Misurare una corrente continua elevata non è semplice come collegare un amperometro a un circuito. Negli impianti industriali, dove possono circolare centinaia o migliaia di ampere, occorre adottare sistemi di misura capaci di fornire valori attendibili senza introdurre perdite eccessive o compromettere il funzionamento dell’impianto.
Gli shunt di precisione, chiamati anche derivatori di corrente, rispondono proprio a questa esigenza. Sono componenti apparentemente semplici, ma il loro corretto dimensionamento è determinante per ottenere misurazioni affidabili della corrente continua (DC).
Vediamo come funzionano, quali caratteristiche considerare nella scelta e perché aspetti come la caduta di tensione, la temperatura e la qualità dei collegamenti possono influenzare sensibilmente il risultato della misura.
Che cos’è uno shunt di precisione e a cosa serve?
Uno shunt di precisione è una resistenza elettrica di valore molto basso, progettata per essere attraversata dalla corrente che si desidera misurare. Il suo compito è generare una piccola caduta di tensione, proporzionale alla corrente stessa, che possa essere letta da un amperometro, da uno strumento digitale o da un sistema elettronico di acquisizione.
In pratica, lo shunt permette di trasformare una grandezza difficile da misurare direttamente, come una corrente di diverse centinaia di ampere, in un segnale di tensione di pochi millivolt.
Il principio è quello della legge di Ohm:
V = R × I
Dove V rappresenta la tensione misurata ai capi dello shunt, R il valore della sua resistenza e I la corrente che lo attraversa.
Poiché la resistenza è nota, misurando la tensione si può ricavare la corrente attraverso la relazione inversa:
I = V / R
Il valore resistivo viene scelto in modo da produrre una caduta di tensione sufficientemente piccola da non alterare in maniera significativa il circuito, ma abbastanza elevata da poter essere rilevata con la precisione richiesta.
Questa caratteristica rende gli shunt particolarmente utili nei sistemi di distribuzione in corrente continua, nei quadri industriali, negli impianti di conversione dell’energia e nelle apparecchiature di controllo.
Come funziona uno shunt per la misura della corrente continua
Per comprenderne il funzionamento conviene partire da un esempio concreto.
Supponiamo di dover misurare una corrente continua di 500 A e di utilizzare uno shunt con una caduta di tensione nominale di 60 mV alla corrente massima.
Applicando la legge di Ohm, la resistenza nominale del componente sarà:
R = 0,060 V / 500 A = 0,00012 Ω
Si tratta quindi di una resistenza di appena 0,12 milliohm.
Quando attraverso lo shunt circolano 500 A, lo strumento collegato ai terminali di misura rileva 60 mV. Se la corrente scende a 250 A, la caduta di tensione nominale diventa 30 mV. A 100 A corrispondono invece 12 mV.
Il rapporto tra corrente e tensione rimane sostanzialmente lineare nell’intervallo di funzionamento previsto, tenendo conto della tolleranza e delle variazioni termiche del componente.
Questo significa che uno strumento opportunamente configurato può visualizzare direttamente il valore della corrente, senza che l’operatore debba effettuare ogni volta il calcolo.
Perché si utilizzano segnali da 60, 100 o 150 mV?
Gli shunt industriali sono disponibili con differenti cadute di tensione nominali. Tra i valori utilizzati si trovano 60, 100, 150 e 300 mV, anche se esistono altre configurazioni in funzione del costruttore e dell’applicazione.
La scelta non è indifferente. Una caduta di tensione più elevata genera un segnale maggiormente distinguibile da disturbi e tensioni parassite, ma comporta anche una maggiore dissipazione di potenza a parità di corrente.
Viceversa, uno shunt con caduta di tensione ridotta limita le perdite energetiche, ma richiede un sistema di acquisizione capace di misurare correttamente segnali molto piccoli.
La soluzione migliore nasce quindi da un compromesso tra precisione, dissipazione, caratteristiche dello strumento e condizioni di installazione.
Da cosa dipende la precisione di misura di uno shunt?
Non basta scegliere uno shunt con il corretto valore nominale di corrente per ottenere automaticamente una misura precisa. Le prestazioni dipendono da diversi fattori, alcuni legati alla costruzione del componente, altri alle condizioni operative.
