masurari electrice si electronice

5/24/2018 Masurari electrice si electronice

1/175

M!SUR!RIELECTRICE"IELECTRONICE

!ef lucr"ri ing. MIHAI MIRON

Asist. univ. ing.LILIANA MIRON


2/175

Tehnoredactare computerizat!:

Liliana MIRON


3/175

Prefa!"

n contextul dezvolt!rii tehnologice actuale, m!sur!rile reprezint!un domeniuindispensabil activit!"ii tehnico-#tiin"ifice. Transferurile de energie, precum #i cele deinforma"ie, se realizeaz!n principal pe suportul m!rimilor electromagnetice, motiv

pentru care m!surarea cu precizie a acestor m!rimi este absolut necesar!desf!#ur!rii normale a respectivelor procese.Prezenta lucrare abordeaz! o parte a domeniului m!sur!rilor cu suport

electric, adresndu-se cu prec!dere studen"ilor din Academia For"elor AerieneHenri Coand!, cu inten"ia de a fi un sprijin n nsu#irea cuno#tin"elor transmise lacursul de profil.

Lucrarea prezint! probleme fundamentale ale domeniului, precum #i uneletendin"e moderne n desf!#urarea procesului m!sur!rii#i controlului m!rimilor, fiindaccesibil!celor interesa"i de domeniul abordat.

Dorim s! mul"umim tuturor celor ce ne-au sprijinit n realizarea prezenteilucr!ri, precum #i celor ce ne vor semnala eventualele gre#eli de form!#i con"inutintroduse.

Autorii


4/175

CUPRINS:

1. Probleme de bazale msurrilor electrice i electronice 9

1.1 Mrimi fizice i msurarea lor 91.1.1 Noiuni introductive... 91.1.2 Clasificarea mrimilor msurabile. 9

1.1.3 Sisteme de uniti de msur.. 10

1.1.4 Mijloace electrice de msurare... 101.1.5 Metode electrice de msurare. 10

1.2 Schemele funcionale i caracteristicile metrologice ale mijloacelorelectrice de msurare... 12

1.2.1 Schemele funcionale ale aparatelor electrice de msurare 121.2.2 Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de msurare 13

1.3 Erori de msurare 141.3.1 Generaliti 141.3.2 Clasificarea erorilor de msurare... 15

1.3.3 Modul de exprimare a erorilor intinseci. 17

1.4 Traductoare electrice... 191.4.1 Generaliti. 191.4.2 Clasificarea traductoarelor electrice... 19

1.4.3 Traductoare rezistive.. 20

1.4.4 Traductoare inductive. 22

1.4.5 Traductoare capacitive... 251.4.6 Traductoare generatoare. 26

1.4.7 Traductoare digitale 28

2. Aparate electrice analogice pentru msurare 292.1 Instrumente electrice analogice.. 292.1.1. Definiii. Clasificare......... ............. ............. ............. ............. ............. ......... 29

2.1.2 Prile componente ale instrumentelor de msurare.................................. 292.1.3 Cupluri care acioneazn regim static asupra dispozitivului mobil .. 32

2.1.4 Ecuaia generalde micare a dispozitivului mobil a instrumentelor de

msurare. 322.2 Circuite auxiliare ale aparatelor de msurare....................................... 342.2.1 Circuite pentru extinderea domeniului de msurare.. 34

2.2.2 Circuite pentru dilatarea sau comprimarea scrii de msurare.. 372.2.3 Circuite pentru protecia aparatelor la suprasarcin................................. 37

2.3 Aparate electrice de msurare cu instrument magnetoelectric. 382.3.1 Instrumente magnetoelectrice cu cadru mobil... 38

2.3.2 Logometre magnetoelectrice 40

2.3.3 Galvanometre de curent continuu . 402.3.4 Voltmetre cu instrument magnetoelectric 40

2.3.5 Ampermetre cu instrument magnetoelectric.. 422.3.6 Multimetre.. 44

2.4 Aparate electrice de msurare cu instrument feromagnetic................ 462.4.1 Construcia i funcionarea instrumentelor feromagnetice. 46

2.4.2 Proprietile instrumentelor feromagnetice 48

2.4.3 Voltmetre cu instrument feromagnetic.. 482.4.4 Ampermetre cu instrument feromagnetic.. 50


5/175

2.7.2 Puni de curent continuu. 59

2.7.3 Puni de curent alternativ............................................................................ 67

3. Aparate electronice analogice pentru msurare 703.1 Voltmetre, ampermetre i ohmmetre electronice. 703.1.1 Voltmetre electronice analogice 70

3.2 Osciloscoape catodice n timp real. 783.2.1 Generaliti. 78

3.2.2 Tubul catodic.. 78

3.2.3 Funcionarea de ansamblu a osciloscopului catodic. 79

3.2.4 Generatorul de baleiaj 803.2.5 Circuitul de sincronizare 81

3.2.6 Baza de timp ntrziat... 81

3.2.7 Osciloscoape cu mai multe canale. 823.2.8 Osciloscoape speciale ... 83

4. Aparate electronice numerice pentru m

surare 844.1 Conversia analog-numeric(digital) a semnalelor electrice.. 844.1.1 Generaliti. 844.1.2 Eantionarea semnalelor analogice 84

4.1.3 Reconstituirea semnalelor eantionate.. 86

4.1.4 Cuantizarea semnalelor.. 884.1.5 Codarea semnalelor 91

4.2 Convertoare analog-digitale 954.2.1 Convertoare A/D clasificare 95

4.2.2 Convertoare A/D directe 95

4.2.3 Convertoare A/D indirecte 994.3 Convertoare digital-analogice. 1024.3.1 Generaliti. 1024.3.2 Convertoare D/A directe 102

4.3.3 Convertoare D/A indirecte. 105

4.4 Microprocesorul n aparatele de msurare digitale............................. 1064.4.1 Generaliti................................................................................................. 106

4.4.2 Structura unui microsistem pe bazde microprocesor 1074.4.3 Structura generala unui microprocesor . 109

4.4.4 Funcionarea unui microprocesor... 111

4.4.5 Efectele implementrii microprocesoarelor n aparatura de msurare.. 1134.4.6 Structura aparatelor de msurare cu microprocesor.. 114

4.4.7 Funciile microprocesorului n aparatura de msurare i control... 116

4.5 Voltmetre i ampermetre numerice (digitale)... 1174.5.1 Voltmetrul numeric de tensiune continu. 117

4.5.2 Tipuri de voltmetre numerice 118

4.5.3 Ampermetre numerice 118

4.6 Aparate digitale pentru msurarea mrimilor temporale... 1204.6.1 Numrtorul universal 120

4.6.2 Principiul msurrii digitale a frecvenei... 1214.6.3 Principiul msurrii raportului a doufrecvene .. 1224.6.4 Principiul msurrii perioadei 122

4.6.5 Principiul msurrii intervalelor de timp .. 123

5. Msurarea electrica mrimilor 1255.1 Msurarea rezistenei electrice............................................................... 1255 1 1 Generaliti 125


6/175

5.3 Msurarea inductivitii.. 1365.3.1 Msurarea inductivitii proprii . 136

5.3.2 Msurarea inductivitii mutuale 139

5.4 Msurarea modulului i fazei impedanelor... 1425.4.1 Generaliti. 142

5.4.2 Metode directe de msurare a impedanei. Impedanmetre 1425.4.3 Metode indirecte de msurare a impedanei... 143

5.5 Msurarea puterii electrice.. 1455.5.1 Msurarea puterii n circuitele de curent continuu. 145

5.5.2 Msurarea puterii n circuitele monofazate de curent alternativ 146

5.5.3 Msurarea puterii active n circuitele trifazate frconductor neutru 1505.5.4 Msurarea puterii active n circuitele trifazate cu conductor neutru.. 152

5.5.5 Msurarea puterii reactive n circuitele electrice de c.a. cu ajutorul

wattmetrelor 1525.5.6 Msurarea puterii reactive n circuitele trifazate 153

5.5.7 Msurarea puterii n audiofrecven... 1555.6 Msurarea analogica frecvenei ... 1575.6.1 Frecvenmetre analogice 1575.6.2 Metoda de punte pentru msurarea frecvenei... 160

5.6.3 Metoda comparaiei pentru msurarea frecvenei. 1605.6.4 Metoda de rezonanpentru msurarea frecvenei .. 161

5.7 Msurarea unor mrimi neelectrice 1635.7.1 Msurarea distanelor 163

5.7.2 Msurarea forelor. 1635.7.3 Msurarea vitezei vehiculelor 164

6. Sisteme de achiziie i prelucrare de date 1666.1 Introducere n sisteme de achiziie i prelucrare de datelor 1666.1.1 Funciile sistemelor de achiziie i prelucrare a datelor. 1666.1.2 Structuri de sisteme pentru achiziie i prelucrare de date. 169

6.2 Instrumente virtuale 1716.2.1 Generaliti................................................................................................ 1716.2.2 Arhitectura instumentelor virtuale. 172

6.2.3 Software pentru instrumente virtuale. 173


7/175

M!sur!ri electrice"i electronice

S!m!sur!m ceea ce se poate m!sura "i s!facem m!surabil ceea ce nu se poate nc!.

GALILEO GALILEI

sec. XVI

#. PROBLEME DE BAZ$ALE M$SUR$RILORELECTRICE%I ELECTRONICE

#.#M!rimi fizice "i m!surarea lor

#.#.#No&iuni introductiveAprecierea cantitativ!a fenomenelor fizice const!n a asocia numere diverselor st!ri pe care

acestea le reprezint!. Aceasta implic!pe de o parte existen"a unei unit!ti de m!sur!, iar pe de alt!parte existen"a unui mijloc de m!surare care s! arate de cte ori unitatea dat! se cuprinde nm!rimea respectiv!.

M!rimea fizic! este proprietatea sau atributul comun al unei clase de obiecte, fenomene,procese,etc.

Exist!dou!tipuri de m!rimi fizice:- definibile- cele pentru care se poate ob"ine o informa"ie care s!permit!definirea

lor;- m!surabile - m!rimile pentru care este posibil!atribuirea numerelor #i pentru care

s-au elaborat att metoda de m!surare ct si mijlocul de m!surare prin care este posibil! aceast!atribuire.

M!surareaeste un experiment prin care cu mijloace tehnice si principii adecvate se compar!

m!surandul (m!rimea de m!surat) cu unitatea de m!sur!, avnd ca rezultat un num!r denumitvaloarea m!surandului(de regul!un num!r real).

.m.u

MV= , V{R}.

Totalitatea numerelor reale ce pot fi atribuite unei marimi m!surabile se constituie nscalade m!surare.

Domeniul m!sur!rilor este denumit metrologie, termen ce provine din limba greac! veche

(metron m!sur!; logos vorbire), avnd ca orice #tiin"! baze teoretice proprii, metodecaracteristice de lucru #i o solid!baz!practic!.#.#.2 Clasificarea m!rimilor m!surabileDup!modul de ob"inere a energiei de m!surare m!rimile m!surabile se clasific!n:- m!rimi active: temperatura, tensiunea electric!, intensitatea curentului electric, etc.

(m!rimile m!surabile care permit eliberarea energiei de m!surare);


8/175


#.#.3 Sisteme de unit!&i de m!sur!Unitatea de m!sur! reprezint! o anumit! cantitate dintr-o m!rime careia i se asociaz!

valoarea $conform unor conven"ii interna"ionale sau regionale. Aceasta trebuie s! fie de aceea#inatur!cu m!rimea de m!surat.

