Come si usa un Multimetro Digitale (Tester)

Usare un Multimetro Digitale (o Tester) per misurare tensione, corrente e resistenza può essere semplice, ma ci sono alcune cose che solo i più esperti sanno e cercherò di spiegarle in questo articolo.

Appassionato di Elettronica praticamente dalla nascita , avendo lavorato per 20 anni in Hewlett-Packard e nella sua diretta discendente Agilent Technologies (oggi Keysight), nel settore Test and Measurements, ho avuto la fortuna d'imparare cosa vuol dire fare una misura Elettronica, quali sono le precauzioni da adottare e, soprattutto, ho imparato a leggere le specifiche tecniche degli strumenti di misura che stavo utilizzando, per essere sicuro che la misura avesse un'accuratezza adeguata.

Probabilmente, se disponi soltanto di un semplice Multimetro Digitale "palmare", non hai necessità di fare misure estremamente accurate. Però è bene conoscere i limiti (e le potenzialità) dello strumento che stai utilizzando, anche per scegliere, eventualmente, di utilizzare un multimetro da banco, più sofisticato ma anche più costoso.

Ma non importa se lo strumento che stai utilizzando è costoso o economico, nuovo o vecchio, digitale o analogico: quello che scriverò in questo articolo vale per qualsiasi Multimetro!

ATTENZIONE! Operare su circuiti sotto tensione può essere PERICOLOSO e causare danni, anche gravi, a persone e cose!
Se non hai le competenze necessarie RIVOLGITI A UN ESPERTO!

Prima di proseguire, se vuoi, puoi dare una "rinfrescata" alle tue conoscenze sulle grandezze elettriche principali leggendo quest'altro mio articolo: Volt, Ampere, Watt: cosa sono e come calcolarli.

Se, invece, sei già ferrato sulla materia e sai esattamente cosa vuoi andare a misurare, procedi subito nella lettura, partendo dall'indice:

• Come leggere le specifiche tecniche
• I cavi (o puntali)
• Come fare misure di tensione
• Come fare misure di resistenza
• Come fare misure di corrente
• Altre funzioni

Come leggere le specifiche tecniche

Per fare gli esempi utilizzerò il mio vecchio multimetro Hewlett-Packard E2373A, che non perde un colpo da 20 anni!

Però, questo tipo di multimetri, sono più o meno tutti uguali, quindi non dovresti avere difficoltà a trovare le corrette corrispondenze con il tuo.

Sicuramente, tutti hanno un manuale d'uso con le specifiche oppure, se non sei in possesso del manuale, puoi trovare le specifiche pubblicate su un catalogo o su internet.

Ecco una scansione delle pagine del manuale del mio E2373A con le specifiche:

Analizziamo la pagina punto per punto e iniziamo dalla dicitura (23°C ±5°C <80% RH) che ci comunica che la taratura e la verifica delle specifiche dello strumento sono state eseguite in ambiente controllato a una temperatura di 23 gradi centigradi con una tolleranza di +/- 5 gradi centigradi (cioè la temperatura poteva oscillare tra 18 e 28 gradi centigradi) e con un'umidità relativa inferiore all'80%.

Quest'informazione, a prima vista irrilevante, è in realtà importante (anche dal punto di vista legale) per eseguire eventuali verifiche sullo strumento e soprattutto ci fa capire che gli strumenti di misura sono sensibili all'ambiente e i risultati di misura possono cambiare in base a temperatura e umidità.

Passiamo al punto successivo, Frequenza di calibrazione: un anno minimo, che ci consiglia di far verificare le specifiche dello strumento ed eventualmente calibrarlo almeno una volta all'anno. Questo a causa della normale deriva delle caratteristiche dei componenti elettronici.

Subito dopo ci viene detto che le specifiche vengono indicate come una percentuale della lettura + un certo numero di "digit" (cifre): Accuratezza (tutte le funzioni) = ±(% di letture + numero di cifre). Questo comincia ad aiutarci nella lettura delle specifiche, che faremo tra poco.

