Aparate si metode analogice pentru masurarea marimilor electrice

Aparate si metode analogice pentru masurarea marimilor electrice

    1 Elemente functionale ale aparatelor de masurat

    1.1 Notiuni de baza. Clasificari
Elementele componente ale aparatelor de masurat sunt:
- dispozitivul de masurat : ansamblul partilor constructive care produce miscarea sistemului mobil, a carui deplasare depinde de marimea de masurat;
- elemente de prelucrare a semnalelor: accesorii sau compo-nente care produc modificarea semnalelor (ca marime, forma, faza) sau realizeaza diferite operatii matematice asupra semnalelor (adunare, scadere, inmultire, impartire, logaritmare, derivare, inte-grare) in scopul adaptarii lor la dispozitivele de masurat utilizate;
- traductor: element de intrare in lantul de masurare, care transforma marimea de masurat intr-o marime electrica, adecvata schemei functionale sau instalatiei de masurat respective;
- elemente de referinta: parti constructive care furnizeaza marimi cu parametri caracteristici de valoare cunoscuta cu precizie (tensiune, curent, rezistenta, inductivitate, capacitate, durata) utilizate in aparate bazate pe metode de compensatie sau de punte;
- elemente auxiliare: parti constructive care participa la realizarea si corecta functionare a aparatului: surse de alimentare, elemente de protejare impotriva factorilor perturbatori (temperatura, campuri electromagnetice, vibratii, umiditate), elemente de fixare si conso-lidare a partilor constructive distincte, elemente de conectare, etc.
Elementele mentionate pot fi interioare sau exterioare (caz in care se numesc accesorii).

Clasificarea aparatelor de masura se poate face dupa:
- marimea electrica masurata: galvanometre, ampermetre, voltmetre, ohmmetre, wattmetre, frecventmetre, contoare, punti (de rezistente, de capacitati, de inductivitati) etc.;
- dupa constructie si principiu de functionare:
Dupa constructie exista dispozitive:
- pentru obtinerea unei singure interactiuni (simple);
- pentru producerea a doua interactiuni (cupluri) de sensuri contrare (logometre).
Dupa principiul de functionare :
- dispozitive magnetoelectrice;
- feromagnetice;
- electrodinamice;
- de inductie;
- termice;
- electrostatice;
- cu vibratii;
- magnetoelectrice cu redresoare;
- magnetoelectrice cu termoelemente, etc.
Pentru indicarea principiului de functionare se utilizeaza simboluri caracteristice inscrise pe cadranul aparatului, dupa modul de prezentare a rezultatului masurarii :
- aparate indicatoare prevazute cu dispozitive de citire a indicatiei, putand fi la randul lor :
- de pozitie - indica valoarea actuala a marimii;
- integratoare - cu indicatia in functie de integrala definita a marimii, intr-un interval de timp;
- aparate inregistratoare, care pot fi:
- inregistratoare si indicatoare pentru supravegherea uneia sau mai multor marimi;
- pentru inregistrarea avariilor (viteza diagramei creste automat pentru intervale de cateva secunde);
- pentru inregistrarea modului de lucru a protectiei;
- dupa clasa de precizie si legat de aceasta, dupa destinatie :
- aparate de laborator - de clasa 0,5; 0,2; 0,1 sau mai mica decat 0,1 si care pot fi folosite ca:
- aparate de lucru (masurari curente);
- aparate de verificare (a aparatelor de lucru);
- aparate etalon (pastreaza si transmit unitatile de masura catre aparatele de verificare);
- aparate de exploatare, de clasa 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5, care pot fi de serviciu (tehnice) sau de tablou, cu functii de masurare, de supraveghere sau de control a marimilor respective;
- alte criterii :
- anumite caracteristici tehnice pe care le satisfac (rezistenta la socuri, vibratii, acceleratii, climatice, antiex);
- forma cutiei sau scarii gradate (rotunde, dreptunghiulare);
- felul montajului: (aparent; ingropat in panou);
- pozitia de functionare: cu cadran vertical, orizontal sau inclinat sub un anumit unghi.

Aparatele de masura digitale la care rezultatul poate avea numai anumite valori din domeniul de masurare, fiind deci o marime discontinua. Prin operatia de cuantificare, domeniul este impartit intr-un numar de subdomenii egale (cuante sau unitati de cuantificare), iar procesul de masurare consta in numararea cuantelor corespunzatoare masurandului, codificarea rezultatului intr-un sistem de numeratie si afisarea lui pe un dispozitiv specializat, sub forma unui numar.

