Masurari in Curent Continuu-VoltMetre

7/26/2019 Masurari in Curent Continuu-VoltMetre

1/15

I. Circuitul electric de curent continuuCurentul electric este o miscare dirijata a sarcinilor electrice. n functie de starea

de agregare a substantei prin care se stabileste curentul electric, purtatorii de sarcinaelectrica a caror miscare da nastere curentului electric pot fi:

ioni si electroni, n gaze ioni, n lichide electroni liberi, n metale.

Circuitul electric este un ansamblu format din:generator electric, conductori delegatura si unul sau mai multi consumatori. Generatorul, becul, conductoarele delegatura, ntrerupatorul sunt elemente de circuit. Aceste elemente de circuit au cte doua

borne, fiind numite elemente dipolare (sau dipoli). n general, orice portiune de circuitconectata la restul circuitului prin doua borne se numeste dipol.

aca portiunea de circuit respecti!a contine generatoare electrice, se numeste

dipolactiv, iar n caz contrar dipol pasiv. "entru reprezentarea circuitelor electrice seutilizeaza schema construita din simboluri grafice standardizate pentru fiecare elementde circuit.

#tilizarea schemei permite ntelegerea mai usoara a functionarii unui circuit saurealizarea sa practica.

$ensul con!entional al curentului electric coincide cu sensul de miscare al unorpurtatori liberi de sarcina poziti!a, deci este in!ers sensului de miscare al unor purtatoriliberi de sarcina negati!a.

Marimi fizice caracteristice circuitelor electrice

Intensitatea curentului electric este o marime fizica care masoara sarcinaelectrica ce strabate o sectiune trans!ersala a unui conductor, n unitatea de timp. %stemarime fundamentala n $&.

#nitatea sa de masura se numeste Amper si este o unitate fundamentala n $&.&nstrumentul utilizat pentru masurarea intensitatii curentului electric se numesteampermetru.

I=Q/t

Tensiunea electrica ntre doua puncte ale unui circuit electric, este o marimefizica care masoara lucrul mecanic efectuat de catre cmpul electric creat de generator

pentru a deplasa unitatea de sarcina electrica ntre cele doua puncte. #nitatea sa demasura se numeste 'olt. &nstrumentul utilizat pentru masurarea tensiunii electrice senumeste voltmetru.


2/15

U=L/Q

egea lui *hm pentru o portiune de circuit (pentru un dipol pasi!): daca lacapetele unei portiuni de circuit pasi! se aplica o tensiune, intensitatea curentuluistabilit prin portiunea respecti!a de circuit este direct proportionala cu tensiuneaaplicata.

I=U /R sau U=RI

Rezistenta electrica a unui conductor este constanta de proportionalitate din legealui *hm. #nitatea de masura pentru rezistenta electrica se numeste *hm.

R=U/I

+onductorii pentru care este !alabila legea lui *hm se numesc conductori ohmici.+omponentele de circuit care au doua borne pentru legarea n circuit se numesc dipoli.+aracteristica curenttensiune a unui dipol este reprezentarea grafica a intensitatiicurentului stabilit prin dipol n functie de tensiunea aplicata la bornele sale.

II. Voltmetre1. Caractere generale ale voltmetrelor

'oltmetrele sunt aparate destinate masurarii tensiunii electrice.-ensiunea aplicatala bornele unui !oltmetru !a da nastere unui curent electric,current ce !a strabate

echipamentul mobil al dispoziti!ului de masurare(comform legii lui *hm).+um rezistentabobinei aparatului de masurat(!oltmetru)este constanta,putem concluziona ca intensitateacurentului care stranate !oltmetrul depinde numai de tensiune: I=f(U).

+a atare curentul electric care trece prin !oltmetru pro!oaca deplasareaechipamentului mobil cu un unghi .&n concluzie,pentru fiecare !aloare a tensiuniaplicata pe bornele !oltmetrului a!em o !aloare bine definite a curentului,respecti!e aunghiului de de!iatie .ezistenta interioara a !oltmetrului (RvR)trebuie sa fie maimare decat rezistenta receptorului,respecti!e a generatorului de energie.

'oltmetrele pot fi utilizate fie ca micro!oltmetru,fie ca mili!oltmetru,fie ca

!oltmetru respecti!e /ilo!oltmetru(fig..0).

