I tester


Introduzione

Il tester appartiene alla categoria degli strumenti di misura elettrici/elettronici in grado di effettuare misure di tensione (differenze di potenziale tra due punti) in Volt sia alternate che in corrente continua, correnti (anche qui sia corrente alternata che continua), misure di valori di resistenza in Ohm, temperatura tramite sonde di temperatura esterne (termocoppie in genere di tipo J o K, termistori NTC o PTC, sensori ad infrarossi).
In alcuni modelli viene implementata la rilevazione di tipo NCV (non contact voltage sensing) delle tensioni alternate, sfruttando il principio dell'induzione elettromagnetica all'interno di una antenna.
Molti sono i produttori di multimetri soprattutto digitali che dispongono oggi di rilevazione NCV ad esempio FLUKE, UNI-T ad esempio con il modello 139C. Esistono varianti elettroniche del noto strumento in uso presso elettricisti e tecnici elettrotecnici, il cercafase.

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FLUKE LVD2


Sempre più diffusa la possibilità di misure di efficienza di giunzioni a semiconduttore di tipo p-n, mentre solo su modelli di minor pregio e blasone (quasi sempre in tester o meglio multimetri digitali) anche la misura del guadagno di corrente statico hFE per transistor bipolari a giunzione sia di tipo NPN che PNP.

Multimetro digitale con misura del valore di hFE

Sia dei tester analogici che dei tester/multimetri digitali esistono versioni da banco (generalmente aventi maggior costo e maggior precisione) alimentate tramite rete elettrica, sia versioni portatili alimentate a batterie.

Fondamentalmente i tester si suddividono in base al principio, attraverso cui vengono misurate le grandezze elettriche, ovvero tester analogici che utilizzano per la rilevazione delle grandezze elettriche una catena circuitale che comprende per lo più componenti discreti, passivi (resistori, condensatori) oppure tester o meglio secondo la terminologia in uso ormai da tempo multimetri digitali, utilizzanti una catena di conversione analogico-digitale con elaborazione tramite un microcontrollore di tipo general purpose programmato con opportuno codice contenuto in firmware a sola lettura (esempio i Texas Instruments M430F448 utilizzati da FLUKE nei suoi modelli 287/289, 87V, 28-27II) oppure impiegando un circuito integrato per applicazioni specifiche come quelli utilizzati sempre da FLUKE nel suo modello 89IV.

Circuito stampato FLUKE 289
Multimetro digitale FLUKE 289
Tester analogico della italiana ICE modello 680G

Descrizione

Tester analogici

Il funzionamento di un tester analogico prevede essenzialmente l'impiego di uno strumento indicatore ad ago mosso da un galvanometro (microamperometro), strumento magnetoelettrico. L'indicazione della misura avviene su apposite scale graduate mentre per eliminare l'errore di parallasse tra osservatore ed indice, gli strumenti analogici più pregiati come gli ICE dispongono di uno specchio sottostante.

Schema elettrico ICE 680R
Particolare del circuito stampato che ospita i componenti passivi di precisione dell'ICE 680R

Parametro fondamentale per un tester sia esso analogico o digitale/numerico è il valore di impedenza (espressa in Ohm/Volt per gli strumenti analogici; in Ohm per quelli digitali) di ingresso o di inserzione. Questa si riferisce all'errore detto di inserzione dello strumento nelle misure voltmetriche ovvero di tensione (con strumento in derivazione rispetto ai punti di misura).

L'impedenza di ingresso in Ohm/Volt per un tester analogico tipo ICE 680R è di 20000 Ohm/Volt in corrente continua per scendere ai 4000 Ohm/Volt in corrente alternata. Per un tester digitale il valore di impedenza d'ingresso in corrente continua è stato reso standard e pari a circa 10 MOhm. Per misure di tensioni "fantasma" alcuni multimetri digitali come il già citato FLUKE 289 dispongono di una modalità definita "Low Z" in cui viene inserita una impedenza nel "circuito sotto misura" di valore compreso tra 2 kOhm e 100 kOhm.

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Tester digitali

Come si può chiaramente evincere dallo schema a blocchi tipo in figura, un tester (o multimetro) digitale ha un unico blocco circuitale in condivisione con un tester analogico, ovvero lo stadio di selezione dell'ingresso.
Negli strumenti digitali più avanzati oltre al display numerico primario (in alcuni modelli è disponibile anche una visualizzazione secondaria a ridotto numero di cifre mostrate) è presente anche una barra che simula lo spostamento dell'ago indicatore negli strumenti analogici, con maggiore velocità di risposta nell'ordine delle 40 volte e più al secondo, rispetto ai pochi aggiornamenti (in genere un valore compreso tra 3 e 5) al secondo del display numerico principale.

Display di un tester/multimetro FLUKE 189 con in evidenza il display primario, quello secondario in basso e l'indicatore a barra pseudo analogico.


