Instrumente si aparate de masurare electrice

Instrumente si aparate de masurare electrice

2.1. Probleme generale

2.1.1. Definirea si clasificarea instrumentelor si aparatelor de masura analogice

Cele mai simple mijloace tehnice care pot furniza informatii de masurare sunt instrumentele de masura. Acestea sunt dispozitive de sine statatoare si sunt elemente componente ale aparatelor de masurare analogice.

Un instrument de masurare (IM) este un mecanism electromecanic care, in general, transforma o marime activa X, intr-o marime mecanica, de obicei un cuplu de forte, denumit cuplu activ, care provoaca rotirea dispozitivului mobil al acestuia. Pentru ca fiecarei marimi X sa-i corespunda o deviatie a a dispozitivului mobil, asupra acestuia actioneaza si un cuplu rezistent, dependent de a, astfel incat, sub actiunea celor doua cupluri, dispozitivul mobil se roteste cu un unghi a=f(X). Deviatia a constituie o informatie de masurare a valorii X a marimii de intrare.

Exista instrumente de masura care nu au cuplu rezistent. Echilibrarea dispozitivului mobil, in acest caz, se realizeaza prin actiunea a doua cupluri active de sensuri opuse, dependente de doua valori diferite X₁ si X₂. Dispozitivul mobil, in acest caz, se roteste cu un unghi . Aceste instrumente se numesc logometre.

Schema bloc a unui aparat de masurare electric este reprezentat in figura 2.1 in care: CM reprezinta circuitul de masura iar MM - mecanismul de masura. Circuitul de masura transforma marimea de masurat (X) intr-o marime intermediara (Y), iar mecanismul de masura aconverteste marimea intermediara (Y), intr-o deviatie (a ) care indica direct informatii despre valoarea lui X. Daca X nu este purtatoare de energie, cum este de exemplu, rezistenta, la circuitul de masura se ataseaza si o sursa de alimentare cu energie (SA din fig. 2.1, b.).

Fig. 2.1. Schema bloc a unui aparat de masura electric

Dupa principiul de functionare IM se impart in urmatoarele categorii: - magnetoelectrice; - cu magnet mobil; - feromagnetice; - electrodinamice; - ferodinamice; - de inductie; - electrostatice; - cu lamele vibrante; - termice.

2.1.2. Marcarea aparatelor de masura

In scopul unei identificari rapide, aparatele de masurare analogice sunt marcate pe cadranele lor cu simboluri ce caracterizeaza: principiul de functionare, felul curentului masurat, clasa de precizie, pozitia normala de functionare, tensiunea de incercare a izolatiei, felul ecranarii. De asemenea, anul de fabricatie si emblema fabricii constructoare. Unele sunt prevazute cu scheme de conexiuni si de montaj, avand si bornele marcate

Ansamblul elementelor active a caror interactiune determina miscarea dispozitivului mobil formeaza dispozitivul de producere al cuplului activ.

Pe langa dispozitivul de producere a cuplului activ, care are caracter specific, in constructia instrumentelor de masura mai intra: dispozitivul de suspensie, dispozitivul de producere a cuplului rezistent, dispozitivul de amortizare, dispozitivul de indicare a valorii masurate.

Toate dispozitivele care intra in componenta instrumentului de masurare sunt montate intr-o cutie (carcasa) din tabla, ebonita sau lemn. Carcasa aparatului serveste, pe de o parte la fixarea diferitelor parti constructive, iar pe de alta parte, la protejarea instrumentului. Dupa verificarea instrumentelor (aparatelor) cutia se sigileaza.

La marcarea aparatelor de masura se utilizeaza semnele grafice standardizate reprezentate in tabelul 2.1.

Tabelul2.1

Tabelul 2.1 (continuare)

2.1.3. Caracteristici de baza

Principalele caracteristici ale aparatelor de masura electrice sunt: forma scarii gradate, sensibilitatea si precizia.

a) forma scarii gradate

Scara este determinata de ecuatia de functionare. Aceasta poate fi liniara (AM magnetoelectrice), patratica liniarizata (AM feromagnetice, electrodinamice), logaritmica (dB) si hiperbolica (ohmmetre).

Precizia cea mai buna la citire o asigura scara liniara. Ecuatia de functionare este de forma:

,

si se deduce din conditia de echilibru static al organului mobil (ig .2.2).