Infine, viene indicato un Coefficiente di temperatura, che ci permette di calcolare la variazione delle specifiche al variare della temperatura: Coefficiente di temperatura: Accuratezza specificata × 0,1/°C (0-18°C, 28-40°C).
In pratica, se stiamo facendo delle misure a una temperatura compresa tra 0 e 18°C o tra 28 e 40°C, dobbiamo moltiplicare la specifica per 0,1 per ogni grado centigrado di differenza con le due soglie specificate all'inizio (18°C e 28°C).

Probabilmente non userai mai questo parametro, ma pensavo fosse giusto spiegarlo.

Passiamo ora alle specifiche vere e proprie e, visto che sono scritte tutte nello stesso modo, prendiamo come unico esempio la misura della tensione continua indicata come Tensione CC:

Anzitutto notiamo che le specifiche sono divise per RANGE (portata o scala), cioè avremo un'accuratezza diversa su ciascuna scala che utilizzeremo per eseguire la misura.

Facciamo un esempio pratico: ipotizziamo di voler misurare una tensione di circa 200 mV. La scala più corretta per misurarla è quella dei 300 mV ed è su questo range che il multimetro s'imposterà automaticamente se non selezioneremo la scala manualmente.

Applichiamo i puntali nei punti di misura e sul display leggiamo 201.5 mV.

Ora calcoliamo i limiti d'errore della misura leggendo le colonne RISOLUZ. e ACCURAT.

La colonna RISOLUZ., sulla riga RANGE relativa alla portata 300 mV, ci dice che la risoluzione di questo multimetro, per la misura tensione continua nella scala dei 300mV è di 100 µV, cioè 0,1 mV.

Sul nostro display digitale da 3½ digit (tre cifre e mezza), l'ultima cifra a destra rappresenta proprio le centinaia di µV (o decimi di mV).

Quindi, partendo dal valore misurato di 201.5 mV, sappiamo che il valore reale di questa misura può oscillare da un limite inferiore di
201.5 mV - (201.5 mV × 0,005) - (0,5 mV × 2) e un limite superiore di
201.5 mV + (201.5 mV × 0,005) + (0,5 mV × 2),
dove (201.5 mV × 0,005) è lo 0,5% della lettura e (0,5 mV × 2) rappresenta l'errore delle cifre, come indicato all'inizio.

Facendo i conti, il valore reale della grandezza che stiamo misurando potrà oscillare tra
201.5 mV - 1,0075 mV - 1 mV e
201.5 mV + 1,0075 mV + 1 mV, cioè tra 199,4925 mV e 203,5075 mV.

Ora ipotizziamo una misura simile nel RANGE superiore (3V). Dalle specifiche vediamo che l'errore percentuale peggiora, passando dallo 0,5% allo 0,7%, ma l'errore sul digit migliora riducendosi da 2 digit a 1 digit.

Se, per esempio, stiamo leggendo sul display 2,015 V e facciamo gli stessi calcoli di prima otteniamo quanto segue:
limite inferiore: 2,015 V - (2,015 V × 0,007) - (5 mV × 1)
limite superiore: 2,015 V + (2,015 V × 0,007) + (5 mV × 1)
, cioè
2,015 V - 0,014105 V - 0,01 V e
2,015 V + 0,014105 V + 0,01. Facendo i calcoli, otteniamo che il valore reale può essere compreso tra 1,990895 V e 2,039105 V.

Per completezza d'informazione, la colonna RESISTENZA INGR. indica la resistenza interna del circuito del multimetro, presente ai terminali di collegamento dei puntali, che va da un massimo superiore a 1000 MOhm per la portata 300 mV a 11 MOhm per la portata 3 V e 10 MOhm per le altre portate.

La colonna MASSIMO INGR., invece, indica la massima tensione applicabile ai terminali d'ingresso, che è uguale per tutti i range ed è di ±1000 V in corrente continua e 750 V RMS (Root Mean Square - Valore quadratico medio) per la corrente alternata.

Lo so, può sembrare un po' complicato, ma ti assicuro che è soltanto questione di abitudine. Non ci sono calcoli complessi da fare, solo un po' di semplice aritmetica e con un po' di pratica diventerai bravissimo non solo a fare le misure, ma anche a calcolare i possibili errori che stai introducendo nella misura.

Ma la cosa importante è che tu comprenda che non esiste una misura senza errore e che, dal punto di vista metrologico, indicare una misura senza indicare l'errore non ha alcun senso.