Sistemul de u.m.reprezint!totalitatea u.m. cu care se poate caracteriza o clas!de fenomene.Un sistem coerent de u.m. con"ine un num!r restrns de unit!ti fundamentaleadoptate prin

conven"ii interna"ionale #i unit!#i derivate,definite n func"ie de unita"ile fundamentale prin ecua"iiale c!ror coeficien"i numerici s!fie unu.

n ceea ce prive#te sistemele coerente de unit!"i este de remarcat c!n $793 a fost elaboratSistemul Metric, care avea la baz! dou! unit!"i fundamentale: metru pentru lungime #i kilogram

pentru mas!. n $875 a fost semnat un act diplomatic Conven#ia metrului -prin care Sistemul

Metric a devenit sistem de unit!"i cu aplicabilitate n toate "!rile semnatare. La aceast! conven"ieRomnia a aderat n $883.Ulterior au fost elaborate numeroase sisteme de u.m. adaptate unor nevoi specializate ale

#tiin"ei #i tehnicii, eforturile pentru elaborarea unui sistem unic de unit!"i fiind finalizate n $960prin adoptarea Sistemului Interna#ional de Unit!#i(S.I.)carecon"ine 7 unit!"i fundamentale [metru,kilogram, secund!, amper, kelvin, mol, candel!], 2 unit!"i suplimentare [radian, steradian] #i 35unit!"i derivate. Romnia a adoptat S.I. n $96$#i ncepnd de la acea dat!S.I. este singurul sistemde unit!"i de m!sur!legal #i obligatoriu n "ara noastr!, hot!rre prev!zut!#i n Legea metrologiei.

#.#.4 Mijloace electrice de m!surareMijloacele de m!surare reprezint! ansamblul mijloacelor tehnice care materializeaz! #i

conserv!unit!"ile de m!sur!#i furnizeaz!informa"ii de m!surare.Mijloacele electrice de m!surare sunt cele care permit m!surarea pe cale electric! a

m!rimilor, caracteristica lor principal! fiind convertirea semnalului metrologic ntr-o m!rimeelectric!. Principalele tipuri sunt: m!sura, instrumentul de m!surare, aparatul de m!surare, instala"iade m!surare, sistemul automat de m!surare.

M!sura este mijlocul de m!surare care materializeaz! una sau mai multe valori ale uneim!rimi fizice (u.m., multiplii sau submultiplii u.m.).Instrumentul de m!surarereprezint!cea mai simpl!asociere de dispozitive #i elemente care

poate furniza informa"ii de m!surare, m!rimea m!surat!fiind raportat!la o scar!de repere.Aparatul de m!surareeste mijlocul de m!surare realizat pe baza unei scheme din mai multe

convertoare electrice (include instrumentul de m!surare).Instala#ia de m!surareeste ansamblul de aparate de m!surare, m!suri #i dispozitive anex!,

reunite printr-o schem!sau metod!comun!#i care servesc pentru m!surarea uneia sau mai multorm!rimi.

Sistemul automat de m!surarereune#te m!suri, aparate de m!surare #i tehnic!de calcul, nscopul realiz!rii unor func"ii de m!surare complexe.

n func"ie de destina"ia lor mijloacele de m!surare se clasific!n:- etaloane;


9/175


aprecierea pozi"iei unui ac indicator, a unui inscriptor sau a unui spot luminos n raport cu repereleunei sc!ri gradate.

O m!rime analogic! poate lua un num!r infinit de valori ntr-un interval oarecare de timp(finit). Aparatele analogice prelucreaz!continuu m!rimea de intrare, parcurgnd ntreaga gam!devalori ale acesteia.

n cazul unei metode numerice semnalul metrologic este discontinuu, m!surarea repetndu-se dup!un anumit interval de timp, iar valoarea m!surat!este prezentat!sub forma unui num!r peafi#aj. M!rimea de ie#ire (Y) poate avea numai un num!r finit de valori n, fiecare valoare fiind unmultiplu al unei unit!"i de baz!y (cuant!). M!rimea de m!surat va fi deci mp!r"it!n nintervale,fiec!rui interval fiindu-i alocat!o valoare discret!yi.

M.E.M. mixte se caracterizeaz!prin aceea c!rezultatul m!sur!rii se pb"ine par"ial sub form!digital!#i par"ial sub form!analogic!.

Principalele metode electrice de m!surare sunt:- indirect! (valoarea m!surat! se ob"ine prin calcul pe baza unei rela"ii care o define#te n

func"ie de alte m!rimi ce se m!soar!);- de rezonan#!(utilizeaz!starea de rezonan"!a unor circuite);- direct!(valoarea m!surat!se ob"ine nemijlocit prin utilizarea unui singur aparat);- direct!cu substitu#ie(implic!dou!m!sur!ri succesive, m!rimea de m!surat fiind nlocuit!

cu o m!rime reglabil!, de aceea#i natur! #i cunoscut!cu precizie superioar!, care s! aib!acela#iefect asupra aparatului de m!surare);

FENOMEN

FIZIC

MIJLOC DE

M%SURARE

OBSERVA-

TOR

X Y

Fig.1Procesul de m!surare.

Y$00%

X$00%

xi yi

0% 0%

X$00%

xi

0%

Yyn

yn-$

yI

y2y$

Fig.2Coresponden"!analogic!#icoresponden"!numeric!.


10/175


#.2 Schemele func&ionale "i caracteristicile metrologiceale mijloacelor electrice de m!surare

#.2.#Schemele func&ionale ale aparatelor electrice de m!surareMijlocul de m!surare este n fapt un lan"de m!surare #i poate fi reprezentat printr-o schem!

func"ional!, ale c!rei elemente principale sunt convertoarele. n forma cea mai general!, mijloaceleelectrice de m!surare se consider! a fi alc!tuite din trei tipuri de convertoare de m!surare:convertorul de intrare, convertorul de prelucrare #i convertorul de ie#ire.

Convertorul de intrare - denumit de obicei traductor transform!m!rimea de m!surat ntr-un semnal electric: curent, tensiune, num!r de impulsuri, etc.

Convertorul de prelucrare (con"ine amplificatoare, circuite de mediere, circuite decomparare, circuite de formare a impulsurilor, etc.) transform!semnalul electric astfel nct acestas!poat!ac"iona convertorul de ie#ire.

Convertorul de ie#ire ofer!posibilitatea citirii sau nregistr!rii valorii m!surate, fiind de faptn cazul aparatelor analogice un instrument electric de m!surare.

Schemele func"ionale sunt diferite n func"ie de natura m!rimii de m!surat (m!rime activ!sau pasiv!) sau de modul de ob"inere a valorii m!surate: analogic sau digital.

n cazul m!sur!rii m!rimilor active, energia necesar!convertirii m!rimii de m!surat de c!treconvertorul de intrare n m!rime electric!este furnizat!de ns!#i m!rimea de m!surat.

Pentru m!surarea m!rimilor pasive (care nu pot furniza energia necesar!form!rii semnaluluimetrologic) se face apel la o m!rime exterioar!fenomenului supus m!sur!rii numit!m!rime deactivare care este modulat!de c!tre m!rimea de m!surat #i aplicat!la intrarea convertorului deintrare.

Feno-men destudiat

Convertorde

intrare

Convertorde

prelucrare

Instrumentelectric dem!surare

M!rime dem!surat

M!rimeelectric!

M!rimeelectric!

prelucrat!

Valoarem!surat!

Fig.3 Schema func"ional!a unui aparat analogicpentru m!surarea unei m!rimi active.

Generatorde m!rimede activare

M!rime deti


11/175


Registrul are rol de memorie temporar!, iar unitatea de afi#are zecimal! ofer! valoaream!surat!(poate fi asimilat!convertorului de ie#ire).

#.2.2 Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de m!surareAceste caracteristici se refer!la comportarea mijloacelor de m!surare n raport cu m!rimea

supus! m!sur!rii, cu mediul ambiant #i cu beneficiarul m!sur!rii. Se exprim! prin parametriifunc"ionali privind m!rimile de intrare, de ie#ire #i de influen"!, f!r!s!implice structura intern!amijloacelor de m!surare.

Fig.5Schema func"ional!a unui aparat digitalpentru m!surarea unei m!rimi active.

Feno-

men destudiat

Convertor

deintrare

Convertor

deprelucrare

Convertor

analog-digital

M!rime dem!surat M!rimeelectric! M!rimeelectric!

prelucrat!Codnumeric

RegistruUnitate

de afi#arezecimal!

Valoarem!surat!

Generatorde m!rimede activare

Fig.6Schema func"ional!a unui aparat digitalpentru m!surarea unei m!rimi pasive.

Feno-men destudiat

Convertorde

intrare

Convertorde

prelucrare

Convertoranalog-digital

M!rime deactivare

modulat!de

m!rimeade m!surat

M!rimeelectric!

M!rimeelectric!

prelucrat!

Codnumeric

RegistruUnitate

de afi#arezecimal!

Valoarem!surat!

M!rime deactivare


12/175


- Precizia exprim!calitatea unei m!sur!ri n ceea ce prive#te gradul de afectare a rezultatelorm!sur!rii cu erori. Precizia ridicat!corespunde unei erori mici, respectiv precizia sc!zut!unei erorimari.

- Puterea consumat!reprezint!puterea preluat!de la fenomenul supus m!sur!rii (consumul

propriu de energie al instrumentelor electrice de m!surare ce apare n primul rnd datorit!efectuluiJoule-Lenz dezvoltat la trecerea curentului prin rezisten"a interioar!a acestora).

- Timpul de m!surareeste intervalul de timp scurs de la aplicarea unui semnal treapt! laintrarea unui mijloc de m!surare, pn!la stabilirea valorii m!surate cu o abatere egal!cu eroarealimit! de m!surare, fa"!de valoarea sta"ionar!a acesteia (ex.- pentru aparate analogice timpul dem!surare este maxim 4s).

- Stabilitatea reprezint! calitatea unui aparat (digital) de a-#i p!stra timp ndelungat

caracteristicile.- Compatibilitatea cu un sistem automat de m!surare (pentru aparate digitale).

#.3 Erori de m!surare

#.3.#Generalit!&i

La efectuarea unei m!sur!ri, indiferent de gradul de precizie, nu se poate ob"ine niciodat!valoarea adev!rat! a m!rimii de m!surat. ntre valoarea ob"inut!#i cea adev!rat!a m!rimii de m!-surat exist!o diferen"!numit!eroare de m!surare. Erorile sunt extrem de diferite; ele se datoreaz!mijloacelor de m!surare sau metodelor de m!surare, inconstan"ei condi"iilor de m!surare, influen"eimediului exterior, lipsei de experien"!#i gre#elilor operatorilor, etc. Pentru ob"inerea unor rezultatect mai apropiate de valoarea real!este necesar ca aceste influen"e s!fie ct mai mici sau erorile s!fie eliminate prin calcul.

Se adopt!urm!toarele nota"ii:qk, qk- m!rimi de influen"!prezente n fenomenul supus m!sur!rii;X - m!rimea de m!surat;Y - valoarea m!surat!ob"inut!de la mijlocul de m!surare de c!tre beneficiar.Eroarea de m!surare (Y) este egal!cu diferen"a dintre valoarea m!surat! (Y) #i valoarea

real!a m!rimii de m!surat (Yr):Y=Y-Yr.

Fenomenulsupus

m!sur!rii

Mediulambiant

qk

qk


13/175


Erorile de model se datoreaz! fenomenului supus m!sur!rii #i provin din simplificareasistemului fizic asupra c!ruia se efectueaz! m!surarea neglijndu-se unele propriet!"i sau m!rimifizice caracteristice acestuia. Ex.: m!surarea rezisten"ei unui rezistor n condi"iile n care exist!tensiune termoelectric!.

Erorile de influen#! reprezint! erorile introduse de factorii de mediu care pot influen"am!rimea de m!surat. Ex.: umiditatea mediului ambiant la m!surarea grosimii hrtiei cu grosimetreelectrice capacitive.