Classe di precisione e tolleranza
La classe di precisione indica il limite di errore previsto secondo le condizioni di riferimento e le specifiche applicabili al dispositivo.
Ad esempio, per uno shunt di classe 0,5, il limite di errore convenzionalmente riferito al valore nominale è dello 0,5%, secondo le condizioni indicate dal costruttore.
Su una portata di 500 A, lo 0,5% del fondo scala equivale a 2,5 A. Questo valore non deve essere confuso con un errore dello 0,5% della corrente effettivamente misurata in qualsiasi punto della scala.
È una distinzione importante, soprattutto quando l’impianto lavora frequentemente a correnti molto inferiori a quella nominale.
Occorre inoltre considerare l’errore dello strumento collegato, la risoluzione del sistema di lettura e l’eventuale deriva introdotta dalla temperatura.
Stabilità termica e materiali resistivi
Uno dei principali problemi nella misura della corrente attraverso una resistenza è la variazione del valore resistivo con la temperatura.
Quando una corrente attraversa lo shunt, parte dell’energia elettrica viene trasformata in calore. Se il materiale resistivo cambiasse sensibilmente le proprie caratteristiche al variare della temperatura, anche la misura ne risentirebbe.
Per limitare questo fenomeno vengono utilizzate leghe con coefficienti di temperatura controllati, tra cui la manganina, un materiale particolarmente adatto alla realizzazione di resistenze di misura.
La manganina permette di ottenere valori resistivi stabili entro il campo operativo previsto, contribuendo a ridurre gli errori dovuti al riscaldamento.
Questo non significa che la temperatura possa essere trascurata. In presenza di correnti elevate, la dissipazione termica e le condizioni ambientali rimangono elementi fondamentali da valutare.
Qualità delle connessioni elettriche
Un altro aspetto spesso sottovalutato riguarda i collegamenti.
Quando si lavora con resistenze dell’ordine dei milliohm o dei microohm, anche una piccola resistenza aggiuntiva può diventare significativa.
Morsetti allentati, superfici ossidate e collegamenti non correttamente dimensionati possono provocare riscaldamenti localizzati, perdite di tensione indesiderate e, in determinate configurazioni, errori di misura.
Per questa ragione è fondamentale rispettare le indicazioni di montaggio del costruttore, mantenere pulite le superfici di contatto e verificare il corretto serraggio delle connessioni.
Collegamento Kelvin a quattro terminali: perché è importante
Nei sistemi di misura di precisione viene spesso adottato il collegamento a quattro terminali, conosciuto anche come collegamento Kelvin.
La configurazione distingue i collegamenti che trasportano la corrente principale da quelli utilizzati per rilevare la caduta di tensione.
I primi sono dimensionati per sostenere la corrente dell’impianto. I secondi sono collegati allo strumento e trasportano una corrente trascurabile, grazie all’elevata impedenza d’ingresso del sistema di misura.
Questa separazione consente di limitare l’influenza delle cadute di tensione presenti nei conduttori di potenza e nelle relative connessioni.
Il vantaggio diventa particolarmente evidente nelle applicazioni ad alta corrente, dove pochi microohm di resistenza aggiuntiva possono introdurre scostamenti non trascurabili.
Un corretto collegamento Kelvin permette quindi di misurare la tensione ai terminali dedicati dello shunt, evitando di includere nella lettura gran parte delle resistenze parassite del circuito esterno.
Naturalmente, anche in questo caso è necessario rispettare le prescrizioni del produttore: un cablaggio errato può compromettere la misura o danneggiare l’elettronica collegata.
Come scegliere uno shunt di precisione per un impianto industriale
La selezione di uno shunt dovrebbe partire dalle condizioni reali di esercizio e non soltanto dalla corrente massima teorica.
Il primo parametro da definire è la corrente nominale. Lo shunt deve sopportare la corrente prevista nelle normali condizioni operative, considerando anche eventuali sovraccarichi e transitori ammessi dalle specifiche.
Il secondo elemento è la caduta di tensione nominale, che deve essere compatibile con l’ingresso dello strumento di misura. Uno strumento configurato per 60 mV a fondo scala, ad esempio, non può essere abbinato indistintamente a uno shunt da 150 mV senza un’adeguata riconfigurazione o conversione del segnale.