Masurarea digitala are urmatoarele avantaje:

se elimina erorile subiective de citire;

aparatele digitale au, un general, o precizie superioara celor

analogice;

exista posibilitatea prelucrarii, transmiterii la distanta si inregistrarii

informatiilor rezultate in procesul de masurare, prin mijloacele

tehnicii de calcul.

Dezavantajele masurarii digitale sunt

Sunt fragmente care nu pot fi vazute

Plaja de valori este mai mica

Precizia nu este foarte buna

Dupa caracterul masurarii in timp:

1. Metode de masurare statice, care se efectueaza asupra unor marimide regim permanent, de valoare constanta in intervalul de timp indeterminarea;

Metode de masurare dinamice, efectuate asupra unor marimivariabile rapid in timp si necesita aparate cu un timp de raspuns mic,

care dispun de elemente de memorare sub forma continua saudiscreta a valorilor determinate;

3. Metode de masurare statistice, care se efectueaza asupra unormarimi cu caracter aleatoriu, cu variatie imprevizibila in timp,neputand fi descrise de relatii matematice care sa stabileasca o legede reproducere a anumitor valori, in anumite conditii experimentale.

Dupa modul de obtinere a rezultatelor masurarii:

1. Metodele de masurare directe sunt metodele prin care valoarea unei marimi se obtine direct, fara efectuarea de calcule suplimentare sisunt bazate pe compararea directa cu unitatea de masura sau cuajutorul unui aparat gradat in unitatile respective. In acest tip demasurare se determina o singura marime.

Exemple: masurarea temperaturii cu termometrul; masurarea presiunii cumanometru etc.

Metode de masurare indirecta sunt metode prin care valoarea uneimarimi se obtine prin masurarea directa a altor marimi, de caremarimea de masurat este legata printr-o relatie cunoscuta. Acestemasurari sunt mai complexe si au o precizie mai scazuta, dar in multecazuri nu pot fi evitate.

Exemple: masurarea rezistentelor electrice prin metoda ampermetrului sivoltmetrului folosind legea lui Ohm R=U/I; masurarea densitatii unui corp prinmasurarea masei sale M si a volumului V =M/V.

3. Metode de masurare combinate constau in determinarea valorilorunui anumit numar de marimi de masurat pe baza rezultatelormasurarii directe sau indirecte a diferitelor combinatii ale acestorvalori si a rezolvarii ecuatiilor in care sunt incluse rezultatelemasurarii.

Exemple: masurarea masei fiecarei greutati in parte, cand masa uneia din ele estecunoscuta si sunt cunoscute rezultatele compararii intre ele a diferitelor combinatii de greutati.

Metodele de masurare directe sunt cele mai numeroase, constituind bazamasurari tuturor marimilor fizice. aparate de masurat digitale - in care semnalul purtator de

informatie metrologica este discretizat (cuantificat), iar rezultatul

se indica sub forma numerica sau se stocheaza sub forma unor

inregistrari numerice.

4. Structuri tipice ale aparatelor de masurare

Mijlocul electric de masurare constituie un lant de masurare si de aceea poate fi reprezentat printr-o schema functionala, ale carei elemente principale pot fi denumite convertoare de masurare. Sub forma generala,

mijloacele de masurare pot fi considerate ca fiind alcatuite din trei tipuri de convertoare de masurare:

1. Convertoare de intrare (traductoare) care transforma marimea de masurat intr-un semnal electric: curent, tensiune, numar de impulsuri etc;

Convertoare de prelucrare (amplificatoare, circuite de mediere, circuite de comparare, circuite de formare a impulsurilor etc) care transforma semnalul electric astfel incat acesta sa poata actiona convertorul de iesire;

3. Convertoare de iesire - dau posibilitatea citirii sau inregistrarii valorii masurate.

Schemele functionale pot fi clasificate dupa natura marimii de masurat:

activa sau pasiva si dupa modul de obtinere a valorii masurate: analogic sau digital.

Schema functionala a unui aparat analogic pentru masurarea unei marimi

active (figura 5) prezinta convertorul de intrare (traductorul) ce converteste marimea de masurat. Semnalul metrologic electric este prelucrat de catre convertorul de prelucrare pentru a putea fi aplicat la intrarea convertorului de iesire care este un instrument electric de masurare.