Erorile instrumentale reprezint!erorile proprii ale mijloacelor electrice de m!surare, fiindcuprinse de regul!, ntre limite cunoscute n func"ie de modul de definire a preciziei, precum #i ero-rile suplimentare datorate m!rimilor de influen"! (temperatura, cmpurile electromagnetice,umiditate etc.). Eroarea instrumental!, are la rndul ei dou! componente (ca #i precizia

instrumentului): juste#ea "i repetabilitatea. Juste#ea este determinat! de abaterea valorii medii aunui num!r mare de valori m!surate fa"! de valoarea adev!rat!. Este determinat! de erorileinstrumentale sistematice #i se datoreaz!: calibr!rii, derivei n timp, derivei cu temperatura, etc.

Eroarea de repetabilitateeste dat!de abaterea rezultatului unei m!sur!ri individuale fa"!devaloarea medie a indica"iilor #i reprezint!erorile instrumentale aleatoare, datorate imperfec"iunilorconstructive, fluctua"iilor parametrilor componentelor electronice, etc.

La efectuarea unei m!sur!ri cu un mijloc electric de m!surare trebuie s! se estimeze(predetermine) eroarea cu care se va prezenta valoarea m!surat!. S-a introdus n acest sens no"iunea

de eroare limit! de m!surare care reprezint! valoarea maxim! posibil! pentru eroareainstrumental!. Aceasta are la rndul ei dou! componente: eroarea intrinsec! #i eroarea

suplimentar!.Eroarea intrinsec! este eroarea limit! de m!surare n condi"ii de referin"!, stabilit! prin

norme sub form! de valori de referin"! #i intervale de referin"! pentru m!rimile de influen"!(temperatura, umiditatea, cmpurile magnetice #i electrice, etc.) specifice fiec!rui mijloc electric dem!surare.

Erorile suplimentaresunt erorile instrumentelor provocate de varia"ia m!rimilor de influen"!n afara intervalelor de referin"!, dar n interiorul intervalului de utilizare.Erorile de interac#iune dintre mijloacele electrice de m!surare "i fenomenul supus

m!sur!riisunt cauzate de ac"iuni electromagnetice sau mecanice exercitate de mijlocul de m!surareasupra fenomenului supus m!sur!rii #i reciproc. Ex.: m!surarea curentului electric cu unampermetru cu impedan"!mare, n cazul perturb!rii circuitului supus m!sur!rii.

Erorile de interac#iune dintre beneficiarul m!sur!rii "i mijlocul electric de m!suraresuntcauzate de neasigurarea de c!tre beneficiar a condi"iilor nominale de utilizare a mijloacelor electricede m!surare. Ex.: alimentarea cu o tensiune alternativ! de frecven"! mult diferit! de intervalulnominal, folosirea n pozi"ie necorespunz!toare a mijlocului de m!surare etc.

B.Dup!caracterul lor erorile de m!surarese clasific!n: erori sistematice, erori aleatoare"i erori grosolane(gre#eli).

Dac!se repet!m!surarea unei m!rimi n condi"ii practic identice se constat!c!valorile m!-


14/175


Exist!urm!toarele tipuri de erori instrumentale sistematice:- eroarea de zero chiar dac!la intrare nu se aplic!m!rime de m!surat, aparatul indic!o

valoare oarecare. Aceast! eroare se poate corecta nainte de execu"ia m!sur!rii ac"ionnd butonulcorectorului de zero, fiind independent!de valoarea m!surat!(linia punctat!din grafic reprezint!caracteristica ideal!a aparatului iar cea continu!caracteristica real!a instrumentului);

- eroarea de propor#ionalitate valoarea erorii cre#te direct propor"ional cu valoaream!surat!;

- eroarea de liniaritate - exprim!abaterea fa"!de caracteristica nominal!;- eroarea sistematic!de histerezis valorile ob"inute prin m!surare sunt dependente #i de

st!rile anterioare ale aparatului (diferen"a dintre caracteristica n sens cresc!tor #i n sens

descresc!tor);- deriv! eroarea provenit! din deplasarea n timp a caracteristicii reale paralel cu

caracteristica nominal!.

YT2

YY YY

Eroarealeatoare

Fig.8 Definirea erorilor de m!surare sistematice #i aleatoare:Yr valoarea adev!rat!a m!rimii; m media valorilor m!surate

pentru un num!r infinit de m!sur!ri; Y - media valorilor m!suratepentru un num!r finit de m!sur!ri.

Valoareaadev!rat!

Eroareasistematic!

Valoarea mediepentru un num!r

infinit de m!sur!ri

Curba pentru n =

Curba pentru n = finit

Valoareamedie pentruun num!r finitde m!sur!ri

Yr

m

Y

mY

Valori m!surate

Frecven"adeapari"ie

m-Yr


15/175


neschimbate. Nu pot fi eliminate prin corec"ii #i folosind legile statisticii este posibil doar s! seestimeze erorile limit!despre care se poate afirma, cu o anumit!probabilitate, c!nu vor fi dep!#itede erorile aleatoare.

Erorile grosolane(gre#eli) sunt introduse prin alegerea gre#it!a metodei sau mijloacelor de

m!surare, neaten"iei, calcule eronate, etc. Estimarea lor se face numai dup! ce gre#elile au fostdepistate #i eliminate.C.Din punct de vedere al regimului m!rimii de m!suraterorile pot fistatice sau dinamice.

Eroarea static!reprezint! eroarea de m!surare ce rezult!la un regim sta"ionar constant alm!rimii de m!surat.

Eroarea dinamic! este eroarea de m!surare ce rezult! la un regim variabil al m!rimii dem!surat. Erorile dinamice depind de caracteristicile mijloacelor #i metodelor de m!surare utilizate #ide natura varia"iilor m!rimii de m!surat.

D.Dup!modul de exprimareerorile pot fi : absolute, relative#i raportate.Eroarea absolut! este diferen"a dintre valoarea m!surat! #i valoarea real! a m!rimii de

m!surat:

rYYY = .Eroarea absolut! are acelea#i dimensiuni fizice ca #i m!rimea m!surat! #i se exprim! n

acelea#i unit!"i de m!sur!. Eroarea absolut!cu semn schimbat se nume#te corec#ie.Eroarea relativ!reprezint!raportul dintre eroarea absolut!#i valoarea m!rimii m!surate:

r

r

r Y

YY

Y

Y =

.

Este o m!rime adimensional!#i se exprim!ca un num!r, n procente sau n p!r"i pe milion(de ex., $$0-4, sau 0,0$%, sau $00ppM).

Eroarea raportat!este raportul dintre eroarea absolut!#i o valoare conven"ional!Yca m!ri-mii de m!surat:

c

r

c Y

YY

Y

Y =

.

Se exprim!n acela#i mod ca #i eroarea relativ!.Rezultatul final al unei m!sur!ri const!n prezentarea valorii m!surate mpreun!cu eroarea

de m!surare, exprimat! n acelea#i unit!"i sau sub form! de eroare relativ!, fapt ce permiteaprecierea preciziei m!sur!rii.

#.3.3 Modul de exprimare a erorilor intrinseciPentru exprimarea erorii intrinseci se utilizeaz!una din urm!toarele modalit!"i:

- n func"ie de valoarea m!surat!;- n func"ie de o valoare conven"ional!dependent!de scara gradat!;- n func"ie de valoarea m!surat!#i de limita superioar!de m!surare.

n tabelul $.$sunt prezentate formulele de calcul corespunz!toare pentru eroarea intrinsec!,eroarea relativ!intrinsec!, precum #i mijloacele electrice de m!surare la care se utilizeaz!#i modul


16/175

MODURI DE EXPRIMARE A ERORILOR INTRINSECI Tabelul 1.1Mod de

exprimare a eroriiintrinseci

Eroare intrinsec

(exprimatn unitide Y, Yc)

Eroare relativ

intrinsec(exprimatn

procente)

Valoarea

convenionalYc

Semnificaia

coeficieniolorb , c Utilizare

Mod de notare

a clasei deprecizie

n funcie devaloareamsurat:

bY

Yi =

(ereste constantpeintervalul de

msurare)

-

b indice de clas- contoare electrice;- transformatoare de

msur;- rezistoare decadice;- condensatoare

decadice.sau

Cl. 0,5

limita superioardemsurare - aparate analogice cureperul zero la extremitatesau n exteriorul scrii;

suma modulelorlimitelor de msurare

- aparate analogice cureperul zero n interiorul

scrii gradate;

0,5n funcie de

valoareaconvenionaldependentdescara gradat:

ci Y100

cY =

(Yieste constantpeintervalul de msurare)

Y

Yc

Y

Y ci =

lungimea scriigradate

c indice de clas

- aparate analogice lacare limita superioareste

infinit.- puni;

- compensatoare;

+

=

m

i

Y100

cY

100

b

Y

+

=

Y

Ycb

Y

Y

m

i

-

b indice de clas

10

bc= - aparate digitale. b i c sunt date

n prospect

n funcie devaloarea msurat

i de limitasuperioarde

msurare:

Observaie: la aparatele digitate, uneori, se nlocuiete termenul100

cYm cu valoarea ultimei cifre a intervalului de msurare.

Unde: Yi eroarea intrinsec(eroarea limitde msurare n condiii de referin) ;

Y

Yi - eroarea relativintrinsec; Y valoarea msurat; Yc valoarea

convenional; Ym limita superioara intervalului de msurare ; b i c numere adimensionale exprimate n procente.

0,5

1,5

Y100

bYi =

0,01


17/175


#.4 Traductoare electrice

#.4.#Generalit!&in cadrul lan"ului de m!surare (stabilit ntre m!rimea de m!surat #i ob"inerea informa"iei

metrologice), traductorul are func"ia de a capta m!rimea de m!surat #i de a o transforma ntr-oform!convenabil!pentru m!surare. Din acest motiv traductorul reprezint! convertorul de intraredin lan"ul de m!surare. Spre deosebire de celelalte convertoare, traductorul este sensibil la m!rimeade m!surat (trebuie s!nregistreze orice varia"ie a acesteia), fapt care determin!att natura ct #istructura sa.

Traductorul efectueaz! transformarea analogic! sau digital! a m!rimii de m!surat ntr-o

m!rime fizic!de aceea#i natur! sau de natur!diferit!, avnd calitatea important!de a fi mai u#orm!surabil!. Datorit! avantajelor care le caracterizeaz!, traductoarele electrice s-au dezvoltatcosiderabil, fiind traductoarele care convertesc m!rimea de intrare ntr-o m!rime de ie#ire de natur!electric!. Dintre avantajele legate de utilizarea lor, se pot enumera:

- sunt n general simple ca utilizare (usor de conectat n montaje);- pot fi u#or adaptate #i manipulate;- circuitele electrice se preteaz! bine la transformarea la distan"! (se pot m!sura m!rimi

situate la foarte mare distan"!, n locuri greu accesibile sau periculoase);- m!surarea pe cale electric!asigur!un flux continuu de informa"ii de la m!rimile m!suratela aparatele indicatoare.

Metodele electrice de m!surare prezint! n compara"ie cu celelalte metode, o serie depropriet!"i cum ar fi:

- precizie ridicat!#i sensibilitate m!rit!;- posibilitatea urm!ririi varia"iilor rapide ale m!rimii de m!surat;- posibilitatea prelucr!rii valorilor ob"inute etc.

Din aceste motive, pentru m!surarea m!rimilor neelectrice sunt utilizate n majoritateacazurilor traductoare electrice #i prin aceasta m!surarea electric!a m!rimilor neelectrice a cunoscuto amploare deosebit!.