È poi necessario verificare la classe di precisione richiesta. Un sistema destinato a un’indicazione generale della corrente potrebbe avere esigenze differenti rispetto a un banco prova o a un’applicazione di controllo particolarmente sensibile.
Infine, devono essere considerate le caratteristiche fisiche: ingombri, disposizione dei terminali, ventilazione, temperatura ambiente e possibilità di integrare il componente nel quadro o nell’apparecchiatura.
La dissipazione di potenza: un calcolo da non trascurare
Ogni shunt dissipa energia sotto forma di calore. La potenza dissipata può essere calcolata con la formula:
P = I × V
Riprendiamo lo shunt da 500 A e 60 mV utilizzato nell’esempio precedente.
Alla corrente nominale, la potenza dissipata sarà:
P = 500 A × 0,060 V = 30 W
Trenta watt concentrati in un componente resistivo rappresentano un carico termico che deve essere gestito correttamente.
Se, mantenendo la stessa corrente nominale, si scegliesse uno shunt da 150 mV, la dissipazione salirebbe a 75 W.
Ecco perché la scelta della caduta di tensione influisce non soltanto sulla qualità del segnale, ma anche sulla gestione termica e sulle perdite energetiche dell’impianto.
Per correnti molto elevate possono essere necessari elementi resistivi multipli, strutture meccaniche adeguate e condizioni di installazione che favoriscano lo smaltimento del calore.
Shunt e trasformatori amperometrici: quali differenze?
Gli shunt vengono talvolta confrontati con i trasformatori amperometrici, ma i due dispositivi non sono intercambiabili in ogni applicazione.
Il trasformatore amperometrico tradizionale, comunemente indicato come TA, utilizza il principio dell’induzione elettromagnetica per ottenere una corrente secondaria proporzionale a quella primaria. Proprio per il suo principio di funzionamento, non è adatto alla misura di una corrente continua stazionaria.
Lo shunt, invece, sfrutta una resistenza elettrica e può quindi essere utilizzato direttamente nei circuiti in corrente continua.
Un’ulteriore differenza riguarda l’isolamento galvanico. Il TA tradizionale permette di separare elettricamente il circuito di misura da quello primario, mentre uno shunt passivo non offre questa separazione.
Se l’applicazione richiede isolamento, occorre prevedere un’elettronica di acquisizione isolata oppure valutare sensori di corrente continua basati su altre tecnologie, come quelli a effetto Hall.
La scelta dipende quindi dal tipo di corrente, dal livello di isolamento richiesto, dalla precisione desiderata e dalle condizioni di esercizio.
Dove vengono utilizzati gli shunt per corrente continua?
Le applicazioni industriali degli shunt sono numerose e riguardano tutti quei sistemi nei quali è necessario conoscere con precisione la corrente che attraversa un circuito DC.
Impianti fotovoltaici e sistemi di accumulo
Nei sistemi fotovoltaici e negli impianti di accumulo energetico, la misura della corrente continua è utile per monitorare i flussi energetici e verificare il comportamento delle apparecchiature.
Uno shunt opportunamente dimensionato può essere integrato nei sistemi di supervisione per rilevare la corrente in specifici rami del circuito, attraverso un’interfaccia di misura adeguata.
Settore ferroviario e applicazioni navali
Gli impianti elettrici ferroviari e navali possono comprendere circuiti in corrente continua caratterizzati da carichi importanti e condizioni operative impegnative.
In questi contesti, oltre alla precisione, assumono particolare rilevanza la robustezza meccanica, la stabilità nel tempo e l’adeguatezza del componente rispetto all’ambiente di installazione.
Automazione industriale e banchi prova
Nei sistemi di automazione, lo shunt può contribuire al monitoraggio dell’assorbimento di motori, alimentatori, convertitori e altre apparecchiature alimentate in corrente continua.
Nei banchi prova, invece, la misura accurata della corrente è spesso necessaria per verificare le prestazioni di un dispositivo, analizzare il comportamento sotto carico o confrontare risultati ottenuti in differenti condizioni di funzionamento.
In questi casi la precisione del sistema complessivo, e non soltanto del singolo shunt, diventa un parametro essenziale.
Gli errori più frequenti nell’installazione e nella misura
Uno shunt correttamente dimensionato può comunque fornire letture poco affidabili se non viene installato e utilizzato nel modo appropriato.
Un primo errore consiste nell’abbinare componenti e strumenti con fondi scala non corrispondenti. Se il rapporto tra corrente nominale e tensione nominale non è configurato correttamente, il valore visualizzato risulterà errato anche quando il componente funziona perfettamente.
Un’altra criticità è rappresentata dall’installazione in spazi scarsamente ventilati, soprattutto quando lo shunt lavora a correnti elevate per periodi prolungati.
Il riscaldamento può modificare le condizioni di misura e, nei casi più gravosi, portare il componente al di fuori dei limiti di funzionamento previsti.
Occorre poi prestare attenzione alla disposizione dei conduttori di segnale, che possono essere esposti a disturbi elettrici provenienti da convertitori, azionamenti e circuiti di potenza vicini.
Per applicazioni particolarmente sensibili può essere opportuno utilizzare collegamenti differenziali, schermature e sistemi di acquisizione adeguati alle condizioni elettromagnetiche dell’impianto.
Infine, non bisogna confondere la precisione nominale dello shunt con quella dell’intera catena di misura: ogni elemento, dallo strumento di lettura al cablaggio, può contribuire all’incertezza complessiva.
Shunt standard e shunt con trasduttore integrato
Uno shunt tradizionale produce un segnale in millivolt che deve essere interpretato da uno strumento compatibile.
In alcune applicazioni industriali può risultare più pratico utilizzare una soluzione con trasduttore integrato, capace di convertire la tensione rilevata in un segnale standard, ad esempio 4–20 mA oppure 0–10 V.
Questa configurazione può semplificare il collegamento ai PLC, ai sistemi SCADA e agli apparati di supervisione, soprattutto quando il punto di misura è distante dal sistema centrale di controllo.
La scelta tra le due soluzioni dipende dall’architettura dell’impianto, dalle distanze di trasmissione, dalla necessità di isolamento galvanico e dalle caratteristiche degli ingressi disponibili.
Non sempre il dispositivo più complesso è quello più adatto: in presenza di uno strumento locale compatibile con l’uscita in millivolt, uno shunt passivo può rappresentare una soluzione semplice ed efficace.
Quando verificare la taratura di uno shunt?
La stabilità di uno shunt non elimina la necessità di controllare periodicamente l’affidabilità della misura, soprattutto nelle applicazioni dove piccoli scostamenti possono influenzare il risultato di una prova o di un processo.
La frequenza delle verifiche dipende dalle condizioni di utilizzo, dalla criticità della misura, dalle indicazioni del costruttore e dai requisiti metrologici dell’applicazione.
Il controllo può prevedere il confronto con un sistema di riferimento adeguato, verificando la relazione tra la corrente applicata e la caduta di tensione rilevata.
In presenza di risultati anomali è opportuno esaminare anche lo stato delle connessioni, gli effetti termici e il funzionamento dello strumento di acquisizione prima di attribuire l’errore al solo shunt.
Le soluzioni FC Misure per la misura della corrente continua
La scelta dello shunt più adatto richiede una valutazione che tenga insieme caratteristiche elettriche, precisione, condizioni ambientali e modalità di integrazione.
FC Misure propone una gamma di shunt e derivatori di precisione per corrente continua, con soluzioni destinate ad applicazioni industriali, ferroviarie, navali, fotovoltaiche e di telecomunicazione.
La gamma comprende configurazioni con differenti portate e cadute di tensione nominali, oltre alla possibilità di valutare esecuzioni personalizzate in funzione delle specifiche del progetto.
Per impianti che richiedono caratteristiche particolari, come specifici ingombri, terminali dedicati o interfacce di segnale, è utile definire fin dall’inizio le condizioni operative e le prestazioni attese.
Uno shunt di precisione correttamente selezionato e installato costituisce un elemento fondamentale per ottenere misure attendibili della corrente continua. La sua efficacia dipende però dall’intero sistema nel quale viene integrato.
Devi scegliere uno shunt per una nuova applicazione o sostituire un componente esistente? Consulta le soluzioni disponibili sul sito FC Misure e richiedi un confronto tecnico per individuare la configurazione più adatta alle esigenze del tuo impianto.
