Lezione N°7: Strumentazione elettrica, amperometri e galvanometri

La strumentazione elettrica

La strumentazione di misura di grandezze elettriche

• Amperometro: strumento per la misura della corrente
• Voltmetro:strumento per la misura della tensione
• Wattmetro: strumento per la misura della potenza
• Multimetro: strumento per la misura di più grandezze, solitamente resistenza, tensione, corrente.
• Oscilloscopio: strumento per visualizzare la forma d'onda del segnale ( gli strumenti precedenti quantificano in un valore la misura)

Tipologia della strumentazione

• Strumenti ad indice: Voltmetro, Amperometro, Wattmetro, Multimetro
• Strumentazione analogica: oscilloscopio analogico
• Strumentazione digitale: Multimetro digitale, Oscilloscopio digitale, Wattmetro digitale

CE 50 ICE DOC D.C. 120XE 52/V POOV 12 $211 500V 10.6

Strumenti digitali

Strumenti ad Indice CE

Strumenti ad indice

30 20 50 10 5 5 k 1 k 200 100 IN Flu www OH MS Rx 1 Zero RX 10 ohms R × 100 RX1k R × 10 k (b) Range switch and scale

Strumenti ad indice: Bobina mobile e Magnete fisso

Bobina mobile e Magnete fisso: vista d'insieme Pointer Permanent magnet Zero control Air gap Pole shoe Pole shoe Spiral spring Coil Counter weight Soft iron core £

Principio operativo del galvanometro

• Forza di Lorenz che agisce su un conduttore percorso da corrente I immerso in un campo magnetico B × × X X × × CAMPO MAGNETICO ENTRANTE X F = B . L ·I FORZA X X + X × × X X CONDUTTORE

Struttura del galvanometro

ESPANSIONI POLARI A F D N Crc 8 F I F B F S B C = F . D . cos & motrice = I . B . L . D . cos & È funzione dell'angolo &

Struttura del Galvanometro D'Arsonval

SCALA GRADUATA MAGNETE PERMANENTE BOBINA MOBILE MOLLE DI RICHIAMO I TERMINALE DI USCITA TERMINALE DI INGRESSO

Torsion spring 3Ks/2 Signal source - - 18. lg Coil frame 3 Rs + N S 1 Permanent magnet Viscous damping B C 3Kg/2

Galvanometro ideale

• Si inserisce in serie nel circuito, idealmente si comporta come un corto circuito e quindi non perturba la corrente in misura 0+ V=0 A + AMPEROMETRO 0 -

Strumenti a bobina mobile e magnete Fisso

• amperometri: I da uA a 10 mA
• portate diverse con resistenze di shunt
• utilizzo come voltmetro con resistenza serie - resistenza d'ingresso variabile a seconda portata
• tempo elevato di risposta - ottimizzazione con smorzamento

Amperometro a più portate

1 R g 1 0 g 0

Galvanometro reale

= 0 + E === RA V=0 C RA -

Voltmetro per D.C. reale

R. serie = VFS - RG FS 0 + V = (Rserie + RG) . IG RG Galvanometro - O · Il valore di Rserie si calcola in funzione della portata voluta VES e della corrente di fondo scala del galvanometro IGES

Voltmetro a più portate

Vi 0 0 R C 0

Tester ICE 680

EDO 411 - ICE 200V- 230 V- 10V- Supertesten 680R 54- 500V N AVY2 REG Scala misura resistenze Scala misura tensioni e correnti AC Scala misura tensioni e correnti DC Regolazione meccanica della posizione 0 dell'indice

Confronto tra strumentazione analogica e numerica

• La strumentazione analogica utilizza una architettura hardware dedicata e finalizzata alla misura del valore di un parametro del segnale d'interesse. Un amperometro è diverso da un voltmetro, a sua volta diverso da un wattmetro.
• La strumentazione numerica, converte il segnale analogico in numerico sfruttando un architettura "universale" e misura il parametro d'interesse impiegando esclusivamente algoritmi numerici.
• La strumentazione numerica utilizza un hardware la cui architettura è "uguale" mentre il software cambia a secondo del parametro d'interesse. Lo stesso concetto del PC e del software

