Medindo resistências com o sistema de 4 fios: fácil e rápido

   Neste post, apresento um sistema experimental, mas bastante simples, para medir resistências a 4 fios com um multímetro barato.


   Antes de entender como funciona um sistema de medição de resistências à 4 fios, é necessário ver como funciona o de dois fios.

     Neste sistema, uma corrente I, constante, é injetada no resistor, o voltímetro tem escala em ohms, o valor indicado deve ser: R=V/I  
     Este método é muito útil em resistores onde sua resistência é muito maior que a resistência das pontas de provas e demais componentes que fazem contato com o dispositivo em teste (DUT).
     Para resistores pequenos, a resistência deste conjunto adiciona um erro, variável com a temperatura e modelo de ponta de prova. Na prática, para resistências abaixo de 0,5Ω, isto começa a ser um problema.
     Como então se pode medir resistências tão baixas, como as de pedaços de fios de cobre, ou então contatos de chaves?

     O método mais comum é usar um sistema com 4 fios:

    Neste outro método, a corrente é injetada por dois fios, e o valor da tensão, que indica a resistência, é lido pelos outros dois fios, a diferença é de que a corrente I no resistor não passa por estas mesmas pontas de prova, fazendo com que este erro, causado diretamente pela corrente injetada, não apareça na medição.

  O sistema proposto usa um LM317 como a fonte de corrente, e na parte de sensoriamento da tensão, é usado um ci com amplificadores operacionais que é muito fácil de se encontrar no mercado, um LM324, que, mesmo tendo um drift alto, pode ser usado para entender o funcionamento do sistema, após uma calibração.

Circuito proposto (clique para aumentar)

     A fonte de corrente é regulada por R16, suprindo 98,4mA ao resistor em teste, é recomendável colocar um dissipador de calor no LM317, de preferência com resistência térmica menor que 45°C/W ,afim de se evitar o aquecimento excessivo do componente.

    Para os amplificadores, como o valor não é exatamente 100mA, é necessário ajustar R14 para que o ganho total nos dois estágios seja de 101,6, não 100 como para corrente I de 100mA, estes ajustes de ganho e offset também compensam as tolerâncias dos componentes usados, e serão explicados logo a seguir.

    No circuito, IC1A faz a primeira parcela de ganho, com um aplificador diferencial, com ganho 11, já IC1B é um amplificador não inversor, com um ganho ajustável por R14.

    O primeiro estágio produz parte do ganho total (IC1A), este tem um ajuste de offset, em R12, assim como o segundo estágio (IC1B), também tem um ajuste de offset, em R13, necessário devido ao erro de offset interno do LM324, que não vem ajustado de fábrica e deve ser ajustado externamente.

   A calibração deve ser feita da seguinte forma: com JP1 fechado, se ajusta R12 até que a tensão em TP seja zero, em seguida, com o multímetro na saída, se ajusta o offset em R13 até que neste ponto a tensão seja zero.

  Depois disto, com um resistor de referência, (no meu caso um de 0,010Ω, 1%), ajusta-se o ganho em R14, , logo após a conexão das 4 pontas de prova, para que esta leitura seja obtida no multímetro:

R=V/0,100

  Como o amplificador operacional tem um alto drift, esses ajustes devem ser executados novamente caso a temperatura ambiente seja diferente da última medição.

 

    Na foto é mostrada a montagem em protoboard, no esquema anterior não são mostrados os reguladores de tensão, que são um 7805 e um 7905 para as fontes positiva e negativa.

    Fiz alguns testes, afim de verificar o funcionamento, o primeiro deles foi com um resistor de 0,22Ω, 5%, o valor indicado foi de 2,23V, ou seja, foi indicado 223mΩ. O segundo foi com resistor de 0,1Ω, 10% de tolerância, com resultado de 0,108V, 108mΩ, para o terceiro foi montado com um metro de fio 19AWG, como abaixo:

    Para este fio, segundo esta tabela ,o fio 19AWG tem resistividade de 26.42Ω/km ,para 1 metro são 26,42mΩ, o teste acima revelou 28mΩ, observe que ainda existe o erro do conector, mas é pequeno, comparado com a resistência do próprio fio.

    Por enquanto é só pessoal!
  
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