STRUMENTI PER MISURE ELETTRICHE Multimetro In elettrotecnica si utilizzano comunemente i seguenti strumenti: - il voltmetro per la misura delle differenze di potenziale - l ohmetro per la misura della resistenza - l amperometro per la misura dell intensità di corrente Il multimetro, detto anche tester, è uno strumento con il quale si possono misurare tutti e tre questi parametri della corrente. Campo elettrico Il campo elettrico è un campo di forze generato nello spazio dalla presenza di carica elettrica o di un campo magnetico variabile nel tempo. Un elettrone, per esempio, per effetto della sua carica negativa, genera nel proprio intorno una zona di spazio in cui è possibile rilevare l effetto di una forza. Tale effetto può essere verificato mediante un altro elettrone in quanto, avendo entrambi gli elettroni la stessa polarità elettrica (cariche negative), si riscontra la presenza di una forza repulsiva. _ Differenza di potenziale Considerati due diversi punti di un campo elettrico, la differenza di potenziale (ddp) rappresenta il lavoro compiuto per portare una carica elettrica q da un punto all altro del campo stesso. L unità di misura della ddp è il volt [V]. Si dice che tra due punti A e B di una regione di spazio sede di un campo elettrico c è una differenza di potenziale di 1 [V] se la forza elettrica compie il lavoro di 1 [J] per portare una carica di 1 [C] dal punto A al punto B.. A. B Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 1
Corrente elettrica La corrente elettrica altro non è che il flusso ordinato di elettroni attraverso un materiale conduttore. Avendo gli elettroni carica negativa, si spostano da un punto a potenziale più basso verso un punto a potenziale più alto. Poiché questo un tempo non era noto, convenzionalmente si era dato il verso che va dal polo positivo (+) a quello negativo (-) del generatore di tensione. Un generatore di tensione è, per esempio, la pila. Resistenza Si definisce resistenza R il rapporto tra la differenza di potenziale applicata ai capi di un conduttore e la corrente che vi circola. La resistenza si misura in ohm [Ω]. Ha resistenza di 1 ohm un conduttore che, avendo ai capi la ddp di 1 [V], è percorso da una corrente di 1 [A]. Intensità di corrente L intensità della corrente che percorre un tratto di conduttore è espressa dal rapporto tra la ddp che si stabilisce ai suoi capi e la sua resistenza: I = V / R E la legge di Ohm. Di seguito sono rappresentati gli schemi di collegamenti del multimetro. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 2
Oscilloscopio E uno strumento impiegato per acquisire e visualizzare su un monitor i segnali elettrici. Comunemente si misurano, mediante trasduttori, differenze di potenziale, intensità di corrente, frequenze e intervalli di tempo. Sullo schermo dell oscilloscopio, provvisto di tubo a raggi catodici (come quello di un televisore o del monitor di un computer), vengono visualizzate le forme d onda dei segnali controllati ed esaminare il loro andamento in funzione del tempo. Mediante appositi commutatori è possibile predisporre un sistema di riferimento con diversi valori della scala. STRUMENTI PER MISURE TERMICHE Termometro a termocoppia Per misurare la temperatura vengono utilizzati strumenti detti termometri. In particolare, i pirometri a coppia termoelettrica, genericamente detti termometri a termocoppia, consentono di misurare la temperatura anche se posti a distanza dal luogo oggetto della misurazione (es.: forno). La termocoppia é costituita da due rami di filo di materiale diverso saldati tra loro ad una delle estremità e si basa sull'effetto Seebeck. 1. Apparecchio misuratore dell'intensità di corrente o della tensione (galvanometro) 2. Fili di coppia (es.: ferro e nichel) 3. Giunto saldato Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 3
