MISURE ELETTRICHE

MISURE ELETTRICHE
Prof. Salvatore Nuccio
Il corso, a carattere teorico e pratico, tratta i diversi principi impiegati nelle misure elettriche ed
elettroniche e introduce ai principali metodi e strumenti impiegati in laboratorio.
Costituiscono gli obbiettivi principali del corso la capacita' di scelta degli strumenti, dei metodi e delle
procedure per ottenere i migliori risultati nelle diverse applicazioni e situazioni, nonche' la capacita' di
valutazione della qualita' delle misure ottenute.
Modalita' di esame: L'esame prevede una prova pratica seguita dalla prova orale.
ELEMENTI DI TEORIA DELLE MISURE.
Fondamenti: Definizione di misura. Scopi di una misura. Esecuzione di una misura. Grandezze
misurabili. Schema logico di una misura.
Qualità di una misura: Errori e correzioni. Errori nelle misure ripetute. Cause di variabilità dei risultati.
Errore relativo. Propagazione degli errori nelle misure indirette. Esempi di applicazione.
Errori fortuiti: Distribuzione degli errori fortuiti. Stima del valore centrale. Stima della dispersione.
Livello di confidenza.
Principi generali: Metodi di misura a deviazione, di zero e numerici. Vari tipi di grandezze.
Campionamento.
Sistemi di misura: Catena di misura. Tipi di trasformazione. Funzione di trasferimento. Errori
sistematici e disturbi.
Comportamento dinamico di alcuni sistemi lineari semplici: Funzioni di trasferimento ridotte. Sistemi
del primo ordine. Sistemi del secondo ordine. Risposta a regime ad ingresso sinusoidale. Risposte al
gradino. Risposta agli impulsi.
UNITA' E CAMPIONI DELLE MISURE ELETTRICHE.
Sistemi ed unità di misure: Sistemi di unità di misura. L'unità di lunghezza. L'unità di tempo. L'unità di
massa. Altre unità non elettriche. L'unità elettrica. Unità elettriche derivate. Cambiamento di unità di
misura. Regole di scrittura.
Conservazione e confronto delle unità elettriche: I campioni delle unità elettriche. Determinazione
assoluta delle unità elettriche. Altre possibilità di definizione dell'unità elettrica. Conservazione e
confronto delle unità elettriche derivate. Normalizzazione internazionale e nazionale.
Definizione di un'impedenza: Principio dei quattro morsetti. Conduttanze di dispersione. Impedenza in
c.a. Effetti induttivi.
Campioni per corrente continua: Campioni di f.e.m. Materiali per campioni di resistenza. Campioni
per corrente continua. Resistori a cassetta e a decadi. Resistori campioni di valore elevato.
Campioni di capacità: Requisiti dei condensatori campioni. Condensatori a tre morsetti. Angolo di
perdita. Campioni di valore calcolabile. Tipi di condensatori campioni.
Altri campioni per corrente alternata: Resistori campioni per c.a. Campioni di induttanza. Tipi di
induttori campioni. Mutui induttori campioni. Induttori variabili.
STRUMENTI ELETTROMECCANICI
Strumenti di misura: Caratteristiche generali. Portata, costante strumentale, sensibilità. Errori.
Consumo. Limiti d'impiego. Requisiti di un rivelatore di zero.
Principi di funzionamento: Principi generali. Azioni meccaniche delle grandezze elettriche. Equipaggi
ad azione proporzionale. Equipaggi ad azione quadratica. Equipaggi ad azione quasi quadratica.
Equipaggi a prodotto. Equipaggi a quoziente.
Criteri costruttivi: Classe di precisione. Coppia d'attrito. Sospensioni. Molle. Scale. Indici. Custodie.
Contrassegni.
Il moto dell'equipaggio mobile degli strumenti: Funzione di trasferimento dell'equipaggio mobile.
Requisiti dinamici di uno strumento indicatore. Smorzatori a fluido. Smorzatori elettromagnetici.
Integratori. Strumenti selettivi. Requisiti di uno strumento registratore.
Strumenti magnetoelettrici: Costituzione, principio di funzionamento e caratteristiche degli strumenti
magnetoelettrici. Milliamperometro. Voltmetro. Amperometro. Strumenti a più portate. Strumenti
universali. Galvanometro per corrente continua e sue costanti amperometrica, voltmetrica e wattmetrica.
Galvanometro balistico. Quantometro. Galvanometro a vibrazione. Oscillografo. Logometro
magnetoelettrico. Megaohmmetro a manovella.
Strumenti elettrodinamici: Costituzione, principio di funzionamento e caratteristiche degli strumenti
elettrodinamici. Milliamperometro. Voltmetro. Amperometro. Voltmetro a più portate e amperometro a
due portate. Wattmetro. Portata, valori nominali e valori massimi di tensione e corrente in un wattmetro.
Morsettiera dei wattmetri. Influenza del fattore di potenza del carico sull'errore relativo di un wattmetro:
utilità del sovraccarico. Connessioni di un wattmetro e suoi errori di consumo: Errore d'angolo di un
wattmetro. Wattmetri compensati per basso fattore di potenza. Bilance elettrodinamiche.
Elettrodinamometro. Varmetri elettrodinamici. Contatori elettrodinamici. Logometri elettrodinamici e
loro applicazioni come cosfimetri e frequenzimetri.
Strumenti elettromagnetici (o a ferro mobile): Costituzione, principio di funzionamento e
caratteristiche degli strumenti elettromagnetici. Amperometro. Voltmetro. Frequenzimetro a lamelle.
Galvanometri ferromagnetici ed equipaggi oscillografici. Cuffia telefonica.
Strumenti elettrostatici: Costituzione, principio di funzionamento e caratteristiche degli strumenti
elettrostatici. Voltmetro. Elettrometro a quadranti impiegato quale voltmetro, rivelatore di zero,
wattmetro.
Strumenti termici: Costituzione, principio di funzionamento e caratteristiche degli strumenti a filo
caldo, a termocoppia e a spirale bimetallica. Amperometri e voltmetri a filo caldo e a termocoppia.
Wattmetri a filo caldo e a termocoppia.
Strumenti a induzione: Costituzione e principio di funzionamento degli strumenti a induzione.
Contatore di energia attiva ad induzione. Caratteristiche costruttive. Caratteristiche di errore dei contatori
e relativa compensazione. Contatori polifasi. Contatori per energia reattiva. Contatori speciali.
Comportamento in transitorio. Morsettiera dei contatori monofasi e trifasi. Errori nei contatori. Indicatore
di massima potenza associato ai contatori di energia attiva per le tariffe binomie. Misura del fattore di
potenza medio di un carico trifase.
STRUMENTI ELETTRONICI.
Aspetti generali: Amplificatori di misura. Limitazioni degli amplificatori di misura. Collegamento a
massa e schermature. Rapporti di reiezione (C.M.R.R., S.M.R.R.). Deriva. Rumore. Amplificatori
operazionali e loro applicazioni.
Strumentazione elettronica analogica: Multimetri e circuiti di condizionamento di ingresso. Voltmetri
elettronici per c.c. Voltmetri elettronici per c.a. (a valor medio, a valore di cresta, a vero valore efficace).
Rivelatori di zero elettronici per c.c. e per c.a.
Oscilloscopio a raggi catodici: Principio di funzionamento e uso dell'oscilloscopio. Base dei tempi e
sincronizzazione. Principali caratteristiche costruttive. Caratteristiche di impiego.
Conversione analogica-numerica: Grandezze analogiche e numeriche. Codici binari. Circuiti porta.
Comparatori. Circuiti di conteggio e indicatori. Divisori di frequenza. Conversione digitale-analogica.
Conversione analogica-numerica (conv. a rampa, a gradinata, ad approssimazioni successive, a
integrazione, a doppia integrazione, del tipo flash).
Strumentazione numerica: Caratteristiche generali. Frequenzimetri numerici. Multimetri numerici e
relativi circuiti di condizionamento. Strumenti a campionamento. Oscilloscopi numerici.
Evoluzione dei sistemi numerici (Cenni): Strumenti con microprocessori. Trasduttori e condizionatori
di segnali. Elaborazione. Sistemi di acquisizione dati. Multiplex. Osservazioni sui sistemi di acquisizione
dati. Impiego di minicomputer. Sistemi automatici di prova. BUS di interfaccia per strumenti: IEEE488IEC625, PC-BUS, VME, VXI, PXI.
ALTRI APPARECCHI DI MISURA
Trasduttori:. Cenni su: Trasduttori di grandezze elettriche. Caratteristiche statiche. Errori.
Caratteristiche di carico. Banda di frequenza. Caratteristiche dinamiche. Divisori e derivatori. Divisori di
tensione. Resistori serie. Divisori di tensione a decadi. Derivatori.
Trasformatori di misura: Scopo e funzioni dei trasformatori di misura. Richiami della teoria dei
trasformatori. Convenzioni per i TA e i TV. Caratteristiche costruttive dei TA. Pinza amperometrica.
Caratteristiche costruttive per i TV. Riduttori capacitivi. Trasformatori a largo campo di frequenza e per
c.c. autocompensati (con avvolgimento terziario o con sonda ad effetto Hall).
Impieghi di elementi anomali: Strumenti magnetoelettrici con raddrizzatori. Voltmetri di cresta.
Convertitore termoelettrico. Applicazioni dei diodi Zener. Convertitore a effetto Hall.
MISURE SUI CIRCUITI A REGIME
Fondamenti generali. Circuiti in corrente continua: Sezione di misura. Misura su un bipolo.
Correzione per i consumi strumentali. Errori strumentali. Misura delle piccole resistenze. Misura delle
grandi resistenze.
Misure di potenza su circuiti in corrente alternata monofase: Misura delle grandezze di bipolo.
Determinazione del segno della potenza reattiva. Correzioni per i consumi strumentali. Connessioni.
Errori strumentali. Metodo dei tre voltmetri. Misure con trasformatori di tensione e corrente. Errori
introdotti dalle connessioni. Misure con tensioni e correnti deformate.
