Quali sono le caratteristiche principali di un wattmetro tipo elettrodinamometro?

Il meccanismo di smorzamento è una caratteristica standard in tutti gli strumenti elettrici di tipo indicatore a puntatore, utilizzato per fermare rapidamente il puntatore dopo ogni transizione. Il metodo di smorzamento più comune è quello ad aria, impiegato negli elettrodinamometri e negli strumenti a ferro mobile, che saranno trattati più avanti nella Sezione 2.3. Il dispositivo di smorzamento si basa su una paletta di alluminio leggera, fissata all'asse rotante, che può muoversi liberamente all'interno di una camera stazionaria chiusa a un'estremità. Le forze di compressione e aspirazione durante il movimento del puntatore generano lo smorzamento necessario.

L'elettrodinamometro, inizialmente inventato per misurare le correnti continue (DC), si è rivelato altrettanto valido per le correnti alternate (AC), e più di mezzo secolo dopo la sua invenzione è stato applicato alla misurazione della potenza sia in circuiti DC che AC. Il suo impiego nei wattmetri ha sostituito progressivamente quello negli amperometri e nei voltmetri. Un wattmetro tipo elettrodinamometro presenta due bobine: una fissa, chiamata "bobina di corrente", che porta la corrente del circuito $i_L$, e una mobile, chiamata "bobina di tensione" (una volta chiamata bobina di potenziale), che trasporta una corrente proporzionale alla tensione del circuito tramite una resistenza in serie.

Per quanto riguarda le caratteristiche costruttive dei wattmetri tipo elettrodinamometro, la dimensione del filo della bobina fissa è determinata dalla corrente di carico massima per la quale il wattmetro è progettato. Tale corrente viene definita come corrente nominale o corrente a piena scala $I_F$. La corrente massima che la bobina mobile può trasportare, moltiplicata per la resistenza totale $R_V$ (somma della resistenza della bobina mobile e della resistenza in serie), determina la tensione massima applicabile ai terminali di tensione, normalmente contrassegnati come tensione nominale $V_F$. Se il wattmetro viene utilizzato in un circuito DC, $I_F$ e $V_F$ corrispondono ai valori nominali di corrente e tensione in corrente continua. In un circuito AC, invece, i valori di corrente e tensione sono espressi come valori RMS (Root Mean Square), cioè valori efficaci di corrente e tensione.

È fondamentale comprendere che un wattmetro fornisce dati completi solo quando sono noti tutti e tre i valori nominali $V_F$, $I_F$ e $P_F$. Nei wattmetri moderni, è possibile trovare le specifiche equivalenti come $V_F$, $I_F$ e il valore di riferimento del fattore di potenza $\lambda$, dove il valore di potenza a piena scala è dato da $P_F = \lambda V_F I_F$. In pratica, per misurare correttamente la potenza, è necessario considerare la tensione, la corrente e il fattore di potenza del carico, poiché ogni variabile incide sull'accuratezza delle letture.

Come la Misurazione con il Potenziometro DC Influenza gli Errori Sistemici e la Precisione

Nel contesto delle misurazioni elettriche, il potenziometro DC si distingue per la sua capacità di fornire letture estremamente precise di tensione, corrente e resistenza. In particolare, il suo uso è molto utile quando è necessaria una misurazione accurata senza introdurre errori sistematici significativi. Tuttavia, nonostante i vantaggi teorici, nella pratica è necessario prendere in considerazione alcuni fattori che possono influenzare l’accuratezza delle misurazioni.

Errori Sistemici nel Potenziometro DC: L'Influenza del Carico

Quando si eseguono misurazioni con il potenziometro DC, uno degli errori più comuni che possono verificarsi è l'errore sistemico dovuto all’effetto di carico. In teoria, la lettura di zero sul galvanometro indica che il circuito è in un "circuito aperto", quindi nessuna corrente dovrebbe fluire. Tuttavia, in pratica, quando il galvanometro segna zero, ciò non implica necessariamente che la corrente sia effettivamente nulla. Il "zero" mostrato dal galvanometro significa solo che la corrente è inferiore alla risoluzione del galvanometro stesso, che di solito ha una sensibilità di circa 10 nA.

Questa piccola corrente residua può influenzare le misurazioni, e il potenziometro agisce quindi come uno strumento con una resistenza interna che, nella maggior parte dei casi, è dell’ordine dei 100 MΩ, ma può arrivare fino a 1 GΩ con gli strumenti odierni. Un grande vantaggio nell’utilizzo di un potenziometro è che gli errori sistemici legati al carico possono essere ridotti al minimo grazie alla resistenza interna molto alta. Di conseguenza, per misurazioni di tensione, corrente e resistenza, il potenziometro offre una precisione notevole.

Strutture Avanzate di Potenziometro: Wenner e Kelvin-Varley

Quando si ha la necessità di ottenere letture ancora più precise, si ricorre a configurazioni di potenziometro più complesse. Ad esempio, il potenziometro di tipo Wenner, come mostrato nella figura 4.17, è composto da 20 resistenze $R_1$, collegate a un commutatore rotativo a 10 vie. Ogni elemento del Wenner può essere cascato per ottenere una variabilità della tensione in passi molto piccoli, come 1 V, 100 mV, 10 mV, 1 mV e così via. Questo tipo di configurazione permette di ottenere una precisione superiore, ma risulta essere più complesso nella progettazione, richiedendo un numero maggiore di resistori di precisione.

