STUDIUL APARATELOR DE MASURA

SCOPUL LUCRARII

Prezentarea principiului de functionare al aparatelor de masura analogice si digitale, extinderea domeniului de masura a aparatelor si calculul constantei aparatelor de masura.

2. CONSIDERATII TEORETICE

2.1. GENERALITATI

Studiul aparatelor de masura este deosebit de important, deoarece in zilele noastre se poate masura pe cale electrica aproape orice marime electrica sau neelectrica.

Pentru a putea efectua o masuratoare se stabileste o metoda de masurare si se utilizeaza un mijloc de masurare, adica un aparat de masurat.

Aparatele de masura pot fi clasificate, avand in vedere urmatoarele criterii:

a)     modul de afisare al rezultatului masurarii

aparate analogice

aparate digitale (numerice)

Aparatele analogice furnizeaza valoarea marimii masurate prin aprecierea pozitiei unui ac indicator in raport cu reperele unei scari gradate, iar aparatele digitale furnizeaza valoarea marimii masurate sub forma unui numar prezentat intr-un afisaj.

b)    principiul de functionare ( in cazul aparatelor analogice)

aparate magnetoelectrice

aparate electromagnetice(feromagnetice)

aparate electrodinamice

aparate cu inductie

aparate electrostatice

aparate termice

logometre.

c)     marimea masurata: galvanometre, ampermetre, voltmetre, wattmetre, frecventmetre, contoare, ohmmetre, punti.

2.2. APARATE DE MASURA ANALOGICE

Schema bloc a unui aparat de masura analogic este prezentata in figura 1.1.

Operatia de masurare cu un aparat de masura analogic cuprinde urmatoarele etape:

conversia marimii de masurat in tensiune electrica;

prelucrarea analogica a semnalului electric;

afisarea cu ajutorul acului indicator;

Din punct de vedere constructiv, instrumentele de masurare prezinta urmatoarele componente:

un dispozitiv de masurare care functioneaza pe baza unui anumit principiu;

un ac indicator solidar cu partea mobila a dispozitivului de masurare;

un cadran cu o scara gradata liniar sau neliniar (logaritmic) in fata caruia culiseaza acul indicator;

unul sau mai multe dispozitive pentru producerea cuplului antagonist;

un corector pentru reglarea acului in dreptul reperului zero;

un dispozitiv amortizor pentru amortizarea oscilatiilor acului indicator;

carcasa in care este cuprins aparatul;

borne pentru conectarea aparatului in circuit.

Aparatele de masura analogice sunt constituite dintr-o parte fixa si o parte mobila care se poate roti in jurul unui ax.

Echipajul mobil al aparatului este actionat pe de o parte de un cuplu de forte, numit cuplu activ sau motor, care este functie de marimea electrica de masurat si pe de alta parte de un cuplu rezistent sau antagonist produs de obicei de un arc sub forma de spirala.

Miscarea echipajului mobil este descrisa de ecuatia diferentiala (1.1) :

(1.1) unde J = momentul de inertie al echipajului mobil;

α = unghiul de rotatie;

M_I = momentele cuplurilor aplicate echipajului mobil.

Aceste momente sunt momentul cuplului activ, momentul cuplului rezistent si momentul cuplului de amortizare.

Cuplul activ apare ca urmare a fenomenelor de interactiune a campurilor electromagnetice, fiind dependent de marimea de masurat si determinand miscarea echipajului mobil.

, (1.2)

unde x = marimea de masurat

Cuplul rezistent se poate obtine pe cale mecanica, prin tensionarea unui resort (arc spiral), avand expresia:

, (1.3)

unde D = cuplul rezistent specific

a = deplasarea acului indicator

sau prin miscarea unui element conductor in intrefierul unui magnet permanent, cuplul rezistent avand expresia:

, (1.4)

unde n = turatia echipajului mobil

k = constanta

Cuplul de amortizare depinde de viteza echipajului mobil:

, (1.5)

unde A = factorul de amortizare.

Schema echipajului mobil este prezentata in figura 1.2.

Acul indicator (1) confectionat din teava de aluminiu se roteste sub actiunea cuplului activ.

Pentru aducerea in zero a acului indicator se foloseste un dispozitiv format dintr-o furca (3) prinsa la un capat al arcului spiral, care este deplasata de excentricul unui surub (4) actionat din exteriorul aparatului.

Contragreutatile (5) elimina influenta greutatii proprii a echipajului mobil asupra deviatiei.

Pentru citirea deviatiei se utilizeaza un dispozitiv format dintr-o scara gradata si un ac indicator. Scara gradata are trasate repere principale, marcate cu cifre si diviziuni intermediare.

Aceasta este prevazuta cu o oglinda pentru a evita eroarea de paralaxa (daca citirea nu se face perpendicular pe aparat se citeste gresit numarul de diviziuni).

Partea fixa a aparatului contine: ecrane, bobine, magneti permanenti.

Cele mai importante caracteristici ale aparatelor sunt: clasa de precizie, constanta aparatului, rezistentele interioare care stabilesc consumul propriu al aparatului.