M₁ + M₂ = 0 (2.2)

unde M₁ reprezinta cuplul motor produs sub influenta marimii Y, iar M₂ reprezinta cuplul oponent, creat de catre resortul antagonist (RA , conform cu relatia cunoscuta:

M₂ = -Da (2.3)

in care D este constanta RA.

In cazul cand M₁ este proportional cu X, ecuatia (2.1) devine liniara:

a = SX,     (2.4)

unde S = const. reprezinta sensibilitatea aparatului.

b) Sensibilitatea (S)

Se defineste cu relatia:    

, (2.5)

si se exprima in diviziuni/unitatea de masura (de exemplu 5 diviziuni pe volt). La aparate de masura cu scara uniforma (de exemplu wattmetre) se utilizeaza si constanta C = 1/S.

Relatia (2.5) poate fi scrisa si sub forma:

(2.6)

in care S_c si S_m reprezinta sensibilitatea circuitului si, respectiv, a mecanismului de masura.

c) Precizia

La aparatele de masura electromecanice, unde predomina erorile mecanismului de masura, precizia se exprima printr-un indice de clasa unic (C) inscris pe scara gradata si care indica eroarea limita in conditii de referinta (eroarea tolerata).

La aparatele de masura electronice, unde erorile induse in circuitul de masura (atenuatoare, amplificatoare, etc.) devin importante, precizia se exprima prin eroarea tolerata in forma binomiala.

d) Eroarea de baza teoretica

Eroarea de baza experimentala e_b, ne permite sa determinam precizia aparatului gata construit insa nu ne ofera informatii asupra proiectarii acestuia pentru o precizie impusa. Eroarea de baza analitica permite inlaturarea acestui neajuns.

Termenul S din relatia (2.5) nu este riguros constant, deoarece la deducerea ecuatiei s-a neglijat cuplul de frecare in lagare precum si alti factori de eroare. La o valoare data a lui X (X=const.), in indicatia aparatului (a) va aparea o eroare Da a datorata instabilitatii DS/S. Deci Da a DS/S, si putem scrie:   

, (2.7)

expresie ce defineste eroarea de baza teoretica a unui aparat de masura cu scara uniforma. Prelucrand in acelasi mod expresia (2.6), se obtine relatia:

, (2.8)

in care DS_c/S_c si DS_m/S_m sunt erorile de baza ale circuitului si, respectiv, mecanismului de masura.

Relatia (2.8) este utila in proiectare, deoarece cunoscand pe e_b si DS_m/S_m se poate obtine valoarea numerica a lui DS_c/S_c pe baza careia se pot alege schema si componentele circuitului de masura corespunzatoare.

Dispozitivele constituente ale instrumentelor de masura

Pe langa dispozitivul de producere al cuplului activ, instrumentele de masurare mai contin: dispozitivul de suspensie, dispozitivul de producere a cuplului rezistent, dispozitivul de amortizare, dispozitivul de indicare a valorii masurate.

a) Suspensia dispozitivului mobil

Dispozitivul mobil trebuie prevazut cu un sistem de suspensie care sa-i asigure posibilitatea de miscare cu frecari cat mai reduse. Suspensia dispozitivului mobil se poate realiza: pe paliere, pe benzi tensionate, pe fir de torsiune (libera).

Suspensia pe paliere este utilizata la majoritatea instrumentelor. Contine un ax din otel sau aluminiu prevazut la capete cu pivoti din otel dur, care se sprijina in paliere din materiale dure, semipretioase cum ar fi: agat, rubin, safir. Suprafetele de sprijin pivot-palier trebuie bine slefuite pentru a micsora frecarile, iar axul trebuie sa aiba un mic joc axial care sa permita rotirea usoara si dilatarea cauzata de variatii de temperatura, fara pericol de crestere a frecarilor. Folosirea lagarelor prevazute cu resort permite amortizarea eventualelor socuri mecanice.

Suspensia pe benzi tensionate este utilizata la instrumentele de mare precizie. Contine doua benzi subtiri, din bronz fosforos sau cu beriliu fixate cu cate un capat la cadrul mobil si celalalt la partea fixa, prin intermediul unui arc lamelar care realizeaza tensionarea benzilor. In unele situatii, ele sunt folosite si pentru conducerea curentului electric.

