Accuratezza e precisione nella pratica di un hobbista

Molti hobbisti non prestano affatto attenzione all'accuratezza e alla precisione. Altri hanno aspettative molto elevate e percezioni errate a riguardo. Altri ancora sanno che la questione è difficile, ma vorrebbero effettuare misurazioni il più precise possibile. L'articolo evidenzia il contesto generale della questione.

Piotr Górecki – promotore dell'elettronica. Attualmente pubblica la sua rivista "Understanding Electronics". In precedenza, per molti anni, è stato il caporedattore della popolare rivista polacca (Electronics for Everyone). È anche autore di centinaia di articoli e progetti educativi. Fino al 1993, ha lavorato nel settore delle telecomunicazioni.

• Nemici dell'Accuratezza e della Precisione
• Varie Esigenze e Requisiti
• Quali Grandezze Misura un Tecnico Elettronico
• Il Voltmetro e Amperometro Ideale
• Misurazione delle Tensioni AC
• Misurazioni della Temperatura
• Standard di Frequenza e Tempo

Tra gli hobbisti, ci sono approcci estremi alla questione dell'accuratezza. I principianti non sono consapevoli dei problemi – sono felici di usare vari misuratori digitali, che danno una falsa impressione di alta accuratezza. Alcuni più avanzati hanno una consapevolezza parziale del problema, ma purtroppo, le loro percezioni di precisione e accuratezza sono esagerate, irrealistiche nella pratica. L'argomento è discusso a scuola e all'università, ma il problema con gli hobbisti è che la stragrande maggioranza non ha accesso a costose attrezzature di laboratorio di alta precisione. Un hobbista di solito utilizza vari misuratori economici, e tali attrezzature, a causa del loro basso prezzo, devono avere parametri di compromesso.

Fotografia del Titolo mostra un semplice esempio – un tentativo di misurare la tensione AC a una frequenza significativa (20 kHz). Alcuni multimetri non misurano affatto tale segnale. Altri mostrano un grande errore. Alcuni mostrano un risultato vicino alla verità e non sempre questi dispositivi sono i più costosi. Sarebbe meglio testare la propria attrezzatura in un buon laboratorio, ma pochi hanno tale opportunità.

Nemici dell'Accuratezza e della Precisione

Il nemico principale è... la mancanza di denaro, o più precisamente – il budget limitato. Infatti, i migliori multimetri da laboratorio costano oltre 10.000 dollari o euro, e per quel prezzo, si può comprare un'auto non male. Nel frattempo, i multimetri digitali più economici e semplici possono essere acquistati per pochi dollari. Indubbiamente, le soluzioni più semplici e i componenti più economici sono utilizzati in essi. Questo deve riflettersi sui parametri!

I principianti associano principalmente il basso prezzo a una vasta tolleranza dei componenti utilizzati, con la diffusione della produzione dei loro valori. Principalmente resistenze. Tuttavia, in termini di alti parametri dei multimetri, non è la tolleranza dei componenti utilizzati in essi che è la più importante.

Il prezzo dei multimetri è certamente influenzato dalle capacità e dai range di misurazione disponibili, come segnalato dalla fotografia del titolo, ma questa non è una dipendenza ovvia. Il prezzo dei multimetri è principalmente determinato dall'accuratezza e dalla stabilità delle letture. Interessante, paghiamo di più non tanto per l'accuratezza, ma per la stabilità delle letture, che purtroppo non è mai perfetta. E qui arriviamo ai due problemi più grandi: uno è il cambiamento di temperatura, l'altro è il cambiamento dei parametri legati all'invecchiamento, nel tempo. Ecco perché i dispositivi di misurazione migliori devono essere periodicamente controllati e calibrati. Torneremo spesso su questo argomento molto importante. Il prezzo di un multimetro dipende anche da altri fattori, che ho discusso nella serie che inizia con l'articolo Quale Multimetro per un Tecnico Elettronico?

