Il multimetro digitale

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
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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)
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Agilent
Espressione dell’accuracy
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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
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Espressione dell’accuracy
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Espressione dell’accuracy
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Espressione dell’accuracy
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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
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