Suspensia libera se utilizeaza mai rar si numai la instrumente de masurare de mare sensibilitate (unele galvanometre) fiind dotata cu un fir de torsiune din argint, bronz fosforos, cuart, s.a. necesitand conductoare de aducere a curentului lipsite de cuplul rezistent.

In raport cu suspensia pe paliere - suspensia pe benzi tensionate si suspensia libera ofera urmatoarele avantaje: eliminarea frecarilor, micsorarea consumului propriu, cresterea sensibilitatii instrumentului. In schimb prezinta dezavantajul unei sensibilitati mari la socuri si vibratii mecanice.

b) Dispozitivul de producere al cuplului rezistent

Cuplul rezistent se realizeaza cu ajutorul unor elemente elastice: resorturi, spirale, benzi tensionate si fire de torsiune. La instrumentele de masurare cu cuplul rezistent, dispozitivul mobil este adus automat in pozitie initiala de repaus (de zero), in schimb la logometre (aparate fara cuplu rezistent) dispozitivul de masurare ramane intr-o pozitie oarecare a scarii gradate. Instrumentele de masurare sunt prevazute cu un corector de zero care serveste la reglarea pozitiei initiale (de zero) a indicatorului instrumentului de masurare.

c) Dispozitivul de amortizare

In lipsa dispozitivului de amortizare, dupa aplicarea marimii de masurat la intrarea unui instrument de masurare, datorita inertiei dispozitivului mobil, indicatorul deviatiei nu trece imediat in pozitia corespunzatoare deviatiei permanente, ci executa o miscare de oscilatie in jurul acestei pozitii, prelungind inadmisibil de mult timpul de raspuns al instrumentului.

Dispozitivul de amortizare are rolul de a amortiza oscilatiile datorate inertiei dispozitivului mobil si a jocurilor care apar in timpul functionarii. Se folosesc amortizari de tip pneumatic, electromagnetic sau hidraulic.

d) Dispozitivul de indicare a valorii masurate

Este format dintr-un cadran cu scara gradata si indicatorul deviatiei.

Cadranul constituie suportul material al scarii gradate. La instrumentele cu ac indicator de precizie, cadranul este prevazut cu o oglinda in dreptul scarii gradate in scopul evitarii erorilor de citire (de paralaxa).

Scara gradata este o succesiune de repere, corespunzatoare valorilor marimii de masurat, trasate pe suprafata cadranului, conform traiectoriei urmate de indicatorul deviatiei. Intervalele dintre reperele succesive se numesc diviziuni.

Scarile instrumentelor de masurare se pot clasifica:

dupa forma: scari drepte, scari in arc de cerc (arcul scarii pana la 180^o), scari circulare (arcul scarii peste 180^o);

dupa felul distribuirii reperelor: scari uniforme, neuniforme, scari cu portiuni comprimate sau extinse;

dupa pozitia reperului zero: scari unilaterale (cu una din limite zero), scari bilaterale (cu zero in ambele parti), scari cu zero decalat, scari fara reper zero.

Indicatorul deviatiei. Dupa modul de executie a indicatorului deviatiei, instrumentele de masura pot fi: cu ac indicator sau cu spot luminos.

Acul indicator este fixat de axul instrumentului. El se construieste din duraluminiu, in forma de tub subtire sau alte profile care asigura rigiditatea necesara. Intregul dispozitiv mobil se echilibreaza cu doua contragreutati, fixate pe partea opusa a acului indicator, astfel incat centrul de greutate al dispozitivului sa se afle pe axa de rotatie.

Dispozitive indicatoare cu spot luminos (optice). In locul acului indicator, deasupra dispozitivului mobil al instrumentului este fixata o oglinda de dimensiuni foarte mici. Necesita in plus o sursa de lumina si o scara gradata translucida. Se foloseste numai la aparatele de mare sensibilitate (galvanometre).

2.1.5. Cupluri ce actioneaza asupra dispozitivului mobil in regim static

Regimul permanent de functionare (de deviatie permanenta) este acela in care dispozitivul mobil ocupa o pozitie imobila. In regim static asupra acestuia actioneaza doua cupluri principale: cuplul activ si cuplul rezistent. Pe langa acestea, la instrumentele cu suspensie pe paliere, intervine si cuplul de frecare al axului in paliere.

a) Cuplul activ (M_a) - determina miscarea dispozitivului mobil, ca urmare a interactiunii dintre elementele active ale instrumentului.