1


3/15

2ig. .0

2. !tructura general" a unui voltmetru numeric

Afi3area numeric4 a tensiunii m4surate rezol!4 problema erorilor de citire, darimplic4 o con!ersie analognumeric4. e3i m4rimea care se preteaz4 cel mai bine

con!ersiei analognumerice este tensiunea continu4, prin con!ersia corespunz4toare laintrarea, aparatele digitale au de!enit aproape uni!ersale putnd m4sura tensiuni 3icuren5i n curent continuu, tensiuni 3i curen5i n curent alternati!, frec!en54 3iimpedan5e, etc.).

#n a!antaj al aparatelor numerice este acela c4 pentru mane!rarea lor nu estenecesar4 o specializare a personalului, ele a!nd un mod de utilizare simplu 3i ocapacitate de supranc4rcare de pn4 la 006 din !aloarea afi3at4. $chema generala aunui !oltmetru digital este prezentat4 n figura . 7locul de intrare cuprinde amplificatoare 3i di!izoare de tensiune, e!entualunbloc de selec5ie automat4 a domeniului, filtre 3i e!entual con!ertoare intermediare dede intrare, atunci cnd nu se m4soar4 n c.c. Gamele de m4surare sunt n general nraport 808008000 etc.

9

#ig. $.$ !c%ema &loc a voltmetrelor

numerice


4/15

Gama de baz4 a !oltmetrului este de 0' sau 00' pentru gama de baz4amplificatorul din blocul de intrare are factorul de amplificare , iar impedan5a deintrare este cea mai mare (de ordinul G ) a!nd precizia de func5ionare cea mairidicat4. "entru domenii mai mici amplificarea este supraunitar4, iar pentru domenii maimari se utilizeaz4 di!izoare de tensiune care determin4 sc4derea impedan5ei de intrare.7locul de intrare furnizeaz4 la ie3ire o tensiune continu4 propor5ional4 cu m4rimea dem4surat.+lasificarea con!ertoarelor determin4 3i clasificarea !oltmetrelor numerice. +elmai general criteriu este: !oltmetre integratoare 3i !oltmetre neintegratoare.

'oltmetrele neintegratoare e3antioneaz4 tensiunile de m4surat 3i furnizeaz4!aloarea instantanee n momentul e3antion4rii, are !iteza de lucru foarte mare, dar arene!oie de filtrare tensiunii m4surate ceea ce reduce de fapt !iteza de m4surare (datorit4constantei de timp a filtrului).

'oltmetrele integratoare, care m4soar4 !aloarea medie pe un inter!al de timp atensiunii de intrare, inter!alul de timp fiind de 10ms sau multiplu de 10ms pentru

rejec5ia perturba5iei pentru ;0


5/15

3. Voltmetre magnetoelectrice

'oltmetrele magnetoelectrice sunt cele mai simple aparate analogice destinatemasurarii tensiunilor continue. 2unctionarea lor se bazeaza pe interactiunea dintrecmpul magneticBprodus de un magnet permanent si o bobina parcursa de un curentI.in punctul de !edere al constructiei, dispoziti!ele magnetoelectrice se pot realiza nurmatoarele !ariante:

)dispoziti! magnetoelectric cu bobina mobila si magnet e=terior (!ariantade baza)

1)dispoziti! magnetoelectric cu bobina mobila si constructie concentrica9)dispoziti! magnetoelectric cu bobina mobila)dispoziti! magnetoelectric cu magnet mobil si bobina fi=a.

+onstruc5ia si functionareadispoziti!ului magnetoelectric cu bobina mobila simagnet permanent pot fi studiate cu ajutorul schemei din figura .1. 7obina mobila ,n forma de cadru dreptunghiular, parcursa de curentul &, se poate roti liber ntrunntrefier redus format de piesele polare 1ale magnetului permanent 9si miezul cilindric. +mpul magnetic creat de magnetul permanent are un spectru radial si omogen,inductia magnetica 7din ntrefier fiind constanta, indiferent de pozitia bobinei.

2orta magnetoelectrica elementara ce se e=ercita asupra unui element dl alconductoarelor bobinei este:

iar forta aplace ce actioneaza asupra unui conductor (n cazul figurii .)este:

;


6/15

#ig. $.*

unde leste lungimea acti!a a unui conductor al bobinei.

