Gli strumenti di misura delle grandezze elettriche si possono suddividere in base al principio di funzionamento e in base al tipo di grandezza elettrica (tensione, corrente, potenza) presente nel circuito da misurare.
Unità misurata Si distinguono i seguenti tipi di strumenti: Misuratori di corrente e carica elettrica: amperometro: misura l'intensità della corrente elettrica galvanometro balistico: misura la carica elettrica di una corrente impulsiva o l'integrale rispetto al tempo di una tensione pure impulsiva galvanometro: rivela la presenza di una corrente molto piccola Misuratori di tensione: elettrometro rivela la presenza di una tensione molto piccola voltmetro misura la tensione elettrica Misuratori di potenza elettrica: wattmetro misura la potenza attiva varmetro misura la potenza reattiva contatore elettrico (integratore) misura il consumo di energia Misuratori di altre grandezze elettriche: frequenzimetro misura la frequenza di una corrente o tensione alternate cosfimetro (o fasometro) misura lo sfasamento tra corrente e tensione ohmetro misura la resistenza multimetro (o tester) strumento multiuso rivelatore di senso ciclico (o sequenzioscopio oppure sequenzimetro) indica qual è il senso ciclico delle fasi sincronoscopio indica se due circuiti sono in sincronismo tra loro vettorimetro indica più grandezze elettriche vettoriali su un solo quadrante
Struttura Gli strumenti indicatori analogici possiedono un equipaggio mobile che, quando è attraversato da corrente elettrica, è sollecitato da una coppia motrice che dipende dal valore dalla corrente medesima e da una coppia antagonista che si oppone alla coppia motrice e che cresce in funzione dall'angolo di deviazione. Quando si raggiunge l'equilibrio tra le due coppie (coppia motrice e coppia resistente) l'equipaggio mobile si arresta e la deviazione raggiunta (l'angolo che l'indicatore ha percorso) è una funzione univoca del valore della grandezza misurata. Gli strumenti indicatori sono muniti di una scala graduata in vario modo (scala uniforme, scala uniforme a zero centrale, scala quadratica, scala ticonica, ecc.) sulla quale si può leggere direttamente il valore della grandezza da misurare.
In realtà, in assenza di opportuni accorgimenti di smorzamento del moto dell'equipaggio mobile, l'indice compirebbe una serie di oscillazioni attorno al punto di equilibrio fra la coppia motrice e la coppia resistente, di ampiezza via via decrescente, prima di stabilizzarsi dopo avere dissipato la propria energia in lavoro contro le forze resistenti (attrito, resistenza dell'aria). I metodi più efficaci per dissipare l'energia cinetica dell'equipaggio mobile dipendono dal principio di funzionamento dello strumento e possono prevedere l'applicazione all'equipaggio mobile di uno smorzatore ad aria oppure lo sfruttamento della coppia di smorzamento elettromagnetico dovuto alle correnti parassite indotte nella bobina mobile per effetto del suo movimento. Queste correnti, per la legge di Lenz, si oppongono alla causa che le ha generate e quindi determinano il rallentamento del moto.
Strumenti magnetoelettrici (correnti continue)
Gli strumenti magnetoelettrici (o elettromeccanici) consistono in una bobina di filo conduttore immersa in un campo magnetico prodotto da un magnete permanente. Nello spazio interno alla bobina è collocato un nucleo di ferro dolce con lo scopo di creare un piccolo intraferro, di spessore costante, indipendente dalla rotazione della bobina. Questo scopo viene raggiunto anche grazie alla sagomatura del magnete permanente (vedi figura). Quando una corrente scorre nella bobina, si genera su di essa, una coppia motrice direttamente proporzionale alla corrente elettrica medesima.
Alla coppia motrice si oppone una coppia antagonista, creata dalla reazione elastica di una adeguata molla, direttamente proporzionale all'angolo di deviazione dell'equipaggio mobile (o, nel caso di strumenti molto sensibili, dalla torsione del filo di sospensione della bobina mobile). Attraverso tali molle (una sopra la bobina, l'altra al di sotto) circola la corrente che attraversa l'equipaggio mobile dello strumento. Solidale all'equipaggio mobile (bobina) c'è una lancetta indicatrice con sotto una scala graduata. Alla condizione di equilibrio tra le due coppie, quella motrice e quella antagonista, l'equipaggio mobile si arresta e la deviazione raggiunta è una funzione direttamente proporzionale alla corrente che transita nell'equipaggio mobile. Per questo motivo costruttivo la scala di misura è di tipo uniforme.
Se si inverte il verso della corrente che attraversa la bobina, si inverte anche il verso della coppia motrice. Se questo strumento viene attraversato da una corrente alternata l'equipaggio mobile oscillerà leggermente nella posizione di assenza di corrente visto che la coppia motrice, anch'essa alternata, sarà di valore medio nullo.
Per questo motivo gli strumenti magnetoelettrici non sono utilizzabili per correnti alternate, e per funzionare correttamente con le correnti continue necessitano della segnatura di entrata dello strumento. Se esiste la necessità di avere uno strumento da inserire in un circuito dove il verso della corrente continua si può invertire bisogna utilizzare uno strumento a "zero" centrale, in modo che la lancetta indicatrice possa deviare sia a destra che a sinistra senza che lo strumento medesimo subisca dei danni. Uno strumento del genere può avere una portata massima (la massima corrente transitabile) di poche decine di milliampere (millesimi di ampere).
Questo strumento è quasi insensibile alle perturbazione di campi elettrici e magnetici esterni, visto che il magnete permanente possiede un campo di intensità decisamente elevata. Sono abbastanza sensibili alle variazioni termiche; per ovviare (o meglio ridurre a livelli accettabili in base alla classe dello strumento) a questo difetto si aggiunge in serie all'equipaggio mobile una resistenza addizionale (in serie allo strumento, ma dentro la custodia dello stesso) di manganina, in modo che la resistenza totale (resistenza della bobina e delle due molle più la resistenza della manganina) vari poco al variare della temperatura. In questi strumenti la coppia di smorzamento si ottiene, in genere, grazie al campo elettromagnetico (legge di Lenz) che si genera nel telaio portabobina oppure nella bobina stessa.
Campo di applicazione Correnti continue Strumenti realizzabili Amperometri Voltmetri Ohmmetri
Strumenti elettromagnetici (Correnti continue ed alternate) Gli strumenti elettromagnetici sono basati sulle forze che si esercitano tra una bobina, attraversata da una corrente elettrica, ed un piccolo pezzo di ferro dolce sagomato. In pratica, all'interno dello strumento, esiste una bobina fissa e l'equipaggio mobile è costituito da un piccolo pezzo di ferro magnetico rigidamente fissato all'asse dello strumento. Questi strumenti sono comunemente chiamati, per la loro caratteristica costruttiva, strumenti a ferro mobile, visto che l'ago dello strumento è rigidamente fissato ad un piccolo nucleo di ferro.
La coppia motrice dello strumento dipende dal prodotto di due grandezze, la prima grandezza è la corrente che circola nella bobina, la seconda grandezza è il campo magnetico generato dal pezzo metallico presente. Visto che comunque anche la seconda grandezza (il campo magnetico generato dal pezzo metallico) è generato dalla corrente che circola nello strumento, la coppia motrice risulta proporzionale al quadrato della corrente che circola nello strumento, motivo per cui la scala dello strumento è di tipo quadratico (divisioni molto fitte all'inizio scala e abbastanza rade verso il finescala). Sagomando opportunamente i vari elementi in gioco si può rendere la scala dello strumento abbastanza vicina a una scala uniforme.
