Misura di resistenza - due fili, quattro fili e resistenze elevate
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Il multimetro non ha un "ohmmetro" fatto di una sola resistenza: misura la resistenza con un metodo volt-amperometricosi ricava la resistenza dal rapporto tra una tensione misurata e una corrente nota interno. Si fa passare attraverso il resistore una corrente di riferimento nota, costante e stabile (generata da un generatore di correntecircuito che mantiene costante la corrente indipendentemente dal carico interno) e si misura la tensione ai suoi capi con l'ADC, che ha un ingresso ad altissima impedenza: Il resistore va staccato dal circuito: altrimenti si misurerebbe la resistenza equivalente vista alla coppia di morsetti. La corrente scelta per ogni campo non deve fare scaldare il resistore (la potenza ne altererebbe il valore).
Misura a due fili
Le stesse due connessioni portano la corrente di prova e rilevano la tensione. I cavi di collegamento hanno resistenze e in serie con , quindi È un errore sistematicoscostamento costante che si ripete a ogni misura (costante e positivo), con errore relativo che diventa grande per piccola. Esempio (luglio 2020): corrente interna mA, , cavi da ciascuno: mV, misura , errore (). Con cavi da (febbraio 2022) l'errore è , cioè . Le resistenze dei cavi dipendono anche dalla temperatura, (per il rame C), perciò l'errore varia: lo si corregge con la taratura solo alla temperatura di taratura.
È accettabile solo se (resistenze di kilohm: su k è ). Per questo i manuali danno per i due fili "le stesse specifiche dei quattro fili più al massimo di offsettermine additivo costante dello strumento".
Misura a quattro fili
La misura a quattro fili (o di Kelvinconfigurazione a quattro terminali che separa il percorso della corrente da quello di misura della tensione) separa i cavi della corrente da quelli della tensione: due fili portano a , due fili distinti collegano gli ingressi dell'ADC direttamente ai terminali di . Poiché l'ADC ha impedenza di ingressoimpedenza vista dalla sorgente ai morsetti dello strumento altissima, in questi due fili la corrente è nulla () e le loro resistenze , non producono alcuna caduta. La tensione letta è Le cadute sui cavi della corrente, e , non compaiono perché i punti di prelievo sono a valle. Si elimina l'errore sistematico dei cavi. Si usa per resistenze piccole (da ohm a milliohm: shuntresistore di valore noto usato per trasformare una corrente in tensione, resistenze di contatto) e per misure di precisione; in cambio servono quattro collegamenti e uno strumento con la funzione dedicata.
| due fili | quattro fili | |
|---|---|---|
| collegamenti | 2 | 4 |
| errore dei cavi | nullo | |
| incertezza di specifica | ||
| uso | piccole, precisione |
Esempio con le specifiche (febbraio 2022): resistore nominale con tolleranzascostamento massimo ammesso tra valore nominale e valore effettivo , campo , un anno dalla taratura e C ( della lettura e del fondo scalatensione massima che l'ADC riesce a convertire): a due fili (domina il contributo dei cavi); a quattro fili , circa ventiquattro volte minore (Esercizio 23 · resistenza a due e quattro fili (temi d'esame luglio 2020 e febbraio 2022)).
Resistenze elevate
Per dell'ordine dei megaohm, può superare la tensione di fondo scala dell'ADC. Esempio: generatore da A, ADC con fondo scala V e fino a M: la tensione sarebbe V, sei volte il fondo scala. Sono problemi tipici della misura di resistenze elevate: la tensione supera il fondo scala; le correnti di dispersionepiccole correnti che scorrono attraverso isolanti e superfici non perfette (isolamento, umidità) e l'impedenza di ingresso finita del voltmetro in confronto a introducono errori; il rumore e le correnti di polarizzazione dell'ingresso pesano di più.
Soluzione. Si mette una resistenza nota in parallelo a ai morsetti: la corrente si divide e la tensione si riduce a con : (Da si ottiene .) Il resistore noto e la corrente sono le costantigrandezze del sistema che lo strumento conosce e usa nel calcolo del sistema che lo strumento memorizza.
Dimensionamento. Il caso peggiorevalore di R_x per cui la tensione sull'ADC è massima è : si impone Con A, V, M: M e M: si sceglie un valore commerciale più piccolo, per esempio M, che per M dà M e V (dentro V). Con A e M (gennaio 2024): M, M, si sceglie M con V (Esercizio 24 · resistenze elevate con un multimetro volt-amperometrico (temi d'esame gennaio 2024, gennaio 2025 e settembre 2025)).
| (A) | ricostruita | ||
|---|---|---|---|
| k | k | V | k |
| M | M | V | M |
| M | M | V | M |
| M | M | V | M |
Amplificazione degli errori. Poiché il denominatore piccolo ( per ) amplifica le incertezze: gli errori relativi su (cioè su e ) si moltiplicano per ( per M, M) e quelli su per (). Perciò va noto con accuratezza alta e non conviene sceglierlo molto più piccolo del necessario né quasi uguale a : è un compromesso tra il rispetto del fondo scala e la propagazione delle incertezze (Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →).
Errori comuni
- Misurare una resistenza ancora collegata al circuito.
- Usare due fili per resistenze di pochi ohm.
- Dire che a quattro fili si elimina anche l'errore di strumento: si elimina solo quello dei cavi.
- Dimensionare solo sul fondo scala, dimenticando il caso peggiore .
- Scrivere : è la formula del parallelo (diretta), non quella inversa.
Versione ripasso
- Principio: nota e stabile, ; componente staccato; corrente limitata dalla potenza.
- Due fili: , errore sistematico , relativo (, ciascuno: , ); specifiche .
- Quattro fili: corrente e sensing separati, , , ( contro ) (Misura volt-amperometrica, shunt e strumenti derivati dal voltmetroCon un voltmetro e un amperometro si ricava $R_x=V/I$ in due modi: voltmetro in parallelo a $R_x$ (misura $R_x\parallel R_V$, errore $\frac{R_x^2}{R_x+R_V}$) oppure amperometro in serie a $R_x$ e voltmetro su entrambi (misura $R_x+R_A$, errore $R_A$); il primo conviene per $R_x<\sqrt{R_AR_V}$. Dal voltmetro si ricava un amperometro con un resistore di shunt ($I=V_m/R_s$, $R_s=V_{FS}/I_{FS}$) e un ohmmetro con una corrente di prova nota o con un resistore di riferimento; con le specifiche si fissa il limite sull'incertezza dell'elemento aggiunto: $U_{agg}=\sqrt{U_{tot}^2-U_V^2}$ (relative, al fondo scala).Misura volt-amperometrica, shunt e strumenti derivati dal voltmetro →).
- Resistenze elevate: noto in parallelo, , ; dimensionamento (A, V, M: M, scelto M, V); costanti , .
- Errori amplificati e .
- Errori: resistore nel circuito, due fili per pochi ohm, solo senza caso peggiore.
- Specifiche (): due fili (domina il cavo), quattro fili .
- Tabella alta (A, M): k V; M V; M V; M V; amplificazione errori e .
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