#.4.2 Clasificarea traductoarelor electrice- Dup!natura m!rimii de m!surare exist!:

- traductoare de temperatur!;- traductoare de presiune;

- traductoare de radia"ii ionizante.- Dup!modul de varia"ie al m!rimii de ie#ire, traductoarele pot fi:- analogice, la care semnalul de ie#ire este un semnal continuu variabil cu m!rimea

aplicat!la intrare;- digitale, la care semnalul de ie#ire este un semnal discontinuu (n general un #ir de

impulsuri)


18/175


parametrice sunt mai precise #i mai sensibile dect cele generatoare, consum!mai pu"in! energiedin fenomenul supus m!sur!rii, influen"ndu-l ntr-o mai mic!m!sur!. Traductoarele generatoare aun schimb avantajul c!dau la ie#ire direct o tensiune care poate fi m!surat!.

#.4.3 Traductoare rezistive

Traductoarele rezistive se bazeaz! pe faptul c! m!rimea de m!surat produce o varia"ie arezisten"ei n concordan"!cu rela"ia:

S

lR = ,

n care % este rezistivitatea materialului (&m); l este lungimea (m) #i S este aria sec"iuniitransversale (m2).

Traductoarele rezistive sunt utilizate pentru m!surarea m!rimilor neelectrice care produc

varia"ia unuia din cei trei parametri #i anume:- traductoare la care varia"ia rezisten"ei se produce prin varia"ia lungimii conductorului(traductoare poten"iometrice, traductoare rezistive cu contacte, traductoare tensometrice etc.).

- traductoare rezistive la care varia"ia rezisten"ei se produce prin varia"ia rezistivit!"ii(traductoare termorezistente, traductoare fotorezistive, traductoare rezistive de umiditate, de precizieetc.).

- traductoare la care varia"ia rezistivit!"ii se produce prin varia"ia sec"iunii unui conductorsau semiconductor.

$.4.3.$Traductoarele poten#iometricesunt construite dintr-un poten"iometru al c!rui cursorse deplaseaz!sub ac"iunea m!rimii neelectrice de m!surat. Deplasarea cursorului poate fi liniar!saucircular!confrm rela"iei:

R = f(X),

n care R este rezisten"a traductorului, iar X m!rimea neelectric!care produce deplasarea.

A

C

B

l

lt

deplasarea

cursorului

B

C

A

A

C

B

Fig.10 Traductoare poten"iometrice:a traductor poten"iometric liniar; b traductor poten"iometric circular;

c schema electric!.

a). b). c).


19/175


n

tt 2

RaRR == , unde =

n2

$factor de treapt!, n = num!r total de spire.

Erorile sunt mai mici, cu ct n este mai mare, fapt pentru care se construiesc traductoareelicoidale cu pas multiplu.

Traductoarele poten"iometrice se utilizeaz!pentru m!surarea deplas!rilor liniare pn!la 2msau pentru deplas!ri unghiulare. Se ntlnesc #i n structura traductoarelor complexe. Pot ficonectate n orice circuit de m!surare a rezisten"ei electrice.

$.4.3.2 Traductoarele rezistive cu contacte sunt traductoarele rezistive la care varia"ialungimii firului rezistiv se face n trepte, prin nchiderea sau deschiderea unor contacte. Deoarecerezisten"a traductorului este divizat! n mai multe por"iuni, m!rimea mecanic! de m!surat are

posibilitatea de a nchide sau deschide contactele. Sunt utilizate n opera"iile de control dimensional

sau de sortare a pieselor pe intervale de valori.$.4.3.3 Traductoarele tensometrice rezistive sunt traductoare la care varia"ia rezisten"eielectrice se produce prin varia"ia lungimii conductoarelor, ca efect al alungirii sau contrac"iei. Dac!traductorul tesiometric este fixat pe o por"iune dintr-o pies! care se deformeaz! din cauza uneisolicit!ri, el se va deplasa la fel ca piesa.

Exist!urm!toarele tipuri:- traductoare tensiometrice simple. La aceste traductoare firul rezistiv se monteaz!direct pe

pies!. Firele fiind foarte mici montarea lor se face greu, din acest motiv ele nu se utilizeaz!dectpentru piesele care func"ioneaz!la temperaturi ridicate.- traductoare cu supot de hrtie. Sunt traductoare la care firul rezistiv este lipit n prealabil

pe o hrtie, astfel nct s! se elimine dificultatea mont!rii directe pe pies!. La aceste traductoarefirul este dispus sub forma unui grilaj.

- traductoare tensiometrice rezistive cu folie. Sunt traductoare asem!n!toare celor cu suportde hrtie, deosebirea fiind legat!de materialul sensibil, care este o folie din material rezistiv, degrosime 220m, aplicat!pe suport #i decupat!prin metode foto-chimice.

- traductoare tensiometrice rezistive cu semiconductor. Au ap!rut datorit!dezvolt!rii fiziciisemiconductoare, elementul sensibil fiind n acest caz siliciul sau germaniul. Avantajul principaleste sensibilitatea mare la deforma"ii (de 50-60 ori mai mare), dar au dezavantajul c! datorit!

procesului de fabrica"ie sunt mai scumpe.Lungimile traductoarelor tensometrice sunt cuprinse ntre 3 #i $50mm, fiind utilizate n

func"ie de tipul materialului. Pentru m!surarea deforma"iilor este necesar un singur traductor (dac!se m!soar!deforma"iile n lungul unei direc"ii cunoscute), sau sunt necesare mai multe traductoare

(dac!direc"ia efortului nu este cunoscut!).Materialul rezistiv activ, suportul izolant #i adezivul traductorului se aleg n func"ie detemperatura maxim!de lucru #i de umiditatea mediului ambiant.

Propriet!"ile traductoarelor tensometrice cu fir rezistiv se refer!la:-sensibilitatea la deforma#ie;

rezisten#a electric! Fiind necesar! o rezisten"! electric! a traductorului mare astfel nct


20/175


Rezisten"a unui material variaz!cu temperatura dup!rela"ia:R=Ro($+).

Traductoarele termorezistive sunt:- termorezistente sunt executate din metale pure care prezint!mari varia"ii ale rezistivit!"ii

cu temperatura rezultnd o caracteristic!de conversie liniar!pe intervale mari de temperatur!. Seutilizeaz! la m!surarea temperaturii #i n construc"ii speciale la m!surarea vitezelor gazelor, adebitului volumetric, a concentra"iei gazelor #i a presiunii sc!zute.

- termistoare sunt rezisten"e realizate din materiale semiconductoare care prezint!varia"iiale rezistivit!"ii cu temperatura. Au dimensiuni foarte mici, sensibilitate mare #i necesit!scheme deliniarizare a caracteristicii de conversie. Termistoarele sunt utilizate pentru m!sur!ri statice dar maiales pentru m!sur!ri dinamice de temperaturi.

$.4.3.5 Traductoare piezorezistive. Efectul piezorezistiv const!n modificarea rezistivit!"iiunui material dac! este supus unei presiuni exterioare cresc!toare din toate direc"iile. Varia"iarezistivit!"ii cu presiunea se datoreaz!deform!rii re"elei cristaline produs!de presiunea exterioar!.

Pentru majoritatea metalelor, ( )pb$RR 0 += , unde Ro rezisten"a la $atm, iar b este

coeficientul de presiune.Aceste traductoare sunt simple, robuste, au timp de r!spuns mic, histerezis neglijabil, dar

prezint! unele dificult!"i la realizarea leg!turilor electrice. Se utilizeaz! la m!surarea presiunilormari

#i foarte mari (

$000 atm.

$00000 atm).

$.4.3.6 Traductoare fotorezistive. Aceste traductoare #i bazeaz! func"ionarea pe efectulfotoelectric intern. Acesta const! n faptul c! la c!derea unui fascicol luminos pe stratulsemiconductor, datorit! absorb"iei fotoionilor inciden"i, se transmite energie electronilor din bandade valen"! astfel nct unii trec n banda de conduc"ie, mic#orndu-se rezisten"a electric! asemiconductorului.

Traductorul se realizeaz!prin depunerea pe un suport izolant a unui strat sub"ire P($m) dematerial semiconductor (PbS, CdS, CdSe). Pe stratul semiconductor la extremit!"i se aplic!

electrozii #i se fixeaz!conexiunile, respectiv se realizeaz!o acoperire cu lac sau o ncapsulare. Lacei doi electrozi se aplic!o surs!de tensiune continu! #i un instrument magnetoelectric. n stareneluminat!prin traductor trece un curent numit curent de ntuneric, iar cnd suprafa"a este iluminat!rezisten"a scade aproximativ liniar cu iluminarea.

Traductoarele fotorezistive prezint! sensibilitate maxim! la anumite lungimi de und!, osensibilitate spectral!favorabil!aplica"iilor la un pre"de cost redus. De#i prezint!dependen"!marecu temperatura sunt utilizate n realizarea exponometrelor #i n m!sur!rile n care intervin impulsuri

de lumin!cu frecven"!joas!.#.4.4Traductoare inductiveTraductoarele inductive fac parte din categoria traductoarelor parametrice. Se bazeaz! pe

proprietatea c! m!rimea de m!surat produce o varia"ie a inductan"ei traductorului. Inductan"aproprie sau mutual!a traductorului este modificat!de acele m!rimi care influen"eaz!geometria saupermeabilitatea circuitului magnetic al traductorului


21/175


Se poate calcula reluctan"a circuitului magnetic cu rela"ia:

3o2oFe

2

$oFe

$

m A

2

A

l

A

lR

+

+

= ,

n care l$#i l2sunt lungimile medii ale liniilor de cmp prin circuitul magnetic, respectiv prinarm!tur!, iar A$, respectiv A2 ariile sec"iunii transversale a circuitului magnetic, respectiv aarm!turii, n timp ce A3este aria ntrefierului.

Dac!ntrefierul cre#te, cre#te reluctan"a Rm, iar inductan"a bobinei (L) scade

=

m

2

R

NL .

Dac! bobina este alimentat! cu tensiune alternativ! de frecven"!f, rezult! un currentalternativ

222 LR

UI

+

= ,

care con"ine informa"ia metrologic!privind m!rimea neelectric!care a produs ntrefierul .Acest tip de traductor este robust #i simplu de conectat, bobinele putnd fi alimentate la

50Hz. Este recomandat pentru m!surari n cazul unor deplas!ri mici (0-5 mm).

b) Traductorul inductiv cu miez mobil.

A2

l$

l2

A$

arm!tur!mobil!

circuit magnetic

sub form!de Ubobin!

N

Fig.11Traductor inductiv cu arm!tur!mobil!:a) circuitul magnetic; b) caracteristica de conversie.

a). b).

L

xLmax

L


22/175


scos din bobin!, n timp ce valoarea Lmaxcorespunde pozi"iei miezului complet introdus n interiorulbobinei. Dependen"a dintre deplasarea miezului x #i inductan"a L a bobinei este dat!de rela"ia:

( ) olx

komax LeLLL ++=

.

Din rela"ie se observ!c!se ob"ine o caracteristic!de conversie neliniar!(reprezentarea estedat!in fig.$2.b), putndu-se realiza liniarizarea acesteia printr-o distribu"ie neuniform!a spirelor pelungimea bobinei. n urma aliment!rii bobinei cu tensiune alternativ!se ob"ine un curent I care d!informa"ii asupra deplas!rii miezului, respectiv informa"ie metrologic!.

Traductorul se utilizeaz!pentru m!surarea deplas!rilor medii #i mari pentru intervale de la0-$00mm pn!la 0-2000mm.

$.4.4.2 Traductoare inductive la care sunt influen#ate dou!inductan#e

Acest tip de traductor se mai nume#te traductor inductiv cu bobine diferen#iale, deoareceeste format din dou! bobine de lungime l, n interiorul c!rora se poate deplasa axial un miezferomagnetic de aceea#i lungime. n urma deplas!rii miezului se modific!inductan"ele proprii ale

bobinelor #i inductan"a mutual!.