Varie Esigenze, Aspettative e Requisiti

La maggior parte dei multimetri utilizzati dagli hobbisti ha un'accuratezza (qualunque cosa significhi realmente) di circa l'1%, e in alcune misurazioni anche fino al 5%. Si può presumere che ciò che il misuratore indica possa differire dalla verità di uno a diversi percento. In molti circuiti elettronici tipici, deviazioni o dispersioni di circa il 5% o il 10% sono perfettamente accettabili. Pertanto, un hobbista raramente ha bisogno di un misuratore con un'accuratezza migliore dell'1%. Tuttavia, a volte ne ha bisogno – un esempio potrebbe essere la misurazione e l'impostazione della tensione finale dei caricatori LiIon che, secondo la maggior parte delle fonti, dovrebbe essere 4.2V con una tolleranza non peggiore di ±50mV, cioè circa l'1%.

Per essere sicuri che sia così, un misuratore – voltmetro con un'accuratezza migliore dell'1%, idealmente di un ordine di grandezza, cioè 0.1%. E questo non sarà un misuratore popolare per pochi dollari.

Pertanto, ogni tecnico elettronico hobbista dovrebbe avere almeno un multimetro migliore, che oggi non è così costoso come lo era fino a poco tempo fa. Tuttavia, molti di noi vorrebbero misurare con un'accuratezza migliore, anche molto migliore dello 0.1%, e non solo le tensioni DC. La buona notizia è che ci sono molti multimetri economici sul mercato la cui accuratezza massima è migliore dello 0.1%. Un esempio è mostrato nella foto 1. Owon B41 T+ con capacità più ampie (Bluetooth, registratore autonomo). Questo è un esempio di un misuratore degno di nota, economico per le sue capacità. L'accuratezza massima è 0.05%, ma solo sui range di tensione DC.

Il disegno 2 è la specifica di Owon B41 T+, dove si può vedere che l'accuratezza (erroneamente descritta come Accruacy) delle misurazioni diverse dalla Tensione DC è significativamente peggiore. Allo stesso modo, è in tutti i multimetri, anche quelli che costano migliaia di dollari. Un multimetro è più accurato quando misura la tensione DC. In varie applicazioni professionali, sono necessari misuratori, inclusi i multimetri, con un'accuratezza generalmente elevata. A volte l'accuratezza fornita dai misuratori economici a 4.5 cifre, come quello nell'illustrazione 1, è sufficiente. Tuttavia, spesso sono necessari multimetri con parametri molto migliori, e se si hanno risorse finanziarie sufficienti, si possono acquistare.

Allora principalmente multimetri da banco, stazionari, con display 5.5 cifre e anche migliori sono in gioco. I multimetri 6.5-cifre dovrebbero già essere considerati di livello laboratoriale, e ancor più i migliori, cioè 7.5 – e 8.5-cifre. I loro prezzi sono già nell'ordine delle migliaia di dollari. I laboratori sono dotati di tali dispositivi di misurazione migliori e più costosi, e anche questo dipende dalle risorse finanziarie disponibili.

Per quanto riguarda l'accuratezza di tali multimetri più costosi su vari range e funzioni di misurazione, la questione è piuttosto complicata e ci torneremo. In ogni caso, tutti i multimetri migliori devono essere periodicamente controllati (calibrati) e calibrati. E sfruttare appieno le capacità e l'accuratezza dei migliori multimetri non è così semplice come potrebbe sembrare.

Vale anche la pena menzionare che in molte applicazioni professionali, i dispositivi di misurazione non sono necessariamente molto accurati, ma solidamente realizzati, durevoli, e soprattutto – sicuri per l'utente. Questo vale soprattutto per i dispositivi che vengono utilizzati per misurare tensioni pericolosamente alte, come nei circuiti della rete elettrica. Lì non è necessaria un'alta accuratezza, nell'ordine di frazioni di percento, e la cosa più importante è la sicurezza e la certezza che le misurazioni non siano significativamente falsificate. Entrano in gioco certificati periodicamente rinnovati e certificati di calibrazione.

Quali Grandezze Misura un Tecnico Elettronico?