Riscaldandosi il giunto saldato inserito nel forno, tra i due estremi liberi dei fili, che trasmettono calore in quantità diversa, nasce una differenza di potenziale direttamente proporzionale alla temperatura del giunto stesso. Chiudendo il circuito, in quest'ultimo circola una corrente elettrica la cui intensità é funzione della temperatura. Collegando gli estremi liberi dei fili ad un apparecchio misuratore dell'intensità di corrente o della tensione, si potrà risalire alla temperatura del giunto caldo e quindi del forno. L'apparecchio misuratore é provvisto di un quadrante che fornisce direttamente la temperatura. Per la costruzione delle termocoppie s'impiegano metalli puri, leghe o materiali speciali. Tra i metalli puri ricordiamo il rame, il ferro, il platino, il cromo. Tra le leghe, quella più diffusa é la costantana (lega rame-nichel-manganese). Un materiale speciale é il carborundum. Le coppie più utilizzate e le corrispondenti temperature massime misurabili sono indicate nella tabella seguente: Coppia Temperatura Max C Rame - Costantana 500 Ferro - Costantana 800 Ferro - Nichel 1000 Nichel - Nichel Cromo 1200 Carbonio - Carborundum > 1700 STRUMENTI PER MISURE DI FORZE Le forze possono essere dovute a fenomeni quali la gravità, il magnetismo, o qualunque altro fenomeno che induca un corpo ad accelerare. Per esempio, nel caso di un corpo di massa m costante, si ha: con a l accelerazione. F = m a Le forze, che sono quindi le cause del moto dei corpi, possono mettere in moto un corpo che si trova in stato di quiete, modificare il movimento di un corpo già in moto, o riportare un corpo che è in movimento in stato di quiete. Con riferimento alla legge di Hooke, secondo cui la deformazione subita da un corpo è direttamente proporzionale alla forza applicata (entro certi limiti), se si sospende ad una molla ideale un peso campione si ottiene un certo allungamento x, mentre se alla stessa molla si sospendono due pesi campione, uguali al precedente, l allungamento risulta uguale a 2x. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 4
Utilizzando questa proprietà lineare delle molle è possibile costruire degli strumenti di misura delle forze, detti dinamometri. Ogni volta che un dinamometro si allunga, significa che ad esso è applicata una forza. Dinamometro Il dinamometro (dal greco dunamis (forza) e metron (misura), è uno strumento per la misurazione della forza. La sua struttura è molto semplice poiché è costituito da una molla con una scala graduata. La molla si distende in maniera proporzionale alla forza applicata e visualizza l intensità della forza su una scala. L unità di misura della forza indicata sulla scala può essere il kilogrammo, il newton o altre. Il nome deriva dal termine dyne (o dina), unità di misura della forza nel sistema CGS. Il dinamometro si basa sul seguente principio di funzionamento. Poiché secondo la legge di Hooke, la deformazione elastica di una molla è proporzionale alla forza applicata, una misura dell allungamento x fornisce indirettamente una misura della forza F dove k è la costante elastica della molla e il segno meno è dovuto al fatto che il verso della forza è sempre opposto a quello dello spostamento. Se ad esempio k = 10 [N/m], una forza di 1 [N] allungherà la molla di x = F/k = 1 N/10 [N/m] = 0,1 [m] = 10 [cm]. Sulla scala graduata di questo dinamometro un intervallo di un centimetro corrisponderà a una variazione di 0,1 [N]. Utilizzando un dinamometro si ottiene una misura indiretta della forza, in quanto la grandezza che viene misurata non è direttamente la forza, ma la deformazione della molla contenuta nel dinamometro. La stessa situazione sperimentale ricorre nella misura della temperatura (ciò che si misura in realtà è, per esempio, la dilatazione del mercurio) o della pressione (viene misurata l altezza di una colonna di liquido o lo spostamento di un leverismo). Un esempio di dinamometro a misura indiretta è costituito da un cilindro graduato, contenente una molla con un estremità libera; un gancio permette di vincolare il sistema in modo rigido (per esempio, a un soffitto), mentre all estremità libera vengono applicate le forze da misurare. Allo strumento deve poi essere associata una scala graduata tramite un operazione di taratura, che può essere eseguita applicandovi forze peso note (in pratica, appendendovi una serie di masse campione) e riportandone il corrispondente allungamento. Questo tipo di strumenti a misura indiretta presenta, però, il difetto intrinseco di non poter immediatamente fornire misure assolute, a meno che queste non vengano condotte nella medesima località in cui lo strumento è stato Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 5
