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Note per Studenti Misura di resistenza - due fili, quattro fili e resistenze elevate

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 IREFI_{REF} 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: R^x=VmisIREF.\hat R_x=\frac{V_{mis}}{I_{REF}}. 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 RxIREF2R_xI_{REF}^2 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 RL1R_{L1} e RL2R_{L2} in serie con RxR_x, quindi Vmis=IREF (Rx+RL1+RL2) ⟹ R^x=Rx+RL1+RL2.V_{mis}=I_{REF}\,(R_x+R_{L1}+R_{L2})\ \Longrightarrow\ \hat R_x=R_x+R_{L1}+R_{L2}. È un errore sistematicoscostamento costante che si ripete a ogni misura ΔRx=RL1+RL2\Delta R_x=R_{L1}+R_{L2} (costante e positivo), con errore relativo ε=ΔRxRx⋅100\varepsilon=\frac{\Delta R_x}{R_x}\cdot100 che diventa grande per RxR_x piccola. Esempio (luglio 2020): corrente interna 1010 mA, Rx=12 ΩR_x=12\ \Omega, cavi da 0,5 Ω0{,}5\ \Omega ciascuno: Vmis=10 mA⋅13 Ω=130V_{mis}=10\ \text{mA}\cdot13\ \Omega=130 mV, misura 13 Ω13\ \Omega, errore 1 Ω1\ \Omega (8,3%8{,}3\%). Con cavi da 0,1 Ω0{,}1\ \Omega (febbraio 2022) l'errore è 0,2 Ω0{,}2\ \Omega, cioè 1,7%1{,}7\%. Le resistenze dei cavi dipendono anche dalla temperatura, R(T)=R0[1+α(T−T0)]R(T)=R_0[1+\alpha(T-T_0)] (per il rame α≃0,004/∘\alpha\simeq0{,}004/^\circC), perciò l'errore varia: lo si corregge con la taratura solo alla temperatura di taratura.

È accettabile solo se Rx≫RLR_x\gg R_L (resistenze di kilohm: 0,2 Ω0{,}2\ \Omega su 1010 kΩ\Omega è 0,002%0{,}002\%). Per questo i manuali danno per i due fili "le stesse specifiche dei quattro fili più al massimo 0,2 Ω0{,}2\ \Omega 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 IREFI_{REF} a RxR_x, due fili distinti collegano gli ingressi dell'ADC direttamente ai terminali di RxR_x. Poiché l'ADC ha impedenza di ingressoimpedenza vista dalla sorgente ai morsetti dello strumento altissima, in questi due fili la corrente è nulla (IADC=0I_{ADC}=0) e le loro resistenze RL3R_{L3}, RL4R_{L4} non producono alcuna caduta. La tensione letta è Vmis=V+−V−=RL3IADC+Rx(IREF−IADC)−RL4IADC=RxIREF ⟹ R^x=Rx.V_{mis}=V^+-V^-=R_{L3}I_{ADC}+R_x(I_{REF}-I_{ADC})-R_{L4}I_{ADC}=R_xI_{REF}\ \Longrightarrow\ \hat R_x=R_x. Le cadute sui cavi della corrente, RL1IREFR_{L1}I_{REF} e RL2IREFR_{L2}I_{REF}, 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
R^x\hat R_x Rx+RL1+RL2R_x+R_{L1}+R_{L2} RxR_x
errore dei cavi 2RL2R_L nullo
incertezza di specifica ±(% lett.+% FS+0,2 Ω)\pm(\%\text{ lett.}+\%\text{ FS}+0{,}2\ \Omega) ±(% lett.+% FS)\pm(\%\text{ lett.}+\%\text{ FS})
uso Rx≫RLR_x\gg R_L RxR_x piccole, precisione

Esempio con le specifiche (febbraio 2022): resistore nominale 12 Ω12\ \Omega con tolleranzascostamento massimo ammesso tra valore nominale e valore effettivo 10%10\%, campo 100 Ω100\ \Omega, un anno dalla taratura e ±5 ∘\pm5\ ^\circC (0,014%0{,}014\% della lettura e 0,007%0{,}007\% del fondo scalatensione massima che l'ADC riesce a convertire): a due fili U=(0,014100⋅12+0,007100⋅100+0,2)=0,2087≃0,2 ΩU=\big(\frac{0{,}014}{100}\cdot12+\frac{0{,}007}{100}\cdot100+0{,}2\big)=0{,}2087\simeq0{,}2\ \Omega (domina il contributo dei cavi); a quattro fili U=0,0017+0,007=0,0087≃0,009 ΩU=0{,}0017+0{,}007=0{,}0087\simeq0{,}009\ \Omega, circa ventiquattro volte minore (Esercizio 23 · resistenza a due e quattro fili (temi d'esame luglio 2020 e febbraio 2022)).