In cazul masurarii marimilor pasive acestea nu pot furniza energia formarii semnalului metrologic si de aceea se face apel la o marime exterioara fenomenului supus masurarii (numita marime de activare) care este modulata de catre marimea de masurat si aceasta este aplicata la intrarea convertorului de intrare care converteste marimea de activare intr-o marime electrica si lantul de masurare se pastreaza (figura 6).

Pentru realizarea aparatului digital se procedeaza ca in cazul marimilor active inlocuindu-se, in schema prezentata in figura 6, convertorul de iesire - cu un voltmetru digital.

5. Caracteristicile metrologice ale aparatelor de masurare

Caracteristicile metrologice ale aparatelor de masurat sunt caracteristicile care se refera la comportarea aparatului de masurat in raport cu obiectul supus masurarii, cu mediul ambiant si cu operatorul uman.

Intervalul de masurare (Xmin, Xmax) este intervalul intre valoarea minima Xmin si valoarea maxima Xmax masurabile; poate fi impartita in game de masurare. Nu intotdeauna intervalul coincide cu indicatia

scalei - in exemplul dat in figura 7 avem intervalul de masurare 510A.

Rezolutia este o caracteristica de iesire a aparatului si reprezinta cea mai mica valoare a masurandului care poate fi apreciata pe indicator. Rezolutia se exprima in:

unitati de masura a masurandului (V, metc);

unitati relative.

Sensibilitatea este o caracteristica de transfer a aparatului si reprezinta variatia marimii de iesire in functie de marimea de intrare:

unde: S - sensibilitatea, y - marimea de iesire, x - marimea de intrare a mijlocului electric de masurare.

La aparatele analogice marimea de iesire se exprima in unitati de deplasare a dispozitivului mobil (de exemplu mm/mV). Sensibilitatea de-a lungul scarii gradate depinde de principiul de functionare si scara gradata poate fi uniforma sau neuniforma. Daca marimea de iesire se exprima in diviziuni, de exemplu diviziuni/mV atunci sensibilitatea este constanta pe intervalul de masurare, indiferent de aspectul scarii gradate.

Inversul sensibilitatii se numeste constanta aparatului: si ea se exprima, de exemplu in amperi/diviziune, ohmi/diviziune.

Pentru orice mijloc de masurare sau convertor sensibilitatea reprezinta raportul dintre intervalul marimii de iesire si intervalul marimii de intrare. De exemplu, un termometru electric care masoara temperaturi intre -40C si +120C si are o scara gradata cu 80 diviziuni prezinta o sensibilitate de 0,5 diviziuni/C si o constanta de 2C/diviziune.

Pragul de sensibilitate este o caracteristica de intrare si reprezinta cea mai mica variatie a masurandului care poate fi pusa in evidenta;

determina precizia si valoarea Xmin;

este determinat de rezolutia aparatului, nivelul de zgomot (propriu si exterior) si de sensibilitatea indicatorului de nul;

se poate mari prin masurarea la temperaturi joase sau prin cresterea duratei masurarii.

Precizia instrumentala (exactitatea) este calitatea aparatului de a da rezultate cat mai apropiate de valoarea adevarata a masurandului.

La efectuarea unei masurari se obtine valoarea masurata a marimii supuse masurarii. Dar datorita aparatului de masurat si celorlalti factori implicati in procesul de masurare, valoarea masurata obtinuta este diferita de valoarea adevarata a marimii de masurat, deci masurarea esten caracterizata de o anumita incertitudine. Pentru a estima incertitudinea de masurare trebuie sa fie evidentiate toate erorile ce afecteaza masurarea.

Clasa de exactitate reflecta un ansamblu de caracteristici metrologice. La aparatele la care se normeaza eroarea relativa sau eroarea raportata clasa de exactitate este numeric egala cu eroarea relativa sau raportata maxima

admisa.

Rapiditatea (timpul de masurare) reprezinta numarul de masurari efectuate in unitate de timp sau banda de frecventa a masurandului pentru care aparatul nu iese din limitele de precizie normala. De exemplu, pentru aparatele analogice timpul de masurare este de maxim 4s, iar pentru aparatele digitale viteza de masurare ajunge sau depaseste 50 masurari pe secunda.

Puterea consumata se intelege prin puterea preluata de aparat de la fenomenul supus masurarii, pentru formarea semnalului metrologic si pentru obtinerea valorii masurate. Valoarea puterii consumate depinde de tipul convertorului de intrare (de exemplu masa si dimensiunile traductorului) precum si de tipul convertorului de iesire (de exemplu instrumentele analogice consuma puteri intre cativa miliwati si wati, iar cele digitale puteri foarte mici).