Principi generali delle misure sui circuiti trifasi: Misure di potenza su sistemi a più fili. Misure
wattmetriche nei sistemi trifasi a tre fili. Potenze di fase nei sistemi a tre fili. Potenze reattive nei sistemi
trifasi a tre fili. Potenze reattive nei sistemi trifasi con tensioni simmetriche. Altre proprietà dei sistemi
trifasi. Determinazione del senso ciclico. Sistemi trifasi a quattro fili. Misure sui sistemi trifasi a tre fili.
Sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati. Segno delle potenze. Sistemi trifasi simmetrici ma squilibrati.
Costruzione del diagramma vettoriale. Segno delle potenze nei sistemi squilibrati. Considerazioni sugli
errori. Sistemi dissimmetrici e squilibrati. Uso di tre wattmetri. Misure con trasformatori di tensione e di
corrente. Schemi per la misura di energia con contatori inseriti su T.A. e T.V. Misura della componente
omopolare di tensione e di corrente in un sistema trifase ad A.T. rispettivamente a mezzo di T.A. e di
T.V.
METODI DI CONFRONTO Metodi di zero: Principi generali. Sensibilità della misura. Metodi di
sostituzione. Metodi in corrente continua ed alternata. Rivelatori di zero per c.c. Equilibrio in c.c.
Interpolazione. Variatori di sensibilità. Equilibrio in c.a. Rivelatori di zero in c.a.
Metodi di ponte in c.c.: Ponte di Wheatstone. Precisione del metodo di ponte. Calcolo della sensibilità
della misura. Applicazioni del ponte di Wheatstone. Doppio ponte. Sensibilità del doppio ponte.
Metodi di ponte in c.a.: Condizioni di equilibrio. Ponti a quattro lati. Classificazione dei ponti in c.a.
Ponti a rapporto. Ponti a prodotto. Proprietà dei ponti in c.a. Sensibilità nei ponti in c.a. Elementi
parassiti. Residui. Ammettenze fra i nodi. Schermatura. Terra di Wagner. Esecuzione delle schermature.
Scelta del tipo di ponte. Determinazione per mezzo del ponte di Schering della costante dielettrica e
dell'angolo di perdita di un dielettrico.
Metodi potenziometrici: Principio del potenziometro. Potenziometro in c.c. (a corrente costante). Tipi di
potenziometri a corrente costante. Potenziometri per piccole f.e.m. Potenziometri per c.a. a coordinate
cartesiane e a coordinate polari.
Metodo di proiezione.
APPLICAZIONI
Tarature fondamentali in c.c.: Confronto di pile campioni. Confronto di resistori. Misure di tensioni.
Taratura dei voltmetri. Misure di correnti. Taratura degli amperometri. Taratura dei wattmetri. Taratura di
un galvanometro.
Tarature in c.a.: Misure di tensione e di corrente. Taratura di wattmetri. Taratura dei contatori. Metodi
industriali per la messa a punto dei contatori.
Misure di resistenza: Principi generali. Misure di resistività. Misure di resistività su sbarre di rame.
Provini per la misura della resistività di massa di un materiale isolante.
Misure magnetiche in c.c.: Rilievo della curva di magnetizzazione e del ciclo d'isteresi. Schema di
principio. Circuito di alimentazione. Forma del circuito magnetico. Tensiometro magnetico.
Permeametri. Taratura del galvanometro balistico. Misura di induzione magnetica continua: per mezzo
della bobinetta esploratrice e di un galvanometro balistico; per mezzo della spiralina di bismuto; per
mezzo della sonda di Hall.
Misure magnetiche in c.a.: Scopo delle misure. Schema di principio di misura wattmetrica.
Apparecchio di Epstein. Forma d'onda. Misura del fattore di forma. Misura di induzione magnetica
sinusoidale e del relativo flusso a mezzo di: bobina esploratrice e voltmetro; sonda di Hall.
Esercitazioni-Laboratorio: Costituzione, caratteristiche di funzionamento e impiego di apparecchiature
di base di un laboratorio di misure elettriche. Taratura di un galvanometro per corrente continua e
determinazione della resistenza critica. Misura di resistenza con il ponte di Wheatstone. Misura di
resistenza con il doppio ponte. Misura di una f.e.m. continua con il potenziometro. Misura di una
resistenza in corrente continua con il potenziometro. Taratura di un voltmetro per tensioni continue con il
potenziometro. Taratura di un amperometro per correnti continue con il potenziometro. Taratura di un
contatore monofase di energia a mezzo di un wattmetro campione e di un contasecondi. Misura delle
caratteristiche di un carico trifase squilibrato e puro nelle correnti alimentato da un sistema simmetrico di
tensioni. Rilievo dei ciclo di isteresi di un materiale magnetico per mezzo di un oscilloscopio a raggi
catodici. Determinazione della cifra di perdita e della caratteristica delle perdite unitarie in funzione
dell'induzione massima relative a un materiale magnetico laminato mediante l'apparecchio di Epstein.
TESTI CONSIGLIATi:
Appunti dalle lezioni;
G. Zingales: MISURE ELETTRICHE Metodi e strumenti, Ediz. UTET, 1992.