Cele dou!bobine, mpreun!cu dou!rezisten"e, sunt conectate ntr-o punte de c.a. alimentat!la o tensiune alternativ!U. Rela"ia care ofer!informa"ii despre m!rimea de m!surat este

M2LL

LL

2

UU

2$

2$

++

= ,

d lij i l l d ! b bi i l i d i

U

-l/2

l/2 x

x

U

l

R

Z$ Z2

R

l

U

Fig.13Traductorul inductiv cu bobine diferen"iale:a - schema electric!; b - caracteristica de conversie.

b).a).

M! ! l l


23/175


20mm. Este format din dou! transformatoare cu acela#i primar, nf!#ur!rile secundare fiindconectate n serie #i opozi"ie, ob"inndu-se o tensiune secundar!:

U2= U2- U2.

Cele trei bobine sunt coaxiale #i n interiorul lor se poate deplasa un miez feromagnetic a

c!rui pozi"ie este determinat! de m!rimea de m!surat #i care determin! polaritatea #i valoareatensiunii U2.Traductorul tip inductosin este cel mai precis traductor utilizat pentru pozi"ionarea sau

m!surarea deplas!rii. Este utilizat att n domeniul construc"iilor de ma#ini, ct #i n tehnicamilitar!, la rampele de lansare a rachetelor, radar, sau n naviga "ie. Este alc!tuit dintr-un element fix(rigla) solidar cu sistemul de referin"!#i un element mobil (cursorul) ata#at de elementul pentru carese determin!pozi"ia sau deplasarea. Cele dou!elemente sunt constituite din circuite imprimate denalt!precizie, avnd form!de bare plate uniform distribuite, interconectate (tip gril!), realizndnf!#ur!ri plane multipolare cu pas constant (uzual p = 2mm). Elementul fix dispune de o singur!nf!#urare pe ntreaga lungime, iar cel mobil de dou! nf!#ur!ri identice, deplasate una fa"! decealalt!cu un sfert de pas. nf!#ur!rile sunt dispuse fa"!n fa"!, plan paralele #i separate de un micntrefier men"inut constant pe toat!deplasarea elementului mobil.

Traductorul inductosin este echivalent cu dou! transformatoare plane care au primareledistincte situate pe elementul mobil #i secundarul comun situat pe elementul fix. Inductan"elemutuale dintre nf!#ur!rile mobile #i nf!#urarea fix! prezint! o distribu"ie spa"ial! armonic! de

formasx2sinM , unde s este dublul pas polar, iar x este deplasarea.

Celor dou!nf!#ur!ri de pe elementul mobil li se aplic!dou!tensiuni sinusoidale U$#i U2,defazate ntre ele cu 90 #i de frecven"! ridicat! (uzual $0 kHz). Tensiunea indus! n nf!#urareafix!U3este suma a dou!tensiuni alternative de aceea#i frecven"!, induse de cele dou!nf!#ur!ri de

pe elementul mobil.Func"ie de modul de varia"ie a celor dou! tensiuni U$ #i U2 se stabilesc regimurile de

func"ionare:- regimul cu modula"ie de amplitudine;- regimul cu modula"ie de faz!.$.4.4.4Traductoare inductive la care este influen#at!permeabilitatea magnetic!Acest tip de traductoare #i bazeaz!func"ionarea pe fenomenul magnetoelastic care const!n

modificarea permeabilit!"ii materialelor supuse la eforturi mecanice. Acest efect este mai pronun"atla materialele care au n componen"! nichel #i fier. n practic! ntre anumite limite ale efortuluimecanic permeabilitatea variaz!liniar cu efortul unitar, varia"ie dependent!de direc"ia efortului.

Traductoarele de acest tip prezint! avantaje legate de dimensiuni (sunt mici), robuste"e #iinterval larg de m!surare, dar au dezavantajul unei precizii sc!zute datorat! fenomenului dehisterezis. Sunt utilizate la m!surarea maselor #i for"elor.

#.4.5 Traductoare capacitiveAceste traductoare fac parte din grupa traductoarelor parametrice #i au ca pricipiu de

M! ! i l t i i l t i


24/175


-

d

Dln

h2C or

= pentru condensatorul cilindric.

$.4.5.$ Traductoarele capacitive cu modificarea dinstan#ei dintre arm!turi (fig.$4) #ibazeaz!func"ionarea pe rela"ia capacit!"ii, din care se remarc!o dependen"!invers propor"ional!aacesteia cu varia"ia distan"ei dintre arm!turi.

$.4.5.2 Traductoarele capacitive cu modificarea suprafe#ei de suprapunere a arm!turilor,exemplificate prin traductorul capacitiv de deplasare unghiular!(fig.$5), se bazeaz!pe dependen"adirect propr"ional!ntre suprafa"!#i capacitate.

$.4.5.3 Traductoarele capacitive cu modificarea dielectricului permit modificareapermitivit!"ii relative a dielectricului, fie prin introducerea unui material izolant ntre arm!turi, fieprin modificarea st!rii fizice a dielectricului cu diferi"i factori externi. Din acest motiv acestetraductoare se utilizeaz!la m!surarea grosimilor, a nivelelor, a umidit!"ii, etc.

Traductoarele capacitive prezint! o mare sensibilitate, au n general caracteristica deconversie liniar!, au capacit!"i mici #i de aceea schemele electrice sunt alimentate cu tensiuni defrecven"e ridicate (400 Hz $00kHz), amplitudinea tensiunii de alimentare fiind limitat! detensiunea de str!pungere.

#.4.6 Traductoare generatoareSunt traductoare electrice la care m!rimea neelectric! este convertit! direct n tensiune

electric!. n func"ie de fenomenele fizice ce permit aceast!conversie se disting:

- traductoare termoelectrice;- traductoare piezoelectrice;- traductoare fotoelectrice;- traductoare de induc"ie.$.4.6.$Traductoare termoelectriceFunc"ionarea lor se bazeaz! pe fenomenul termoelectric Dac! se realizeaz! un circuit din

C

d

d

dr

b).a).

Fig.14Traductor capacitiv cu arm!tur!mobil!: a - schema electric!;b - caracteristica de conversie.

Fig.15Traductor capacitiv de deplasareunghiular!: a - schema electric!;b - caracteristica de conversie.

o

b).a).

C

o

M!sur!ri electrice "i electronice


25/175


lor este diferit!, tensiunea termoelectric!este suma algebric!a tensiunilor termoelectrice dezvoltatede fiecare pereche de conductoare.

Traductorul termoelectric termocuplu este format de ansamblul de conductoare a#i b#iare dou!capete, cap!tul cald #i cap!tul rece.

Traductoarele termoelectrice trebuie s! aib! sensibilitatea ct mai mare pe un interval detemperatur!ct mai larg, motiv pentru care sunt utilizate la realizarea termometrelor electrice.

$.4.6.2 Traductoare piezoelectriceEfectul piezoelectric const! n polarizarea electric! a unor substan"e cristaline (exemplu:

cuar", titanat de bariu, etc.) n urma unor deforma"ii mecanice (efect piezoelectric direct) saumodificarea dimensiunii lor ntr-un cmp electric variabil (efectul prezoelectric invers) (exemplu:cristalul de cuar").

Cristalul de cuar", care este o prism! hexagonal!, are 3 axe electrice (Ox), 3 axe mecanice(Oy), $ax!optic!(Oz). La comprimarea cristalului n direc"ia unei axe electrice se produce efectul

y

z

x

0RcUcCc

Fig.17Traductorul piezoelectric:a - cristalul de cuar"; b - schema echivalent!.

b).a).

Fig.16Traductorul termoelectric:

a - explica"ia fenomenului termoelectric; b - schema de m!surare.

P$ $ P2 2

a).

P$ $ P3

P2 2

mV

b).

a

b

M!sur!ri electrice "i electronice


26/175


x

xxe A

Fd

kU

= .

Traductorul se preteaz! la m!sur!ri dinamice, cum ar fi: m!surarea for"elor, a presiunilor,vitezelor de propagare a undelor mecanice #i a unor constante de material.

$.4.6.3 Traductoare de induc#ieTraductoarele de induc"ie func"ioneaz! pe baza fenomenului de inducere a unei tensiuni

electromotoare ntr-un conductor n deplasare relativ!fa"!de un cmp magnetic. Traductoarele deinduc"ie cele mai utilizate sunt: tahogeneratoarele #i traductoarele de induc"ie pentru debit.

Tahogeneratoarele sunt traductoare de tura"ie, func"ionnd ca microgeneratoare de curentcontinuu sau alternativ, genernd tensiuni propor"ionale cu viteza de rota"ie a arborelui la care suntconectate. Au o precizie bun! #i sensibilitate mare la sensul de rota"ie, fiind din acest motiv larg

r!spndite.Traductoarele de induc"ie pentru debit sunt folosite la m!surarea debitelor lichidelor buneconduc!toare de electricitate.

#.4.7 Traductoare digitaleTraductoarele digitale realizeaz!convertirea m!rimilor neelectrice n impulsuri de tensiune a

c!ror frecven"!sau num!r sunt propor"ionale cu valoarea m!rimilor m!surate.Dintre traductoarele digitale se pot enumera:- traductor digital pentru deplas!ri unghiulare;- traductor digital electromagnetic pentru vitez!unghiular!;- traductor digital electromagnetic pentru debit.$.4.7.$Traductor digital pentru deplas!ri unghiulareAcest tip de traductor are ca element principal un disc codificator. Discul se fixeaz!pe axul

a c!rui deplasare se m!soar!. Discul poate avea 4 sau mai multe piste pe care se afl! sectoareechidistante care sunt detectate de un palpator mecanic (perie). Peria nchide un circuit dac!ea calc!

pe sector (logic $) sau ntrerupe un circuit dac! se deplaseaz! ntre sectoare (logic 0). n urma

aranj!rii sectoarelor se ob"ine un cod binar unic (pentru fiecare pozi"ie) propor"ional cu m!rimeam!surat!.

$.4.7.2 Traductor digital pentru vitez!unghiular!Pe axul a c!rui vitez! se m!soar!se fixeaz!o roat!din"at!din material feromagnetic. La

mic!distan"!de periferia din"ilor se afl!cap!tul din material feromagnetic al unei bobine. Cnd undinte se apropie sau se ndep!rteaz!de magnet, lungimea ntrefierului variaz!#i odat! cu aceastareluctan"a circuitului. Varia"ia reluctan"ei conduce la varia"ia fluxului magnetic, respectiv la

generarea unui impuls n bobin!. Prin m!surarea intervalului de timp dintre dou! impulsuri saunum!rul de impulsuri dintr-un interval de timp se ob"ine viteza unghiular!.$.4.7.3 Traductor digital electromagnetic pentru debitAcest tip de traductor are o realizare asem!n!toare celui pentru vitez!unghiular!, varia"ia

reluctan"ei fiind produs!de palele unei elice din material feromagnetic care se rote#te sub ac"iuneavitezei de curgere a unui fluid Debitul fluidului este propor"ional cu num!rul de impulsuri generate

Msurri electrice i electronice


27/175

2. APARATE ELECTRICE ANALOGICE

PENTRU MSURARE

2.1 Instrumente electrice analogice

2.1.1 Definiii. ClasificareInstrumentul de msurare constituie cel mai simplu mijloc tehnic care poate furniza de sine

stttor informaii de msurare si reprezinta o componentde baz a oricrui aparat de msurareanalogic.

Un instrument de msurare este un mecanism electromecanic care, n majoritatea cazurilor,convertete o mrime electricactivxintr-o mrime mecanic, cel mai adesea un cuplu de foredenumit cuplu activ care provoac rotirea dispozitivului mobilal acestuia. Pentru ca fiecrei valori

x s-i corespund o deviaie a dispozitivului mobil, asupra acestuia acioneaz i un cuplurezistent,dependent de , astfel nct, sub aciunea celor doucupluri dispozitivul mobil se rotetecu un unghi = f(x),ce constituie informaia de msurare.