%=presia cuplului acti! ce ac5ioneaz4 asupra unei spire a bobineiMaspeste:

iar cuplul acti! rezultantMa!a fi:

unde: , = - l deste o constanta constructi!a denumita constanta dinamica aaparatului, n careN este numarul de spire al bobinei.

+uplului acti!, care tinde sa imprime o miscare de rotatie sistemului mobil, i se

opune cuplul rezistent determinat de elemente elastice (resorturi spirale, benzitensionate sau fire de torsiune) a carui e=presie este de forma:

n careDeste cuplul rezistent specific, iar a unghiul de de!iatie al sistemului mobil.

a echilibru,Ma BMr= 0, adica:

/l?C

sau:

unde: reprezinta sensibilitatea de curent a dispoziti!ului magnetoelectric

(n di!iziuni pe amper).aca Um este tensiunea masurata, iar Re rezistenta echi!alenta (a bobinei

dispoziti!ului magnetoelectric si a rezistentelor nseriate cu acesta) rezulta:

+onstanta de tensiune, Cu (!aloarea di!iziunii), reprezint4 !aloarea tensiunii caredetermina o de!iatie de o di!iziune, iar sensibilitatea de tensiune Su reprezinta de!iatiacorespunzatoare unei tensiuni egale cu '. $uspensia sistemului mobil poate fi realizata pe lagare (e=terioare sau interioare),

pe benzi tensionate sau pe fir de torsiune. +ele trei tipuri de suspensii posibile sunt

D


7/15

prezentate n figura .9 mpreuna cu principalele elemente au=iliare ale dispoziti!uluimagnetoelectric.

a) $uspensie pe lagare e=terioare b)$uspensie pe lagarecu resorturi spirale(9) interioare

c)$uspensie pe benzi d)$uspensie pe fir de tensionate(E) torsiune(1) #ig. $./

"e lnga func5ia principala, aceea de a crea cuplul antagonist, elementele elastice(resorturile spirale reper 3n figura .9a., benzile tensionate reper 9 n figura .9c,

F


8/15

firul de torsiune reperul 12din figura .9d) au si rolul de readucere la zero a aculuiindicator la disparitia marimii masurate si de reglare a punctului de zero prin surubulcorector de 0 (reper 8 n figura .9).

educerea duratei si amplificarii oscilatiilor sistemului mobil n jurul pozitiei deechilibru (amortizarea miscarii) se realizeaza prin intermediul curentilor de frnareindusi n cadrul de aluminiu al bobinei mobile care se roteste odata cu acesta n cmpulmagnetic de inductie 7.

ispoziti!ul magnetoelectric (!. fig. .9) este pre!azut cu un ac indicator ,contragreutati pentru echilibrarea sistemului mobil F, cu corectorul de zero , si scaragradata uniform ;. "entru aparatele cu clasa de precizie 0,1 si 0, este utilizat un sistemoptic de citire a indicatiilor cu spot luminos si scara interioara. +elelalte notatii dinfigura .9 indica: 1- bobina mobila , 2 a= din otel, 6 lagare, 10 arc de ntindere,11 oglinda si 13 fir de aductiune.

e!iatia a a sistemului mobil depinde liniar (a = kU) de tensiunea aplicata si decurentul ce strabate bobina mobila (a = kl). Astfel, la schimbarea sensului curentului prin

bobina se !a schimba sensul cuplului electromagnetic si al de!iatiei, moti! pentru care

aparatele magnetoelectrice au bornele marcate distincti! cu semnele B si .#nele dintre performantele aparatelor magnetoelectrice pot fmbunatatite prinanumite modificari constructi!e ale !ariantei de baza. Astfel, o utilizare optima amaterialelor magnetice si o ecranare eficienta mpotri!a cmpurilor magneticee=terioare se pot obtine prin utilizarea aparatelor magnetoe lectrice cu bobina mobila siconstructie concentrica (fig. .), iar reducerea gabaritului (fara afectarea lungimiiscarii) prin utilizarea unor dispoziti!e magnetoelectrice cu bobina mobila unilaterala(fig. .;.).