Multimetro digitale

Vantaggi nell'uso della strumentazione numerica

• Uno stesso strumento numerico compie le funzioni di un certo numero di strumenti analogici: pertanto il costo di uno strumento numerico risulta spesso inferiore al costo globale degli strumenti analogici richiesti per determinare le varie grandezze.
• La possibilità di realizzare con il software complesse funzioni matematiche permette anche l'aggiunta di funzionalità alla strumentazione numerica
• L'introduzione di canali di comunicazioni con il mondo esterno permette la realizzane di procedure automatiche di misura.

La strumentazione numerica: Processo di conversione da analogico a digitale

normalizzare il segnale analogico d'ingresso in modo da adattare il range del segnale al range del convertitore A/D La strumentazione numerica Processo di conversione da analogico a digitale input Condizionamento analogico Conversione A/D Hardware digitale filtraggio passa basso del segnale d'ingresso per prevenire fenomeni di aliasing. Struttura hardware "uguale" per i diversi strumenti di misura

Multimetri Digitali ( Digital Multimeter DMM)

• strumenti numerici che consentono la misurazione sia di resistenze, sia di tensioni e correnti continue e alternate
• Sono basati essenzialmente su un convertitore analogico-digitale che esegue la misura di una tensione continua ( DVM = digital voltmeter)
• Sono diffusi sia in laboratorio che in ambiente industriale

Schema a blocchi di un multimetro

Gen. Corrente (2) Tensione Rifer. Ampl. > 30 H 10-0 V ADC DC AC /DC 40 L 20-0E A A 50- Controllo ADC Elaboraz. Display uscita in codice 22 Sense V/Q Switch

Oscilloscopio

L'oscilloscopio

Y (voltage) X (time) Z (intensity) Y (voltage) X (time) Z (intensity) 1. Dispositivo per la misura e la visualizzazione nel tempo di segnali elettrici e delle loro proprietà su tre assi (X, Y e Z). 2. Misura di tensione, frequenza, duty-cicle, ampiezza, e varie altre funzioni matematiche (valor medio, di picco, ecc.). 3. Calcolo della parte continua (DC) e variabile (AC) di un segnale. 4. Misura di rumore e delle sue proprietà.

Forme d'onda (1)

A Sine Wave Damped Sine Wave Square Wave Rectangular Wave Sawtooth wave Triangle Wave Pulsa Complex

Forme d'onda (2)

• Segnali sinusoidali (alimentazione di rete, circuiti oscillanti, ecc.)
• Onde quadre e rettangolari (informazione digitale, segnali per il controllo di dispositivi, segnali per il test di apparati, ecc.). Dente di sega e segnali triangolari (applicazioni di elettro- meccanica, controllo di riga nei cinescopi, ecc.)
• Gradino (commutazioni generiche), impulso (fenomeni di glitch, applicazioni biomediche, ecc.) e treno di impulsi (informazione digitale).
• Step Pulse Pulse Tran Segnali periodici e aperiodici, sincroni e asincroni.
• Segnali complessi (video, audio).

Misure di forme d'onda (1)

Ahh period 1 second . Frequenza e periodo Tensione . Ampiezza Fase 90' 180° 270° 360° +1 VL Frequency 3 Cycles per Second - 3 Hz 2 V -1 V Voltage Current Phase - 00°

Misure di forme d'onda (2)

1. Periodo
2. Frequenza
3. Ampiezza positiva
4. Ampiezza negativa
5. Tempo di salita
6. Tempo di discesa
7. Ampiezza
8. Tasso di decadimento
9. Potenza (ottica) media
10. Duty-cicle positivo
11. Duty-cicle negativo
12. Ritardo
13. Fase
14. Ampiezza d'impulso
15. Tensione picco-picco
16. Valore medio
17. Valore medio di un ciclo
18. Area in un ciclo
19. Valore alto del segnale
20. Valore basso del segnale
21. Valore massimo
22. Valore minimo
23. Escursione positiva
24. Escursione negativa
25. Deviazione standard RMS
26. Deviazione standard di ciclo