Resistenze elevate

Per RxR_x dell'ordine dei megaohm, Vmis=IREFRxV_{mis}=I_{REF}R_x può superare la tensione di fondo scala dell'ADC. Esempio: generatore da J=5 μJ=5\ \muA, ADC con fondo scala ±10\pm10 V e RxR_x fino a 1212 MΩ\Omega: la tensione sarebbe 5⋅10−6⋅12⋅106=605\cdot10^{-6}\cdot12\cdot10^6=60 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 RxR_x introducono errori; il rumore e le correnti di polarizzazione dell'ingresso pesano di più.

Soluzione. Si mette una resistenza nota RpR_p in parallelo a RxR_x ai morsetti: la corrente JJ si divide e la tensione si riduce a Vmis=J RV_{mis}=J\,R con R=Rx∥RpR=R_x\parallel R_p: R=RxRpRx+Rp ⟹ R^x=Rp RRp−R,R=VmisJ.R=\frac{R_xR_p}{R_x+R_p}\ \Longrightarrow\ \boxed{\hat R_x=\frac{R_p\,R}{R_p-R},\qquad R=\frac{V_{mis}}J.} (Da R(Rx+Rp)=RxRpR(R_x+R_p)=R_xR_p si ottiene Rx(Rp−R)=RRpR_x(R_p-R)=RR_p.) Il resistore noto RpR_p e la corrente JJ 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 Rx=Rx,maxR_x=R_{x,max}: si impone J (Rx,max∥Rp)≤VFS ⟹ Rx,max∥Rp≤VFSJ=:RV ⟹ Rp≤RV Rx,maxRx,max−RV.J\,\big(R_{x,max}\parallel R_p\big)\le V_{FS}\ \Longrightarrow\ R_{x,max}\parallel R_p\le\frac{V_{FS}}J=:R_V\ \Longrightarrow\ R_p\le\frac{R_V\,R_{x,max}}{R_{x,max}-R_V}. Con J=5 μJ=5\ \muA, VFS=10V_{FS}=10 V, Rx,max=12R_{x,max}=12 MΩ\Omega: RV=2R_V=2 MΩ\Omega e Rp≤2⋅1210=2,4R_p\le\frac{2\cdot12}{10}=2{,}4 MΩ\Omega: si sceglie un valore commerciale più piccolo, per esempio Rp=2R_p=2 MΩ\Omega, che per Rx=12R_x=12 MΩ\Omega dà R=1,714R=1{,}714 MΩ\Omega e Vmis=8,57V_{mis}=8{,}57 V (dentro ±10\pm10 V). Con J=10 μJ=10\ \muA e Rx,max=15R_{x,max}=15 MΩ\Omega (gennaio 2024): RV=1R_V=1 MΩ\Omega, Rp≤1⋅1514=1,07R_p\le\frac{1\cdot15}{14}=1{,}07 MΩ\Omega, si sceglie Rp=1R_p=1 MΩ\Omega con Vmis,max=9,4V_{mis,max}=9{,}4 V (Esercizio 24 · resistenze elevate con un multimetro volt-amperometrico (temi d'esame gennaio 2024, gennaio 2025 e settembre 2025)).

RxR_x R=Rx∥2 MΩR=R_x\parallel2\ \mathrm{M}\Omega VmisV_{mis} (J=5 μJ=5\ \muA) RxR_x ricostruita
100100 kΩ\Omega 95,295{,}2 kΩ\Omega 0,480{,}48 V 100100 kΩ\Omega
11 MΩ\Omega 0,6670{,}667 MΩ\Omega 3,333{,}33 V 11 MΩ\Omega
55 MΩ\Omega 1,431{,}43 MΩ\Omega 7,147{,}14 V 55 MΩ\Omega
1212 MΩ\Omega 1,711{,}71 MΩ\Omega 8,578{,}57 V 1212 MΩ\Omega

Amplificazione degli errori. Poiché Rx=RpRRp−RR_x=\frac{R_pR}{R_p-R} il denominatore piccolo (R→RpR\to R_p per Rx→∞R_x\to\infty) amplifica le incertezze: gli errori relativi su RR (cioè su VmisV_{mis} e JJ) si moltiplicano per RpRp−R\frac{R_p}{R_p-R} (=7=7 per Rp=2R_p=2 MΩ\Omega, Rx=12R_x=12 MΩ\Omega) e quelli su RpR_p per RRp−R\frac R{R_p-R} (=6=6). Perciò RpR_p va noto con accuratezza alta e non conviene sceglierlo molto più piccolo del necessario né quasi uguale a RxR_x: 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 RpR_p solo sul fondo scala, dimenticando il caso peggiore Rx,maxR_{x,max}.
  • Scrivere Rx=R Rp/(R+Rp)R_x=R\,R_p/(R+R_p): è la formula del parallelo (diretta), non quella inversa.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata