Strumenti Digitali per Misure Elettriche: Multimetri e Pinze Amperometriche

Strumenti Digitali: Funzionamento e Applicazioni

Gli strumenti digitali svolgono sostanzialmente la stessa funzione degli strumenti analogici. La differenza principale è che il valore della misura si riflette su un monitor o schermo LCD, e il trattamento dei dati avviene attraverso convertitori analogico/digitale (A/D) o in modo completamente digitale. Gli strumenti digitali hanno molte funzioni integrate, come la capacità di misurare tensione (AC e DC), corrente, resistenza, induttanza, capacità, continuità, frequenza, il guadagno dei transistor bipolari, ecc. Per questo motivo, sono spesso conosciuti come multimetri digitali. Esiste un'ampia gamma di multimetri, classificati in base alle loro prestazioni, robustezza, qualità e prezzo.

Uno strumento identificato con una visualizzazione di 3 1/2 cifre può mostrare le ultime tre cifre da 0 a 9, mentre la prima può essere solo 0 o 1. Ciò significa che il display può mostrare un valore massimo di 1999. Nel caso in cui lo strumento digitale in uso sia a "selezione automatica", se la misura da effettuare supera la capacità dello strumento, il display visualizza "OL" (Overload).

Campionamento

Il campionamento è un processo che avviene a intervalli di tempo fissi, con misure ripetute. I risultati di queste misure sono poi elaborati per ridurre gli errori. Il passo di campionamento è il parametro che determina la velocità del dispositivo. È normale che un dispositivo con un passo di campionamento elevato non sia in grado di misurare efficacemente quantità che cambiano rapidamente.

Discretizzazione e Conversione Analogico-Digitale

Dopo che il dispositivo ha misurato la grandezza, la trasforma in un numero variabile adimensionale. In questa fase, il dispositivo non è a conoscenza della grandezza fisica e riguarda solo la quantificazione numerica. Naturalmente, il numero di dati utilizzati in questa procedura non è infinito, poiché è una diretta conseguenza della potenza di calcolo del dispositivo e delle sue caratteristiche costruttive. In questi casi si parla di una conversione digitale a N bit. Stabilito il numero di cifre binarie (bit), è possibile impostare il numero di livelli utilizzabili per rappresentare la misura: ad esempio, 10 bit = 1024 livelli.

Descrizione degli Strumenti Digitali

Nei sistemi digitali, l'elaborazione del segnale misurato viene eseguita in formato digitale. Se il segnale di ingresso è analogico, viene convertito in digitale da un convertitore analogico/digitale (A/D). La misurazione viene poi effettuata con sistemi digitali che interpretano i due stati logici binari (uno e zero), conosciuti come bit. La tecnologia di programmazione applicata varia la rappresentazione della tensione per ciascuna cifra binaria, ma in tutti i casi il valore '1' rappresenta lo stato 'acceso' (ON) e il valore '0' lo stato 'spento' (OFF).

Convertitori A/D

Come suggerisce il nome, sono dispositivi elettronici che consentono di convertire qualsiasi segnale analogico in formato digitale.

• Convertitori A/D a Scala a Rampa: Sono i più semplici. All'avvio, il segnale di ingresso analogico è paragonato a una rampa digitale e, attraverso gli impulsi di clock o "orologio" che alimentano il contatore durante il processo di confronto, si produce la conversione. Quando il segnale della rampa digitale supera il valore del segnale analogico, il conteggio viene inibito.
• Convertitori A/D ad Approssimazioni Successive: Sono ampiamente utilizzati per la loro combinazione di alta velocità (tra 1 e 5 µs) e un'ottima risoluzione, ma sono più costosi.
• Convertitori A/D Dual-Slope (a Doppia Rampa): Sono normalmente utilizzati quando è richiesta alta immunità al rumore, alta precisione ed economia. Possono eliminare molto rumore dal segnale d'ingresso, poiché la conversione digitale di questo segnale avviene in una fase di integrazione. Questi convertitori sono ampiamente usati nei voltmetri digitali.
• Convertitori Tensione-Frequenza (V/F): Questi dispositivi funzionano convertendo l'ingresso analogico in un treno seriale di impulsi binari, che hanno una frequenza f (o periodo T) basata sul valore numerico della tensione di ingresso. Attraverso questo meccanismo si ottiene una conversione con alta reiezione del rumore dal segnale di ingresso.
• Convertitori A/D Flash (o Paralleli): Questi convertitori sono i più veloci di tutti quelli sopra descritti. L'ingresso analogico è distribuito attraverso una rete resistiva a una serie di 'N' comparatori. Questi comparatori alimentano un encoder.

Fattori da Considerare nella Scelta di uno Strumento Digitale

Accuratezza

L'accuratezza degli strumenti digitali è in genere superiore a quella degli strumenti analogici. Tuttavia, è fondamentale interpretare le specifiche dei produttori in modo chiaro e preciso, poiché la maggior parte di essi indica l'accuratezza di uno strumento digitale come una combinazione di errori costanti e proporzionali. I tre concetti chiave per comprendere le specifiche di precisione sono:

• Risoluzione: La risoluzione di uno strumento digitale indica il numero di cifre visualizzabili sul display.
• Errore Costante: Sono tutti gli errori che rimangono costanti per tutta la gamma di utilizzo dello strumento ed espressi in percentuale del valore di fondo scala, analogamente agli strumenti analogici.
• Errore Proporzionale: Sono errori che variano in proporzione al valore della misurazione e sono espressi come percentuale del valore della misura effettuata.

Impedenza di Ingresso

Un altro fattore da considerare nella scelta dello strumento digitale è la sua impedenza di ingresso. Come gli strumenti analogici, il circuito digitale può influenzare le misurazioni effettuate, causando altri errori oltre a quelli già citati.