Oscilloscopio analogico (1)

verticul System Syslenl Theger System Honzontal System Proba Horizontal Farpp Từng Hay Un oscilloscopio analogico applica direttamente la tensione del segnale misurato all'asse verticale di un fascio di elettroni che si muove da sinistra a destra lungo lo schermo dell'oscilloscopio, usualmente un tubo a raggi catodici (Cathode-Ray Tube, CRT). Lo sfondo dell'oscilloscopio è trattato con fosfori verdi luminescenti che brillano ogniqualvolta vengano colpiti dal fascio.

Oscilloscopio analogico (2)

Untriggered Display Triggered Display Il segnale gestisce direttamente il sistema verticale. Questo arriva alle piastre di deflessione verticale e permette al punto luminoso di spostarsi in alto ed in basso (deflessione verticale). Il sistema di trigger permette di generare correttamente il segnale di controllo del sistema orizzontale. Il punto luminoso viene mosso orizzontalmente secondo una forma d'onda a dente di sega (deflessione orizzontale) in modo da visualizzare stabilmente un segnale periodico. Deflessione orizzontale e verticale permettono di visualizzare segnale sullo schermo.

Oscilloscopio digitale: DSO

Amp DeMUX Acquisition Memory LP Display Memory Display Il classico oscilloscopio digitale (Digital Storage Oscilloscope, DSO) non usa schermi a fosfori luminosi ma schermi basati su tecnologia raster. Un DSO acquisisce sotto forma digitale una forma d'onda completa e la memorizza, in modo che possa essere elaborata, stampata o inviata successivamente ad un dispositivo esterno di elaborazione. In questo modo, grazie alla presenza di un microprocessore, puo anche eseguire complesse elaborazioni matematiche sul segnale. La catena di processamento è rigorosamente seriale. Un DSO può acquisire anche forme d'onda transitorie o presenti in maniera discontinua.

Multipurpose knob Front-panel buttons and knob labels - All upper case Tektronix TDS NUTORANGE SAVE/RECALL MEASURE ACQUIRE AUTOSET CURSOR DISPLAY BEFAULT SETUP STOP MENU TRIGGER HORIZONTAL -LAVE LEVEL PRINT VEW mio SEI TO 50% THKI MENU EET TO TERO VERTICAL POSITION POSITION 011 MENJ MATH 012 MENU DÍJ MENU CH4 NONU VOLTS/DIV SEC/DIV CH 1 CH 2 CH3 CH 4 EXT TREG 1817-512 Option buttons - First letter of each word on screen is upper case HORIZ

Controlli dello schermo

Lo schermo è dotato di una griglia fatta (sempre) di 10 divisioni orizzontali e 8 divisioni verticali. 1 .... .... .... . . .... . . .... .... C QUIO ... .... .... .... .. .. . ... .... F.UI L Controlli dello schermo (sezione display): intensity - intensità della traccia focus - messa a fuoco traccia scale illumination - illuminazione griglia trace rotation: regolazione per rendere perfetta- mente orizzontale la traccia

Sezioni del pannello frontale

Sul pannello frontale sono presenti altre sezioni: ... - ... 5€ 1 . . . - 1 T 1 Menu Buttons Trigger Section Horizontal Section Vertical Section - una o più sezioni verticali - una sezione orizzontale - una sezione di trigger . .VERTICAL CI12 VERTICAL NEN V CHS CH4 TCHL Ci sono tante sezioni verticali quanti sono i canali dell'oscillo- scopio (di solito almeno due) I primi due controlli della sezione verticale sono: position, per regolare la posi- zione verticale (offset) della traccia sullo schermo; volt/div, per regolare il "guada- gno verticale" (vertical gain, vertical sensitivity).