Unele instrumente sunt lipsite de cuplu rezistent, asupra dispozitivului mobil al acestoraacionnd doua cupluri active de sensuri opuse: unul dependent de valoarea x1, iar cellalt de

valoarea x2. Sub aciunea celor dou cupluri dispozitivul mobil se rotete cu un unghi. Aceastcategorie de instrumente poart denumirea de logometre deoarece deviaia depinde de raportulvalorilorx1, x2ale mrimilor de intrare.

.2

1

=

x

xf

Principiul de funcionare al instrumentelor de msurare diferin funcie de fenomenul fizicutilizat pentru producerea cuplului de fore necesar rotirii dispozitivului mobil. Dupprincipiul defuncionare instrumentele de msurare se mpart in urmtoarele categorii: -magnetoelectrice; -cumagnet mobil; -feromagnetice; -electrodinamice; -ferodinamice; -de inducie; -electrostatice;-cu lamele vibrante; -termice.

Toate aparatele de msurare analogice au notate pe cadranele lor o serie de inscrip ii carecorespund instrumentului de msurare de baz, i a cror cunoatere este necesar n scopulutilizrii lor ct mai corecte in procesul msurrii.

2.1.2 Prile componente ale instrumentelor de msurare

Majoritatea instrumentelor de msurare sunt alctuite dintr-o serie de elemente constructivecomune. In general, un instrument de msurare este format dintr-o parte fix, i o parte mobilnumitdispozitiv mobil. Att partea fixct i cea mobilsunt prevzute cu elemente active careservesc la producerea cuplului activ i cu elemente auxilare care ndeplinesc diferite funcii.

Ansamblul elementelor active a cror interaciune determinmicarea dispozitivului mobilformeaz dispozitivul de producere a cuplului activ



28/175

Suspensia pe paliere (fig.18.a) este utilizat la majoritatea instrumentelor. Dispozitivulmobil este fixat pe un ax din oel sau aluminiu, prevzut la capete cu pivoi din oel dur, care sesprijin n paliere din materiale dure semipreioase, cum ar fi: agat, rubin, safir. Suprafeele desprijin pivot-palier trebuie sa fie lefuite pentru a reduce frecrile, iar axul trebuie saibun mic jocaxial care s

permit

rotirea u

oar

i dilatarea cauzat

de varia

ii de temperatur

, frpericol de

cretere a frecrilor.Folosirea lagrelor prevzute cu resort permite amortizarea eventualelor ocuri mecanice.

a). b). c).

Fig.18 Tipuri de suspensie:a pe paliere; b pe fire tensionate; c liber.

Suspensia pe benzi tensionate(fig.18b) este utilizatla instrumentele de mare sensibilitate.

Se realizeazcu ajutorul a doubenzi subiri, din bronz fosforos sau beriliu, fixate cu cte un capatla cadrul mobil i cellalt la partea fix, prin intermediul unui arc lamelar care realizeaztensionarea benzilor. Pe lngsusinere benzile produc cuplul rezistent si conduc curentul la cadrulmobil (dacacesta constdintr-o bobin).

Suspensia liber (fig.18.c) se utilizeaz mai rar si numai la instrumente de foarte maresensibilitate (unele galvanometre). Dispozitivul mobil este suspendat de un fir de torsiune dinargint, bronz fosforos, cuart .a., necesitnd conductoare de aducere a curentului lipsite de cuplurezistent.

n raport cu suspensia pe paliere, suspensia pe benzi tensionate si suspensia liber oferurmtoarele avantaje: eliminarea frecrilor, micorarea consumului propriu, creterea sensibilitiiinstrumentului. n schimb prezintdezavantajul unei sensibiliti mari la ocuri i vibraii mecanice.

2.1.2.2 Dispozitivul de producere a cuplului rezistent

Cuplul rezistent se realizeaz cu ajutorul unor elemente elastice: resorturi spirale lainstrumentele cu suspensie pe lagre i benzi tensionate, respectiv firul de torsiune lainstrumentele care folosesc aceleai elemente i pentru suspensie. Resorturile spirale se

confecioneazdin bronz fosforos sau bronz cu beriliu ca i benzile tensionate. Cuplul rezistent alinstrumentelor cu resorturi sau benzi tensionate nu se anuleaz dect n poziia iniiala adispozitivului mobil. De aceea, la deconectarea instrumentului din circuitul de msurare, cuplulrezistent aduce dispozitivul mobil automat n poziia iniialde repaus (de zero).

Corectorul de zero servete la reglarea poziiei iniiale (de zero) a indicatoruluiinstrumentului



29/175

La instrumentele cu resorturi (fig.19) corectorul de zero consta dintr-un buton 1 (manevrabildin exterior) cu tiftul excentric 2 introdus n furca prghiei 3 de a carei extremitate este fixatcaptul resortului 4. Rotind butonul cu tift excentric se deplaseazcaptul resortului care roteteaxul dispozitivului mobil pncnd indicatorul coincide cu reperul zero al scrii gradate.

2.1.2.3 Dispozitivul de amortizare

n lipsa dispozitivului de amortizare, dup aplicarea mrimii de msurat la intrarea unuiinstrument de msurare, datoritineriei dispozitivului mobil, indicatorul deviaiei nu trece imediatn poziia corespunzatoare deviaiei permanente, ci executo micare de oscilaie n jurul acestei

poziii, prelungind inadmisibil de mult timpul de rspuns al instrumentului. Pentru obinerea unuitimp de rspuns ct mai scurt, majoritatea instrumentelor se prevd cu dispozitive de amortizare,care pot fi de tippneumatic, electromagnetic sauhidraulic.

12

3

a).

3

1

2

b).

2

1

3

Fig.20 Dispozitive de amortizare:a - pneumatic; b - electromagnetic.

Dispozitivul de amortizare pneumatic (fig.20a) este constituit dintr-o camernchis(1) ninteriorul creia se poate mica o palet uoar (2) fixat de axul dispozitivului mobil (3).

Amortizarea se datoreazaciunii de frnare a micrii, produsde comprimarea i scurgerea forata aerului prin intervalul ngust dintre paleti pereii camerei amortizorului.Dispozitivul de amortizare electromagnetic (fig.20b) este constituit dintr-un sector de disc

de aluminiu (1), fixat de ax (3), care se poate mica n ntrefierul dintre polii unui magnetpermanent (2). Amortizarea se datoreaz aciunii cmpului creat de magnet asupra curenilorturbionari indusi n disc la micarea acestuia n cmp. Conform regulei lui Lenz, efectul curenilorindui se opune cauzei care i-a produs, exercitnd astfel o aciune de frnare (amortizare) a micrii.

Amortizarea hidraulicse folosete extrem de rar (bucle de oscilograf). Dispozitivul mobil

este introdus ntr-un lichid de o anume vscozitate (glicerin, ulei mineral, uleiuri siliconice, .a.),corespunztoare unui anume grad de amortizare.

2.1.2.4 Dispozitivul de indicare a valorii msurateEste format dintr-un cadran cu scargradati indicatorul deviaiei.Cadranul constituie suportul material al scrii gradate i se construiete din tablde alam,



30/175

Indicatorul deviaieipoate fi un ac indicator sau un spot luminos (interior sau exterior). Aculindicator este fixat de axul instrumentului i este echilibrat cu dou contragreuti, astfel nctcentrul de greutate al indicatorului s se afle pe axa de rotaie. Dispozitivul indicator cu spotluminos se utilizeaz mai rar i numai la aparate de mare sensibilitate, caz n care deasupradispozitivului mobil al instrumentului este fixato oglindde dimensiuni foarte mici care reflectun spot luminos spre scara gradat.

2.1.3 Cupluri care acioneazn regim static asupra dispozitivului mobilCuplul activ, Ma,determinmicarea dispozitivului mobil ca urmare a interaciunilor dintre

elementele active ale instrumentului. n cazul instrumentelor a cror funcionare este determinatdefore mecanice, produse prin intermediul cmpului electric sau magnetic, expresia cuplului activ se

poate stabili aplicnd teorema forelor generalizate.Cuplul rezistent, Mr. n cazul instrumentelor cu resorturi, benzi tensionate sau fir de

torsiune, cuplul rezistentMreste proporional cu unghiul de rotaie al dispozitivului mobil i desemn opus cuplului activ: ,Mr = DundeDeste cuplul rezistent specific al elementului elastic (resort, benzi).n cazul logometrelor, funcia cuplului rezistent este ndeplinitde un al doilea cuplu activ,

de semn opus primului, cele doucupluri fiind funcii diferite de unghiul de rotaie . Dacprimulcuplu activ este de forma: ,)fxM n=

atunci cuplul rezistent se exprimprin relaia:a (11

,)(2 fM = unde x2 - mrime de aceeai naturcu x1.

r 2xn

Cuplul de frecare, Mf, existnumai la instrumentele cu suspensia pe paliere, fiind produs defrecarea pivoilor n palier. Datorit prezenei cuplului de frecare deviaia final a dispozitivuluimobil se stabilete cu o anumita eroare (de frecare) n raport cu poziia pe care acesta ar ocupa-o nlipsa frecrilor. Cuplul (i respectiv eroarea) de frecare depinde de greutatea dispozitivului mobil,de materialele i calitatea suprafeelor pivot-palier, de mrimea cuplului activ i rezistent.

2.1.4 Ecuaia generalde micare a dispozitivului mobil a instrumentelor de msurare

n cazul majoritaii instrumentelor de msurare dispozitivul mobil execut o micare derotaie n jurul axei sale. Ecuaia generalde micare se obine din ecuaia echilibrului dinamic altuturor cuplurilor ce acioneazasupra dispozitivului mobil, anume:

0n

=MiCuplurile Micare acioneazasupra dispozitivului mobil sunt:

1

MJ = - J d2/dt2 cuplul forelor de inerie, unde J este momentul de inerie al

dispozitivului mobil n raport cu axa de rotaie, iar d2/dt2 acceleraia unghiulara micrii.

MA= - A d/dt cuplul de amortizare, produs de dispozitivul de amortizare (i defrecarea cu aerul), unde A este factorul de amortizare (cuplul de amortizare specific) i d/dt viteza unghiulara micrii.

Mr= - D cuplul rezistent mecanicn cazul utilizrii unor elemente elastice sau

Mr= - - cuplul rezistent de aceeai naturcu cuplul activ, n cazul logometrelor.)(fx 2n2



31/175

unde peste o soluie particulara acestei ecuaii, dependentde modul de variaie n timpa mrimii de msurat x, respectiv a cuplului activ Ma, iar 1 este soluia ecuaiei omogene (frmembrul drept). p reprezint deviaia de regim permanent, iar 1 deviaia de regim liber(tranzitoriu). Prin urmare regimul de micare a dispozitivului mobil cuprinde 2 faze: regimultranzitoriu 1(dinamic) i regimul deviaiei permanente p(static sau dinamic).

Regimul tranzitoriueste caracteristic tuturor instrumentelor electromecanice i are o duratlimitat n timp. Acesta apare, n general, la trecerea dispozitivului mobil de la o stare de regim

permanent la alta. Cazul frecvent n care se manifest regimul tranzitoriu este acela al conectrii(deconectrii) unui instrument n (din) circuitul de msurare. Dupterminarea regimului tranzitoriuse stabileste ntotdeauna regimul permanent.