Pentru a stabili clasa de precizie se defineste eroarea raportata de indicatie a aparatului:

e_R Dx_i / x_n )100,    (1.6)

unde Dx_i = x_i - x este eroarea absoluta de indicatie a aparatului

x_i = indicatia aparatului etalon

x = indicatia aparatului de verificat

x_n = indicatia maxima a scarii aparatului

Prin STAS 4640-61 aparatele se impart in 7 clase: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 cu erorile absolute maxim tolerate de 5% din indicatia maxima a scarii aparatului.

2.3. APARATE DE MASURA DIGITALE

Schema bloc a unui aparat de masura digital in figura 1.3.

Principiul de functionare al unui aparat digital de masurare consta in transformarea marimii de masurat cu variatie continua in timp, in semnale digitale, prelucrarea specifica a acestora si afisarea sub o forma numerica.

Un semnal digital este un semnal cu 2 nivele, "0" si "1", informatia fiind reprezentata prin prezenta unuia sau a altuia din cele 2 nivele.

Convertorul analog digital transforma un semnal analogic intr-unul digital.

Operatia de prelucrare numerica cuprinde urmatoarele etape:

cuantificarea semnalului, care reprezinta operatia de divizare a semnalului in "cuante" (cantitati egale, de o anumita valoare);

codificarea, care reprezinta operatia de asociere a unor valori numerice la cuantele obtinute (codificarea binara opereaza cu nivelele "0" si "1", care corespund unor niveluri de tensiune continue ( ex. 0V si 5V);

afisarea, care reprezinta operatia de prezentare a rezultatului sub forma de cifre, cu ajutorul indicatoarelor optoelectronice de tip LED sau LCD.

Dintre avantajele introduse de aparatele digitale, fata de aparatele analogice amintim:

eliminarea erorilor de citire;

viteza mare de masurare ( sute, mii de masurari/secunda);

posibilitatea de stocare a informatiei in memoria unui calculator.

2.4. MASURAREA TENSIUNII SI A CURENTULUI

Ampermetrul este aparatul care se conecteaza in serie in circuitul in care circula curentul de masurat sau inseriat cu elementul al carui consum de curent se determina (fig.1.4.a si b).

In absenta ampermetrului valoarea curentului prin circuitul din figura 1.4.b este:

(1.7)

Dupa introducerea ampermetrului, curentul in circuit se va modifica avand valoarea:

(1.8) Pentru a modifica cat mai putin curentul prin circuit este necesar ca rezistenta interna a ampermetrului R_A sa fie cat mai mica, fata de rezistenta R.

Din (1.9)

rezulta ca bobina ampermetrului trebuie sa fie construita din sarma de sectiune mare si cu un numar mic de spire, masura care se ia din faza de constructie a aparatului.

** Conectarea gresita a ampermetrului (fig.1.5.), adica montarea ampermetrului in paralel in circuit va conduce la trecerea unui curent:

(1.10)

de valoare mare prin ampermetru. Aparatul va suferi defectiuni mecanice (se rupe acul indicator), iar bobinajul se va incalzi peste limitele admise si se va arde.

Voltmetrul este utilizat pentru masurarea tensiunii electrice si se conecteaza in paralel fata de bornele intre care dorim sa masuram tensiunea.

Pentru a nu influenta repartitia curentilor in circuit, adica I_R constant, odata cu montarea voltmetrului este necesar ca:

(1.11)

Dar (1.12)

rezulta ca R_V trebuie sa aiba valori foarte mari fata de R, deci bobina voltmetrului trebuie sa fie construita din sarma de sectiune mica si cu un numar mare de spire, masura care se ia din faza de constructie a aparatului.

** Conectarea gresita a voltmetrului (adica in serie cu circuitul la bornele caruia se doreste masurarea tensiunii) duce la caderi de tensiune pe voltmetru foarte mari, iar circuitul nu va mai fi alimentat la tensiunea necesara functionarii, aparatul nesuferind deteriorari (fig.1.7).

2.5. EXTINDEREA DOMENIULUI DE MASURA

Aparatele de masura electrice sunt construite astfel incat sa permita masurarea marimilor in limite foarte largi de la valori foarte mici pana la valori foarte mari. La proiectarea unui aparat de masura se are in vedere ca acesta sa poata masura in domenii de valori foarte largi, aceste domenii fiind impartite in subdomenii, care sunt alese prin intermediul unor comutatoare sau borne.

2.5.1. Extinderea domeniului de masura pentru ampermetre

Ampermetrul este construit din instrumentul indicator si o serie de rezistente care se conecteaza in paralel cu instrumentul pentru a modifica subdomeniul de masura al aparatului. Aceste rezistente, care se conecteaza in paralel au valori foarte mici si se numesc sunturi .

Daca un instrument indicator poate masura o valoare a curentului I si este necesar sa fie folosit la masurarea unui curent nI, deci de n ori mai mare decat posibilitatile sale, vom conecta in paralel o rezistenta R_s ca in figura 1.8.a.

