How-To, Effettuare una misura di corrente

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Panoramica sulla corrente

La corrente elettrica rappresenta il flusso della carica elettrica. L’unità di misura della corrente elettrica nel SI è l’ampere (A) che equivale ad una carica di un coulomb al secondo. Nonostante esistano diversi metodi per la misura della corrente, il più comune riguarda l'esecuzione di un’operazione indiretta mediante la misura della tensione lungo un resistore di precisione e applicando la legge di Ohm per misurare la corrente sul resistore.

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Nozioni fondamentali sulla corrente

Un metallo conduttore allo stato solido contiene un gran numero di elettroni liberi o in movimento.
Quando un filo metallico viene connesso ai due teminali di una sorgente di tensione DC tipo una batteria, la sorgente crea una campo elettrico nella zona del conduttore. Una volta creato il contatto, gli elettroni liberi del conduttore vengono spinti verso il polo positivo sotto l’influenza di questo campo.

L’elettrone libero si occupa quindi del trasporto della corrente in un tradizionale conduttore solido. Per una corrente elettrica di 1 ampere, ogni secondo 1 coulomb di carica elettrica (formato da circa 6.242 × 10¹⁸ elettroni) viene spinto lungo il piano immaginario attraverso il quale passa il conduttore.

 

Figura 1.  Corrente convenzionale

La corrente convenzionale venne definita inizialmente, nella storia dell'elettricità, come il flusso di carica positiva. Nei conduttori metallici, come i cavi elettrici, le particelle a carica positiva sono immobili, pertanto la corrente è causata da un flusso di elettroni a carica negativa. Poichè ciascun elettrone ha una carica negativa, il flusso degli elettroni si dirige nella direzione opposta della corrente convenzionale (o elettrica).

Nell’analisi dei circuiti elettrici, l’attuale direzione della corrente lungo uno specifico elemento del circuito è generalemente sconosciuta. Di conseguenza, ad ogni elemento del circuito viene assegnata una variabile di corrente con un riferimento direzionale scelto in maniera arbitraria. Una volta risolto il circuito, gli elementi di corrente possono avere valori positivi o negativi. Un valore negativo indica che l'attuale direzione della corrente attraverso quell'elemento di circuito è opposto rispetto al riferimento direzionale selezionato.

Come effettuare misure di corrente

Metodi di misura della corrente

Esistono due metodi principali per la misura della corrente - uno si basa sull'elettromagnetismo ed è associato ad uno dei primi galvanometri di d’Arsonval, l’altro si basa sulla principale teoria dell’elettricità, la legge di Ohm.

Galvanometro di d’Arsonval
Il galvanometro di d’Arsonval è un tipo di amperometro ovvero uno strumento per il rilevamento e la misura della corrente elettrica. Si tratta di un trasduttore analogico elettromeccanico che produce un angolo di deflessione, tramite un arco limitato, in risposta alla corrente elettrica che passa attraverso la bobina.

Il modello di d’Arsonval oggi viene realizzato con una piccola bobina rotante di cavi nel campo del magnete permanente. La bobina è sospesa ad un sottile ago che passa su una scala calibrata. Un piccola molla a spirale spinge la bobina e l’ago sulla pozione inziale (zero).

Quando una corrente continua (DC) passa attraverso la bobina, questa genera un campo magnetico. Il campo agisce contro il magnete permanente. La bobina gira e spinge la molla, facendo muovere l’ago. La lancetta punta ad una scala che indica la corrente elettrica. L’accurata progettazione dell’espansione polare garantisce l’uniformità del campo magnetico, in tal modo la deflessione angolare dell’ago è proporzionale alla corrente.

Altri amperometri
In generale, la maggior parte dei moderni amperometri è basata sulla teoria fondamentale dell'elettricità, la legge di Ohm. I moderni amperometri sono essenzialmente voltmetri dotati di resistore di precisione. Utilizzando la legge di Ohm, questi strumenti consentono di effettuare misure accurate ed efficienti in termini di costo.

Legge di Ohm – La legge di Ohm stabilisce che, in un circuito elettrico, la relazione tra la corrente del conduttore è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (in altre parole caduta di tensione o tensione) tra i due poli, ed inversamente proporzionale alla resistenza tra gli stessi.

L’equazione matematica che descrive tale relazione è data da:

I = V/R

dove I è la corrente in ampere, V è la differenza di potenziale (data in volt) tra i due poli di interesse ed R è un parametro di circuito, misurato in ohm (pari a volt per ampere) denominato resistenza.

Funzionamento – I moderni amperometri dispongono di una resistenza interna per la misura della corrente attraverso un particolare segnale. Tuttavia, è necessaria una configurazione esterna nel caso di misure di correnti elevate.

Per misurare correnti elevate è possibile utilizzare, in parallelo con l’amperometro, un resistore di precisione chiamato shunt. La maggior parte della corrente passa attraverso lo shunt e solo una piccola parte di essa passa attraverso l’amperometro. Questo consente all’amperometro di misurare correnti elevate.