Se, per esempio, tu mi chiedi di costruire una porta, dicendomi che dev'essere larga 1 metro, io la costruisco e ti dico che è larga 1 metro, però senza dirti che l'ho misurata con uno strumento che può commettere un errore di ±1%, ci sono serie possibilità che la tua porta lasci passare aria perché l'ho fatta più piccola di 1 cm (1% di 1 metro) o che non si chiuda perché in realtà è larga 101 cm! .

Ma anche tu, sapendo che non esiste una misura perfetta, devi essere così bravo da dirmi che la porta che mi stai ordinando deve essere larga 1 metro ±0,0005% (cioè ±0,5 mm), perché altrimenti non potrai utilizzarla e io, in base a questa indicazione, dovrò acquistare uno strumento adatto a fare la misura con l'accuratezza richiesta.

Qual è la morale? Che quando si parla di misure bisogna sempre indicare anche le tolleranze!

Concludo questo paragrafo dicendoti che, oltre alla notazione percentuale, è frequente trovare le specifiche espresse come parti per milione, parti per miliardo o come potenze di 10. Per esempio 3×10^-9 equivale a dire 3 parti per miliardo, che è molto più comodo da indicare e ricordare rispetto a 0,0000003%.

I cavi (o puntali)

I cavi con cui eseguiamo la misura sono importanti.

Ne esistono di molti tipi per diverse esigenze di misura (a punta, a coccodrillo, a gancio (clip), a banana...) e di diverse qualità.

Per esempio, i coccodrilli e le clip ti permettono di misurare "agganciandoti" direttamente ai fili elettrici o ai terminali dei componenti elettronici, senza bisogno di tenere il posizione i puntali e lasciandoti così libero di fare le tue letture in tutta comodità e senza rischi (mettere le mani nei circuiti sotto tensione non è mai una buona idea).

Però, per un uso "casalingo", non c'è bisogno di spendere un patrimonio e, qualora volessi avere una dotazione più varia rispetto a quella fornita col tuo multimetro (di solito soltanto i "puntali"), puoi acquistare un kit economico ma completo come questo:

Per misure più accurate, invece, bisogna acquistare cavi appositi, altamente affidabili e con bassa resistenza.
Sì perché la resistenza di un cavo elettrico non è mai nulla
I cavi introducono degli errori nella misura in questi casi:

• Nella misura di resistenza: la resistenza dei cavi si somma a quella sotto misura, quindi la resistenza misurata sarà maggiore di quella reale.
  Questo errore influsce maggiormente sulle misure di basse resistenze perché se, per esempio, i cavi hanno una resistenza di 2 Ohm, misurando una resistenza da 1 kOhm influiranno per lo 0,2% mentre, se sto misurando una resistenza da 10 Ohm, introdurranno un errore del 20%!
  Per questo, quando si fanno misure di resistenza, è buona norma normalizzare la misura cortocircuitando i cavi e misurando l'offset che introducono, per poi sottrarlo dalla misura finale.
  Alcuni multimetri hanno al loro interno una funzione di azzeramento che permette di sottrarre automaticamente la resistenza dei cavi dalla misura.
• Nella misura di tensione: la pur piccola corrente che scorre nello strumento di misura e nei cavi genera una caduta di tensione ai capi dei cavi di misura. Quindi la tensione misurata sarà inferiore a quella reale.
  In questo caso l'errore introdotto è minimo perché la resistenza interna di un buon multimetro è molto alta (superiore a 10 MOhm) e se stiamo misurando, per esempio, 100V, la corrente generata sarà di 100 / 10'000'000 = 0,00001 A che, moltiplicati per gli ipotetici 2 Ohm di resistenza dei cavi, ci causano una caduta di tensione di appena 2 × 0,00001 = 0,00002 V che, per misure normali, è un errore trascurabile rispetto ai 100 V che stiamo misurando.
  Però, se stessi facendo misure più accurate, con strumenti migliori del tuo tester, dovresti tener conto di questo fattore.
• Interferenze da campi elettromagnetici: in alcuni casi, soprattutto quando si stanno misurando valori bassi, quindi su scale ad alta sensibilità, i cavi possono trasformarsi in vere e proprie "antenne" e i campi elettromagnetici ambientali possono influenzare la misura e/o renderla rumorosa.
  Una buona qualità dei cavi, unita alla tecnica "twisted", cioè intrecciare i cavi tra loro più volte, come se si facesse una treccia di capelli, può aiutare a limitare questo problema.
  Intrecciare i cavi aiuta perché, in questo modo, un'eventuale interferenza elettromagnetica influirà allo stesso modo sia sul polo positivo che sul negativo, tendendo ad annullare l'effetto del disturbo.