tarato. Infatti, per il variare dell accelerazione di gravità g con la posizione geografica, varieranno anche gli allungamenti prodotti dalle masse campione sulla molla del dinamometro. Di ciò si deve tener conto, applicando alla scala graduata un fattore di correzione che rappresenti di quanto sono variate latitudine e altezza sul livello del mare rispetto alle originali condizioni di taratura. STRUMENTI PER MISURE DI FLUIDI Lo stato fluido è quello stato della materia che, a temperatura e pressione ambientale, si presenta allo stato liquido o gassoso. Consideriamo qui la misura della pressione, cioè la forza esercitata dal fluido su una superficie. Manometro E lo strumento di misura della pressione, che nel Sistema Internazione ha come unità di misura il pascal (Pa = 1 N/m 2 ). Nella figura seguente è riportata la foto di un manometro con a lato lo schema funzionale. E costituito da un tubo solitamente di sezione ellittica e il cui asse è disposto lungo una circonferenza (ma può essere avvolto anche per più di 360, e quindi assumere forma di spirale). Un tubo di tale forma tende ad aumentare il proprio raggio di curvatura all aumentare della pressione interna al tubo; la misurazione del raggio dà la misura della pressione. Nella pratica, il tubo è collegato ad una estremità con un punto fisso, messo in connessione con l ambiente di misura; l altra estremità è connessa ad un leverismo che ne amplifica lo spostamento, e lo traduce nel movimento circolare di un indice lungo una scala graduata. Il manometro suddetto, detto Bourbon, dal nome del suo inventore francese Eugène Bourbon, è oggi il misuratore di pressione più usato. Sui fluidi, oltre che la misura della pressione, si effettuano anche misure di velocità, di portata e di livello. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 6
STRUMENTI PER MISURE DI TEMPO E DI FREQUENZA Qui ci si riferisce alla misura del tempo, inteso come periodo, impiegato da un corpo a compiere un ciclo. Indicando tale grandezza col simbolo T, il suo reciproco, 1/T, rappresenta il numero di periodi al secondo, cioè la frequenza f, o meglio il numero di giri (cicli) che la grandezza compie in un secondo. L unità di misura della frequenza (s -1 ) è detta hertz [Hz]. Esempio: se un corpo impiega T = 3 s a percorrere una circonferenza, vuol dire che percorre 1/3 di circonferenza al secondo; se il corpo impiega T = 4 s a percorrere una circonferenza, vuol dire che percorre 1/4 di circonferenza al secondo ecc. La frequenza di un corpo in movimento è pari a 1 [Hz] quando tale corpo percorre 1 giro al secondo. Uno strumento di misura utilizzato per effettuare la misura del tempo e della frequenza è l oscilloscopio. Oscilloscopio Lo strumento permette di visualizzare su uno schermo un segnale elettrico variabile nel tempo. Nel caso di un segnale alternato, è possibile visualizzare la forma dell onda e rilevare perciò l ampiezza, il periodo e la frequenza. L oscilloscopio è dotato di un reticolo che facilita la misura del tempo, in quanto la forma dell onda viene centrata verticalmente rispetto all asse orizzontale del reticolo tramite un apposito comando di posizione verticale. Manovrando il comando di posizione orizzontale, si centra uno dei fronti dell onda, il primo di sinistra sullo schermo, con una delle linee verticali del reticolo (la più vicina come posizione). Si contano quindi le divisioni e le frazioni di divisione di scala che intercorrono da sinistra a destra fra due fronti di salita (o di discesa), come rappresentato nella figura seguente: Il conteggio viene effettuato, in orizzontale, lungo la linea centrale del reticolo, lungo la quale si è centrata la forma dell onda. Il valore del tempo si ottiene moltiplicando la distanza così misurata per il fattore scala rappresentato dal valore di tempo scelto mediante l apposito commutatore. Esempio: si misurano sul reticolo dell oscilloscopio 3,3 divisioni il fattore scala sia di 0,2 [m s] (millisecondi) Il tempo risulta: T = 3,3 0,2 = 0,66 [m s] (millisecondi) La misura del tempo, essendo effettuata direttamente dallo strumento, è una misura diretta. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 7