È possibile utilizzare qualsiasi resistore, purchè la corrente massima prevista moltiplicata per la resistenza non superi l'intervallo di input dell'amperometro o del dispositivo di acquisizione dati.

Effettuando una misura di questo tipo, è necessario utilizzare il più piccolo resistore possibile poichè esso crea una minore interferenza con il circuito esistente. Tuttavia, a basse resistenze corrispondono basse cadute di tensione, per cui bisogna trovare un compromesso tra la risoluzione e l'interferenza del circuito.

La Figura 1 mostra un tipico schema di misura della corrente lungo uno shunt.

Figura 2. Connessione di uno shunt ad un dispositivo di misura

Tramite questo approccio, la corrente non viene convogliata direttamente nell’amperometro/scheda di acquisizione dati, ma passa attraverso uno shunt esterno. In teoria il livello massimo di corrente misurabile è illimitato, ammesso che la caduta di tensione nello shunt non superi l’intervallo di tensione di funzionamento dell’amperometro/scheda di acquisizione dati.

Convenzioni di corrente

Correnti convenzionali
Le correnti convenzionali rappresentano le unità di misura comuni nei moderni sistemi elttronici, circuiti, linee di trasmissione e così via. Queste non si conformano agli standard di trasmissione e possiedono un amperaggio che va da zero ad elevati valori.

Loop di corrente/ convenzione 4-20 mA
I loop analogici di corrente venogno utilizzati per qualsiasi scopo qualora è necessario monitorare un dispositivo o controllarlo in remoto tramite un paio di conduttori. È possibile disporre di un solo livello di corrente per volta.

“Un loop di corrente da 4 a 20 milliampere" o 4-20 mA è lo standard analogico per la trasmissione elettrica per la strumentazione e comunicazione industriale. Il segnale è dato da un loop di corrente dove 4 mA rappresenta lo zero percento del segnale e 20 mA rappresenta il 100 percento del segnale.[1]. “mA” indica milliampere inteso come 1/1000 di un ampere.

Lo “zero traslato” a 4 mA consente allo strumento ricevente di fare una distinzione tra un segnale nullo e un cavo spezzato o uno strumento non funzionante. Questo standard che risale al 1950, è tutt’ora ampiamente utilizzato. I vantaggi dell’output a 4-20 mA includono la possibilità di ampio utilizzo dai produttori, costi di implementazione relativamente bassi e capacità di escludere molte forme di disturbo elettrico. Lo zero traslato consente inoltre di alimentare strumenti a basso consumo direttamente dal loop, risparmiando sul costo di ulteriori cavi.

Considerazioni di accuratezza

È importante considerare il posizionamento dello shunt all’interno del circuito. Se il circuito esterno condivide un identico filo di terra con il computer sul quale è alloggiato l’amperometro/scheda di acquisizione dati, è necessario posizionare lo shunt il più vicino possibile al filo di terra del circuito. In caso contrario, la tensione di modo comune prodotta dallo shunt potrebbe andare oltre le specifiche dell’amperometro/scheda di acquisizione dati, causando letture inaccurate o perfino danni alla scheda. La figura 2 mostra il posizionamento corretto ed errato dello shunt.

  
Figura 3. Posizionamento dello shunt

Misure con dispospositivi di acquisizione dati

Esistono tre diversi metodi di misura degli input analogici. Vedi l’articolo “Come effettuare misure di tensione” per ulteriori informazioni su ciascuna configurazione.

Consideriamo, ad esempio il sistema di acquisizione dati NI CompactDAQ USB. La figura 3 mostra uno chassis NI CompactDAQ e un modulo analogico di corrente NI 9203. Il modulo NI 9203 non richiede uno shunt esterno per via della presenza di un resistore di precisione interno.

Figura 4. Chassis NI CompactDAQ e modulo di input analogico di corrente NI 9203

La figura 5 mostra il diagramma della connessione per le misure di tensione per la configurazione referenced-single-ended (RSE) utilizzando uno chassis NI cDAQ-9172 con un modulo NI 9203 nonchè le pedinature per il modulo. Nella figura, il Pin 0 corrisponde al canale "Input analogico 0" e il Pin 9 corrisponde alla massa comune.

 

Figura 5. Misura di corrente con la configurazione RSE

Oltre al modulo NI 9203, esistono moduli di input analogici generici come il NI 9205, che sono in grado di offrire funzionalità di input di corrente utilizzando uno shunt esterno.

Visualizza le operazioni di misura: NI LabVIEW
Dopo aver connesso il sensore allo strumento di misura, è possibile utilizzare l’ambiente di programmazione grafica di LabVIEW per visualizzare e analizzare i dati quando richiesto.

Figura 6. Misure di corrente con LabVIEW

Riferimenti

Bolton, William (2004). Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.

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