Un qualunque wattmetro generalmente non ha problemi a misurare potenze dell’ordine dei 20 W e superiori.
Quando invece si vogliono eseguire misure accurate sui consumi energetici in stand-by, le potenze in gioco sono molto piccole e le difficoltà di misura aumentano notevolmente.
Vediamo quali sono i problemi nella misura di piccole potenze e quali sono gli strumenti più adatti per verificare accuratamente i consumi energetici in stand-by.
Ogni strumento di misura influenza necessariamente il circuito che si intende misurare. Nel caso delle misure col wattmetro, il problema si raddoppia, in quanto l’obiettivo è di misurare contemporaneamente tensione e corrente per ricavare il valore della potenza.
Il circuito di misura di wattmetro è infatti composto da due rami, uno per la misura di tensione, l’altro per la misura di corrente, che possono essere collegati in due modi diversi, e la cui scelta influenza notevolmente l’accuratezza delle misura di potenza.
Nei circuiti qui descritti, Ri rappresenta la resistenza del canale di misura della corrente di un wattmetro, tipicamente di basso valore, spesso anche indicata come shunt, mentre con Ru viene indicata la resistenza del canale di misura delle tensione, tipicamente di alto valore.
Il circuito qui sotto rappresenta una configurazione del circuito di misura del wattmetro che misura perfettamente il valore di tensione sul carico, ma che introduce un errore di misura sistematico della corrente.
Infatti, in questo caso il canale di misura della tensione non è influenzato dalla resistenza del canale di misura delle corrente e misura esattamente la tensione ai capi del carico. Invece, il canale di misura della corrente non misura esattamente la corrente che scorre nel carico, bensì la somma della corrente del carico con quella che scorre nel ramo di misura della tensione del wattmetro.
Il cablaggio di misura della figura 1 è preferibile quando la corrente che scorre in Ru è molto più piccola della corrente che scorre nel carico Z.
In pratica, il circuito della figura 1 consente di misurare bene potenze elevate, mentre introduce errori anche grossolani nella misura di basse potenze.
Ad esempio, la resistenza Ru tipica di un canale di misura della tensione è dell’ordine di 1 MΩ, per cui se si sta misurando un'apparecchiatura alimentata con la tensione di rete, la potenza da essa dissipata è dell’ordine di 50 mW.
E’ chiaro quindi che se si volesse misurare il consumo di un apparecchiatura in standby, per esempio che assorbe 100 mW, si otterrebbe un errore davvero grossolano con il circuito di figura 1, in quanto i 50 mW assorbiti dal canale di misura della tensione sarebbero confrontabili con la potenza da misurare assorbita del carico.
La configurazione alternativa del circuiti di misura è quella riportata qui sotto, la quale permette di misurare esattamente la corrente che attraversa il carico, introducendo però un errore sistematico nella misura della tensione.
In questo caso, il ramo di misura della corrente del wattmetro è attraversato dalla stessa corrente del carico, per cui non vi sono errori, mentre il ramo di misura della tensione misura la somma delle tensione ai capi del carico e la caduta di tensione ai capi della resistenza shunt di misura.
Pertanto, questo circuito minimizza gli errori sistematici quando la caduta di tensione sulla resistenza Ri è trascurabile rispetto alla tensione sul carico. E’ quello che si verifica normalmente nel caso di misure di bassa potenza.
Pertanto, la configurazione del circuito di figura 2 è quella consigliabile per le misure col wattmetro della potenza assorbita in standby.
Considerando i valori dell’esempio precedente, con assorbimento in standby di 100 mW e alimentazione da rete, la potenza dissipata nel ramo di misura della tensione sarebbe di appena 9 μW, equivalente a un errore di circa il 0,01%, contro un errore di circa il 50% che si riscontrerebbe adottando il circuito dello figura 1.
Ma visto che abbiamo descritto errori sistematici, non basterebbe tenerne conto per ricavare la misura corretta in ogni caso?
Sfortunatamente servirebbero i valori esatti di Ri e Ru, che invece sono conosciuti solo approssimativamente e sono variabili con la frequenza, per cui la soluzione più sensata è quella di adottare lo schema di collegamento più adatto.