Probabilmente, non ti capiterà mai di dover tenere in considerazione questi fattori, ma ho ritenuto opportuno informarti su queste possibilità di errore.

Come fare misure di tensione

Passiamo al "cuore" di questo articolo e iniziamo a parlare di misure di tensione continua, per esempio per misurare la tensione di una batteria e tensione alternata, nel caso in cui, sempre come esempio, tu voglia misurare la tensione presente nelle prese a muro di casa tua.

Anzitutto vediamo che in molti multimetri possono essere presenti più di due connettori d'ingresso, di solito tre o quattro:

Nel caso dei tre connettori, molto probabilmente uno, quello centrale, spesso identificato da un colore NERO oppure dal segno - (meno) oppure dalla scritta Common o COM (Comune), è quello destinato al puntale di colore nero, cioè il negativo.

Gli altri due connettori, a volte identificati dal colore ROSSO, sono due ingressi separati per le misure di corrente alta (10 A) e di corrente bassa/tensione/resistenza.

Su altri multimetri puoi trovare quattro connettori, però il concetto è lo stesso, come nel caso di questo multimetro di marca UNI-T:

La separazione degli ingressi è per motivi di sicurezza, serve a evitare di mandare accidentalmente tensione sul circuito di misura della corrente e viceversa, limitando il rischio di "bruciare" il multimetro (o almeno il fusibile, dove presente).

La presenza di connettori "positivi" diversi ci obbliga a spostare il puntale rosso da un connettore all'altro, quindi a fare mente locale e riflettere su quello che stiamo facendo quando, dopo aver misurato una tensione, decidiamo di misurare una corrente o viceversa.

Predisponiamo il multimetro per la misura della tensione continua, ruotando il selettore di funzione sul simbolo corrispondente e inseriamo i puntali nei connettori (boccole) corretti per questa misura:

I multimetri digitali sono quasi tutti in grado di scegliere automaticamente il range (la scala) ma, in caso contrario o se desideri scegliere una scala diversa per esigenze di misura, troverai sicuramente un pulsante o un commutatore che ti permette di farlo manualmente:

A questo punto non dovrai far altro che collegare i puntali (o i cavi di misura) alla sorgente da misurare, facendo attenzione a non creare cortocircuiti e leggere il display.

Ecco un esempio di misura di un alimentatore da 20 V:

C'è da notare un dettaglio del display che, in questo modello di multimetro, oltre all'indicazione digitale presenta anche una barra analogica che serve a darci un'indicazione visiva di eventuali variazioni della misura nel tempo e anche a darci un'idea di dove ci troviamo nel range di misura attuale, cioè in quale punto della scala della portata che stiamo usando per la misura:

Per fare misure di tensione alternata, procediamo nello stesso modo, dopo aver impostato il selettore nella posizione corretta:

Per le misure di tensione e corrente alternata può essere necessario un multimetro "True RMS", cioè a "Vero valore efficace".
Per approfondire l'argomento puoi consultare questa voce su WikiPedia.

Come fare misure di resistenza

La misura della resistenza avviene "iniettando" nel componente da misurare una corrente nota e misurando la relativa caduta di tensione ai capi del componente, secondo questo schema:

Il generatore di corrente produce una corrente d'intensità nota che, tramite i cavi del multimetro, passa nella resistenza da misurare producendo ai suoi capi una caduta di tensione la cui misura, grazie alla Legge di Ohm (R = V/I), ci permette di calcolare la resistenza.
Per esempio, con una corrente I di 1 mA (cioè 0,001 A), se il multimetro misura una tensione V di 1 V ai capi della resistenza R, ci mostrerà un valore di resistenza calcolato di 1 KOhm (1 V / 0,001 A = 1000 Ohm).