E' presente anche per le misure di tensione in corrente continua un riferimento interno di tensione in genere di tipo band gap anche basato sulla tensione prodotta da un diodo Zener con una certa corrente inversa.
Nel FLUKE 287/289 viene impiegato il circuito integrato LT1019.

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Segue uno stadio di condizionamento e conversione del segnale in ingresso; qui arriva una importante differenziazione in base al tipo di analisi che viene fatta su segnali (tensioni o correnti) di tipo alternativo/alternato dato che possiamo avere strumenti calibrati per il segnale "efficace" di una sinusoide pura (od anche rispondenti al valor medio del segnale) ovvero del tipo a "Vero valore efficace" o TrueRMS (dall'inglese root mean square per indicare la sequenza di operazioni che vengono eseguite sul segnale, da convertire in un valore in continua).

Si possono avere due metodi di calcolo del "vero valore efficace" uno definito esplicito e l'altro implicito.
Il primo si basa sulla applicazione successiva di funzioni al segnale in ingresso ovvero quadrato del segnale, valore medio tramite integrazione su di un periodo in genere del segnale ed estrazione di radice quadrata.
Il metodo esplicito in genere presenta problemi in presenza di segnali in ingresso aventi un fattore di cresta (dato dal rapporto tra valore di picco e valore efficace) come ad esempio segnali complessi con molti picchi.
Il metodo implicito invece prevede il calcolo della radice quadrata secondo uno schema in retroazione, indirettamente all'ingresso del sistema.
Esempio di circuito integrato che implementa il calcolo implicito del "vero valore efficace" è l'Analog Devices AD637 oppure l'AD737J impiegato nel FLUKE 87 III.

Il modulo di amplificazione e quello seguente di "campionamento e tenuta" servono ad adeguare la dinamica del segnale oggetto di misura alla dinamica del convertitore analogico-digitale che si comporta come un sistema a tempo discreto, campionando il segnale nel dominio analogico, per convertirlo in quello digitale.
Fino a qualche tempo fa il convertitore ADC (analog to digital converter) di elezione nei multimetri/tester digitali era quello ad integrazione secondo una variante dello schema tradizionale a doppia rampa.
Un classico esempio è stato l'Intersil 7106/7 convertitori analogico-digitali per realizzare piccoli multimetri digitali a 3 cifre e mezzo con capacità di pilotaggio, diretto di display a cristalli liquidi (7106) oppure display a sette segmenti a LED (7107).

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Multimetro a 3 cifre e mezza basato su ICL7107


Usavano questo sistema di conversione ad esempio i FLUKE 87, 87III. Più di recente la conversione ADC a sovracampionamento di tipo Sigma-Delta ha fatto la comparsa ad esempio nei FLUKE 87V e FLUKE 287/289, l'LTC2435 adottato nell'87V oppure l'LTC2415 presente nella serie FLUKE 287/289.

True RMS ottenuto per via implicita
Schema a blocchi tester digitale
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Specifiche tester

Portata
Specifica l'intervallo di misura ottenibile o tramite selezione manuale del fondo scala (valore massimo) sia nei tester analogici che digitali; ovvero tramite selezione automatica del fondoscala nei tester digitali provvisti di meccanismo di autoranging (attuato ad esempio nelle misure di tensione inserendo o disinserendo resistori del primo stadio di attenuazione tramite microcontrollore).

Risoluzione
La risoluzione è la più piccola variazione, nel valore della grandezza da misurare, che causa una variazione percettibile dell’indicazione in uscita. Per un tester digitale, tale quantità coincide con la variazione di una unità per la cifra meno significativa (ossia la cifra più a destra nel display).

Sensibilità
La sensibilità di uno strumento è il rapporto fra una variazione dell’indicazione in uscita e la corrispondente variazione nell’ingresso.

Accuratezza
L’accuratezza di uno strumento stabilisce il grado di accordo del valore misurato con il vero valore del misurando e rappresenta il parametro più importante per la qualità di una misura. L’accuratezza di uno strumento viene dichiarata dal costruttore in vari modi. Talvolta si fornisce un parametro riassuntivo di tutte la cause di errore, assegnando allo strumento la classe di precisione. La classe di precisione rappresenta il valore massimo dell’incertezza (Imax) che si può avere in qualunque punto della scala, espresso in percento (c%) del valore di fondoscala (VFS). Imax=(c%/100) VFS.

Negli strumenti digitali, con visualizzazione numerica, la risoluzione rappresenta solo il peso dell’ultima cifra, l’accuratezza rappresenta la qualità complessiva della misura, di cui la risoluzione costituisce solo uno degli elementi. Le loro differenze si notano anche dal punto di vista numerico.