Indirettamente, tramite calcolo, è possibile ricavare la misura della frequenza, partendo dalla misura del periodo di un onda. Esempio: si consideri il periodo T = 0,66 [m s] (millisecondi) la frequenza risulta: f = 1/T = 1 / (0,66 10-3 ) = 1515 [Hz] STRUMENTI PER MISURE ACUSTICHE Il suono è una successione di compressioni e di rarefazioni dell aria, che vengono percepite dall orecchio umano come variazioni di pressione sulla membrana del timpano. Il suono si propaga con velocità diverse a seconda del materiale. Per esempio, nell acciaio è circa 5 200 [m/s], nell aria è circa 344 [m/s]. In generale, il suono si propaga più velocemente nei materiali che possiedono elevata elasticità e bassa densità. La velocità del suono aumenta con l innalzamento della temperatura. L orecchio umano ha la capacità di percepire suoni aventi frequenza tra 30 e 20 000 [Hz]. La figura seguente rappresenta l onda del suono, che ha andamento sinusoidale, con base il tempo o la lunghezza. L orecchio umano percepisce la variazione di ampiezza tra un picco positivo e quello successivo negativo. Al picco positivo corrisponde lo stato di compressione delle particelle d aria, mentre al picco negativo si associa la condizione di rarefazione delle stesse. L asse delle ascisse rappresenta la condizione di riposo. Fonometro Il fonometro è uno strumento portatile che misura il rumore in ogni tipo di ambiente. In particolare, esso è un misuratore del livello di pressione acustica. La pressione acustica, o pressione sonora, è la pressione rilevata dall orecchio umano sul timpano. Essa varia con la distanza dalla sorgente del rumore ed è influenzata anche dalla capacità della stanza di assorbire o riflettere le onde sonore. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 8
Nello strumento, la pressione sonora viene tradotta in un corrispondente segnale elettrico, a sua volta pesato con un particolare filtro. Viene misurato il valore efficace della fluttuazione della pressione sonora, che viene visualizzato mediante una speciale scala logaritmica in decibel. Il fonometro è quindi uno strumento elettronico che reagisce al suono in maniera simile a quella dell orecchio umano. Il fonometro è costituito da vari dispositivi: il trasduttore, che, se il mezzo di propagazione è l aria, è il microfono; l'amplificatore, che serve per amplificare i livelli sonori, specialmente quelli bassi, il circuito di pesatura o il banco di filtri, il dispositivo integratore, e l apparecchiatura esterna, che consente di leggere le misure direttamente sul display ed eventualmente di memorizzarle. Il microfono, la cui sensibilità si misura in millivolt/pascal, non deve essere sensibile all'umidità, al vento, a campi elettrici o magnetici esterni, a variazioni di pressione e temperatura. Le sue dimensioni ideali devono essere piccole rispetto alla più piccola lunghezza d onda dell onda sonora, onde garantire una ragionevole omnidirezionalità di tutto lo spettro dei suoni udibili. Lo schema generale di funzionamento può essere visto come formato da due blocchi bene distinti: All inizio della catena è presente un trasduttore che permette la trasformazione delle variazioni di pressione dovute all'onda acustica in corrispondenti grandezze elettriche; il segnale acustico, dopo essere stato convertito in tensione, entra nel vero e proprio blocco di misura dove è opportunamente elaborato e visualizzato. Lo strumento risulta così un particolare voltmetro elettronico, in quanto quella che viene misurata non è più una pressione acustica ma una tensione elettrica, proporzionale alla pressione secondo la sensibilità del microfono. Appunti dalle lezioni di Tecnologie meccaniche di processo e prodotto tenute dal prof. Di Cara Nicola 9