Per misurare la resistenza occorre commutare il selettore nella corrispondente posizione:

Precauzione: dopo aver collegato i cavi ai punti di misura ma prima d'impostare il multimetro per misurare le resistenze, assicurati che ai capi della resistenza non ci sia una tensione residua, passando prima per la misura di tensione continua e poi per quella di tensione alternata.
Solo quando sarai sicuro che non ci sia presenza di tensione potrai passare alla misura della resistenza.
Questo serve a evitare che circuiti alimentati inconsapevolmente (cavo di alimentazione collegato, batteria interna o condensatori di filtro dell'alimentatore ancora carichi) possano danneggiare il multimetro o la tua persona.

La visualizzazione del valore della resistenza avviene in modo del tutto analogo a quella della tensione vista nel paragrafo precedente.

Se stai misurando valori di resistenza molto bassi, diciamo sotto i 1000 Ohm, prima di fare la misura, è anche opportuno cortocircuitare i puntali per verificare che la loro resistenza sia ZERO.
Infatti, alcuni cavi dei puntali possono avere una loro resistenza compresa tra qualche decimo di Ohm e qualche Ohm, dipendentemente dalla lunghezza, dal diametro e dalla qualità e questo valore si somma alla resistenza misurata, "pesando" maggiormente sulle misure di valori bassi.

Questo perché se i puntali, per esempio, hanno una resistenza di 1,2 Ohm, questo valore sulla misura di una resistenza da 100 Ohm rappresenta un errore del 1,2% ma su una resistenza da 5 Ohm causa un errore del 24%!

Quindi, per fare una misura più accurata, farai bene a sottrarre dalla misura finale il valore della resistenza dei cavi, misurata cortocircuitandoli.

Tornando all'esempio di poco fa, se leggerai 5,0 Ohm la misura vera sarà 5,0 - 1,2 = 3,8 Ohm.

Alcuni tester hanno una funzione di azzeramento, automatica o manuale, che sottrae automaticamente questo "offset" dalla misura.

Come fare misure di corrente

Per misurare le correnti continue e alternate bisogna impostare il selettore nella corretta posizione e inserire i cavi di misura negli appositi ingressi, se presenti.

Nel caso del mio HP E2373A, la giusta combinazione per correnti fino a 320 mA è questa:

Per correnti fino a 10 A bisogna cambiare la configurazione, in questo modo:

Inoltre, nel mio HP E2373A, è necessario selezionare la modalità (corrente continua o alternata), tramite un apposito pulsante:

Ricordati che per fare una misura di corrente bisogna realizzare un collegamento in serie. Cioè, mentre per le altre misure viste finora i cavi di misura venivano collocati in parallelo al circuito, per la misura di corrente dovrai porre il multimetro tra la sorgente e il carico, secondo questo schema:

Di solito, almeno l'ingresso con la portata in corrente più alta nel multimetro è protetto da fusibile, per evitare che correnti troppo elevate danneggino il multimetro.
Quindi, se per caso non dovesse funzionare la misura in corrente, controlla se è presente un fusibile (in genere all'interno del multimetro o nascosto dietro a un connettore "svitabile") e, se c'è, verifica che sia integro.

Per misurare correnti più alte della massima portata del tuo multimetro (nel mio caso, 10 A), si possono acquistare dei partitori (shunt) come questo che arriva a 20 A. Ma ne esistono per tutte le portate.

In alternativa, se devi misurare frequentemente correnti molto alte, forse ti conviene acquistare uno strumento apposito come questo che arriva a 600 A ed esegue la misura senza dover interrompere il circuito per fare un collegamento in serie, tramite una pinza amperometrica magnetica:

Altre funzioni

I moderni multimetri digitali sono spesso in grado di svolgere altre misure come, per esempio, capacità, frequenza e temperatura.

Inoltre, molti incorporano altre funzioni come prova diodi, prova transistor, test di continuità elettrica (utile per controllare la continuità dei cavi velocemente, ci avvisa tramite un "beep"), ecc...

Insomma, le possibilità sono limitate soltanto dalla fantasia e dal budget ma oggi esistono apparecchiature di tutto rispetto a prezzi veramente bassi come, per esempio, questo Multimetro UNI-T UT61E a Vero Valore Efficace, acquistabile su Amazon:

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Grazie per avermi letto fin qui!

Fabio Donna