Precisione
Questo è un parametro molto diffuso ma non è sinonimo di "accuratezza". In genere viene connotata tramite:
Ripetibilità ovvero il grado di accordo ottenuto fra misure successive dello stesso misurando, effettuate nelle medesime condizioni: la stessa procedura, lo stesso osservatore, lo stesso strumento, lo stesso luogo, entro un breve lasso di tempo.
Riproducibilità ovvero il grado di accordo ottenuto fra misure successive dello stesso misurando, effettuato in diverse condizioni, da specificarsi: diverso metodo di misura, diverso campione di riferimento, diverse condizioni d’uso, diverso luogo e tempo, diverso operatore.

Numero di conteggi del display

Per i tester digitali specifica il massimo valore della grandezza misurata, mostrato a display prima di dover cambiare la portata (con relativo nuovo fondo scala). Ad esempio uno strumento da 50000 conteggi è in grado di mostrare un valore massimo di 49.999 con perdita di una cifra di risoluzione al cambio di portata.
I multimetri FLUKE 189 ad esempio sono strumenti da 50000 conteggi (modalità display per 4 cifre e mezza) oppure 5000 conteggi (modalità display per 3 cifre e mezza). In ambedue i casi con aggiornamento del display a 4 volte/secondo.

Numero di cifre

Spesso i costruttori di tester digitali per indicare la risoluzione dello strumento adottano un criterio che li classifica in base al numero di cifre. Abbiamo quindi tester da 3.5 cifre (3 cifre e mezza) per indicare la capacità del display di visualizzare le tre cifre meno significative con numeri che vanno da 0 a 9, mentre la rimanente cifra può solo assumere valore 0 oppure 1; tester da 4.5 cifre, 5.5 cifre e per tester/multimetri da banco anche 6.5 e superiori.

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Norma EN 61010
La versione più aggiornata della norma EN 61010-1, che stabilisce i requisiti di sicurezza per apparecchi elettrici di misura, controllo e per utilizzo in laboratorio nonché per i relativi accessori, è stata pubblicata nel 2011. Ha sostituito le regolamentazioni degli anni 1999 e 2004. La prima versione della norma, IEC 61010-1, era stata elaborata dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC - International Electrotechnical Commission).
La norma EN 61010-1 riguarda le apparecchiature a bassa tensione quindi quelle destinata a funzionare con tensioni non superiori a 1000 V.

Norma EN 61010-1

Richiami sulle misure di tensioni, correnti e valori di resistenza

Misure di tensione

Per misurare il valore di una tensione (in corrente continua od alternata/alternativa) lo strumento di misura viene connesso in derivazione ovvero in parallelo ai punti tra i quali si effettua la misura.

Misura tensione o differenza di potenziale a vuoto di una batteria
Misura di tensione in corrente alternata con carico resistivo (lampadine)

Misure di correnti

Per la misura di una corrente che scorre in un circuito elettrico a maglia, percorso chiuso si hanno due opzioni. La prima prevede di collegare in serie lo strumento di misura interrompendo un ramo del circuito con il che la misura di corrente viene automaticamente convertita in una misura di tensione (corrente continua od alternata/alternativa) per tramite di uno shunt resistivo.
Uno shunt resistivo è un resistore di basso valore ohmico ed elevata precisione.
Altra opzione prevede l'impiego di una pinza amperometrica che permette di non interrompere il circuito elettrico anche alimentato. In questo caso per avere una indicazione corretta del valore di corrente in Ampère, la pinza va chiusa su di un solo conduttore.

Misura di corrente con strumento in serie al ramo
Misura corrente con pinza amperometrica

Misure di valori di resistenza

Le misure di resistenza elettrica (in Ohm) vengono implementate tramite impiego di un generatore interno di corrente continua (una batteria nei tester analogici) tramite cui viene fatta scorrere una corrente elettrica all'interno del resistore di valore incognito, Rx.
Nei tester analogici in assenza di resistore incognito inserito tra i puntali, ponendo questi ultimi in contatto si realizza un cortocircuito che pone a fondo scala lo strumento indicatore, permettendo tra l'altro di misurare il valore residuo in Ohm della resistenza offerta dai conduttori con i quali sono costruiti i puntali stessi.

Schema elettrico ohmetro ICE 680G con in evidenza i due diodi di protezione in antiparallelo allo strumento indicatore
Schema di principio di un ohmetro

Conclusioni

I tester (o multimetri per indicare la capacità di eseguire molteplici misure su circuiti elettrici) sono strumenti di misura fondamentali in ogni laboratorio elettronico, elettrotecnico ed anche informatico per operare sui circuiti elettronici di base, il cosiddetto hardware. Oggi sono dotati anche nelle versioni portatili di notevole stabilità e precisione; la stabilità è dovuta essenzialmente alla stabilità nel tempo del valore elettrico espresso dai componenti passivi (resistori e reti resistive impiegate nei multimetri digitali nei loro front end) ed alla stabilità a lungo e breve termine dei riferimenti interni, di tensione.


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2 comments

  • Gabriel Beasley

    Excellent description!

    Gabriel Beasley
    • Post authorMarco Franceschini

      Many thanks Gabriel.

      Marco

      Marco Franceschini

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