Fiabilitate metrologica este caracteristica aparatului de a functiona fara defecte.

Stabilitatea reprezinta calitatea unui aparat digital de a-si pastra timp indelungat caracteristicile, prin conservarea zeroului si instabilitatea la variatiile de temperatura, umiditate si paraziti electromagnetici (de exemplu 0,01% pe an).

Compatibilitatea cu un sistem automat de masurare. Un aparat digital este compatibil cu un sistem automat de masurare daca este prevazut cu o interfata de intrari-iesiri cu ajutorul careia se poate conecta la liniile magistralei sistemului, pentru a primi comenzi si a furniza date in cod.

Pot fi enumerate si alte caracteristici ale aparatelor de masurat: protectie fata de actiunea mediului, gabarit, masa, pret.

Extinderea domeniului de masurare a ampermetrelor in c.c. pana la niveluri deordinul A se poate face cu ajutorul sunturilor; schema unui ampermetru cu sunt este reprezentata in figura Daca rezistenta ampermentrului este R_a si I_a este curentul nominal, atunci valoarea rezistentei suntului, R_s necesar pentru masurarea unui curent I, este data de relatia:

_R ^Ra

^s    n

^{nde n=I/I}_a ^{este raportul de suntare.}

_a R_a A

_I

^I_s ^Rs

ig . Schema unui ampermetru cu sunt.

In cazul in care I I_a se foloseste o metoda indirecta de masurare in care se masoara caderea de tensiune la bornele uneirezistente de valoare mica numita, de asemenea, sunt. Pentru a reduce influenta rezistentelor de contact, sunturile se construiesc cu 4 borne (B_I - borne de curent, B_U - borne de tensiune).

^R_v ^mV

I

s

B_I ^BU _R

^BU B_I

Fig . Schema de masurare indirecta a curentului.

Caderile de tensiune nominale ce se obtin la bornele suntului cand acesta este parcurs de curentul nominal, sunt standardizate, de obicei, la 0 sau 5 mV.

Extinderea domeniului de masurare in c.a. se face cu ajutorul transformatoarelor de masurare de curent, deoarece sunturile ar avea consumuri energetice prea mari.

Transformatoarele de masurare de curent se caracterizeaza printr- un raport de transformare nominal:

_I

k  ^p _,

^I _s

^{unde I}_p ^{reprezinta curentul din primarul transformatorului, iar I}_s curentul din secundarul transformatorului.

Pentru ca erorile introduse detransformatorul de curent sa fie minime, este necesar ca impedanta de ^{sarcina a acestuia, in acest caz, Z}a ^{sa fie cat mai mica, adica sa lucreze} cat mai apropiat de conditii de scurtcircuit in secundar. Uneori, pentru masurarile operative in instalatiile electrice de curent alternativ, se folosesc transformatoare de masurare de tip cleste , care se conecteaza direct pe cablul parcurs de curentul care se doreste a fi masurat

Schema de conectare a unui ampermetru cu transformator de curent

Masurarea curentilor alternativi de inalta frecventa se face, de obicei, folosind metode indirecte, traductoarele folosite fiind sunturile de constructie speciala sau traductoarele complexe formate din rezistente si traductoare de temperatura.

Aplicatie 1

Sa se calculeze valoarea shuntului necesar pentru a se putea masura un curent de 15A cu un ampermetru care are rezistenta interna de 8Ω si supurta un curent maxim de 3A

n= i circuit / i ampermetru ;    n=15/3=5

r shunt=ri amp / n-1; rshunt=8Ω/4=2Ω

Extinderea domeniului de masurare la voltmetre se face conectand

rezistente aditionale in serie cu dispozitivul, conform figurei voltmetrul V, cu tensiunea nominala, U ₀ si rezistenta interioara, R_v este inseriat cu rezistenta aditionala, R_a pentru extinderea dom eniului de masurare pana la tensiunea U. In acest caz, rezistenta aditionala se poate calcula cu relatia:

^R_a ^{ R}_v ^{n ) unde n=U/U}

^R _v ^R _a

V

U

U

Extinderea domeniului de masurarela voltmetre

Aplicatie 2

Sa sa calculeze rezistenta aditionala care trebuie montata la un voltmetru cu rezistenta interna de 3000Ω

care poate sa masoare max 120V la un curent de 50mA stiind ca tensiunea de masurat este de 300V.

n = 300V/120V = 2,5 Rad = 3000Ω ( 2,5 - 1 ) = 4500Ω