Strumenti di misura e forme d'onda
27.07.2007
Fino a qualche anno fa le tensioni e le correnti in gioco negli impianti di distribuzione avevano andamento pressoché sinusoidale alla frequenza di 50 Hz. Con ciò risultava sufficiente che gli strumenti di misura atti alle verifiche fossero idonei alla misurazione di tali grandezze e nulla più. Successivamente si è assistito ad un progressivo incremento di carichi non lineari che assorbono dalla rete correnti la cui forma d'onda è deformata. Una corrente deformata equivale alla somma di molte correnti sinusoidali (dette armoniche) aventi frequenze multiple della fondamentale (50Hz). La strumentazione concepita per effettuare misure a 50Hz, non essendo sensibile a tali correnti, da luogo a risultati inattendibili poiché trascura gran parte dell'energia associata alla forma d'onda deformata. Purtroppo anziché tenere tale aspetto in forte considerazione, multimetri e pinze Amperometriche continuano a venir preferiti solo in base delle proprie portate.
Valori di picco e picco-picco
Nella misura di tensioni e correnti negli impianti di distribuzione si sfrutta a volte la circostanza che tali grandezze risultano periodiche ed è quindi possibile limitare le misure ad un insieme di valori caratteristici pertinenti un singolo periodo. Tra questi il valore massimo (valore più elevato tra quelli assunti durante un periodo) indicato dagli strumenti come Vp (valore di picco) ed il valore picco-picco Vpp (differenza, in valore assoluto, tra i valori massimo e minimo della grandezza in un periodo: Vpp=Vp-Vmin). Valore di picco e valore picco-picco sono tra i più utili ai fini pratici: il primo è infatti un dato cautelativo sulla grandezza (rappresentandone il valore massimo piuttosto che quello minimo) mentre il valore picco-picco fornisce indicazioni sulla dinamica della grandezza stessa (caratteristica, questa, utile in molteplici contesti). Infine il valore minimo, qualora servisse, può essere direttamente ricavato come differenza tra valore di picco e valore picco-picco. Valore medio
I valori di picco o picco-picco non sono sufficienti da soli ad identificare compiutamente tutte le caratteristiche di una grandezza variabile: forme d'onda del tutto diverse possono infatti avere questi valori coincidenti ma produrre effetti del tutto diversi sull'impianto e sui carichi alimentati. Ad esempio una tensione sinusoidale ed una tensione ad onda quadra con lo stesso valore di picco portano uno stesso carico a dissipare differenti potenze. Si pone dunque il problema di definire, ove possibile, un particolare valore che quantifichi la grandezza misurata soprattutto ai fini dei suoi effetti energetici.
Molti strumenti del tipo tradizionale come quelli magnetoelettrici a bobina mobile e magnete permanente, oppure magnetoelettrici a magnete mobile, hanno come effetto lo sviluppo di una coppia motrice proporzionale alla corrente che li attraversa: in caso di correnti periodiche a 50Hz, la coppia avrà andamento oscillatorio attorno al valore medio ma le inerzie meccaniche dell'equipaggio mobile fanno si che l'indice non riesca a seguire tali oscillazioni e quindi rimanga fisso proprio in corrispondenza del valore medio della grandezza. Nel caso di grandezze alternate il valore medio indicato sarebbe nullo, tuttavia effettuando prima della misura un raddrizzamento a doppia semionda, si procura l'effetto di ribaltare le semionde negative della grandezza ottenendo una forma d'onda con tutte le semionde positive (e frequenza doppia). Calcolare il valor medio di tale forma d'onda equivale evidentemente a calcolare quello della forma d'onda originaria su un semiperiodo, valore che, nel caso di sinusoidi, vale circa 0,637 il valore di picco.