Se lo strumento viene attraversato da una corrente alternata la coppia motrice varia con i quadrati dei valori istantanei, ma alle frequenze industriali (da 42 Hz a 60 Hz) il sistema mobile non è in grado di seguire le rapidissime variazioni della coppia, per cui l'asse dello strumento si posizionerà sul valore della coppia media. Cioè nella media dei valori istantanei della corrente. In definitiva l'elongazione dello strumento dipenderà dal quadrato del valore efficace della corrente che lo attraversa. Per i motivi costruttivi appena elencati questi strumenti risentono della variazione di frequenza e vanno tarati con una taratura empirica alla frequenza di utilizzo.
La coppia antagonista di questi strumenti può essere generata da una coppia di molle, ma può essere utilizzata anche la gravità terrestre applicata al pezzo di ferro mobile fissato eccentricamente all'asse dello strumento. Questi strumenti sono usati soprattutto negli indicatori da pannello visto la non grande precisione. Sono però molto economici e se ben costruiti, possono essere iscritti nella classe 0,5 (più la classe dello strumento è piccola, più lo strumento è preciso). La coppia di smorzamento si ottiene, in genere, con smorzatori ad aria.
Gli strumenti elettromagnetici si dividono in due grandi categorie:
Strumenti elettromagnetici ad attrazione Gli strumenti elettromagnetici ad attrazione sono costituiti da una bobina molto schiacciata (che può essere composta anche da una sola spira) che attrae un piccolo pezzo di ferro al suo interno. Per questo motivo questi strumenti non sono molto precisi e vanno utilizzati solamente nella posizione prevista dal costruttore.
Strumenti elettromagnetici a repulsione Gli strumenti elettromagnetici a repulsione sono costituiti da una bobina cilindrica dove al suo interno è meccanicamente fissato un pezzo di ferro aderente alla bobina medesima. Parzialmente contrapposto a questo pezzo di ferro c'è un altro pezzo di ferro che è libero di muoversi (ruotare) che è solidale all'asse dello strumento. Al passaggio della corrente elettrica nella bobina, il pezzo di ferro fissato alla bobina si magnetizza, ma si magnetizza anche il pezzo di ferro solidale all'asse della bobina. I due pezzi di ferro si magnetizzano in modo uguale (nel solito senso) per cui vanno a respingersi. Il pezzo di ferro libero di ruotare provoca la deviazione dell'asse dello strumento.
Campo di applicazione Correnti continue ed alternate Strumenti realizzabili Amperometri Voltmetri
Strumenti elettrodinamici (Correnti continue ed alternate) Gli strumenti elettrodinamici si basano sul principio delle interazioni esistenti tra due circuiti percorsi da correnti elettriche.
Questo tipo di strumento è costituito da due bobine: una fissa ed una mobile. La bobina fissa è un po' più grande rispetto alla bobina mobile in modo che la bobina mobile si possa muovere all'interno di quella fissa. In realtà la bobina fissa si compone di due bobine fisse, identiche tra loro, e leggermente separate tra loro. Al centro, nello spazio tra le due bobine, è presente l'asse dell'equipaggio mobile sul quale si trova l'ago dello strumento.
Al passaggio della corrente nelle due bobine fisse si genera una coppia motrice sulla bobina mobile (si genera anche un'altrettanta coppia sulla bobina fissa) che è pressoché proporzionale al prodotto delle due correnti elettriche. Questa dipendenza tra la coppia motrice ed il prodotto delle correnti non è perfettamente proporzionale perché dipende anche dall'angolo con cui il campo magnetico, generato dalla bobina fissa, incontra i fili che compongono la bobina mobile. Tale angolo non è sempre identico, anche se non si discosta mai troppo da un angolo retto. Questo fatto crea uno strumento che possiede una scala pressoché di tipo quadratico ma nonostante tutto (visto che l'angolo tra il campo magnetico e la bobina mobile non è rigorosamente fisso al variare del movimento dell'equipaggio mobile) necessita di una taratura di tipo empirico.