#ig. $.0 #ig. $.1


9/15

%=tinderea domeniului de masurare a !oltmetrelor magnetoelectrice se realizeazacu ajutorul unor rezistente aditionaleRad, e=ecutate din manganina.

acaRveste rezistenta bobinei !oltmetrului, UV domeniul de masura al acesteiasi U = nUV !aloarea tensiunii de masurat, rezistenta aditionalaRad se calculeaza curelatia:

U = Iv(Rv+ Rad) = nUv= nRvIv2

de unde:

Rad = RV(n -$).

$chemele de principiu ale !oltmetrului cu un singur domeniu de masurare (a)si cudomenii multiple (b)sunt prezentate n figura .D.

#ig. $.3

+el mai important deza!antaj al unui !oltmetru magnetoelectric este determinat

de rezistenta de intrare de !aloare redusa ceea ce face ca masurarea tensiunii sa serealizeze cu un consum ridicat de la sursa de masurat, care astfel nu mai lucreaza nHgolH, precum si de fragilitatea lor la socurile mecanice si la !ibratii.

Voltmetre magnetoelectrice cu amplificator."entru mbunatatirea unora dinperformantele !oltmetrelor magnetoelectrice (sensibilitatea si rezistenta de intrare) sepot utiliza amplificatoare electronice dispuse n amonte de dispoziti!ul indicator.

Amplificatoarele electronice utilizate pot fi cu cuplaj direct sau cu modularedemodulare. $chema bloc (de principiu) a unui !oltmetru cu amplificator electronic decurent continuu cu cuplaj direct si cu instrument magnetoelectric este aratata n figuraF.D, iar o detaliere a acestei scheme este prezentata n figura ..

Atenuatorul de la intrare permite modificarea sensibilitatii !oltmetrului, filtrul

trecejos FT suprima e!entualele componente alternati!e ale marimii masurate, iarprin reactia negati!a CR se realizeaza cresterea stabilitatii caracteristicilor de transferale amplificatorului.

* crestere si mai importanta a sensibilitatii, ca si eliminarea deri!ei la masurareatensiunilor de ni!el redus, se asigura prin utilizarea amplificatoarelor electronice cumodularedemodulare.$chema bloc a unui astfel de amplificator este prezentata nfigura .E.

E


10/15

#ig. $.4

0


11/15

#ig. $.5

$emnalul de la ie3irea atenuatorului este transformat ntro tensiune alternati!a cuajutorul modulatorului, tensiune care este amplificata de catre un amplificator de curentalternati! cu banda de trecere si cstigul foarte stabile.

-ensiunea alternati!a obtinuta este redresata si ulterior amplificata, obtinnduse nfinal o tensiune continua proportionala cu tensiunea de intrare care se masoara cu ajutorulunui !oltmetru magnetoelectric

!. V"l#$%#&% %l%'#&"dna$'%2unctionarea aparatelor electrodinamice se bazeaza pe actiunea fortelor

electrodinamice ce se e=ercita ntre conductoare parcurse de curenti electrici deconductie.

in punctul de !edere constructi!, un dispoziti! electrodinamic (!. fig. 1.0.) estealcatuit din doua bobine fi=e cilindrice coa=iale identice 1si dintro bobina mobila 2rotunda sau dreptunghiulara.

aca bobinele fi=e sunt amplasate pe miezuri feromagnetice, aparatele se numesc%&"dna$'%.

#ig. *.6

+uplul rezistent poate fi creat pe cale mecanica (resorturi spirale, benzi tensionatesau fire de torsiune) sau pe cale electrica (logometre electro sau ferodinamice). 7obinamobila, care de regula se alimenteaza prin cele doua resorturi spirale 3care creeaza sicuplul antagonist, este fi=ata pe a=ul , pozitionat perpendicular pe a=a de simetrie a


12/15

bobinei fi=e. $olidare cu a=ul sistemului mobil sunt si acul indicator * cucontragreutatile 6 si paleta a amortizorului pneumatic .

+nd bobinele fi=a si mobila sunt parcurse de curentii constanti I1si respecti!I2iau nastere forte electrodinamice ce produc un cuplu electromagnetic

Macare tinde sa roteasca sistemul mobil. %=presia cuplului acti! Ma se poate stabilipornind de la e=presia energiei electromagnetice nmagazinate n cmpul magnetic alcelor doua bobine:

unde:,1si,2sunt inducti!itatile proprii ale celor doua bobine, iar,12=,21esteinducti!itatea mutuala.

