Il multimetro digitale Ing. Gianfranco Miele [email protected] Il multimetro Analogico 16/04/2014 Digitale o numerico Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale Strumenti per la misura di: • tensione continua (VDC) • corrente continua (IDC) • resistenza (R) • tensione alternata (VAC) • corrente alternata (IAC) • possibili funzioni di misura ausiliarie (frequenza, capacità, • tensione di giunzione, ..) 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro portatile Vantaggi • maneggevoli • non hanno necessità di una presa elettrica di alimentazione per funzionare (batterie per l'alimentazione del circuito di misura). [alimentazione necessaria solo per misurazione della resistenza elettrica ] 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro da banco Vantaggi • necessità di un'alimentazione elettrica esterna per funzionare • generalmente prestazioni superiori • possibilità di essere collegati in rete con altri strumenti tramite bus (es.IEEE-488) ed essere gestiti da computer da remoto 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale DMM (Digital Multi Meter) Sistema di condizionamento Conversione analogico-digitale DSP • Sistema di condizionamento Ha il compito di adattare le caratteristiche del segnale in ingresso a quelle dei blocchi di elaborazione successivi • Conversione analogico-digitale Ha il compito di campionare il segnale in ingresso e di convertirlo in forma digitale • DSP (Digital Signal Processing) I campioni in uscita dal convertitore analogico-digitale vengono elaborati fornendo il valore di misura desiderato. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale DMM (Digital Multi Meter) Principali caratteristiche dei multimetri digitali •Differenti portate (range); Generalmente questa strumentazione permette di avere diverse portate, consentendo quindi di poter misurare con un unico strumento valore fortemente diversi. Ad esempio possiamo trovare strumenti con portate presentando valori di fondo scala che vanno da 0.1mV ai 1000V. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale DMM (Digital Multi Meter) Principali caratteristiche dei multimetri digitali •Numero di cifre sul display I dispositivi di visualizzazione nei multimetri digitali sono normalmente display a sette segmenti, caratterizzati dal loro numero di cifre. Ciascuna cifra piena può assumere ogni valore intero compreso fra 0 e 9. Pertanto un display, ad esempio, con tre cifre piene può rappresentare il massimo valore 999. Il costruttore dichiara spesso un numero di cifre con significato pieno più mezza cifra, ad esempio 3 ½. La mezza cifra (a sinistra del display) non può assumere tutti i valori fra 0÷9, ma, per esempio, solo i valori 0 ed 1. In tal caso, il massimo valore che può essere rappresentato su quel display con 3 ½ cifre risulta 1999 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale DMM (Digital Multi Meter) Principali caratteristiche dei multimetri digitali •Numero di cifre sul display 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetro digitale DMM (Digital Multi Meter) Principali caratteristiche dei multimetri digitali • Accuratezza; • Principi operativi • Velocità di lettura La velocità di lettura è espressa come numero di letture al secondo. Questo valore è differente dalla velocità del convertitore analogicodigitale utilizzato nell’architettura dello strumento. Esistono strumenti che presentano velocità di lettura dell’ordine di 1000 letture al secondo (readings per second). 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Architettura di un DMM 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misure di tensione continua ed alternata Osservazione sulle Misure di tensione DC I COM + E + R DMM 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Vm = Vr Misure di tensione continua ed alternata Osservazione sulle Misure di tensione DC I + + COM R E DMM 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Vm = -Vr Misure di tensione continua ed alternata Osservazione sulle Misure di tensione AC Nel caso di AC un DMM fornisce in generale il vero valore efficace (True RMS Value) ottenibile tramite elaborazione analogica oppure digitale. • Nel primo caso, tramite circuiti integrati, si realizza l’espressione analitica che rappresenta l’espressione stessa di valore efficace (quadrato+media+sqrt). • Nel secondo caso si converte ogni campione del segnale di ingresso in forma numerica e lo si elabora tramite microprocessore. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misure di tensione continua ed alternata Osservazione sulle Misure di tensione AC 3 2 1 0 2 Vp-p= 0.707Vrms 1 Vdc offset Generalmente Misurano il valore efficace della componente alternata del segnale in ingresso (Vac) Signal VRMS V 2 AC V 2 DC Attenzione ai non “True RMS” e all’accoppiamento con condensatore per le misure AC 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misure di tensione continua ed alternata Morsetti V ed L Esempio: Portata=3V FS=3.03099V FS= valore massimo relativo ad ogni sottoinsieme Portata = Valore convenzionale corrispondente 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misure di tensione continua Integrating A/D eliminates AC Reference Voltages Protection circuit Input divider puts signal within amplifier's range DC input amplifier + 1.000000 VDC 2 Vp-p AC DCV 1 Vdc *"Terminals" switch in "FRONT" * Press DCV * Note measurement indicates only the dc portion of signal 16/04/2014 3 2 1 0 1 Vdc offset Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche 2 Vp-p= 0.707Vrms Misure di tensione alternata DC proportional to RMS value Coupling Capacitor blocks dc; only lets ac signal through To A/D AC to DC Converter AC amplifier/ attenuator + 707.106 mVAC 2 Vp-p AC ACV 1 Vdc *"Terminals" switch in "FRONT" * Press ACV * Note measurement indicates only the ac portion of signal 16/04/2014 3 2 1 0 1 Vdc offset Signal Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche 2 Vp-p= 0.707Vrms Misure di corrente continua ed alternata Osservazione sulle Misure di corrente continua I COM + R E 16/04/2014 + DMM Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Im = I Misure di corrente continua ed alternata Osservazione sulle Misure di corrente continua I + COM + E R 16/04/2014 DMM Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Im = -I Misure di corrente continua ed alternata Morsetti A ed L Con una piccola modifica allo strumento visto in precedenza è possibile effettuare anche misure di corrente. La corrente incognita viene fatta passare per una resistenza nota, ai capi della quale si manifesta una d.d.p. misurata dal ADC. Analogamente valori efficaci di correnti alternate vengono valutate, con elaborazione analogica o digitale, misurando il valore efficace delle cadute di tensione ai capi del resistore interno noto. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misure di corrente To AC input amplifier ACI DCI To DC input amplifier Internal Current shunt (same for ac and dc) + Iac+ Idc - - + 1.000000 ADC Input HI terminal is NOT the same as for voltage measurement. DCI * SHIFT DCV = Measure DCI * SHIFT ACV = Measure ACI * Never hook current leads directly across a voltage source. 16/04/2014 X Break circuit to measure I Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Iac+ Idc + - Misura di resistenza con DMM Osservazione sulle Misure di resistenza a morsetti Si effettuano a circuito non alimentato e scollegato Consentono di ottenere misure più accurate + R E + COM DMM 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Rm = R Misura di resistenza con DMM Morsetti W H ed L Nella resistenza incognita viene fatta circolare una corrente nota e viene quindi misurata la caduta di tensione (c.d.t.) prodotta. La conoscenza della corrente è dedotta valutando la caduta di tensione ai capi di una resistenza nota. Dunque questa misura si traduce nella misura di due tensioni e nell’elaborazione dei risultati successivi 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza principio di misura • Nella resistenza Rx viene fatta circolare una corrente nota • Si misura la c.d.t. prodotta su Rx • La conoscenza della corrente è ottenuta dalla valutazione della caduta di tensione su Rn DMM H Rx Vx V Rn x I Vn V Rx Rn x Vn Vn Vx Rx I L • In pratica si misurano due tensioni; Si elaborano poi i risultati (microprocessore) 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Rn Misura di resistenza principio di misura 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza a 2 morsetti (W2 W) To DC Input Amplifier Protection circuit Ohms Current Source Iref 1.000000 k Iref 2w *"Terminals" switch in "FRONT" * Press W 2W * Since voltage is sensed at front terminals, measurement includes all lead resistance 16/04/2014 Rx = 1k * To eliminate the lead resistance: * Short leads together * Press Null * Original value will now be subtracted from each reading Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza a 4 morsetti (W4 W) Per le resistenze di valore più basso, i multimetri digitali dispongono spesso di un sistema a quattro morsetti (metodo Kelvin). Attraverso la prima coppia di morsetti (Hi,Lo) lo strumento inietta la corrente nota I0 nella resistenza incognita Rx. Questa corrente passa attraverso le boccole (Hi, Lo) dove incontra la resistenza di contatto Rc che falserebbe la misura standard a due fili (voltmetro V in posizione Ω2w). 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza a 4 morsetti (W4 W) Per evitare questo fatto, con l’altra coppia di morsetti di sensing (Hi, Lo) viene prelevata la tensione su due punti più vicini al resistore incognito Rx. Operando in tal modo (voltmetro V in posizione Ω4w), le cadute di tensione sulle resistenze di contatto Rc, presenti sulle boccole che portano la corrente I0 al resistore in prova Rx, possono essere escluse dalla tensione da misurare, ottenendo una misura più accurata. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza a 4 morsetti (W4 W) To DC Input Amplifier Protection circuit Ohms Current Source Iref 1.000000 m Iref Rx =1 kW 4w * Turn off "Null" *"Terminals" switch in "FRONT" * Press W 4W * Voltage is now sensed directly at the resistor, so lead resistance is not a factor 16/04/2014 * Because input impedance of DC Input Amplifier is so high, no current flows through sense leads, hence no lead resistance error Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di resistenza a 4 morsetti (W4 W) Le c.d.t. sulle resistenze di contatto e collegamento (RI) non influenzano la misura della tensione ai capi di 3 e 4. Inoltre poiché la resistenza di ingresso ai capi di 3 e 4 è molto elevata, le resistenze parassite del circuito voltmetrico (RV) hanno effetto trascurabile. Alcuni strumenti possiedono una funzione autorange che permette di effettuare 2 misurazioni: • Prima misurazione: valore più opportuno della corrente da erogare; • Seconda misurazione: effettiva valutazione di RX. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Sonda per misura di resistenza a 4 morsetti (sonda di Kelvin) 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misura di grandi resistenze Per estendere superiormente il campo dei valori massimi misurabili lo strumento pone in parallelo a RX una resistenza nota RN: RNRM RX RN RM RM è il risultato della misura La c.d.t. assume valori accettabili anche utilizzando correnti non troppo piccole, e quindi valutabili in modo accurato. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Vantaggi multimetri digitali • Sono possibili elaborazioni sui risultati della misurazione (ad esempio la differenza tra due valori misurati, m e di n misure) per aumentare l’accuratezza del risultato. • E’ possibile fissare il campo dei valori entro cui deve essere contenuto il risultato (SAM). • E’ possibile esprimere il valore misurato in dB rispetto a un valore di riferimento. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Valore efficace RMS (Root Mean Square) Il valore efficace di un segnale periodico è definito, matematicamente, come: T 1 2 VRMS v t dt T 0 La formula sopra riportata traduce in termini rigorosi una equivalenza energetica che venne storicamente adottata quando, nella distribuzione dell'energia elettrica, si passò dal regime continuo a quello alternato: “In un tempo pari ad un periodo una corrente alternata con valore efficace della intensità di 1 A circolando su di un resistore dissipa la stessa energia che sarebbe dissipata, nello stesso tempo, da una corrente costante con intensità di 1 A”. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Valore efficace RMS (Root Mean Square) Poiché la misurazione diretta del parametro "valore efficace" di un segnale non è agevole si sono cercate metodi di misura indiretti che permettano la stima del valore efficace dal valore di altri parametri stazionari del segnale. Al rapporto fra il valore di picco di un segnale ed il suo valore efficace è stato dato il nome di "fattore di cresta": analiticamente si può facilmente dimostrare che, per un segnale sinusoidale, il fattore di cresta vale 2½. Dalla conoscenza del valore di picco si potrebbe quindi agevolmente ricavare il valore efficace semplicemente dividendo il valore numerico ottenuto per il fattore di cresta: sfortunatamente il valore del fattore di cresta varia con la forma d'onda del segnale! 1.733 v 1.414 v Waveform Vpeak Vrms 16/04/2014 1 1v 1v Sine 1.414 1 Triangle 1.733 1 Square 1 1 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche DC 1 1 All = 1 WATT RMS – True RMS Fino all'avvento della elettronica di potenza si poteva ritenere che i segnali presenti negli impianti elettrici fossero "praticamente" sinusoidali pertanto, grazie alla semplicità dei circuiti con i quali si poteva misurare il valore di picco delle tensioni, ebbero notevole diffusione gli strumenti basati su questa tecnica; al giorno d'oggi è invece frequente dover operare con segnali apprezzabilmente distorti ed è stato necessario sviluppare circuiti più sofisticati che permettano la corretta misura del valore efficace. Root Mean Square (RMS) 16/04/2014 True Root Mean Square (TRMS) Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri RMS In condizioni ideali un semplice circuito composto da un diodo e da un condensatore permette, esauriti gli eventuali transitori iniziali, di ottenere in uscita una tensione costante di valore pari al valore di picco del segnale in ingresso. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri TRMS Mediante l'uso di amplificatori operazionali con i quali realizzare convertitori log ed antilog, giunzioni differenziali e filtri passa-basso (LPF) si può realizzare un "calcolatore analogico" in grado di valutare il valore efficace del segnale, indipendentemente dalla forma d'onda che esso presenta. v A t vin t vB t 2*log vin t log vin t vE t log vout t 2 2 vin t vC t log vin t log vout t log v t out 16/04/2014 2 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri TRMS vin t vD t vout t 2 Il filtro passa-basso, lascia passare il solo termine costante che ha valore pari al valore medio della vD(t) stessa. 