Multimetro digitale

ESEMPIO DI CALCOLO DELL’ACCURATEZZA 50

PANNELLO FRONTALE – MULTIMETRO DA BANCO

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PANNELLO FRONTALE – MULTIMETRO PORTATILE

Selezione della misura da effettuare

Scelta del DMM 52

Diagramma a blocchi dettagliato

Convertitore A/D nei DMM

Nei DMM si utilizzano ADC a doppia rampa per eseguire la conversione del segnale analogico

in un valore digitale. Il suo funzionamento si basa sull'uso di un integratore e di un comparatore,

e viene comunemente usato in applicazioni dove è richiesta un’elevata accuratezza con una

velocità di conversione moderata (bassa frequenza di campionamento).

• La tensione di ingresso viene applicata ad un

integratore e lasciata "salire/scendere" per un periodo

di tempo Qissato.

• Successivamente, viene applicata una tensione

nota di polarità opposta e lasciata scendere/salire Qino

a zero.

• Quando la tensione raggiunge zero, il sistema

determina il valore della tensione di ingresso

confrontando il tempo di salita con il tempo di discesa,

e conoscendo il valore della tensione di riferimento.

• I tempi di salita e discesa descrivono le due rampe

da cui questa tecnica prende il nome.

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ADC a doppia rampa: Schema elettrico

ADC a doppia rampa: Funzionamento

MISURA DI TENSIONE

Viene effettuata “in parallelo” collegando due elettrodi ai due poli del “generatore”.

A seconda del tipo di tensione che si vuole misurare è necessario utilizzare dei settaggi diversi

del multimetro (misura DC o misura AC).

Se voglio misurare la caduta di potenziale ai capi di una certa resistenza, è quindi necessario

collegare il voltmetro (o il multimetro in conQigurazione da voltmetro) in parallelo alla

resistenza stessa. Questo indipendentemente dal fatto che si voglia misurare una tensione

continua ( # ) o una tensione

="

alternata (# ).

>" 54

• Misura di tensione continua

Se la grandezza da misurare è una tensione continua, i circuiti di condizionamento

hanno solo lo scopo di rendere il valore incognito adatto ad essere applicato al

successivo blocco (Convertitore Analogico-Digitale).

Si tratta quindi di attenuatori e di ampliQicatori selezionabili manualmente

dall’operatore o automaticamente dallo strumento.

Solitamente il campo di tensioni misurabili si estende, a seconda del tipo di strumento,

da parecchie centinaia di volt ad alcuni millivolt o microvolt.

Inoltre, tale campo è generalmente suddiviso in sottoinsiemi parzialmente sovrapposti,

ognuno dei quali è individuato da un valore numerico corrispondente

approssimativamente al valore massimo relativo a quel sottoinsieme e spesso indicato

con il nome convenzionale di portata.

• Misura di tensione alternata

Per la misura in A.C., i multimetri si basano sulla misura del valore efQicace della

tensione. Lo schema prevede l’impiego di un convertitore AC/DC (alternata-continua)

prima della misura. In questo caso quindi la tensione in uscita è costante e proporzionale

al valore efQicace della tensione in ingresso).

Perché rimuovere la corrente continua?

Ipotizziamo di voler misura la tensione di uscita da una catena di acquisizione, dove

l’uscita è una sinusoide la cui ampiezza dipende dal misurando. Il sistema di misura è

alimentato da una tensione continua a 24 V che ritroviamo come valore di offset del

segnale. 3(5) (? )

MISURANDO: = 24 + 0.05 ∙ ;<=> ∙ 5 [#]

-> Componente continua (offset) pari a 24 V

-> Componente alternata pari 100 mV picco-picco

Per effettuare la misura si ha a disposizione un multimetro digitale con a 5½ cifre e

200’000 conteggi con range di tensione 200 mV - 2 V - 20 V - 200 V - 2 kV.

Se si effettuasse la misura della componente continua e della componente alternata in

contemporanea si avrebbe bisogno di utilizzare il range 200 V.

55

Misurando invece solamente la componente alternata è sufQiciente il range 200 mV,

migliorando notevolmente sia la risoluzione che l’accuratezza di misura.

Misura di tensione alternata con offset

Multimetri RMS e True-RMS

Portata nelle misure di tensione

La portata è il valore assoluto massimo della grandezza in ingresso al multimetro. Ogni DMM

ha la possibilità di scegliere tra portate differenti. EY estremamente importante selezionare la

portata più idonea alla grandezza da misurare in modo tale da massimizzare la risoluzione dello

strumento (N.B. La risoluzione è la capacità di rilevare piccole variazioni della grandezza Qisica

in esame).

Normalmente la portata massima per le tensioni è non superiore a 1000 V. La portata minima

è dell’ordine dei millivolt. Le varie portate intermedie sono selezionate manualmente o

automaticamente, agendo sul blocco “Attenuatore o AmpliQicatore”

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Resistenza di ingresso nelle misure di tensione

La resistenza di ingresso del multimetro inQluenza il circuito, modiQicando la distribuzione della

corrente e di conseguenza il valore del misurando.

Per minimizzare questo effetto di inQluenza sul misurando i multimetri vengono realizzati con

B più grande possibile (1 ÷ 10 MΩ). Se B ≫ B allora il parallelo è ≅ B e quindi l’effetto è

? ? % %

trascurabile.

Se invece la condizione non è soddisfatta si commette un errore nella misurazione, noto come

effetto di carico.