True rms
Sempre più spesso si sente parlare di "strumentazione a vero valore efficace" tuttavia, per capire bene il senso di tali parole, ci si dovrebbe interrogare sul significato di un eventuale "falso" valore efficace la cui esistenza è sempre data per scontata senza specificare in quali situazioni. Nel caso di forma d'onda sinusoidale, un classico strumento a valor medio per misure a 50Hz misurerà il valore medio (su un semiperiodo) della corrente in gioco; tuttavia, poiché la costante di conversione tra valore medio e valore efficace (cioè il fattore di forma) vale nel caso di una sinusoide 1,11 la scala dello strumento potrà essere tarata direttamente (e più utilmente) in valore efficace. Questa tecnica è nota come "lettura del valor medio e taratura della scala in valore efficace". Nonostante su di essa siano basati molti strumenti commerciali, i limiti di un tale approccio emergono nelle verifiche su installazioni in cui sono presenti correnti non sinusoidali. In tal caso infatti il fattore di forma della forma d'onda distorta non vale più 1,11 ed il medesimo strumento, basato su tale conversione, cessa di dare indicazione corretta. Esso sarà in grado di misurare il valore efficace inerente la sola componente fondamentale della corrente producendo di conseguenza un errore sempre per difetto: la corrente effettiva avrà quindi un valore efficace sempre più alto di quello visualizzato dallo strumento che sarà così un "falso" valore efficace. L'entità dell'errore è funzione del grado di distorsione perché dipende in definitiva da quanta energia è dispersa sulle armoniche rispetto quella concentrata sulla fondamentale (l'unica, quest'ultima, rilevata dallo strumento). Quando l'errore raggiunge livelli elevati le grossolane indicazioni che ne derivano possono condurre a cattive interpretazioni funzionali dell'impianto come quella di veder intervenire fusibili o interruttori termici di taglia ben superiore alla corrente misurata.
Banda di una forma d'onda
Come già detto una corrente deformata equivale alla somma di molte correnti sinusoidali aventi frequenze multiple della frequenza industriale cioè: 50Hz (fondamentale), 100 Hz (seconda armonica), 150Hz (terza armonica), 200 Hz e così via. Ecco quindi che anche se il sistema di alimentazione è caratterizzato dalla frequenza nominale di 50Hz per effettuare misure corrette non è sempre sufficiente un multimetro che misuri le sole componenti a 50Hz di correnti e tensioni. Come visto ciò porterebbe lo strumento ad ignorare l'energia associata alle frequenza diverse da 50Hz e commettere errori sulla misura del valore efficace. La banda di una forma d'onda indica fino a quale frequenza si estendono le sue armoniche componenti. La banda passante di uno strumento indica la massima frequenza che esso è in grado di misurare correttamente. Appare evidente che misure su forme d'onda di assegnata banda possono essere effettuate senza errori solo con strumentazione caratterizzata da banda passante maggiore o uguale. Un buon analizzatore di rete deve essere in grado di misurare almeno fino alla quarantesima armonica della 50Hz (banda > 2 kHz).
Fattore di cresta
É possibile che correnti differenti presentino uguale valore efficace ma diverso valore di picco. Per tener conto di ciò si introduce un fattore che indica quanti Ampère di picco ha la forma d'onda per ogni suo Ampère efficace. Tale fattore, generalmente indicato con Kp, è detto fattore di cresta ed è definito esattamente come rapporto tra valore di picco e valore efficace. Le forme d'onda che presentano picchi elevati rispetto al valore efficace sono caratterizzate, giocoforza, da elevati fattori di cresta e presentano generalmente variazioni molto rapide a parità di altre condizioni. Il fattore di cresta è quindi un indice della rapidità con la quale una assegnata forma d'onda cambia nel tempo e, di conseguenza, della banda passante necessaria ad uno strumento per effettuare, su quella forma d'onda, una misura corretta. Anche qui, come accade per la banda, il valore RMS di una forma d'onda avente assegnato Kp può essere misurato senza errore solo da uno strumento caratterizzato da un Kp maggiore o uguale. Per questo motivo, anche se relativo alle forme d'onda, il fattore di cresta figura tra le caratteristiche espresse dai costruttori di strumenti. Per una sinusoide il fattore di cresta vale 1,41: uno strumento con Kp pari ad 1,5 riuscirà a misurare correttamente solo forme d'onda quasi perfettamente sinusoidali. Le misure normalmente effettuate sui moderni sistemi di alimentazione esigono strumentazione con Kp di almeno 3. Limitandosi alla strumentazione portatile, un buon multimetro Trms presenta Kp di 5 o 6 mentre gli attuali analizzatori di rete palmari possono raggiungere e superare il valore di 10.
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