1 vin t vout t dt T 0 vout t T 16/04/2014 2 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri TRMS Sotto l'ipotesi che il segnale di ingresso presenti un valore efficace che resta costante per un tempo sufficiente a permettere al circuito di raggiungere una situazione di regime è possibile considerare la vout(t) come una costante ed estrarla dall'integrale ottenendo: T 2 1 vout t vin t dt T 0 2 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri TRMS Da questa espressione è immediato dedurre la seguente in cui la vout viene ad essere uguagliata alla definizione di valore efficace. T 2 1 vin t dt vout t T 0 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri TRMS La grandezza da misurare è campionata, misurata ad intervalli regolari Tc, e calcolata in tempo reale. Fc=1/Tc è la frequenza di campionamento ≥ doppio della massima frequenza presente nel segnale (teorema di Nyquist-Sannon) , che costituisce la sua banda passante. Se armoniche oltre quella frequenza sono trascurabili, il calcolo ottenuto del veff può considerarsi corretto. Non è corretto invece se esistono frequenze significative oltre la sua banda passante. xRMS 16/04/2014 1 N N 2 x i x12 i 1 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche xN2 N Voltmetro multiportata 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Voltmetro multiportata Iniziando l'esame dello schema si nota per primo il partitore di ingresso che permette di adattare l'ampiezza del segnale al campo di misura consentito dal convertitore AD. Per minimizzare l'effetto della incertezza di quantizzazione si deve impostare la portata immediatamente superiore al valore dell'incognita. Ad esempio, per un segnale di ampiezza 1.5 volt si userà la portata 2 volt; le portate 20 V e 200 V sono eccessive ed il loro uso determina un elevato peso della incertezza di quantizzazione nei confronti dell'incognita mentre la portata 200 mV provoca un "over range" allo strumento. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Consumo dello strumento e resistenza in ingresso Il voltmetro ideale non deriva corrente dal circuito sotto misura pertanto presenta una resistenza interna infinita. Come si può invece vedere dallo schema riportato nella diapositiva precedente i voltmetri multiportata presentano delle resistenze di ingresso che, tipicamente, sono comprese fra 1 e 10 MW con capacità parassita in parallelo di alcune decine di pF. Normalmente questi valori di resistenza sono già sufficienti a rendere trascurabili gli errori di consumo pertanto un moderno voltmetro elettronico è uno strumento di elevata qualità, assai vicino alla astrazione costituita dal voltmetro ideale. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di tensione di elevato valore La possibilità di variare la portata, in particolare elevando il valore massimo della tensione misurabile, è limitata da problemi di sicurezza e di isolamento fra i componenti. Qualora si debbano misurare tensioni maggiori di 1000 volt si preferisce utilizzare un dispositivo esterno al multimetro a cui viene affidato il compito di attenuare il segnale per un fattore noto: questi dispositivi prendono il nome di "sonde per alta tensione". Si trovano in commercio sonde in grado di operare con tensioni fino a 40 kV con incertezza sul fattore di attenuazione di compresa fra 1% e 3%. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di tensione di elevato valore 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di tensione di elevato valore sonda Tektronix P6015A che consente misurazioni per tensioni fino a 20 kV in continua ed a 40 kV per impulsi di durata inferiore a 100 ms 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Amperometro multiportata 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Amperometro multiportata Sfruttando la legge di Ohm è possibile realizzare un amperometro facendo percorrere dalla corrente incognita un resistore di resistenza nota e misurando con un voltmetro la caduta di potenziale che ha luogo su tale resistore. Per realizzare più portate amperometriche si usano resistori diversi, di valore ohmico elevato per le portate minori, di valore ohmico basso per le portate maggiori in maniera tale da mantenere costante la caduta di tensione a "fondo scala". Lo schema seguente presenta infatti cadute di 20 mV sul resistore quando esso viene attraversato dalle correnti rispettivamente indicate. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Amperometro multiportata E' da notare la presenza di un fusibile, indicato con l'usuale simbolo grafico, in serie ai resistori: esso ha la funzione di proteggere lo strumento sia dai sovraccarichi conseguenti alla applicazione di una corrente di valore superiore alla portata massima, sia dal violento sovraccarico che avrebbe luogo se l'amperometro venisse inavvertitamente collegato ad una sorgente di tensione. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Consumo dello strumento e resistenza in ingresso L'amperometro ideale ha resistenza interna nulla, a cui corrisponde una caduta di potenziale nulla fra i morsetti. Questa situazione non è ovviamente realizzabile negli strumenti reali che presentano resistenze di ingresso dell'ordine dell'ohm e variabili in funzione della portata selezionata. Costruttore fornisce il valore della resistenza di ingresso per le diverse portate amperometriche oppure il valore della c.d.p. fra i morsetti dello strumento per una corrente uguale alla portata. Da tale valore resistenza interna. portata 0.2 mA 2 mA 20 mA 200 mA 2A 16/04/2014 caduta (burden voltage) < 0,3 V < 0,3 V < 0,3 V < 0,3 V < 0,9 V resistenza interna (ricavata) < 1500 ohm < 150 ohm < 15 ohm < 1,5 ohm < 0,45 ohm Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Trasformatore voltmetrico Il trasformatore voltmetrico ( TV ) e' un dispositivo che ha un duplice scopo: • permette di riferire il segnale (tensione) da applicare allo strumento di misura ad una massa indipendente da quella del circuito su cui si sta eseguendo la misurazione; • ove necessario (principalmente per ragioni di sicurezza) riduce l'ampiezza del segnale di un fattore prestabilito. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Trasformatore voltmetrico Il principio di funzionamento è quello del trasformatore convenzionale pertanto, in linea di principio, si può affermare che, a vuoto, il rapporto fra le ampiezze della tensione in ingresso V1 ed in uscita V2 e' dato dal rapporto spire N1 / N2. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità Il resistore shunt -o più brevemente "lo shunt"- è un dispostivo atto ad aumentare il valore della corrente misurabile con il multimetro. Quando si deve misurare una corrente di intensità tanto elevata da non poter essere applicata allo strumento, per esempio per le dimensioni del conduttore che non risulta compatibile con quelle dei morsetti dello strumento, si potrebbe pensare di fare ricorso ad un elemento esterno con il quale suddividere la corrente incognita in due frazioni legate da un rapporto noto con precisione, in modo analogo a quanto è stato fatto per il voltmetro con le sonde per A.T. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità Si potrebbe quindi utilizzare un resistore di adeguata resistenza, dotato di morsetti sufficientemente grandi da alloggiare i conduttori e con la possibilità di sopportare la dissipazione di potenza per effetto Joule senza patire eccessivi sovra-riscaldamenti e lo schema verrebbe ad essere il seguente: 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità Si potrebbe quindi utilizzare un resistore di adeguata resistenza, dotato di morsetti sufficientemente grandi da alloggiare i conduttori e con la possibilità di sopportare la dissipazione di potenza per effetto Joule senza patire eccessivi sovra-riscaldamenti e lo schema verrebbe ad essere il seguente: 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità La presenza del fusibile di protezione contro le sovracorrenti altererebbe però in maniera non accettabile il rapporto di ripartizione delle correnti pertanto questo schema viene abbandonato a favore di un metodo indiretto. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Misurazioni di correnti con elevati valori di intensità Agilent 34330A Lo shunt è quindi costituito da un resistore a quattro morsetti che viene utilizzato in abbinamento con un voltmetro numerico per effettuare la misurazione della intensità della corrente. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Trasformatori amperometrici Il trasformatore amperometrico ( TA ) e' un dispositivo che ha molteplici scopi: • permette di isolare galvanicamente lo strumento di misura dal circuito su cui si sta eseguendo la misurazione; • ove necessario riduce l'ampiezza del segnale di un fattore prestabilito; • permette di convertire la intensità di corrente in una tensione quando lo strumento di misura ha un ingresso ad alta impedenza (strumento voltmetrico). 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Trasformatori amperometrici Il principio di funzionamento è quello del trasformatore convenzionale pertanto, in linea di principio, si può affermare che, con il secondario in corto circuito, il rapporto fra le ampiezze della corrente in ingresso I1 ed in uscita I2 e' dato dal rapporto spire N2 / N1. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Pinze amperometriche La inserzione del TA rende necessaria la interruzione del circuito pertanto sono stati sviluppati particolari TA, detti "a pinza" che possono essere messi in servizio senza dover interferire con il funzionamento del circuito sotto misurazione. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Pinze amperometriche In questi dispositivi il conduttore di cui si vuole misurare la corrente viene fatto entrare nel foro del nucleo ferromagnetico aprendo quest'ultimo: il primario è quindi costituito da una sola spira mentre il secondario è ancora dotato di un elevato numero di spire. Volendo è possibile modificare il rapporto di trasformazione realizzando una sorta di solenoide con il conduttore sotto misura ed inserendo il nucleo del TA a pinza entro tale solenoide: questa operazione aumenta la sensibilità del trasformatore di un fattore pari al numero di volte che il conduttore sotto misura passa nel foro del TA. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Multimetri a pinza Sono in commercio degli strumenti, detti "multimetri a pinza", costituiti dalla unione di un multimetro portatile e di un TA a pinza che risultano particolarmente versatili 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Fonti di incertezza del multimetro numerico La cause della incertezza del multimetro numerico sono molteplici. Tra le principali possiamo ricordare: •la quantizzazione operata dal convertitore A/D utilizzato • la incertezza propria dei campioni (di tensione Ec e di resistenza Rc) utilizzati • la incertezza del rapporto di partizione (o di conversione I/V) dello stadio adattatore di ingresso. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Fonti di incertezza del multimetro numerico Un convertitore A/D quantizza il segnale analogico durante la conversione: per farlo il convertitore inizialmente divide il campo di misura in un numero finito di intervalli (normalmente di uguale ampiezza) quindi associa a ciascun valore del segnale campionato il valore medio dell'intervallo in cui esso si trova. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Fonti di incertezza del multimetro numerico La alterazione così introdotta ha un valore massimo che può essere determinato conoscendo l'ampiezza del campo di misura ed il numero di intervalli in cui esso è stato suddiviso. Se il campo di misura è bipolare con estremi Ec e +Ec e viene suddiviso in N intervalli il valore massimo della alterazione, che viene indicata con il nome di “errore di quantizzazione", vale ± Ec / N. valore massimo di N è fissato dal numero di bit utilizzati per la codifica del valore numerico 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Fonti di incertezza del multimetro numerico Incertezza dei campioni Se ricordiamo che il convertitore A/D fornisce una parola in uscita da cui si può valutare la tensione incognita di ingresso attraverso l'espressione: Vx = 2Vc · N / Nmax si può comprendere che la incertezza percentuale (o relativa) del campione di tensione utilizzato, riflettendosi nella incertezza percentuale (o relativa) della misura, fornisce un contributo alla incertezza assoluta proporzionale al valore della tensione misurata. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Fonti di incertezza del multimetro numerico Incertezza del rapporto di partizione o conversione I/V dello stadio adattatore di ingresso. La tensione Vx poco sopra citata è quella in ingresso al convertitore A/D ma ciò che si vuole effettivamente misurare è quella Vin in ingresso al multimetro. Sapendo quale è il rapporto di partizione introdotto dallo stadio adattatore di ingresso, che indichiamo come 1/P, non vi sarebbe problema a ricavare questa effettiva incognita dal valore misurato di Vx attraverso la Vin = Vx · P purtoppo però anche il valore del rapporto di partizione è affetto da incertezza! Facili analogie portano a concludere che anche la incertezza sul valore della resistenza su cui viene fatta circolare la corrente incognita per attuare la necessaria conversione I/V fornisce un contributo alla incertezza assoluta proporzionale al valore della corrente misurata. 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Espressione dell’accuracy L’accuracy di uno strumento numerico è scomponibile in due contributi: • uno che risulta proporzionale al valore della grandezza misurata • l'altro che invece risulta legato al campo equivalente di misura (range). A0(x)=+/- (A/100*valore letto+B/100* range) 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Agilent Espressione dell’accuracy 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Espressione dell’accuracy Questo termine è valido solamente nell’intervallo di temperatura nominale indicato dal costruttore. Se ci troviamo fuori questo intervallo lo strumento può essere ancora utilizzato aggiungendo questo termine AQ(x)= (E/100*valore letto+F/100* range)*DQ Agilent 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Espressione dell’accuracy 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Espressione dell’accuracy 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Espressione dell’accuracy 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche Calcolo dell’accuracy - esempio Rm = 156.23 Ω Range = 1 k Ω A = ± (0.010 % * 156.23 Ω + 0.001 % *1 kΩ) = = ± 0.026 Ω Rm + A Rm - A Rm 16/04/2014 Percorso Abilitante Speciale Misure elettriche