Un buon multimetro, cioè un misuratore universale, soddisfa tutte le esigenze di un tecnico elettronico in termini di misurazioni elettriche? Omettiamo oscilloscopi, che tratteremo in una serie separata di articoli. Bene, un tecnico elettronico misura principalmente tensioni, più spesso DC, ma anche AC. Molto spesso controlla resistenze, e molto meno spesso misura correnti (DC e AC).

La potenza non viene misurata direttamente, ma calcolata, avendo tensione,correntee resistenza. A volte misura la capacità, induttanza, frequenza e tempo, e temperatura. Molti multimetri forniscono tali capacità, ma di solito, altri metodi sono meglio utilizzati per misurarli. Sono necessari anche altri dispositivi e metodi per misurare vari "parametri RF". Questo è un campo separato e ampio.

Il Voltmetro e Amperometro Ideale

Il principio di base è semplice: un misuratore ideale collegato a un circuito non dovrebbe influenzare in alcun modo il funzionamento di quel circuito. A prima vista, la questione è ovvia: il voltmetro ideale dovrebbe avere una resistenza di ingresso infinitamente alta. Più precisamente, non solo resistenza, ma impedenza infinitamente alta. Anche se questo è impossibile, ci sono vari modi intelligenti per aggirare il problema.

L'amperometro ideale dovrebbe avere resistenza, cioè resistenza interna, uguale a zero. Nella maggior parte dei misuratori economici, ovviamente, non è così. Tipicamente, un multimetro digitale come voltmetro ha una resistenza di ingresso di 10 megaohm. Come amperometro, ha una piccola, ma non nulla resistenza interna.

Vale la pena sapere che i multimetri da laboratorio costosi di solito hanno una resistenza di ingresso enorme di molti gigaohm, ma solo su range inferiori (fino a 10...20V). Tali voltmetri ad alta resistenza sono chiamati elettrometri.

È anche necessario sapere che pochi multimetri economici su range di millivoltmetro hanno anche una resistenza di ingresso enorme, che in alcune applicazioni è un enorme, a volte anche inestimabile vantaggio.

Un'altra questione interessante è il nanovoltmetro (tensioni AC), necessario praticamente solo per misurazioni di rumore. Qui, di solito, la resistenza di ingresso è irrilevante, perché la limitazione è il rumore di ingresso degli amplificatori di ingresso necessari, principalmente il rumore termico inevitabile. Questo è un argomento separato interessante, riguardante non tanto i voltmetri quanto gli amplificatori a rumore ultra-basso. E per quanto riguarda l'amperometro ideale, che dovrebbe avere resistenza zero (impedenza interna), si dovrebbe sapere che ci sono tali amperometri! Tuttavia, in pratica, questi sono principalmente microamperometri, nanoamperometri e picoamperometri, alcuni dei quali possono misurare correnti trascurabili dell'ordine di anche singoli femtoampere.

Misurazione delle Tensioni AC

Per la maggior parte degli hobbisti, l'accuratezza della misurazione delle tensioni DC è di maggiore importanza. È molto peggio con l'accuratezza della misurazione delle tensioni AC, specialmente "segnali audio", come dimostrato dalla foto del titolo: a tutti i multimetri è stato dato un segnale sinusoidale "audio" a una frequenza di 20kHz e un livello di +6 dBu (circa 4.4Vpp, 1.55VRMS). Teoricamente, tutti i multimetri dovrebbero mostrare costantemente un valore vicino a 1.55V. Quasi tutti non ci sono riusciti. La foto 3 mostra che a una frequenza di 1kHz è decisamente meglio! Si può vedere che solo pochi multimetri possono gestire la corretta misurazione delle tensioni nell'intera gamma acustica di 20Hz-20kHz. Nota in fondo al disegno 3 che per il piuttosto costoso OWON B41 T+ la banda di frequenza misurata (Frequency Response) raggiunge solo fino a 10kHz. Paradossalmente, i multimetri economici e in molti modi deboli DT9205 gestiscono sorprendentemente bene le misurazioni delle tensioni AC.