Regimul deviatiei permanente (static) se instaleaz ntotdeauna dup trecerea regimuluitranzitoriu i este caracteristic instrumentelor cu inerie mare. Dup forma cuplului activ care

solicitdispozitivul mobil se ntlnesc doucategorii de instrumente funcionnd in regim static. nprima categorie intr instrumentele al cror dispozitiv mobil fiind solicitat de un cuplu activconstant,Ma= const., duptrecerea regimului tranzitoriu, atinge deviaia permanentt = Ma/D =const. (Exemple: instrumente magnetoelectrice, feromagnetice, electrodinamice, ferodinamicefuncionnd n curent continuu). Din a doua categorie fac parte instrumentele care, fiind solicitatede un cuplu dinamic (variabil periodic n timp), datoritineriei mari a dispozitivului lor mobil, nu

pot urmri variaiile rapide n timp ale cuplului activ, deci ale valorii instantanee a mrimii deintrare. La aceste instrumente, dup trecerea regimului tranzitoriu, dispozitivul mobil prezint odeviaie permanentproporionalcu valoarea medie a cuplului dinamic:

.constD

Mmedp ==

Pentru determinarea soluiei ecuaiei omogene:

2

2

dt

d +

J

A

dt

d+

J

D = 0 ,

se noteaz

J

D= i20

J

A= 2 0 , unde 0i depind numai de parametrii constructivi ai

instrumentului de msurare. Rdcinile ecuaiei caracteristice sunt:

r1,2= (-0 12 ),

unde 0 este pulsaia proprie a dispozitivului mobil, iar gradul de amortizare.

Soluia ecuaiei omogene i caracterul micrii dispozitivului mobil n regim tranzitoriu,depind de natura rdcinilor ecuaiei caracteristice, respectiv de gradul de amortizare . n funciede valoarea lui se obin urmtoarele cazuri:

1 - regim supraamortizat (micare aperiodic).



32/175

2.2 Circuite auxiliare ale aparatelor de msurare

2.2.1 Circuite pentru extinderea domeniului de msurare

Un aparat de msurare se caracterizeazdin punct de vedere al utilizrii sale n circuit princurentul maxim admisibil sau curentul nominal Ini prin valoarea rezistenei sale interne ri. Pe bazaacestor date rezulttensiunea nominalla bornele aparatului:

nin IrU = .Aparatele cu rezisteninternmic(ohmi, zeci de ohmi) se utilizeazca ampermetre i se

introduc n serie n circuitul n care se msoarcurentul. Aparatele cu rezisteninternmare (miide ohmi) se utilizeaz ca voltmetre i se conecteaz n paralel la bornele la care se msoar

tensiunea. Astfel, daccurentul de msurat depete valoarea Insau tensiunea de msurat depetevaloarea Un, se pune problema extinderii posibilitilor de msurare ale aparatului utilizat caampermetru sau ca voltmetru.

2.2.1.1 Extinderea domeniului de msurare al ampermetrelor

Extinderea domeniului de msurare al ampermetrelor se realizeazprin conectarea n paralela unei rezistene numite untcare deriveazo parte din curentul de msurat.

Is Rs

In ri

I

Fig.22 Schema ampermetrului cudomeniu de msurare extins.

DacI este curentul de msurat i Iscurentul prin unt, pe baza relaiilor:

ssni IRIr = ; , i notnd raportulns III = nII

n

= ,

rezultn final relaia de calcul a valorii untului:1n

RR is

= .

Dac se lucreaz n curent alternativ, trebuie s se in seama de inductanele proprii ale

bobinei aparatului (Li) i a untului (Ls) care apar n serie cu rezistenele acestor bobine. mprireacurentului de msurat ntre aparat i unt este independentde frecvendac

i

i

s

s

R

L

R

L= , adicfazele celor doi cureni (prin aparat i unt) sunt aceleai.

Pentru a realiza un ampermetru cu mai multe scri o soluie ar consta n montarea n paralel


S l i d bil d d f l i ( id l )


33/175

Soluia nu este recomandabildeoarece defectarea comutatorului (sau oxidarea contactelor)pune n pericol aparatul, prin care se poate nchide tot curentul de msurat. O soluie mai bunooferuntul universal. Dacschema permite msurarea a mtrepte de curent, atunci din considerenteanaloage cu cele de mai sus, se deduce valaorea rezistenei untului la treapta kde curent:

,n

nRR

k

mmk =

unden

mm

n

kk I

In,

I

In == i Rmeste rezistena totala untului.

In, Rn

- I1 I2 Ik Im

Fig.24 Ampermetru cu untuniversal.

unturile pot fi interioare sau exterioare aparatului. Dei rezistena unturilor este foartemic, trecerea unui curent de mare intensitate prin el produce o cantitate de cldurfoarte mare.

Spre exemplu, un curent de 20000 A trecnd printr-un unt de 100 mV produce o cantitate decldurde 2 kW. Ca urmare, untul trebuie astfel construit nct sevacueze ntreaga cantitate decldurprin suprafaa sa de rcire ctre mediul nconjurtor

2.2.1.2 Erori de temperatur i compensarea lor. La variaia temperaturii, rezistenauntului (din manganin) rmne practic neschimbat, n timp ce rezistena bobinei mobile (dincupru) variazcu 0,4%/0C, modificnd substanial curentul I0, deci i indicaia aparatului. Aparatelefrunt (A, mA) nu sunt afectate de erori de temperatur, deoarece, n general, rezistena bobinei

mobile este mult mai micdect rezistena totala circuitului n care este conectat. Pentru reducereaerorii de temperatureste necesarintroducerea unor elemente de compensare.n cazul ampermetrelor de precizie redus(clasa 1...2,5) eroarea se reduce prin conectarea n

serie cu bobina mobil a unei rezistene de manganin r1, avnd valoarea r1 = (1-5)r0. Astfel,rezistena total r0 + r1 variaz mai puin cu temperatura i eroarea se micoreaz n modcorespunztor (fig.25a). Nu se poate adopta o rezistende compensare r1de valoare prea mare,deoarece aceasta ar fi nsoit de creterea rezistenei untului care se calculeaz cu relaia

corespunztoare: Rs= 1n

r10

r +

.Pentru ampermetrele de precizie mare (clasa 0,2;0,5), metoda precedent nu mai poate fi

utilizatdeoarece ar rezulta valori exagerat de mari pentru r1. n acest caz se folosete schema dinfigura 25b, n care rezistenele r1 i r3 sunt din manganin i r2 din cupru. Dac rezistenelendeplinesc condiia r1r3 = r2r0 se obine o compensare total a erorii de temperatur De regul se



34/175

r0(Cu) r1(Mn)

Rs(Mn)

Io

I

Rs(Mn)

r2(Cu)

r3(Mn)

r1(Mn)r0(Cu)

mA

I1

I

mAa).

b).

Fig.25Scheme de compensare a erorilor de temperatur la ampermetre magnetoelectrice:a - pentru aparate tehnice; b - pentru aparate de precizie.

2.2.1.3 Extinderea domeniului de msurare al voltmetrelor

Extinderea domeniului de msurare al voltmetrelor se realizeazprin conectarea n serie cuaparatul a unor rezistene adiionale, care preiau o parte din tensiunea necesara fi msurat.

-

In, ri

+U

Ra

Fig.26 Schema voltmetrului cudomeniu de msurare extins.

DacU este tensiunea de msurat, apicnd legea lui Ohm n acest ochi de reea obinemrelaia:

.IRIRU nani +=

Dacse ine seama de faptul c Un = RiIn i se noteazcunU

U=n , se obine n final relaia

de calcul a rezistenei adiionale:( ) .1nRR ia =

n ca l n i oltmetr c mai m lte scri din considerente analoage re lt aloarea


Rezistenele adiionale pot fi de asemenea interioare sau exterioare Ele se execut din srm


35/175

Rezistenele adiionale pot fi de asemenea interioare sau exterioare. Ele se executdin srmde manganin izolat, nfurat pe plci izolate sau role de porelan. La aparatele cu clas de

precizie redus(1,5 - 5 ) se pot utiliza rezistene chimice, care au un cost redus i un volum mic, darprezintdezavantajul variaiei cu temperatura.

2.2.2 Circuite pentru dilatarea sau comprimarea scrii de msuraren figura 28a se prezint schema unui voltmetru de curent alternativ format dintr-un

instrument de msurare n curent continuu, o punte cu elemente redresoare i o diodZener, a creicaracteristic se d n figura 28b. Pentru tensiuni redresate mai mici dect Uz (tensiunea destrpungere a diodei Zener) instrumentul nu indic nimic, cci dioda Zener este practic blocat.Pentru valori , dioda se deblocheazi ncepe sindice, scara fiind liniar:z0 UU ( )z0i UUkI = .

i

uu +-

Uo

Uz

Ii

a).b).

Fig.28 Voltmetru de curent alternativ cu circuit de dilatare a scrii demsurare: a - schema electric; b - caracteristica diodei Zener.

Dac se alege , unde Umax0z U9,0U = omax reprezint valoarea maxim a tensiunii demsurat, valorile cuprinse ntre 0,9U0max i U0maxvor putea fi citite pe ntreaga scara aparatului.

Pentru comprimarea scrii aparatului se poate folosi schema din figura 29a. Diodele D1, D2,Dn conduc succesiv pe msur ce crete tensiunea continu Ui, de la intrare. Prin intrarea nconducie, fiecare diodabsoarbe o parte din curentul aparatului, determinnd ca indicaia sa snucreascproporional cu tensiunea de intrare. Se poate realiza astfel o scarlogaritmicreprezentatn figura 29b.

Ue

Ue

D1 D2 D3 Dn

1 2 3 ------- n

Ui


I


36/175

Ii

a). b).

R2R1 Ri

-

+

Fig.30 Circuite pentru protecia aparatelor la suprasarcini.

n figura 30b se reprezint schema de protecie a unui ampermetru de curent continuu,realizatcu o diodcu siliciu. Aceasta ncepe sconducn sensul direct, atunci cnd cderea detensiune pe aparat depete valoarea nominal, derivnd astfel o parte din curent.

2.3 Aparate electrice de msurare cu instrument magnetoelectric

2.3.1 Instrumente magnetoelectrice cu cadru mobil

Instrumentul magnetoelectric este cel mai rspndit dintre toate instrumentele de msurare.Avnd la baz un astfel de instrument, s-au realizat microampermetre i miliampermetre

magnetoelectrice folosite att ca atare ct i n construcia a numeroase aparate de msurare, ca deexemplu: milivoltmetre, voltmetre, ampermetre, ohmmetre, multimetre, aparate electroniceanalogice. De asemenea, s-a utilizat la construcia galvanometrelor, indicatoarelor de nul, buclelorde oscilograf, iar n asociere cu redresoare sau termoelemente la construcia unor voltmetre iampermetre de curent alternativ. n fine, asociat cu convertoare sau traductoare adecvate esteutilizat la construcia de frecvenmetre, wattmetre .a., precum i a aparatelor analogice pentrumsurarea de mrimi neelectrice pe cale electric(temperatur, debit, etc.).

Constructivse deosebesc doutipuri: cu magnet permanent exterior i cu magnet permanent

interior.

Fig.31 Instrument magnetoelectric cu magnet

permanent exterior:3

1

2

7

41- magnet permanent;2- piese polare din material feromagnetic;3- miez cilindric;4- bobinmobil;5 i



37/175

Fig.32Instrument magnetoelectric cumagnet permanent interior:

1- magnet permanent interior;2- carcascilindricdin material feromagnetic;

1

S

N3

3- bobinmobil;4- piespolar.