MISURA DI CORRENTE

Viene effettuata ‘in serie’ collegando due elettrodi del multimetro in serie al ramo del circuito

sul quale si vuole misurare la corrente. A seconda del tipo di corrente che si vuole misurare è

necessario utilizzare dei settaggi diversi del multimetro (misura DC o misura AC).

Se voglio misurare la corrente che scorre in un circuito, è necessario collegare l’amperometro

(o il multimetro in conQigurazione da amperometro) in serie all’interno del circuito stesso, nel

ramo in cui scorre la corrente incognita. Questo indipendentemente dal fatto che si voglia

misurare una corrente continua (C ) o una corrente alternata (C ).

=" >"

57

Il metodo più semplice per misurare la corrente è quelli di effettuare una misura indiretta

basata sulla misura della caduta di tensione che si genera ai capi di una resistenza nota

(SHUNT). La corrente incognita viene fatta passare per una resistenza nota (interna allo

strumento) ai capi della quale si manifesta una differenza di potenziale che viene misurata:

# = B ∙ C

' <

Shunt per la misura di corrente

Limite della misura con resistenza di shunt

La misura di corrente viene effettuata misurando la

caduta di potenziale sulla resistenza di shunt. La

resistenza di shunt del multimetro inQluenza il circuito,

modiQicando la resistenza equivalente e di conseguenza

il valore del misurando. Per minimizzare questo effetto

di inQluenza sul misurando i multimetri vengono

realizzati con B più piccola possibile (pochi mΩ).

2 58

Se B ≪ B allora la loro serie è ≅ B e quindi l’effetto è trascurabile. Se invece la condizione non

2 5 5

è soddisfatta si commette un errore nella misurazione, noto come effetto di carico.

Sonde di corrente

Nonostante i DMM siano progettati per assicurare piccole resistenze di ingresso in caso di

misura di corrente, è sempre presente una certa potenza dissipata sulla resistenza di shunt.

Maggiore è la corrente, maggiore è la potenza dissipata, con un conseguente maggiore impatto

sulla misura.

Alcuni multimetri permettono di collegare particolari sonde di corrente.

Tali sonde eseguono una misura indiretta della corrente basandosi sull’effetto del campo

magnetico generato dalla corrente intorno al Qilo o sull’effetto Hall.

Misure Volt-Amperometriche

Il metodo più intuitivo di misurare una resistenza incognita B è la procedura di misura

<

indiretta che consiste nel misurare la differenza di potenziale # ai suoi capi e la corrente C

@ @

% %

che ci scorre.

Note entrambe le misure, si sfrutta la legge di Ohm per ricavare la resistenza incognita:

#

@

%

B =

< C

@

%

EY quindi necessario un generatore di tensione DC per alimentare la resistenza e due strumenti

per eseguire la misura: un voltmetro ed un amperometro.

Questo approccio prende il nome di Metodo Volt-Amperometrico

• ConCigurazioni

Nella realizzazione del circuito, si presentano due collegamenti possibili per gli

strumenti e precisamente: 59

L’espressione a monte e a valle si riferisce sempre al senso dell’energia la quale scorre

dal generatore verso l’utilizzatore: nel primo caso il voltmetro è prima

dell’amperometro, cioè verso monte, nel secondo caso invece è collegato dopo (cioè

verso valle).

Voltmetro a monte dell’Amperometro

Confronto tra voltmetro a monte o a valle

I due modi di collegamento sarebbero indifferenti soltanto nel caso, assolutamente ideale, nel

quale l’inserzione dei due strumenti non inQluenzasse in alcun modo il circuito, cioè nel caso in

cui l’amperometro avesse una resistenza nulla B = 0 Ω (i.e., non provoca una caduta di

,;

&

tensione), e il voltmetro una resistenza interna inQinita B = ∞ (i.e., non assorbe corrente).

,;

'

Nella realtà :

• Il voltmetro avrà resistenza interna grande, ma non inQinita.

→ Richiederà per il suo funzionamento una corrente diversa da

zero.

• L’amperometro avrà resistenza interna piccola, ma non nulla.

→ Provocherà ai suoi capi una caduta di tensione diversa da zero.

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MISURE DI RESISRTENZA

La misura di resistenza tramite un Multimetro digitale viene eseguita in maniera indiretta

sfruttando la legge di Ohm.

Si effettuano due misure, una della tensione ai capi del resistore e l’altra della corrente che

scorre su di esso, rispettivamente mediante un voltmetro e un amperometro.

In questo caso però lo strumento esegue tutto in automatico utilizzando un unico dispositivo.

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Misure di piccole resistenze

Particolari cautele devono essere prese quando la resistenza incognita assume valori prossimi

agli estremi del campo di misura dello strumento. Solitamente questo si estende da un minimo

di qualche μΩ Qino a resistente dell’ordine dei GΩ.

Quando vengono misurate resistenze molto piccole, (oppure quando si richiedono risoluzioni

elevate), la misurazione avviene in varie fasi distinte.

• Step 1: viene valutata la caduta di potenziale # causata dalla corrente C fornita dallo

'5

strumento ai capi della resistenza incognita B come mostrato nella slide precedente.

<

• Step 2 la stessa caduta di potenziale # viene misurata in assenza di corrente fornita

'5

dallo strumento.

• Step 3: Il potenziale # misurato in assenza di corrente (Step 1) viene sottratto al

'5

potenziale # ottenuto nella prima fase.

'5 ?

• (#

Step 4: Viene valutato il valore