In cazul instrumentelor a caror functionare este determinata de forte mecanice, produse prin intermediul campului electric sau magnetic, expresia cuplului activ se poate determina folosind teorema fortelor generalizate:

dL=M_adα,

unde: L - lucrul mecanic elementar necesar efectuarii deplasarii dispo-zitivului mobil; da - deplasarea elementara in raport cu o pozitie a a dispozitivului mobil; M_a - cuplul activ.

Dar:

dL=(dW_m)_I=ct= (dW_e)_U=ct =M_adα, (2.10)

unde: dW_m - cresterea energiei magnetice; dW_e - cresterea energiei electrice.

Rezulta:

sau . (2.11)

  In general M_a=f(x,a) sau M_a=xⁿf(a), unde: x - marime de intrare, (curent, tensiune) si n=1,2.

In cazurile particulare: n=1, f(a)=K=const. si M_a=Kx - dependenta liniara; n=2, M_a =x²f(a) - dependenta neliniara.    b) Cuplul rezistent (M_r) - pentru cazul instrumentelor cu resorturi, benzi torsionate sau fir de torsiune, cuplul rezistent M_r, este proportional cu unghiul de rotatie a al dispozitivului mobil si de sens opus cuplului activ:

M_r = -Da (2.12)

unde D este cuplul rezistent specific al elementului elastic.

In cazul logometrelor, exista doua cupluri active M_a1 si M_a2 cu sensuri opuse unul altuia. In acest caz M_r=M_a2. si M_a=M_a1=x₁ⁿf₁(a

Rezulta:

M_r=M_a2= -x₂ⁿf₂(a (2.13)

unde x₂ este de aceeasi natura cu x₁.

c) Cuplul de frecare (M_f), exista numai la instrumentele cu suspensia pe paliere, fiind produs de frecarea pivotilor in paliere. Datorita prezentei cuplului de frecare, deviatia finala a dispozitivului mobil se stabileste cu o anumita eroare (de frecare) in raport cu pozitia pe care acesta ar ocupa-o in lipsa frecarii. Cuplul (respectiv eroarea) de frecare depinde de greutatea dispozitivului mobil, de calitatea materialelor si suprafetelor pivot-palier, de marimea cuplurilor activ si rezistent.

2.1.6. Miscarea dispozitivului mobil

Ecuatia generala de miscare:

In cazul majoritatii instrumentelor de masurare, instrumentul mobil executa o miscare de rotatie in jurul axei sale. Ecuatia generala de miscare se obtine din ecuatia echilibrului dinamic al tuturor cuplurilor ce actioneaza asupra dispozitivului mobil, anume:

(2.14)

Cuplurile M_i care actioneaza asupra dispozitivului mobil sunt:

: cuplul fortelor de inertie, unde J este momentul de inertie al dispozitivului mobil in raport cu axa de rotatie iar este acceleratia unghiulara a miscarii;

: cuplul de amortizare, produs de dispozitivul de amortizare si de frecarea cu aerul, unde A este factorul de amortizare si este viteza unghiulara;

M_r = - Da: cuplul rezistiv mecanic in cazul utilizarii unor elemente elastice, sau: M_r=-x₂ⁿf(a): cuplul rezistent, de aceeasi natura cu cuplul activ, pentru logometre;

M_f - cuplul de frecare in lagare (pentru IM cu suspensie pe lagare);

M_a=xⁿf(a) - cuplul activ, dependent de marimea de intrare x si, in unele cazuri si de unghiul de deviatie a. Cuplul activ poate fi constant sau variabil in timp dupa o lege cunoscuta f(x,a). Dintre toate cuplurile mentionate mai sus M_a este considerat pozitiv deoarece el produce miscarea, in timp ce toate celelalte se opun miscarii dispozitivului mobil.

Ecuatia (2.14) devine:

M_a-M_i-M_A -M_r -M_f =0, sau M_a=M_i+ M_A+ M_f + M_r. (2.15)

Deoarece M_f apartine (0.1-0.2%) M_a, in cele mai multe cazuri se neglijeaza M_f..

