Ponti di misura: confronto configurazioni

Un estensimetro incollato su una struttura in acciaio varia la propria resistenza di frazioni di milliohm: 1000 microstrain su una griglia da 350 ohm producono uno squilibrio di poco più di mezzo ohm, che nessun ohmmetro diretto legge con la risoluzione richiesta. Il problema non è la sensibilità dell’elemento, ma il modo in cui lo si interroga: una variazione dello 0,1 % annegata in un valore di fondo scala e sovrapposta alla dilatazione termica del supporto diventa indistinguibile dal rumore. In laboratorio e su banco prova questo si traduce in tarature che non chiudono e in celle di carico che derivano nell’arco della giornata. Da qui l’interesse per un tema tanto circuitale quanto metrologico: ponti di misura e circuiti di compensazione, confronto fra i metodi disponibili per estrarre il segnale utile.

La risposta circuitale è il ponte resistivo: quattro rami in configurazione a rombo, alimentati fra due nodi opposti e letti sulla diagonale rimasta. Quando i rapporti dei rami sono uguali la tensione di diagonale è nulla, e si misura non più una resistenza assoluta ma uno scostamento dallo zero, amplificabile di ordini di grandezza senza saturare la catena. La stessa geometria offre un secondo vantaggio: disponendo gli elementi sensibili sui rami giusti, gli effetti indesiderati compaiono in rami adiacenti e si elidono per costruzione, prima ancora di arrivare al convertitore.

Le scelte progettuali che ne derivano non sono equivalenti. Il confronto fra le configurazioni di ponte, i modi di collegamento e le strategie di compensazione decide la sensibilità ottenibile, il comportamento termico e la lunghezza di cavo ammissibile.

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Che cosa si misura davvero in un ponte resistivo

Il segnale utile di un ponte non è una resistenza ma un rapporto: la tensione di diagonale normalizzata rispetto alla tensione di alimentazione, espressa in millivolt per volt. Un estensimetro metallico con fattore di taratura prossimo a 2 restituisce, in configurazione a un solo elemento attivo, circa 0,5 mV/V a 1000 microstrain; le celle di carico commerciali dichiarano tipicamente 2 mV/V a fondo scala. Lavorare in rapporto rende la lettura insensibile alle derive dell’alimentatore, perché una variazione dell’eccitazione agisce allo stesso modo sul numeratore e sul denominatore. La grandezza critica diventa allora lo zero: un ponte non perfettamente bilanciato a riposo introduce un offset che consuma dinamica dell’amplificatore e che, se dipende dalla temperatura, non si distingue dal misurando.

Quarto di ponte, mezzo ponte e ponte intero a confronto

Le tre configurazioni si distinguono per il numero di rami occupati da elementi sensibili. Il quarto di ponte usa un solo elemento attivo e tre resistenze fisse: è il montaggio più economico e il più flessibile, ma ha la sensibilità minima e nessuna compensazione intrinseca, per cui la dilatazione del supporto entra integralmente nella misura salvo aggiungere un elemento passivo di compensazione su un provino non caricato. Il mezzo ponte impiega due elementi su rami adiacenti: se sono posti su facce opposte del pezzo raddoppia il segnale e sottrae automaticamente la deriva termica, perché l’effetto comune ai due rami si cancella nella differenza. Il ponte intero, con quattro elementi attivi, quadruplica la sensibilità rispetto al quarto di ponte, compensa la temperatura e, con una disposizione opportuna, elimina anche le componenti di flessione parassita che si sovrappongono alla trazione.

Collegamento a 2, 3 e 4 fili: che cosa corregge ciascuno

Il cablaggio introduce errori che il ponte da solo non vede. Nel collegamento a due fili la resistenza dei conduttori si somma in serie al ramo sensibile: qualche decimo di ohm su una decina di metri, sufficiente a falsare sia lo zero sia il guadagno, e con un coefficiente termico del rame di circa 3900 ppm/K la deriva del cavo si somma a quella del sensore. Il collegamento a tre fili distribuisce due conduttori su rami adiacenti del ponte, così che le loro cadute si compensino a vicenda: è la soluzione classica per le termoresistenze secondo la IEC 60751 e per gli estensimetri remoti. Il collegamento a quattro fili separa i conduttori di eccitazione da quelli di lettura, oppure porta due sensi di tensione fino ai morsetti del ponte: l’amplificatore misura la tensione effettivamente applicata al carico e la corrente di lettura, essendo trascurabile, non produce caduta.

Alimentazione, riferimenti normativi e verifica metrologica

L’eccitazione in tensione è la più diffusa perché semplifica il calcolo del rapporto mV/V, ma rende il ponte sensibile alle cadute di linea e all’autoriscaldamento: l’energia dissipata nella griglia, tipicamente contenuta entro pochi milliwatt, va limitata sui substrati poco conduttivi. L’alimentazione in corrente impone invece un valore noto indipendente dalla resistenza di linea, elimina l’errore di caduta sui cavi lunghi ed è la prassi per le termoresistenze, dove la IEC 60751 raccomanda correnti dell’ordine del milliampere proprio per contenere il riscaldamento del sensore. Sul fronte degli elementi sensibili, la ASTM E251 definisce i metodi di prova per la determinazione del fattore di taratura, della sensibilità trasversale e della deriva termica apparente degli estensimetri metallici. Per la pesatura legale la OIML R60 fissa le prove sui trasduttori, dalla ripetibilità allo scorrimento sotto carico costante all’effetto della temperatura.

Ponti di misura e circuiti di compensazione confronto metodi analogici e digitali

L’alternativa di fondo riguarda dove avviene la correzione. Il condizionamento analogico tradizionale bilancia lo zero con una rete resistiva, amplifica con uno stadio differenziale a elevata reiezione di modo comune e affida la compensazione termica alla simmetria del ponte: la correzione è intrinseca, immediata e non dipende da alcun modello, ma richiede taratura del singolo canale e offre poca flessibilità. Il convertitore digitale integrato nel sensore campiona la diagonale a poca distanza dagli elementi sensibili, riduce il tratto analogico esposto ai disturbi e applica in memoria i coefficienti individuali di zero, guadagno e temperatura ricavati in taratura. Il segnale numerico è immune alle cadute di linea e permette cavi molto più lunghi, ma la qualità della compensazione dipende dalla bontà dei coefficienti e dalla stabilità del sensore di temperatura ausiliario. In pratica i criteri di scelta sono cinque: sensibilità richiesta, compensazione intrinseca o software, immunità ai disturbi, numero di elementi sensibili e relativo costo, lunghezza ammissibile dei cavi.

Per un quadro completo dei circuiti, dei criteri di dimensionamento e delle configurazioni disponibili si rimanda alla pagina di approfondimento Ponti di misura e circuiti di compensazione.

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