Voltmetro
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Il voltmetro è uno strumento per la misura della differenza di potenziale elettrico tra due punti di un circuito.
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[modifica] Voltmetro ideale
Il voltmetro ideale è un bipolo la cui conduttanza è nulla, equivale quindi ad un circuito aperto, che misura la tensione tra due nodi di un circuito (ovviamente, essendo la conduttanza nulla ed essendo connesso tra due nodi qualsiasi di un circuito, non perturba in alcun modo il circuito stesso). I voltmetri ideali, come tutti i componenti ideali, pur non esistendo nella realtà, sono essenziali per lo studio delle proprietà generali delle reti e per la simulazione a calcolatore dei circuiti.
[modifica] Voltmetro analogico
Molti voltmetri sono in pratica amperometri ad alta impedenza, per cui la struttura dello strumento è identica a questi ultimi se non per il fatto che hanno una elevata resistenza. Un tipo comunemente usato è quello a bobina mobile, in cui un solenoide di filo elettrico molto sottile è sospeso all'interno di un campo magnetico. Quando viene applicata una differenza di potenziale, per effetto della legge di Ohm nella bobina fluisce una corrente direttamente proporzionale al valore di tensione, la quale per induzione elettromagnetica provoca una rotazione controbilanciata da una molla e a sua volta proporzionale alla corrente. La bobina è solidale con una lancetta sovrapposta ad un quadrante graduato. Lo spostamento della lancetta è in ultima analisi proporzionale (analoga) alla tensione, da cui il termine analogico.
La classe di precisione dello strumento indica la percentuale di errore massimo introdotto nel valore misurato, errore imputabile prevalentemente all'equipaggiamento mobile del milliamperometro, solitamente è stampigliata sul quadrante dello strumento, (0,5-1,5-3), minore è questo valore, più preciso è lo strumento.
Il valore di impedenza dello strumento è un dato molto importante, più alta è la sua impedenza interna, minore sarà la perturbazione apportata al circuito sotto misura. I comuni tester di buona qualità hanno un'impedenza interna di 20.000 ohm X volt, un valore sufficientemente elevato da non perturbare circuiti operanti con correnti relativamente alte e a bassa frequenza, quando invece si voglia misurare tensioni su circuiti ad alta frequenza operanti con deboli correnti, il solo contatto dei puntali del tester può costituire un tale carico, da portare provvisoriamente il circuito a cessare di funzionare, in questi casi la misura si deve effettuare con voltmetri di altro tipo.
Nel caso si voglia conoscere il valore di tensione accettando l'errore di lettura tipico degli strumenti a indice, si impiega un voltmetro elettronico, formato da un milliamperometro collegato ad un circuito amplificatore costituito da valvole o FET, questi componenti permettono valori d'impedenza d'ingresso dell'ordine delle decine di megaohm. Nel caso il valore lo si voglia misurare con la massima precisione, si impiega il multimetro o il voltmetro digitale, i cui ingressi presentano un'impedenza standard di 10 megaohm, impedenze di ingresso così elevate sono presenti anche nelle sonde attive per oscilloscopi.
Un altro tipo di voltmetro, adatto per misurare tensioni elevate, è basato sull'attrazione elettrostatica. Due piastre, collegate ai due punti tra cui misurare la differenza di potenziale sono tra loro affacciate, una fissa ed una collegata ad un dinamometro. La forza misurata è proporzionale alla tensione.
[modifica] Voltmetro digitale
I voltmetri digitali solitamente impiegano un circuito convertitore analogico-digitale, in genere costituito da un integratore a doppia rampa. Una tensione di riferimento nota viene applicata all'integratore per un tempo fisso, facendo salire linearmente la rampa di tensione, dopodiché viene applicata la tensione da misurare e misurato il tempo impiegato dalla rampa per passare al nuovo valore.
La tensione ignota è data dal prodotto tra la tensione di riferimento per il tempo di salita diviso per il tempo di discesa. È importante che il valore della tensione di riferimento rimanga il più costante possibile durante la misurazione, mantenendosi stabile nel tempo, anche rispetto a variazioni della temperatura. Per questa ragione nei voltmetri ad alte prestazioni il circuito convertitore, solitamente un chip ibrido, viene progettato dal costruttore stesso dello strumento, risultando pertanto un custom non disponibile in commercio. Perché le misure siano affidabili, i voltmetri digitali ad alte prestazioni, al pari di altri strumenti, devono essere periodicamente sottoposti a calibrazione a intervalli di tempo indicati dal costruttore nel manuale di servizio abbinato allo strumento; non sono rari i casi in cui il costruttore garantisce le specifiche dichiarate solo entro un lasso di tempo di 90 giorni, a partire dalla data di ricalibrazione dello strumento. In pratica, per avere la certezza che i valori letti dallo strumento corrispondano alle specifiche dichiarate, lo stesso deve essere sottoposto a calibrazione a intervalli di tre mesi.
Le tensioni di riferimento campione sono ottenute con la pila Weston o con sistemi elettronici basati per esempio sulla banda di conduzione di un semiconduttore; questi sono utilizzati per la taratura dei calibratori primari. I voltmetri digitali di classe elevata, tramite bus IEEE-488 possono essere collegati in rete con altri strumenti ed essere gestiti da computer.
Il primo voltmetro digitale fu inventato e prodotto da Andy Kay della Non-Linear Systems nel 1954.
[modifica] Altri sistemi di misura della tensione
[modifica] Potenziometro
Nel sistema a potenziometro o potenziometrico, metodo in disuso da tempo, viene utilizzata una resistenza variabile costituita da un filo resistivo ai cui capi è applicata una tensione. Un contatto mobile può scorrere sul filo ed è connesso al circuito di misura attraverso un rivelatore di corrente, per esempio un galvanometro. Il cursore che agisce sul contatto mobile viene regolato fino a quando la tensione sul cursore equivale alla tensione da misurare e la corrente è quindi nulla, ed è misurata la lunghezza del filo verso la massa. L'operazione viene poi ripetuta con una sorgente di tensione di riferimento.
A questo punto, la tensione ignota può essere calcolata come il prodotto della tensione di riferimento per la lunghezza del filo corrispondente alla tensione ignota, diviso per la lunghezza del filo corrispondente alla tensione di riferimento.
[modifica] Oscilloscopio
Il metodo all'oscilloscopio si basa sulla deflessione di un fascio di elettroni all'interno di un tubo catodico. La deflessione può essere ottenuta con un campo magnetico oppure con un campo elettrico, in entrambi i casi la tensione può essere calcolata per confronto con la deflessione prodotta da una tensione di riferimento nota, o letta direttamente su una scala graduata costituita dal reticolo posizionato sulla superficie del tubo. Negli oscilloscopi ad alte prestazioni, il voltmetro è integrato nel circuito dello strumento, fornendo in forma digitale sullo schermo, il valore in tensione del segnale elettrico visualizzato, la precisione di questo tipo di lettura è comunque inferiore a quella effettuata con un multimetro o voltmetro digitale da banco.
[modifica] Spinterometro
Per misurare tensioni molto elevate, nell'ordine delle centinaia di Kilovolt o milioni di volt, si usa il metodo spinterometrico, che consiste nell'avvicinare due sfere metalliche tra le quali è applicata la differenza di potenziale ignota e misurare la distanza alla quale si crea una scarica. Conoscendo la rigidità dielettrica dell'aria nelle condizioni del laboratorio è facile calcolare la tensione.
