositivo testeado. Al medir muestras inductivas, así como motores o transformadores, el valor obtenido aumenta mientras la inductancia se satura hasta que se alcanza el valor final. La selección automática de rangos no debe aplicarse en estos casos, ya que al cambiar los rangos la corriente en medición se interrumpe y su magnitud puede variar; será difícil adquirir un valor fijo de lectura.