Il problema pratico risiede nel fatto che a prima vista questo non è visibile, perché nelle specifiche dei multimetri più economici e amatoriali, le informazioni sulla misurazione delle forme d'onda AC sono di solito incomplete e persino fuorvianti. Una cosa è la banda di frequenze misurate nelle misurazioni delle tensioni e correnti AC. E una questione completamente diversa è la presenza sul misuratore dell'iscrizione TRMS, TrueRMS o RMS. Bene, alcuni pensano erroneamente che tale iscrizione sia un'informazione che il misuratore misura correttamente tutte le tensioni AC nell'intera gamma di frequenze audio. E questo non è vero – tali iscrizioni indicano solo che il dispositivo misura (più o meno) correttamente il valore RMS delle forme d'onda di tensione e corrente distorte a 50Hz. E non dice nulla sulla banda!

Perché alcuni multimetri non così precisi sono così costosi? È difficile determinare sulla base di una specifica semplificata. I motivi variano, e uno di essi può essere le loro capacità nella misurazione delle forme d'onda AC. Esploreremo vari aspetti degli argomenti di misurazione in articoli futuri di questa serie, ma per ora, vorrei menzionare brevemente alcuni altri tipi di misurazioni.

Misurazioni della Temperatura

Non tutti gli appassionati di elettronica comprendono l'impatto della temperatura su tutti i circuiti elettronici. Spesso sottovalutano sia la necessità che le possibilità di misurazioni della temperatura. Torneremo su questo argomento, ma quando si tratta di multimetri, la loro accuratezza nella misurazione della temperatura tramite termocoppie è generalmente scarsa. La risoluzione è di solito di 1 grado Celsius, e l'accuratezza è molto peggiore.

Se è necessaria una misurazione precisa della temperatura, sicuramente non dovrebbe essere fatta con multimetri comuni. Tuttavia, vale la pena sapere che uno dei migliori metodi è l'uso di sensori di platino (RTD) come PT100 o PT1000. In tal caso, si può utilizzare un ohmmetro molto preciso. Ma molto preciso!

Standard di Frequenza e Tempo

Per completezza, dobbiamo anche menzionare le misurazioni del tempo e della frequenza. Per molto tempo, il tempo e la frequenza sono state grandezze che gli hobbisti potevano misurare con un'accuratezza di gran lunga superiore ad altre grandezze "elettroniche". I laboratori utilizzano standard al cesio ultra-precisi (orologi atomici al cesio), offrendo un'accuratezza o un'incertezza nell'ordine di 10⁻¹², che è 0.000001ppm = 0.0000000001%. La definizione di un secondo si basa sul fenomeno utilizzato in tali dispositivi.

In passato, gli oscillatori al quarzo (XOs), specialmente controllati a forno (mantenuti a temperatura costante) OCXOs, servivano come standard per gli hobbisti. Oggi, gli standard al rubidio sono alla portata degli hobbisti, con prezzi che non sono più scioccanti e ora accessibili a molti amatori. In pratica, si può ottenere un'accuratezza ancora migliore utilizzando segnali radio stabili, come trasmettitori radio (ad esempio, 225kHz PR1 o segnali DCF tedeschi). Gli hobbisti moderni utilizzano principalmente segnali GPS come riferimenti di frequenza e tempo. È un argomento affascinante, sebbene non molto conosciuto.

In ogni caso, gli hobbisti possono più facilmente raggiungere un'accuratezza fenomenale quando misurano la frequenza e il tempo — molto migliore di 10⁻⁹ (0.001ppm = 0.0000001%). Per confronto: gli standard di tensione amatoriali più avanzati, utilizzando le migliori diodi Zener, possono raggiungere un'accuratezza o un'incertezza intorno a 10⁻⁶ (1ppm = 0.0001%). Leggermente peggiore, e più difficile, ma ancora comparabile, sono le misurazioni di resistenza. Le misurazioni di capacità sono considerevolmente più difficili e meno accurate, e le misurazioni di induttanza sono ancora peggiori. Ci torneremo più avanti. Nel prossimo articolo, discuteremo e chiariremo alcuni concetti molto importanti legati alle misurazioni.

©Piotr Górecki

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