Din teorema a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul format de rezistenta sunt R_s si ampermetrul A rezulta:

(1.13)

deci (1.14)

In concluzie pentru extinderea domeniului de masura al ampermetrului de la I la nI se va conecta in paralel cu aparatul o rezistenta a carei valoare sa fie de (n-1) ori mai mica decat rezistenta interna a aparatului.

Schema de principiu a ampermetrului cu n subdomenii este prezentata in figura 1.8.b.

2.5.2. Extinderea domeniului de masura pentru voltmetre

Voltmetrul este construit din instrumentul indicator si o serie de rezistente care se conecteaza in serie cu instrumentul pentru a modifica subdomeniul de masura al aparatului. Aceste rezistente, care se conecteaza in serie au valori foarte mari si se numesc rezistente aditionale .

Daca un instrument indicator poate masura o valoare a tensiunii U si este necesar sa fie folosit la masurarea unei tensiuni nU, deci de n ori mai mare decat posibilitatile sale, vom conecta in serie o rezistenta R_a ca in fig.1.9.a.

Din (1.15)

rezulta (1.16)

In concluzie pentru extinderea domeniului de masura al voltmetrului de la U la nU se conecteaza in serie cu aparatul o rezistenta avand valoarea de (n-1) ori mai mare decat rezistenta interna a aparatului.

Schema de principiu a voltmetrului cu n subdomenii este prezentata in figura 1.9.b.

2.5.3. Extinderea domeniului de masura pentru wattmetre

Wattmetrul este instrumentul care are o bobina de curent , a carei rezistenta este foarte mica si o bobina de tensiune, a carei rezistenta este foarte mare. Ĩn momentul conectarii wattmetrului in circuit prin bobina de curent va circula un curent proportional cu cel din circuit, iar prin bobina de tensiune va circula un curent proportional cu tensiunea din circuit.

Extinderea domeniului de masura pentru curent presupune conectarea in paralel a rezistentelor de sunt cu bobina de curent.

Extinderea domeniului de masura pentru tensiune se realizeaza prin utilizarea unor rezistente aditionale ce se conecteaza in serie cu bobina de tensiune.

2.6. CALCULUL CONSTANTEI APARATELOR DE MASURA

Aparatele de masura au de obicei mai multe domenii de masura si una sau mai multe scale de masura. Aceste scale prevazute cu unul sau mai multe randuri de gradatii permit citirea valorilor masurate utilizand un domeniu de masura. Pentru a determina cat reprezinta fiecare diviziune si care este rezultatul masuratorii s-a definit constanta aparatului.

2.6.1. Calculul constantei ampermetrelor si a voltmetrelor

Daca se noteaza cu N domeniul de masura ales cu ajutorul comutatorului si cu a_N numarul de gradatii (diviziuni) se defineste constanta aparatului:

[ unitati/diviziune] (1.17)

Daca acul indicator se opreste in dreptul diviziunii a, atunci rezultatul masuratorii va fi:

[unitati] (1.18)

2.6.2.Calculul constantei wattmetrelor

Daca se noteaza cu N_I domeniul de masura pentru curenti, iar cu N_U domeniul de masura pentru tensiune, atunci constanta de masura a wattmetrului este:

[W/diviziune] (1.19)

Daca acul indicator se opreste in dreptul diviziunii a, atunci rezultatul masuratorii va fi:

[W], (1.20)

unde n este numarul de echipaje mobile a aparatului.

3. DESFASURAREA LUCRARII

3.1. Se va identifica pe aparatele analogice din laborator semnificatia simbolurilor si a inscriptiilor, analizand tabelul din anexa 1.

3.2. Se vor analiza partile componente ale instrumentelor de masura magnetoelectrice, electromagnetice, electrodinamice, de inductie, electrostatice si a logometrelor din laborator.

3.3. Se masoara cu ampermetrul si voltmetrul analogic o tensiune continua si un curent continuu si se determina constanta aparatelor, alimentand circuitul din figura 1.10. format dintr-o rezistenta de sarcina, cu o tensiune de la sursa de tensiune continua.

3.4. Se va repeta punctul 3.3. utilizand MAVO-35, realizand masuratorile pentru toate scalele de masura de 10, 25 si 50 diviziuni.

Se repeta punctul 3.3. utilizand multimetrul numeric.

Se masoara o tensiune si un curent alternativ, utilizand circuitul din figura 1.11. cu ajutorul instrumentelor analogice si a multimetrului numeric.

4. ĨNTREBARI

4.1. Daca utilizam aparate analogice si digitale pentru masurarea tensiunii si a curentului se constata diferente in obtinerea rezultatului. Cum se explica acest lucru?

4.2. Care sunt principalele surse de erori care apar la utilizarea aparatelor analogice?

4.3. La instrumentele de masura analogice sa se precizeze cine actioneaza asupra acului indicator pentru obtinerea rezultatului.

4.4. Considerand un wattmetru, cum ar arata schema de extindere a domeniului de masura ?