ELETTRICHE, MISURE

ELETTRICHE, MISURE (XIII, p. 685; App. I, p. 544; II, 1, p. 832; III, 1, p. 525)

I progressi nel campo delle m. e. offrono un tipico esempio di evoluzione interdisciplinare della scienza e della tecnica. Per quanto riguarda le metodologie, le m. e. hanno beneficiato dell'evoluzione della fisica da un lato, e della statistica matematica dall'altro: in termini più generali e moderni, si può dire che le m. e. hanno attinto, per i loro progressi metodologici, dal grande sviluppo della scienza e dell'ingegneria dei sistemi e dell'informazione. Per quanto riguarda invece i processi produttivi di apparecchi e impianti per m. e., essi hanno fortemente risentito dei progressi nel campo della tecnologia dei materiali, dell'elettronica, della meccanica fine, ecc. Sotto l'aspetto economico e merceologico, infine, la produzione e il consumo di prodotti destinati alle m. e. ha registrato non soltanto un fortissimo incremento nel numero di differenti articoli in commercio e nella complessità della loro costituzione, ma anche una maggior incidenza sullo stesso prodotto e consumo nazionale lordo soprattutto dei paesi industrialmente più progrediti.

Va detto subito che gli apparecchi e i sistemi usati per le m. e. si distinguono innanzitutto in due grandi categorie: a) per m. e. di grandezze elettriche; b) per m. e. di grandezze non elettriche. Benché questa seconda categoria comprenda un insieme forse anche più numeroso e vario di prodotti tecnici esistenti sul mercato, qui sarà necessario, per ovvie ragioni di concisione, rinunciare a darne cenno.

Grandezze elettriche, unità e campioni. - Le grandezze elettriche (e magnetiche) soggette a misurazione sono principalmente: tensione, intensità di corrente, potenza, quantità di elettricità o carica elettrica, flusso d'induzione magnetica; altre grandezze, dette "parametri", sono: resistenza, capacità, induttanza propria e mutua. Si misurano poi sovente rapporti fra dette grandezze e/o parametri. Infine, poiché si ha a che fare con tensioni e correnti variabili nel tempo, occorre anche misurare altre grandezze che esprimono proprietà delle rispettive forme d'onda (valori istantanei, frequenze, valori efficaci, medi, medi convenzionali, ecc.) o che esprimono il comportamento di elementi di circuito elettrico in regime non stazionario, per es. sinusoidale (impedenze, reattanze, ecc.).

Com'è noto nel sistema internazionale (SI) di unità di misura (v. unità, sistemi di, App. III, 11, p. 1020) si assume come grandezza elettrica fondamentale l'intensità di corrente, mentre ogni altra grandezza elettrica può essere considerata come grandezza derivata dalle grandezze fondamentali di natura meccanica ed elettrica. I legami di dipendenza delle varie grandezze derivate fra loro e con le grandezze fondamentali, usati per definirne operativamente le rispettive unità SI, sono assai intrecciati e multipli: a ciascuno di essi corrisponde un procedimento sperimentale, cui sono attribuibili errori caratteristici. Il progresso delle metodologie e delle tecniche ha permesso nell'ultimo decennio di ridurre decisamente i limiti inferiori di tali errori, in ragione di uno o più ordini di grandezza, cosicché la "parte per milione" (ppm) è oggi usata correntemente per esprimere, mediante sue unità o anche frazioni piccole, gli errori con cui sono misurabili, al vertice della precisione, le varie grandezze elettriche.

Indipendentemente dal fatto che una grandezza elettrica possa essere fondamentale o derivata, si costruiscono per essa campioni di unità SI: questi sono oggetti fisici in cui è presente, o meglio misurabile, la grandezza in oggetto, al valore di un'unità SI, o di un numero preciso di tali unità, sovente potenza di 10. È consueto costruire, conservare e confrontare campioni di unità di tensione, di resistenza, di capacità, d'induttanza; la convenienza di usare questi campioni diffusamente sta nel poterne per lo più calcolare il valore in base a leggi fisiche precise e a poche misure di lunghezza, o di qualche altra grandezza meccanica, i cui errori sono molto piccoli o poco influenti sul risultato finale del calcolo. Il laboratorio italiano che conserva e usa i campioni primari delle grandezze elettriche a servizio dei vari utenti è l'Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris (IEN) di Torino, collegato con i più importanti laboratori primari delle varie nazioni.