Nonostante ciò, il potenziometro Kelvin-Varley è generalmente preferito per la sua semplicità di progettazione. Il potenziometro Kelvin-Varley, come descritto nella figura 4.19, utilizza decadi di resistenze collegate in serie, e ogni decada è interconnessa in parallelo con una coppia di resistenze adiacenti della decade precedente, come mostrato nella configurazione a interruttore ganciato. Questo design consente di ottenere tensioni precise variabili in passi molto piccoli, come 1 V, 100 mV, 10 mV e così via, con un numero significativamente inferiore di resistori rispetto al sistema Wenner.

La Standardizzazione dei Potenziometri

La standardizzazione non è solo una questione di calibrazione iniziale: nel corso del tempo, anche piccole variazioni nei componenti possono influenzare le misurazioni, quindi è fondamentale eseguire controlli periodici per mantenere la precisione e l’affidabilità degli strumenti.

Considerazioni Importanti nella Pratica

Un altro punto da tenere in mente è che le resistenze e i componenti utilizzati nei potenziometri devono essere di alta qualità, e la loro scelta non deve essere sottovalutata. La stabilità a lungo termine dei componenti è fondamentale, specialmente se si intendono ottenere misurazioni affidabili nel tempo. In questo contesto, la scelta dei resistori di precisione e la loro calibrazione accurata sono fattori chiave.

Come Funziona un Potenziometro AC: Standard di Trasferimento Termico AC-DC e Misura di Tensione AC Sconosciuta

Il principio di trasferimento AC-DC si basa sull’uso delle proprietà termiche delle resistenze in cui la corrente AC genera un incremento di temperatura, che viene misurato tramite termocoppie. In un’unità di trasferimento termico AC-DC, illustrata nella Figura 4.25, un circuito di resistenza standard e una cella standard (o una cella di riferimento di tensione) sono disposti su un lato della corrente continua. L’introduzione di una corrente AC con valore efficace Ix attraverso una resistenza RθA comporta il riscaldamento della resistenza e la generazione di una forza elettromotrice (emf) termica EA nella termocoppia TCA. L’uscita Vc dell’amplificatore operazionale (OA) diventa positiva e, di conseguenza, la corrente continua IDC inizia ad aumentare secondo la logica di controllo del generatore di corrente continua (CDCCS).

Mentre RθB dissipa potenza, anche la temperatura di RθB aumenta, portando l'emf EB della termocoppia TCB ad aumentare. Quando θB raggiunge il valore θA, si verifica il bilanciamento, con EB = EA e Vc che diventa zero. A questo punto, la corrente continua IDC si stabilizza, uguagliando il valore efficace Ip della corrente AC iniziale. Pertanto, il valore di IDC ottenuto è identico al valore efficace di una corrente AC, utilizzando gli effetti termici, e il processo è denominato "Standard di Trasferimento Termico AC-DC".

La versione moderna del potenziometro AC, che utilizza questo standard di trasferimento termico, permette anche una misurazione precisa di una tensione AC sconosciuta. Una volta che il potenziometro è stato standardizzato, come mostrato nella Figura 4.26, il processo di misura avviene collegando la tensione sconosciuta all'uscita del potenziometro tramite un "detector" in serie. A differenza della misurazione di una tensione DC, dove è sufficiente ottenere una lettura zero sul galvanometro, nel caso di una tensione AC è necessario bilanciare sia l’ampiezza che la fase del segnale.

Il bilanciamento di un potenziometro AC richiede aggiustamenti ripetuti per ottenere una lettura zero sul detector, sia per la componente di ampiezza che per quella di fase. Questo processo è più complesso rispetto alla misurazione della corrente continua, in quanto la fase della tensione AC deve essere regolata per raggiungere il bilanciamento. Una volta che si ottiene il bilanciamento, la magnitudine della tensione sconosciuta Vx può essere letta dalle posizioni di PoP e PoS, e la fase θx è presa come uguale alla fase θe di eccitazione.

Il detector, che deve essere capace di rilevare la corrente o la tensione zero, può essere realizzato in diversi modi. Inizialmente veniva utilizzato un galvanometro vibrante, il quale era un tipo di strumento indicatore progettato per sensibilizzare la rilevazione della corrente alternata zero. Successivamente, l’amplificatore audio con cuffie è stato impiegato come detector, fino all'introduzione degli oscilloscopi. Gli oscilloscopi moderni, utilizzati in modalità X–Y, sono ora lo standard per la rilevazione di zero in un potenziometro AC.

Il tipo di potenziometro AC a coordinate, più avanzato rispetto al tipo polare, permette la risoluzione sia della componente in fase che di quella quadratura di una tensione AC sconosciuta. Come descritto nella Figura 4.27, la tensione di eccitazione per la componente in fase è presa come riferimento, mentre la componente quadrata è eccitata da una tensione in quadratura. Questi potenziometri avanzati utilizzano circuiti di induzione mutua, shifter RC e oscillatori di quadratura per generare le due componenti necessarie alla risoluzione precisa della tensione sconosciuta.