Considerand cazul cel mai simplu al instrumentelor de masura cu M_r mecanic, rezulta ca ecuatia generala de miscare a dispozitivului mobil este:

M_a    . (2.16)

Regimuri de miscare a dispozitivului mobil

Rezolvand ecuatia (2.16) se obtine solutia acesteia care indica evolutia in timp a miscarii dispozitivului mobil sub forma:

unde:

a_p - solutie particulara a ecuatiei f(x(t))=M_a reprezinta deviatia in regim permanent.

a_l - solutia ecuatiei omogene reprezinta deviatia in regim liber (tranzitoriu), M_a = 0. Deci miscarea dispozitivului mobil are doua faze:

regim tranzitoriu sau dinamic (a

regim permanent (static sau dinamic) (a_p

Regimul tranzitoriu apare la trecerea dispozitivului mobil de la o stare de regim permanent la alta. Cazul frecvent in care se manifesta acest regim este conectarea si deconectarea instrumentului in circuitul de masurare.

Regimul deviatiei permanente (static) se instaleaza intotdeauna dupa trecerea regimului tranzitoriu si este caracteristic instrumentelor cu inertie mare. Dupa forma cuplului activ se intalnesc doua categorii de instrumente functionand in regim static:

1) Instrumente ale caror dispozitiv mobil este solicitat de un cuplu activ constant: M_a=const. Dupa trecerea regimului tranzitoriu atinge deviatia permanenta: a_p==const. (caracteristic instrumentelor magnetoelectrice, feromagnetice, electrodinamice, ferodinamice, functionand in curent continuu).

Instrumentele solicitate de un cuplu activ dinamic (variabil

in timp) M_a=M_dinamic =f(t). Datorita inertiei mari a dispozitivului mobil, nu pot urmari variatiile rapide in timp ale cuplului activ, deci valorile instantanee ale marimii de intrare. La aceste instrumente, dupa trecerea regimului tranzitoriu, dispozitivul mobil indica o valoare proportionala cu valoarea medie a cuplului dinamic: a_p=KM_{mediu dinamic}=const. Desi sunt solicitate in regim dinamic, din punct de vedere al miscarii dispozitivului mobil, aceste instrumente functioneaza in regim static. (exemple: instrumentele de masura feromagnetice, electrodinamice, ferodinamice, electrostatice in curent alternativ).

Raspunsul instrumentelor de masurare la diferite forme de cupluri active. Miscarea dispozitivului mobil depinde de tipul de excitatie, prin care se intelege modul de variatie in timp al cuplului activ. Principalele cazuri intalnite in practica sunt:

a)      Cuplu activ constant (excitatie treapta): M_a=Kx=const.;

b)   Cuplul activ proportional cu o marime sinusoidala M_a=Kx,

unde x=X_msin wt;

c) Cuplul activ proportional cu o marime nesinusoidala

M_a=Kx, unde xx_msin wt, adica

d)      Cuplul activ proportional cu patratul unei marimi sinusoidale

M_a=Kx², unde x²=(x_msinwt)²=.

Inlocuind in ecuatia (2.16) M_a cu una din relatiile a, b, c, d si rezolvand ecuatia se obtine a=f(t) care reprezinta raspunsul instrumentului de masurare. Determinarea solutiilor si expresiilor acestora se gasesc tabelate in tratate.

2.2. Instrumente electrice de masurare analogice

2.2.1. Instrumente magnetoelectrice

Din punct de vedere constructiv exista doua tipuri de instrumente de masura magnetoelectrice: cu cadru mobil si cu magnet mobil. Instrumentele cu magnet mobil chiar daca au gabarit redus, capacitate mare la suprasarcina si pot masura direct curenti relativi mari, datorita sensibilitatii reduse, se folosesc ca aparate de bord (ampermetre, voltmetre) pe autovehicule si avioane. Ele nu vor fi prezentate in acest material.

2.2.1.1. Instrumente cu cadru mobil

Acestea la randul lor pot fi: cu magnet permanent exterior si cu magnet permanent interior.