Organizzazione. - Uno degli aspetti più degni di nota del progresso nelle m. e. è, forse trascurato dall'ottica specialistica da cui solitamente si guarda e si descrive questa disciplina, l'aspetto organizzativo. Anch'esso, a sua volta, può assumere significati e forme diverse, quali per es.: a) organizzazione dei laboratori e suddivisione dei compiti fra laboratori diversi: in tal senso si può parlare ormai di organizzazione mondiale dei laboratori primari, di continui aggiornamenti nell'organizzazione interna dei singoli laboratori primari e no, con una sempre più accurata programmazione dell'attività ordinaria e di quella necessaria per ricerca e sviluppo; b) organizzazione della teoria e della problematica: in tal senso si può parlare di progressi nell'uso non soltanto della statistica matematica, ma anche della scienza dell'informazione; si va affermando la distinzione fra misure su grandezze e misure su segnali, su componenti, su apparecchi, su sistemi in generale: ciascuno di questi tipi di misura ha una sua peculiare problematica, con obiettivi e linguaggi diversi che soltanto attraverso un attento studio di generalizzazione e unificazione trovano occasione di fecondo scambio di contributi; c) organizzazione delle finalità delle misure, previa loro suddivisione: finalità speculative, di produzione, di automazione, finalità economiche e fiscali, mediche, giuridiche in senso sia civile, sia penale; vi è tutta una serie di profili professionali, anche assai diversi fra loro, per cui nozioni di m. e. sono necessarie in vario grado e sotto diverse prospettive; si tratta dunque di organizzare, per ognuno di tali profili, adeguati programmi di studio, e questo è un aspetto delle intese interdisciplinari ora in atto, almeno in alcune occasioni esemplari. Nei collaudi con conseguenze di penalità o premi, nelle cause per infortunio di natura elettrica, per limitarsi a due soli fra innumerevoli esempi, decisioni importanti per il destino di persone sono legate a risultati di m. e., e ciò sempre più incisivamente con l'avanzare del tempo. Oggi non esiste un solo tipo di specialista di m. e.: ne esistono diversi tipi che devono coordinarsi mediante mutuo rapporto costruttivo.

Apparecchi, sistemi e loro prestazioni. - Dovendo sintetizzare brevemente questa abbondante materia, ci si limita a elencare alcune fra le più importanti novità merceologiche.

Apparecchi indicatori. - Mentre in precedenti decenni la forma più comune di trasmissione dell'informazione da un apparecchio di misura a un osservatore consisteva nel rendere evidente e leggibile la posizione di un indice su una scala graduata, oggi un gran numero di apparecchi indicatori ha, come si dice, una "uscita numerica", ovvero l'indicazione, per lo più luminosa, di cifre significative con virgola fissa o mobile costituenti il numero che rappresenta nell'unità prestabilita la misura della grandezza misurata. Ciò peraltro non è limitato alle sole m. e., ma è assai più generale, come ben noto a tutti, per es., quando trattasi di orologi, di bilance per commercio al minuto, ecc. Altro tipico aspetto innovativo consiste nella diffusione degl'indicatori di parametri caratteristici di segnali con forme d'onda non convenzionali, come, per es., indicatori di valore efficace di segnali periodici non sinusoidali. Inoltre si tende a diminuire sempre più il consumo di potenza dell'apparecchio indicatore presso la sezione di collegamento con il circuito in prova: per es., gli strumenti di zero hanno raggiunto un assorbimento di solo 10^-10 ÷ 10^-11 ampere/divisione.

Trasduttori. - Intendendo con tale termine strumenti di misura che, anziché fornire l'informazione sul valore della grandezza misurata in forma visibile, generano un'altra grandezza elettrica o eventualmente non elettrica proporzionale, con coefficiente noto, alla grandezza misurata, il progresso relativo è consistito sia nel numero di tipi diversi, sia nella precisione, sia ancora nell'estensione delle gamme di valori misurabili. Rientrano in questo tipo di apparecchi i trasformatori di misura, fra cui i trasformatori voltmetrici capacitivi, i divisori di tensione induttivi per laboratorio, i dispositivi per il trasferimento da regime sinusoidale a stazionario (transfer standards).

Oscilloscopi e registratori. - Notevoli sono stati i progressi negli oscilloscopi a raggi catodici, soprattutto per quanto riguarda la presenza in essi di dispositivi che immagazzinano informazioni sull'evoluzione del segnale in istanti precedenti e le forniscono con particolare nitidezza e con asse tempi ampiamente dilatato, fino a scale dell'ordine di 10^-10 s/cm (oscilloscopi con memoria campionatori). Si ricorda che attualmente si compiono misure di grandezze elettriche variabili nel tempo con forme d'onda sia aperiodiche sia periodiche con frequenza fino a circa 10¹¹ Hz.

Sistemi per acquisizione di dati. - La scienza e la tecnica dell'informazione ha contribuito al progresso delle m. e. anche per l'abbondanza della quantità d'informazione accumulabile in una memoria, e per la versatilità dei dispositivi in grado di fornirne ulteriori elaborazioni: per es., analisi statistiche, stima di funzioni di correlazione, di densità spettrale, riconoscimento di configurazioni, ecc.

Bibl.: E. Doebelin, Measurement systems, New York e Londra 1966; H. E. Thomas, C. A. Clarke, Handbook of electronics instruments and measurement techniques, Londra 1967; H. N. Norton, Handbook of transducers for electronic measuring systems, ivi 1969; C. F. Coombs, Basic electronic instrument handbook, New York e Londra 1972; M. Fazio, Manuale delle unità di misura, Milano 1973; G. Zingales, Metodi e strumenti per le misure elettriche, Torino 1976.