'oltmetrele electrodinamice sunt aparate precise (clasa de precizie 0, si 0,1) sise construiesc ca aparate de laborator cu 9 sau mai multe domenii de masurare. "entruun domeniu de masurare de 900 ', consumul propriu este de cca. 10 'A. %le sunt

puternic influentate de cmpurile magnetice e=terioare.educerea consumului propriu, a influentei cmpurilor magnetice e=terioare ca si

realizarea unui cuplu acti! mai puternic se obtin prin utilizarea dispoziti!elorferodinamice. Acestea au o constructie mai simpla si mai robusta, pot a!ea o

deschidere a scarii gradate de E0osau 10o (dispoziti!ul cu bobina unilaterala),dar sunt mai putin precise (clasa de precizie este de la 0,; la 1,;).

*. Voltmetre electrostaticeAsupra armaturilor unui condensator electric, aflate la potentiale diferite, se

e=ercita forte electrostatice de atractie care tind sa mareasca att capacitateacondensatorului ct si energia electrostatica nmagazinata n cmpul electric al acestuia.Iodificarea capacitatii se poate realiza fie prin modificarea suprafetei acti!e aarmaturilor, fie prin modificarea distantei dintre armaturi.

$chema de principiu a unui !oltmetru electrostatic cu !ariatia suprafetei acti!e aarmaturilor este prezentata n figura 1.. %l este format din doua armaturi metalice fi=e1de forma unor sectoare de cilindru foarte plat si o armatura mobila 2din aluminiu deforma unui dublu sector de cerc. Armatura mobila este solidara cu a=ul !al sistemuluimobil, a= pe care este fi=at acul indicator 3 ce se deplaseaza n fata scalei gradate F.+uplul rezistent este produs de resorturile spirale ;, iar amortizarea oscilatiilor serealizeaza cu amortizorul pneumatic cu paleta D. +resterea sensibilitatii !oltmetrului se

poate obtine prin realizarea suspensiei pe benzi tensionate sau fire de torsiune.%=presia cuplului acti! al !oltmetrului electrostaticMase determina plecnd de

la e=presia energiei electrostatice % nmagazinata n condensatorul format dearmaturile fi=e si cea mobila:

+onform teoremei fortelor generalizate:

1


13/15

Armatura mobila se !a deplasa sub actiunea cuplului acti! Mapna cnd acesta!a fi egalat de cuplul rezistentM&(dat de resorturile spirale sau firul de torsiune): Mr = - a.

n acest fel, pentru de!iatia a a sistemului mobil se obtine relatia:

#ig. *.$

9


14/15

a masurarea tensiunilor de !alori mici (sub 90 '),pentru marirea cuplului acti! se e=ecuta constructiimulticelulare (figura 1.1, cu aceeasi semnificatiea notatiilor ca n figura 1.) ce au drept scop

marirea capacitatii echi!alente a sistemului. 'oltmetrele electrostatice au consum propriu redus,

iar functionarea lor nu este influentata de temperatura sicmpurile magnetice e=terioare. &nfluenta cmpurilorelectrice se elimina prin ecranarea electrostatica adispoziti!ului de m4surat, iar e=tinderea domeniuluide masura se realizeaz4 prin utilizarea unor capacitatiadi5ionale sau a di!izoarelor capaciti!e de tensiune.

#ig. *.*

6. Voltmetre numerice'oltmetrele numerice (DVM Higital 'oltIeterH) sunt aparate care afiseaza

rezultatul masurarii direct sub forma numerica. 2ata de !oltmetrele analogice de c.c.aceste aparate ofera urmatoarele a!antaje: !iteza de raspuns ridicata, precizie foarte

buna, posibilitatea transmiterii la distanta a informatiei prin canale radio sau cu fir, ca siposibilitatea prelucrarii directe a acesteia cu ajutorul calculatoarelor, eliminarea erorilorde citire si comoditatea citirii rezultatului masurarii.