2.2.1.1.1. Constructie

a) Instrumentul cu magnet permanent exterior (fig. 2.3, a)

Este cel mai des intalnit. Sistemul fix este format dintr-un magnet permanent (1) prevazut cu piesele polare (2) si miezul cilindric (3). Elementul activ al dispozitivului mobil este format din bobina mobila (4), care inconjoara miezul (3) putandu-se roti in intrefierul cilindric dintre piesele polare si miez, fiind fixata pe doua semiaxe (5) care se sprijina in paliere. Pe semiaxe mai sunt fixate acul indicator (7) cu contragreutatile de echilibrare si doua resorturi spirale (6) infasurate in sensuri opuse pentru a compensa efectele variatiilor de temperatura. Aceste resorturi servesc la producerea cuplului rezistent si totodata la alimentarea bobinei. In cazul instrumentelor de mare sensibilitate (galvanometrele), bobina mobila este sustinuta pe benzi tensionate, iar deasupra ei se fixeaza o mica oglinda care alcatuieste sistemul optic al acestora. Indiferent de tipul suspensiei instrumentul se prevede cu un corector de zero.

Magnetul permanent este confectionat din aliaj magnetic dur (alnico, magnico, etc.), caracterizat prin inductie remanenta mare si camp coercitiv de valori mari, pentru a se obtine in intrefier un camp magnetic puternic (B = 0.2-0.3T). Pentru o stabilitate cat mai buna a inductiei in intrefier materialul este supus unui tratament de imbatranire artificiala.

Piesele polare si miezul cilindric sunt fabricate dintr-un material magnetic moale cu permeabilitate mare. Forma lor permite realizarea unui intrefier cilindric, in care fluxul magnetic are o distributie uniform radiala, inductia magnetica pastrand o valoare constanta, independenta de unghiul de pozitie al bobinei mobile.

Bobina mobila se realizeaza prin infasurarea unui conductor subtire din cupru sau aluminiu emailat pe un cadru dreptunghiular din tabla de aluminiu. Cadrul constituie o spira in scurtcircuit si serveste la amortizarea oscilatiilor dispozitivului mobil. Se mai utilizeaza si bobine fara cadru metalic, in care caz bobina se rigidizeaza cu un lac izolant.

b) Instrumentul cu magnet permanent interior (fig. 2.3, b)

Are circuitul magnetic alcatuit dintr-un magnet permanent interior (1) si un cilindru exterior (2) din material feromagnetic prin care se inchide fluxul magnetic. In interiorul intrefierului dintre (1) si (2) se poate roti bobina (3) cu suspensie pe paliere.

In raport cu instrumentul cu magnet exterior prezinta urmatoarele avantaje: constructie mai simpla, gabarit redus, dispersie de flux magnetic mai mica si o mai buna ecranare (cilindrul indeplineste functia de ecran magnetic). Piesele polare (4) din material feromagnetic asigura o distributie uniforma a campului magnetic in intrefier.

2.2.1.1.2. Functionare. Parametri de calitate

Cuplul activ apare ca urmare a interactiunii dintre campul magnetic din intrefier si curentul ce parcurge bobina mobila. Folosind teorema fortelor generalizate, se poate determina expresia cuplului activ.

Energia magnetica inmagazinata in campul magnetic este: W_m= FI. Dupa conectarea circuitului de masurare bobina mobila este parcursa de curentul I si sub actiunea cuplului activ, M_a se va deplasa cu unghiul elementar da, astfel incat energia W_m va suferi o variatie dW_m:

. (2.17)

Daca se noteaza cu dS suprafata elementara din intrefier parcursa de cele doua laturi active ale bobinei, la rotirea ei cu da, rezulta: in care dS=2·, unde A este suprafata bobinei, N - numarul de spire al bobinei, l - lungimea laturii active a bobinei si b - latimea bobinei. Astfel:

unde F =NBA

Vom avea:

. (2.18)

iar:

(2.19)

La echilibru M_a+M_r=0, dar M_r= -Da, rezulta:

unde , reprezinta sensibilitatea acestuia. Deoarece S=const., rezulta ca deviatia a este proportionala cu intensitatea curentului I si scara instrumentului este, deci, uniforma. Instrumentele magnetoelectrice functioneaza numai in curent continuu, sensul deviatiei depinzand de sensul curentului.

Pentru a determina o deviatie in sensul normal al scarii la conectarea aparatului trebuie respectate polaritatea bobinelor care sunt marcate cu + si -. Se construiesc insa si instrumente cu reperul de zero la mijloc. In curent alternativ, rezulta un cuplul activ tot alternativ de aceeasi frecventa cu I. Dispozitivul mobil nu poate urmari oscilatiile rapide ale M_a si .