Velocità di Lettura

La velocità di lettura della maggior parte degli strumenti, misurata in letture al secondo, è ragionevole. Esistono tuttavia strumenti che raggiungono fino a 800 misurazioni al secondo.

Il Multimetro Digitale

Questo strumento può essere utilizzato per una vasta gamma di misure. Un multimetro digitale diventa un ohmmetro quando si aggiunge una sorgente di corrente costante. Questa sorgente inietta corrente nella resistenza R da misurare. Il voltmetro misura la caduta di tensione che si verifica nella resistenza, consentendo così, tramite un processo interno, il calcolo del valore di resistenza.

Il multimetro digitale è portatile, alimentato da una batteria interna e dispone di due cavi (sonde) utilizzati per il collegamento al punto di misura. Come già accennato, il multimetro digitale, oltre ad essere molto più pratico e maneggevole rispetto a quelli analogici, è anche più veloce.

Controlli del Multimetro

Sul pannello frontale del multimetro sono collocati tutti i comandi disponibili, oltre allo schermo per la lettura dei dati.

Caratteristiche del Multimetro Digitale

È un dispositivo con molte funzioni diverse:

• Ohmmetro
• Voltmetro per tensioni continue (V=)
• Voltmetro per tensioni alternate (V~)
• Amperometro (A=)
• Controllo diodi

Connettori del Multimetro

I connettori del multimetro consentono il collegamento di due fili o sonde fornite con il dispositivo per effettuare le misurazioni. Di solito uno dei connettori è di colore rosso e sono comunque contrassegnati con lettere e/o numeri.

Schermo del Multimetro

Lo schermo del multimetro è, in pratica, l'interfaccia del dispositivo che trasmette tutte le informazioni.

Pinza Amperometrica (Clamp Meter)

La pinza amperometrica è uno strumento in grado di misurare l'intensità della corrente che scorre in un conduttore senza toccarlo fisicamente. Per la misurazione, la pinza misura il campo magnetico generato attorno al filo a causa del flusso di corrente.

Funzionamento della Pinza Amperometrica

È sufficiente far passare il cavo di cui si vuole misurare l'intensità di corrente all'interno della ganascia della pinza. Le linee del campo magnetico generato vengono catturate dall'anello, che induce una tensione proporzionale alla corrente misurata.

Caratteristiche della Pinza Amperometrica

Questa proporzionalità tra la misura di corrente e la tensione in uscita viene visualizzata sullo strumento.

Simbologia del Multimetro

Ogni multimetro utilizza una simbologia specifica per indicare alcune situazioni particolari. Nel caso di un multimetro usato come ohmmetro, se il display visualizza "OL" (Overload) o "1", ciò indica normalmente un circuito aperto tra due o più punti (resistenza infinita), segnalando che lo strumento è fuori dalla portata della misura.

Misure di Tensione

Per le misure di tensione, i multimetri di solito hanno due possibili funzioni:

• Misura della tensione DC (continua).
• Misura della tensione AC (alternata).

Misure di Continuità

Una delle operazioni di verifica più frequenti in un'installazione elettrica o su un componente elettronico è la verifica della continuità. È fondamentale definire la continuità ohmica. La continuità ohmica è generalmente intesa come una connessione tra due punti di un conduttore che non presenta una resistenza superiore a 200 ohm. In pratica, il dispositivo di misurazione agisce come un ohmmetro, ma in questo caso fornisce un segnale acustico (buzzer) quando misura una resistenza inferiore a 200 ohm.

Misure di Tensione Alternata (AC)

Teoricamente, il dispositivo fornisce il valore efficace della tensione alternata. Questo è vero solo se:

• La tensione alternata è perfettamente sinusoidale.
• Il voltmetro legge il vero valore RMS (True RMS).

In tutti gli altri casi, esistono approcci specifici per valutare le misure RMS di forme d'onda non sinusoidali.

La tensione alternata può essere misurata o calcolata. Il modo più semplice è misurare il valore di picco del segnale e quindi applicare la formula: V_RMS = V_picco / √2. Questa formula è valida solo per forme d'onda perfettamente sinusoidali.

Misure di Tensione Continua (DC)

Per misurare una tensione DC, che è una differenza di potenziale elettrico tra due punti di un circuito, è necessario impostare lo strumento sul settore indicato dal simbolo appropriato. Si consiglia di posizionare l'apparecchio inizialmente sulla scala più grande per evitare danni in caso di tensioni inattese, per poi scendere al valore appropriato.

Consumo dello Strumento

In realtà, lo strumento di misura ha un certo assorbimento che corrisponde al valore della sua resistenza interna. Questo valore di resistenza interna non è fisso, ma dipende dalla corrente di fondo scala selezionata.

Misure di Corrente

Per misurare una corrente, oltre a programmare il dispositivo nella zona contrassegnata con il simbolo (A=) o (A~), è necessario interrompere il circuito elettrico in un punto. In realtà, il dispositivo di misurazione della corrente (amperometro) deve essere collegato in serie con la maglia di cui si desidera conoscere la corrente.

Un problema: la connessione accidentale in parallelo di un dispositivo programmato per misurare le correnti può causare gravi danni, poiché, a differenza delle misure di tensione, con questa scelta la resistenza interna del dispositivo è molto bassa.

Assorbimento e Collegamento dell'Amperometro

Idealmente, il collegamento dell'amperometro in serie con la rete elettrica non dovrebbe causare alcun assorbimento. In realtà, il dispositivo ha una piccola resistenza interna che disturba il normale funzionamento del circuito. La qualità di un amperometro, dal punto di vista dei consumi, è valutata in base al valore più basso della sua resistenza interna.