"rincipalele caracteristici ale !oltmetrelor digitale sunt: &%'/a, ce reprezinta eroarea minima posibila (n conditii standard)

e=primata n 6 din !aloarea citita sau din limita superioara a domeniului de masurare.%a este corelata cu numarul de digiti afisati. Astfel, daca un instrument cu 9 digiti are o

precizie de J 0,6, un instrument cu D digiti are o precizie de J 0,000 6 &%/"l#a, care este data de !aloarea minima a !ariatiei marimii de masurat

pe care aparatul o poate sesiza pe un anumit domeniu de masurare. %a depinde, deci, dedomeniul de masurare utilizat si are !aloarea minima pentru domeniul cel mai mic

v#%/a d% $a&a&%, ce se defineste ca un raport ntre numarul ordinelornumerice afisate (n) si timpul de masurare sau de decizie ( #d):

n

v = k7 (ordine numerice8secunda)2

#d

unde k este o constanta de proportionalitate. -impul de decizie ( #d ) reprezintainter!alul de timp scurs din momentul aplicarii la intrarea 'Iului a semnalului

purtator de informatie, pna la afisarea acestuia pe panoul de afisare. 'iteza demasurare depinde de timpul de decizie si de numarul ma=im de !alori numerice (digiti)


15/15

care trebuie afisate. #n !oltmetru numeric este cu att mai performant cu ct !iteza demasurare este mai mare.

n$a&l d"$%nl"& d% $a&a&%. %ste de preferat ca unDVMsa fie capabil amasura tensiuni cuprinse ntro gama ct mai larga (de la m' la sute de '). Acest lucrueste posibil prin utilizarea n circuitul de intrare, a unor amplific atoare sau atenuatoare(di!izoare de tensiune)

n%#%a, care este calitatea unui aparat de a efectua o masurare fara a influenta(sau a influenta ct mai putin) !aloarea marimii masurate. 2inetea !oltmetrelornumerice este determinata de !aloarea impedantei de intrare care !ariaza ntre 0 Dsi 0Eohmi

#abl#a#%a !oltmetrului digital se refera la !ariatia etalonarii n functie detemperatura, modificarea n timp a parametrilor componentelor, semnale parazite etc.eferitor la semnalele parazite ce afecteaza fidelitatea masurarii, trebuie mentionat ca n

practica se ntlnesc urmatoarele doua cazuri: a) semnale parazite (zgomote) suprapusepeste semnalul util de curent continuu, denumite si /"$"#% d% $"d n"&$al si b)semnale parazite (zgomote) care apar la aparatele fara borna de masa (ntre bornele deintrare si masa) datorita unor Hcurenti de scurgereH, denumite si /"$"#% d% $"d'"$n (!. cap. 1). Ietodele de atenuare (rejectie) a semnalelor din prima categorie

(rejectia de mod normal MR) depind de tipul de con!ersie utilizat . * metoda uzualafoloseste la intrarea !oltmetrului digital un filtru capaciti! RC) care prin rejectiazgomotelor mareste precizia masurarii dar !a micsora !iteza de masurare. ejectiazgomotului de mod comun (CMR) se poate realiza prin metodele prezentate n capitolul1.

%=ista o mare di!ersitate de !oltmetre digitale a caror functionare se bazeaza petrei principii fundamentale :

a) $%#"da '"$a&a#%consta n compararea tensiunii de masurat cu o tensiune dereferinta. $e regleaza marimea de comparatie (de referinta) pna la obtinerea egalitatiicu tensiunea de masurat. Iodificarea tensiunii de referinta se poate realiza continuu, ntrepte sau prin apro=imatii succesi!e

b) $%#"da '"nv%&% tensiunii continue analogice ntro marime usor de digitizat

(utiliznd con!ertoare tensiune8timp sau con!ertoare tensiune 8 frec!enta)$%#"da $4#acare utilizeaza o combinatie a metodei comparatiei si a con!ersiei.

III. i&liografie. +onstruc5ii electronice pentru tinerii amatori K &.+. 7oghi5oiu K %ditura

Albatros, 7ucure3ti EE1. +aleidoscop de electronic4 K George . *breja K %ditura Albatros K

7ucure3ti EF9. A7+ L electronica n imagini. +omponente pasi!e K ing. >icolae

r4gulescu K %ditura -ehnic4, 7ucure3ti EE0. &ni5iere n dispoziti!ele semiconductoare K ing. %manuel 'asiliu K %ditura-ehnic4, 7ucure3ti EF0

;. &nternet : http:88education.inflpr.ro

;

Documents

Masurari in Curent Continuu-VoltMetre