Possono essere classificati a seconda del modo con cui è misurata la grandezza elettrica, si hanno: a) strumenti indicatori che visualizzano istantaneamente il valore della quantità misurata senza memorizzarla; b) strumenti registratori che forniscono l'andamento temporale della grandezza da misurare; c) strumenti integratori che forniscono in uscita l'integrale nel tempo della grandezza in oggetto, sono anche detti contatori.

Noi tratteremo soltanto gli strumenti indicatori. Si possono avere strumenti indicatori analogici e strumenti indicatori digitali. Vediamone le specifiche più importanti.

Strumenti indicatori analogici

In tali strumenti il risultato della misura è fornito dalla lettura della deviazione di un indice materiale o luminoso che si muove su una scala graduata, la deviazione dell'indice è una funzione continua della grandezza misurata.

Si hanno strumenti analogici elettromeccanici e strumenti analogici elettronici.

Gli strumenti analogici elettromeccanici sfruttano fenomeni per i quali l'interazione di grandezze elettriche o magnetiche dà luogo ad una forza o ad una coppia meccanica. Sono costituiti da un equipaggio mobile, avente una posizione iniziale di riposo, sul quale agisce una coppia motrice C_MX funzione continua della grandezza elettrica G_X che si intende misurare. Alla coppia motrice viene opposta una coppia antagonista, normalmente di tipo elastico e realizzata tramite una molla, che tende a ricondurre l'equipaggio mobile nella posizione iniziale al cessare dell'azione prodotta dalla coppia motrice stessa. Dall'equilibrio delle due coppie, trascurando gli attriti, si ottiene una deviazione angolare d_AX proporzionale alla grandezza elettrica misurata. All'equipaggio mobile viene fissato un indice che ruota in corrispondenza di una scala graduata in divisioni che permette la lettura dello strumento sotto forma di numero di divisioni d_X. Lo schema a blocchi di un tale strumento può essere il seguente:

A seconda del principio di funzionamento alla base del convertitore elettromeccanico si possono avere diversi tipi di strumenti. I più importanti sono:

a) strumenti magnetoelettrici (detti a bobina mobile), usati in corrente continua e che possono essere impiegati come amperometro, voltmetro, Ohmetro. Portano il simbolo disegnato sotto impresso sul quadrante.

b) strumenti elettromagnetici (detti a ferro mobile), usati sia in corrente continua che alternata e che possono essere impiegati come amperometro, voltmetro, frequenzimetro. Portano il simbolo disegnato sotto impresso sul quadrante.

c) strumenti elettrodinamici, usati sia in corrente continua che alternata e che possono essere impiegati come amperometro, voltmetro, frequenzimetro, wattmetro, contatore. Portano il simbolo disegnato sotto impresso sul quadrante.

d) strumenti ad induzione, usati in corrente alternata e che possono essere impiegati come wattmetro, contatore. Portano il simbolo disegnato sotto impresso sul quadrante.

Gli strumenti analogici elettronici sono impiegati per misure sia in continua che in alternata e contengono apparati elettronici (quali filtri, oscillatori, raddrizzatori, amplificatori, ...) che manipolano la grandezza elettrica da misurarsi G_X trasformandola in corrente continua I_GX ad essa proporzionale misurata infine da uno strumento magnetoelettrico. La presenza di un amplificatore permette di realizzare strumenti ad alta sensibilità. Ulteriore caratteristica di questi strumenti è quella di avere una altissima impedenza d'ingresso con conseguente bassissimo consumo. Quale aspetto negativo si ha la necessità di alimentarli (solitamente alla tensione alternata di 220 [V], 50 [Hz]) perché possano funzionare gli apparati elettronici che li compongono, mentre gli apparecchi elettromeccanici non esigono alimentazione. L'impiego più comune è come voltmetro o frequenzimetro, anche se attualmente tendono ad essere sostituiti dagli strumenti digitali. Lo schema a blocchi di uno strumento analogico elettronico può essere il seguente:

Le specifiche più importanti che caratterizzano uno strumento analogico sono:

a) sensibilità: rappresenta il rapporto tra una variazione DG_X della grandezza misurata e la corrispondente variazione Dd_X della deviazione dello strumento. L'unità di misura della sensibilità è il rapporto tra l'unità di misura della grandezza oggetto della misurazione e l'unità di misura della deviazione (ad esempio per un voltmetro si ha [V/d]).

b) risoluzione: esprime la minima variazione della grandezza misurata rilevabile con sicurezza attraverso uno spostamento dell'indice.

c) portata: indica il valore massimo della grandezza incognita misurabile con lo strumento. La portata corrisponde al limite superiore assoluto del campo di misura.

d) sovraccarico: indica la possibilità di effettuare misure di grandezze superiori alla portata, il sovraccarico è spesso espresso in percento della portata.

e) prontezza: è il tempo impiegato dallo strumento per indicare il valore della grandezza misurata entro i suoi limiti di accuratezza.

f) gamma di frequenza: è l'intervallo di frequenza entro il quale lo strumento assicura l'accuratezza nominale.