Sistemul fix al instrumentului este fomat din magnetul permanent (aliaj magnetic dur)prevzut cu piese polare i miezul cilindric (material magnetic moale). Elementul activ l constituiebobina mobilcare nconjoarmiezul, care se poate roti n ntrefierul cilindric dintre piesele polarei miez, fiind fixatpe dousemiaxe ce se sprijinn paliere. Pe semiaxe sunt fixate douresorturispirale nfurate n sensuri opuse pentru a compensa efectele variaiilor de temperatur, precum iacul indicator cu contragreutile de echilibrare. Resorturile spirale servesc totodati la aducerea

curentului la bobina mobil. Bobina mobileste realizatprin nfurarea unui conductor subire peun cadru dreptunghiular (tabl de Al), care constituie o spir n scurtcircuit ce servete laamortizarea oscilaiilor dispozitivului mobil.

Instrumentul cu magnet interior prezint o construcie simpl, gabarit redus, dispersiafluxului magnetic mai micn raport cu instrumentul cu magnet permanent interior, precum i o mai

bunecranare.Funcionarea instrumentului se bazeaz pe apariia unui cuplu activ datorit interaciunii

dintre cmpul magnetic din ntrefier i cmpul magnetic produs la trecerea curentului prin bobinamobil.

B inducia n ntrefier;b limea bobinei.

F F- fora electromagnetic(foraLaplace).

.)( BxldIF=

Fig.33 Schiexplicativprivind producerea cuplului activ.

F

B

b/2


Dacbobina instrumentului este parcursde un curent alternativ (i = IMsint), cuplul activ


38/175

p ( M ), peste alternativ de aceeai frecven ma= 0 i, iar cuplul activ mediu va fi

Mamed =

==T TT

a idtT

idtT

dtmT 0 0

0

0

0

11 = 0, i deviaia acului indicator al

instrumentului este nul. Rezultcinstrumentul funcioneaznumai n curent continuu.Funcionarea instrumentului poate fi afectat de variaii de temperatur (prin modificarea

rezistenei bobinei - ce determin erori de indicaie), fapt pentru care se prevede cu schem decompensare.

Dintre calitile instrumentului se pot meniona: scar uniform (liniar), sensibilitateridicat, consum propriu redus (mW), precizie bun, influenneglijabila cmpurilor exterioare.Dezavantajele sunt legate de funcionarea numai n c.c., de capacitatea de suprasarcinredusi de

preul de fabricaie.2.3.2 Logometre magnetoelectriceLogometrele magnetoelectrice sunt utilizate la construcia de ohmmetre, megohmmetre,

precum i n scheme de termometre electrice rezistive. Dispozitivul mobil al acestora este constituitdin dou bobine solidare, fixate pe un ax comun sub un anumit unghi. Sunt lipsite de resorturi,curenii fiind adui la bobine prin fire foarte subiri, dispuse sub formde bucllargpentru a nu

produce cuplu rezistent mecanic. Funcionarea logometrului magnetoelectric este descris deurmtoarea ecuaie:

= f (I1/I2).Prin urmare, deviaia logometrului magnetoelectric este funcie de raportul curenilor ce

parcurg bobinele mobile. Avantajul esenial al acestuia const n faptul c atunci cnd ambelecircuite de curent sunt alimentate de la o surscomun, indicaia instrumentului nu este influenatde variaiile tensiunii de alimentare.

- unghi de decalaj al bobinelor

SNFig.34Logometru magnetoelectric.

2.3.3 Galvanometre de curent continuuAceste aparate de mare sensibilitate sunt realizate cu instrumente magnetoelectrice farelemente de amortizare (cu bobina mobilrealizatfarcadru metalic), fiind folosite ca indicatoarede nul de curent continuu. Sunt utilizate pentru msurarea curenilor de valori foarte mici ( 11-610-11A) sau a tensiunilor de c.c. foarte mici (11-4 11-9V ).



39/175

R3R2R1ra

U

U

Fig.36Schema de principiu a unui voltmetru cumai multe game de msurare.

Voltmetre magnetoelectrice cu redresor.Pentru utilizarea voltmetrelor magnetoelectrice in curent alternativ, acestea se prevd cu o schem de redresare care ndeplinete funcia deconvertor alternativ-continuu. Un voltmetru cu redresor este constituit dintr-un instrumentmagnetoelectric (microampermetru, miliampermetru) conectat ntr-o schemde redresare (de regul

bialternan), n serie cu o rezistenadiionalcorespunztoare tensiunii nominale (fig.37).Rezistena adiionalse determindin relaia:

Un=(r0+Ra)I0 = mU0= mr0I0, unde: Ra = r0(m-1),

n care m =Un/U0 coeficient de multiplicare a limitei de msurare a voltmetrului.

R

a).

u~

Ra

R

mA

C

R

b). 1 k n

Ra

Rn

u~

R1Rs

Rc

C

Rm

R

mA

Fi 37 S h d l d i i i i


Prin urmare, voltmetrul magnetoelectric cu redresor msoar corect valoarea efectiv a


40/175

tensiunii de formsinusoidal; n cazul unor tensiuni nesinusoidale, valoarea indicateste afectatde o eroare cu att mai mare cu ct tensiunea este mai deformat.

Indicaiile voltmetrului cu redresor pot fi afectate de erori de temperatur i de frecven.Creterea temperaturii provoac scderea rezistenei n sens direct a diodelor redresoare (cu

) i totodat, creterea rezistenei bobinei mobile a instrumentului (cu ), celedouefecte compensndu-se parial. Pentru compensare totala erorii de temperatur, de regul, oanumitfraciune din se confecioneazdin cupru (fig.37). La creterea frecvenei crete ireactana bobinei mobile iar curentul prin instrumentul de msurare scade, ceea ce explicapariiaerorii de frecven. Aceasteroare se elimincu ajutorul unui condensator C conectat n paralel cuo fraciune din rezistena adiional. La creterea frecvenei impedana poriunii de circuit RC scade,compensnd astfel creterea reactanei instrumentului.

C%/5,15,0 o C%/4,0 o

cR aR

n figura 37a se prezintschema unui voltmetru cu redresor cu o singursensibilitate pentrumsurarea unor tensiuni relativ mici, rar utilizatde sine stttor. n cazul msurrii tensiunilor mari(zeci, sute de voli) rezistena adiionalpoate atinge valori mari, apropiate ca ordin de mrime derezistena invers a diodelor, ceea ce poate duce la anularea proprietii de redresare. Din aceastcauz, la voltmetrele pentru tensiuni mari rezistena adiional este nseriatcu un unt (fig.37b), la bornele cruia se conecteazun voltmetru de mictensiune (0,8-2 V), astfel nct rezistenatotal a acestuia s rmn mult mai mic dect (s fie ndeplinit condiia de redresare).

Totodat, untul asiguri ndeplinirea condiiei de scarunicpentru voltmetrul cu mai multesensibiliti. n acest caz, pentru a putea utiliza aceeai scarpentru toate tensiunile nominale alevoltmetrului trebuie ca, la schimbarea gamei de msurare, respectiv la modificarea rezisteneiadiionale (k = 1,2,...,n), curentul la cap de scarprin ramura de msur(formatdin instrumenti schema de redresare), srmnneschimbat. Pentru aceasta este necesar sse meninconstantrezistena exterioar, vzutde la bornele a,b, (fig.37b), respectiv rezistena formatdin iconectate n paralel (neglijnd rezistena sursei de tensiune). Dac este ndeplinit condiia

pentru toate domeniile, se poate considera c rezistena exterioar rmne constant,egalcu R pentru toate treptele i deci este ndeplinitcondiia de scargradatunic.

iR

sR

aR sR

s

iR

akR

ak

s

R akR

s RR


41/175

magnetoelectric asociat cu o schem de redresare i conectat prin intermediul unui unt sautransformator de curent n circuitul parcurs de curentul alternativ de msurat (fig.39).

Un astfel de ampermetru este n fond un voltmetru cu redresor pentru tensiuni mici caremsoar cderea de tensiune pe o rezisten calibrat Rs prin care trece curentul alternativ de

msurat. De aceea i n cazul ampermetrelor cu redresor trebuie luate aceleai msuri decompensare a erorilor de temperatur (rezistena rc din cupru) i de frecven (condensatorul Cunteazo parte din rezistena rm).

Curentul redresat care trece prin mA este proporional cu valoarea medie a curentului demsurat I (tabelul 2.1); scara ampermetrului este nsgradatn valori efective pentru un curent de

formsinusoidal(

0I

11,1Kf == II

med).

Rs

C

rm

rc

R

R

mA

I () I () T C

rm

C

rc

R

R

mA

b).a).

Fig.39Ampermetre cu redresor:a cu unt; b cu transformator.

Ampermetrele cu redresor se construiesc de regul pentru mai multe game de msurare,fiind prevzute n acest scop cu un unt multiplu (fig.40). Dacampermetrul trebuie smsoare un

curentI = nI0, din relaiaRs(I I0) = r0I0, rezultrezistena untului: ,1

0

=

n

rRs unde n =I/I0este

coeficientul de multiplicare al limitei de msurare a ampermetrului.

Una din condiiile impuse acestor ampermetre este aceea de a utiliza o scargradatpentrutoate intervalele de cureni, deoarece rezistena circuitului privitde la bornele a,b (n lipsa ramuriide msur) se pstrezconstant, egalcu , dacsnR extsn RR


42/175

a

Ik

b

In

Rext

I1 I2

Rr

I0

RG

mArm

C

rc

Id

R

Rsn

I

D2

D1

Fig.40Ampermetru cu redresor cu unt multiplu.2.3.6 Multimetre

Sunt aparate portabile, constituite prin asocierea unui ampermetru i a unui voltmetru curedresor, ambele cu mai multe sensibiliti, la care se ataeaz, de regul, o schemde ohmmetrualimentat de la o baterie uscati uneori o schemde faradmetru.

Multimetrele sunt prevzute, n general, cu scar liniar unic att pentru tensiuni ct ipentru cureni i un singur comutator pentru schimbarea gamei de msurare pentru ambele

funciuni; o a doua scar, neliniar, servete pentru msurarea rezistenelor, n care caz comutatorulde game trebuie trecut n poziia de funcionare ca ohmmetru. Aparatul msoartensiuni i cureniatt n curent continuu ct i n curent alternativ unde indicvalori efective pentru semnale de formsinusoidal.

Exist numeroase scheme de multimetre, una dintre acestea fiind prezentat simplificat(numai pentru doufuncii, n fig.41). Aparatul dispune de ase sensibiliti pentru cureni i ase

pentru tensiuni, utiliznd un singur rnd de unturi i rezistene adiionale, pentru msurri efectuateatt n curent continuu ct i n curent alternativ. La trecerea comutatorului k pe curent continuu, n

ramura de msur (a,b) se introduce o rezisten suplimentar dimensionat astfel nct sasigure (la cap de scar) un curent egal cu cel determinat de valoarea efectiv a unui curentalternativ de formsinusoidal(pentru a utiliza aceeai scaratt n curent continuu ct i n curentalternativ).

ccR

Multimetrele de acest tip au, de regul, clasa de precizie 1,5 n curent continuu i 2,5 n

INSTRUMENTUL DE MSURARE CONECTAT N SCHEME DE REDRESARE Tabelul 2.1


43/175

Redre-sare

Scheme de redresare Forma semnalului Ecuaia de funcionare

Mono-alter-

nan

x) Sensul curentului n alternana + esteindicat de sgeata continu, iar n alternana

- de sgeata cu linie punctat.

Valoarea instantanee a cuplului activ este ma =0i, dar deviaia este

determinatde valoarea medie Ma meda cuplului activ:

medI

2

T

0

0meda IS2

1idt

T

1

DD

M=

== ,

sau n funcie de valoarea efectiva curentului de formsinusoidal:

I11,1

S

2

1I

k

S

2

1 I

f

masurari electrice si electronice

Documents

o parte a domeniului

i uneletendine moderne

vor semnala eventualele

precizie a acestor m

1 mrimi fizice i msurarea

exprimare a erorilor

i controlului m

i cele deinformaie