Per misurare le deboli correnti di standby, potrebbe essere difficile utilizzare le gamme con i tipici valori di fondo scala disponibili negli strumenti di uso generale. Uno strumento di misura con un fondo scala di 5 mA sfrutterebbe questa gamma solo per il 10% o meno, causando così un significativo errore di misura.
Un altro problema può derivare dalla necessità di protezione dai sovraccarichi per scale così piccole. Per esempio, se il vostro frigorifero fa partire il suo compressore quando si è sulla scala dei 5 mA, una corrente di 10 A può scorrere per alcuni secondi.
Tutto ciò potrebbe distruggere completamente il prezioso strumento di misura. La soluzione è utilizzare degli specifici shunt esterni, come quelli della serie SHxxx-P di Zes Zimmer, che permettono di misurare in sicurezza correnti con fondo scala da 500 mA fino a 150 μA senza rischi di danneggiamento dello strumento.
Un’altra questione critica è la scelta se utilizzare la selezione del fondo scala in modalità automatica o manuale. Entrambe le modalità presentano vantaggi e svantaggi a seconda di cosa si deve misurare.
Durante un ciclo di misura può succedere che il valore istantaneo di corrente possa superare il valore massimo ammesso dal convertitore analogico digitale (ADC) dello strumento, il quale rileva il problema e interrompe il ciclo di misura scartando i risultati ottenuti.
Di conseguenza, la strumento passa al valore di fondo scala superiore, ma ciò comporta un cambiamento nell’impostazione del guadagno, che provoca un’oscillazione transitoria del segnale da misurare.
Supponendo una durata del transitorio di 50 ms, all’interno di questo periodo i valori misurati non sono corretti, per cui anch’essi vengono scartati. Se lo strumento deve cambiare ripetutamente il valore del fondo scala, si corre il rischio di perdere buona parte del tempo utile alla misura.
In sintesi, ogni volta che si cambia la gamma di misura modificando il fondo scala, si crea un “buco” nella misura durante il quale il segnale non viene registrato.
Si tratta di un aspetto che può diventare critico quando è necessario misurare assorbimenti di corrente pulsanti.
Ad esempio, ipotizziamo che l’assorbimento sia solitamente basso, ma con la presenza di picchi di corrente della durata di 20 ms, che sono circa 1000 volte più alti della corrente di base e che si verificano ogni 2 s.
Durante la ricerca automatica del fondo scala, il picco di corrente sarà sempre ignorato, perché all'inizio del picco lo strumento in modalità automatica cambia il fondo scala come descritto in precedenza.
Pertanto, se si vuole misurare in maniera corretta la corrente d’ingresso, si deve selezionare un fondo scala manuale per poter vedere anche i picchi di corrente scegliendo un valore di fondo scala sufficientemente elevato.
Al contrario, durante un ciclo di misura può invece accadere che il segnale diventi troppo piccolo rispetto al fondo scala. Supponendo di avere un ciclo di misura di 500 ms nel quale dopo 40 ms il segnale si riduce notevolmente, l’utilizzo di un fondo scala più basso sarebbe preferibile per misurare l’intensità di corrente nella seconda parte del ciclo. Ma un fondo scala troppo basso impedirebbe di misurare correttamente l’intensità del picco iniziale.
In questo caso è decisamente preferibile sacrificare la precisione della misura della parte del segnale a bassa intensità di corrente per non perdere la parte del segnale ad alta intensità. Infatti, l’errore causato da un fondo scala troppo alto per alcune parti del segnale non è così grave come la perdita di alcune parti molto più significative, come ad esempio i picchi.
Basta ricordare che i valori RMS sono misurati secondo la seguente formula:
In questo modo una parte del segnale con ampiezza 100 volte maggiore influenzerà il risultato 10.000 volte!
Scaricate la brochure del wattmetro di precisione Zes Zimmer LMG95
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*Thomas Jäckle è responsabile Development and Application di Zes Zimmer