g) impedenza d'ingresso: è l'impedenza [W] offerta dallo strumento al segnale da misurare, per gli strumenti elettromeccanici ha una natura prevalentemente Ohmica.

h) indice della classe di precisione: definisce l'accuratezza dello strumento ed è il limite superiore dell'errore assoluto rapportato alla portata P_G e moltiplicato per 100, ovvero:

arrotondato al valore normalizzato immediatamente superiore. Gli indici che definiscono le classi di precisione per gli strumenti elettrici industriali sono i seguenti:

Ovviamente gli indici più piccoli sono riferiti agli strumenti destinati ai laboratori, i più alti agli strumenti da quadro.

i) divisioni di fondo scala: è il numero d_FS delle divisioni che compongono la scala dello strumento.

l) costante della scala: è il rapporto tra la portata e le divisioni di fondo scala . L'unità di misura della costante della scala è il rapporto tra l'unità di misura della portata e l'unità di misura della deviazione (ad esempio per un voltmetro si ha [V/d]).

Vediamo mediante un esempio come si impiegano alcune delle specifiche sopra elencate. Immaginiamo di effettuare la misura di una corrente continua con un amperometro magnetoelettrico avente portata P_A = 5 [A] , numero di divisioni di fondo scala d_FS = 100 , classe di precisione Cl = 0,2 , impedenza d'ingresso (resistenza interna, che si può ritenere nota senza errore) R_A = 0,15 [W]. Supponiamo che l'indice dello strumento si sia fermato, nella misurazione, sulla sessantacinquesima divisione della scala, si potrà calcolare:

a) il valore misurato:

b) l'errore assoluto strumentale e l'errore relativo percentuale:

E' importante osservare che l'errore assoluto strumentale dipende dalla classe di precisione ed è costante per tutto il campo di misura, quindi l'errore relativo si fa tanto più grande quanto più piccolo è il valore misurato rispetto alla portata. Per questo motivo è opportuno utilizzare strumenti aventi una portata tale da collocare il valore misurato oltre i due terzi della portata stessa.

c) il valore vero:

Abbiamo ritenuto che l'incertezza della misura sia determinata unicamente dall'errore proprio dello strumento, il cui segno è per sua natura ignoto. Questo modo di procedere è accettabile solo se si può escludere la presenza di altri errori (sistematici o accidentali) oppure se gli altri eventuali errori sono di entità trascurabile.

Per quanto riguarda il numero di cifre significative con le quali trascrivere il valore misurato, ricordando che devono essere trascurate quelle che comportano una variazione inferiore ad un decimo dell'errore assoluto e quindi inferiore a 0,001 [A], sarà I_m = 3,350 [A]. In tale valore, le prime tre cifre significative sono da considerarsi esatte mentre la quarta è stata aggiunta al fine di informare sul grado di accuratezza che caratterizza la misura (se il risultato della misura fosse stato composto da più di quattro cifre significative, si sarebbe dovuto limitare il valore alle prime quattro approssimando la quarta cifra secondo i criteri già esposti).

d) l'autoconsumo dello strumento:

si può calcolare come potenza dissipata internamente all'amperometro oppure come caduta di tensione interna all'amperometro (nel caso lo strumento fosse stato un voltmetro, anziché calcolare la c.d.t. si deve calcolare la corrente derivata), quindi:

L'autoconsumo in potenza è noto con un errore relativo percentuale pari a ± 0,6 (essendo calcolato attraverso il quadrato della corrente, affetta da un errore relativo percentuale pari a ± 0,3, moltiplicato per la resistenza interna nota senza errore), mentre l'autoconsumo in tensione è noto con un errore relativo percentuale pari a ± 0,3 (di facile giustificazione).

Strumenti indicatori digitali

Gli strumenti con presentazione in forma digitale o numerica diretta offrono molteplici vantaggi rispetto ai corrispondenti tipi analogici, ed in particolare: facilità di lettura essendo abolita l'operazione di interpolazione tra due divisioni contigue e il calcolo della costante della scala, maggiore accuratezza e risoluzione, basso livello di rumore, elevata velocità di misura, possibilità di inserimento in un complesso di misura automatico controllato da un elaboratore elettronico. Quale aspetto negativo si ha la necessità di alimentarli (solitamente alla tensione alternata di 220 [V], 50 [Hz]) perché possano funzionare gli apparati elettronici che li compongono. La figura seguente mostra lo schema a blocchi di uno strumento digitale:

Si osserva che la grandezza da misurare G_X viene convertita in un segnale continuo di tensione V_X che, a sua volta, viene convertito in un segnale digitale binario (successione di bit) inviato infine alla sezione di decodifica e visualizzazione che avviene sotto forma numerica. Il tutto è gestito da un controllore, di solito costituito da un microprocessore. Il numero di cifre col quale viene fornita l'indicazione numerica dipende dall'accuratezza dello strumento, essendo inutile rappresentare cifre non significative (delle quali, cioè, non può essere assicurata la fondatezza). Tuttavia, molto spesso il numero visualizzato comprende una cifra in più rispetto all'accuratezza dello strumento, questo per rendere massima la risoluzione. Ad esempio, uno strumento col visualizzatore a cinque cifre e quindi con 100000 punti di misura (da 00000 a 99999) ha una risoluzione del visualizzatore pari a 1/100000 = 10^-5 mentre la sua accuratezza potrebbe essere pari a 10^-4.

Gli strumenti digitali offrono inoltre la possibilità di effettuare la memorizzazione ed il successivo richiamo dei valori misurati, nonché la loro elaborazione e controllo remoti potendo tali strumenti essere interfacciati con sistemi a microprocessore fino ad ottenere strutture automatiche di misura (SAM).

Le specifiche più importanti che caratterizzano uno strumento digitale sono:

a) accuratezza (precisione): definisce l'errore strumentale e può essere espressa come:

1) errore relativo percentuale sul fondo scala, del tutto analogo alla classe di precisione degli strumenti analogici:

dove P_G è il fondo scala (portata) dello strumento, G_m e G_v il valore misurato e quello vero.

2) errore relativo percentuale sul valore misurato:

3) numero di digit, ovvero numero di unità della cifra meno significativa del visualizzatore.

In generale il costruttore per indicare la precisione dello strumento fornisce almeno due dei tre valori sopra definiti, nella forma:

b) tempo di misura: è il tempo impiegato dallo strumento per effettuare un ciclo di misura. Anziché il tempo, può essere indicata la frequenza, ovvero il numero di cicli di misura effettuabili in un secondo.

c) risoluzione: è il peso dell'ultima cifra del visualizzatore nella portata più bassa. Ad esempio per un voltmetro di portata minima 0,1 [V] con display a 4 cifre, l'ultima cifra a destra indica i centesimi di [millivolt], quindi la risoluzione di tale strumento è di 0,01 [mV]. A volte la risoluzione è indicata in parti per milione, nell'esempio fatto si hanno 100 p.p.m..

d) sovraportata: lo strumento digitale è in grado di misurare grandezze superiori al fondo scala (portata). Si definisce sovraportata la percentuale rispetto al fondo scala del campo di misura ricoperto dallo strumento oltre la portata. Ad esempio, un voltmetro di portata 100 [V], con display a 3 cifre e con una sovraportata del 20% può misurare fino a 120 [V]. Per permettere misure in sovraportata lo strumento dispone di una quarta indicazione sul display (ad esempio una barra verticale) che si illumina quando lo strumento va in sovraportata. Tale indicazione viene chiamata mezza cifra e si dice che lo strumento dell'esempio è a 3½ cifre.

e) punti di misura: è il numero di indicazioni distinte che lo strumento può dare, compresa l'eventuale sovraportata. Ad esempio uno strumento a 3 cifre dispone di 1000 punti di misura (da 000 a 999), uno strumento a 3½ cifre con sovraportata del 20% dispone di 1200 punti (da 0000 a 1199).
Osservazione: attualmente l’uso della ½ cifra è più spesso fatto col seguente criterio. Uno strumento a 3 cifre, ad esempio, permette di visualizzare valori tra 000 e 999, quindi rende possibili 1000 diverse letture. La risoluzione del visualizzatore sarà quindi 1/1000 ovvero lo 0,1%. Per ampliare il margine di misura e la risoluzione si ricorre alla ½ cifra. Si tratta di dotare il visualizzatore di una cifra aggiuntiva (la prima a sinistra) che può indicare solamente i valori 0 ed 1. Ad esempio nel caso di 3½ cifre il campo di misura va da 0000 a 1999 con una risoluzione del visualizzatore pari a 1/2000 ovvero 0,05%.

f) impedenza d'ingresso: è l'impedenza all'ingresso dello strumento.

g) rumore: rappresenta la fluttuazione casuale, dovuta a cause fisiche intrinseche allo strumento, che si sovrappone al segnale utile da misurare. Si manifesta con fluttuazioni della cifra meno significativa.

h) reiezione di modo normale (NMR): indica l'attitudine dello strumento di distinguere il segnale da misurare dai rumori nell'ingresso di misura, si esprime in decibel.

i) reiezione di modo comune (CMR): indica l'attitudine dello strumento di distinguere il segnale da misurare dai rumori presenti fra ingresso di misura e massa, si esprime in decibel.

Vediamo mediante un esempio come si impiegano alcune delle specifiche sopra elencate. Effettuiamo la misura di una corrente continua con un amperometro digitale di portata P_A = 100 [mA] , display di 3 ½ cifre ed accuracy ± (0,1% della lettura + 1 digit).

Se la misura è stata di 90 [mA], l'accuratezza risulterà pari a:

dove lo 0,1 [mA] che compare come secondo termine per il calcolo dell'errore assoluto è il contributo di 1 digit per errore di risoluzione, ovvero avendo 3 cifre piene e quindi 1000 punti di misura in assenza di sovraportata, un errore pari a:

Il valore vero della corrente misurata sarà I_V = (90 ± 0,19) [mA].

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