Functionarea instrumentului magnetoelectric poate fi afectata de variatia de temperatura q. Astfel cresterea lui q duce la cresterea rezistentei bobinei (Cu) cu 0.4%/⁰C, rezultand erori de indicatie importante. Instrumentul magnetoelectric se poate prevedea cu o schema de compensare a erorilor de q C. De asemenea, cresterea temperaturii mai produce si micsorarea cuplului rezistent M_r cu 0.03-0.04%/⁰C, precum si micsorarea inductiei in intrefier (deci a cuplului activ), dar aceste efecte, mult mai mici se compenseaza reciproc.

Proprietati avantaje: scara uniforma (liniara), sensibilitate mare, consum propriu redus (mW), precizie ridicata, influenta neglijabila a campurilor exterioare; dezavantaje: pret ridicat, functionare numai in curent continuu, capacitate de suprasarcina redusa (resorturile parcurse de supracurenti se decalibreaza sau chiar se distrug).

Utilizari Este cel mai raspandit dintre toate instrumentele de masurare. Cu un astfel de instrument, se pot construi microampermetre si miliampermetre magnetoelectrice folosite ca atare cat si in constructia a numeroase aparate de masurare, ca de exemplu: multivoltmetre, voltmetre, ampermetre, ohmmetre, multimetre si a tuturor aparatelor electronice analogice. De asemenea este folosit la constructia galvanometrelor, indicatoarelor de nul, buclelor de oscilograf, iar in asociere cu redresoare sau termoelemente serveste la constructia unor voltmetre si ampermetre de curent alternativ. In fine, in asociere cu convertoare, sau traductoare adecvate, este utilizat la constructia de frecventmetre, faradmetre, wattmetre, precum si a aparatelor analogice pentru masurari de marimi neelectrice pe cale electrica (temperaturi, debite, etc.).

2.2.1.2. Logometre magnetoelectrice

Au dispozitivul mobil alcatuit din doua bobine solidare b₁ si b₂ (fig.2.4) fixate pe un ax comun ce fac intre ele un unghi b. Fiind lipsite de resorturi, curentii sunt adusi la bobina prin doua fire subtiri din Ag sau Au dispuse in bucle largi pentru a nu produce cuplu rezistent mecanic.

O conditie de functionare a logometrelor este ca cel putin unul din cele doua cupluri active, M_a1 si M_a2, care actioneaza asupra dispozitivului mobil sa depinda de deviatia acestuia a. De aceea campul magnetic din intrefier este totdeauna radial-neuniform astfel incat inductia magnetica sa varieze in functie de unghiul a, in mod diferit pentru cele doua bobine.

Fig. 2.4. Logometru magnetoelectric

Functionarea logometrelor magnetoelectrice, se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic din intrefier si curentii din cele doua bobine care produc cupluri oponente M_a1 si M_a2. Notand M_a1 - cuplul activ (in sensul cresterii unghiului a) si M_a2 - cuplul de sens opus, acestea se exprima prin relatiile: M_a1=N₁A₁I₁B₁(a si M_a2=N₂A₂I₂B₂(a La echilibru M_a1+M_a2=0 rezulta:

(2.21)

Avantajul esential al logometrelor consta in faptul ca atunci cand ambele circuite de curent se alimenteaza de la aceeasi sursa, indicatia instrumentului nu este influentata de variatiile tensiunii de alimentare: .

Ele sunt utilizate la constructia de ohmmetre, megohmmetre precum si in scheme de termometre electrice rezistive.

2.2.2. Instrumente feromagnetice

Functionarea acestor instrumente se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic creat la trecerea curentului printr-o bobina fixa si una sau mai multe placute feromagnetice.

Dupa modul de constructie si natura fortelor ce creeaza cuplul activ distingem: instrumente feromagnetice cu atractie si cu respingere.

a) Constructie

In fig. 2.5 avem un instrument feromagnetic cu atractie, constituit dintr-o bobina plata fixa (1) cu fereastra ingusta si o placuta feromagnetica asimetrica (2), fixata excentric pe axul instrumentului (3), care poate patrunde in fereastra bobinei, rotindu-se solidar cu axul. Pe ax mai sunt fixate deoparte si de alta, doua arcuri spirale (4), dispozitivul pneumatic de amortizare (5) si acul indicator (6).   

La trecerea curentului electric prin bobina de masura, piesa feromagnetica se magnetizeaza si va fi atrasa spre interiorul bobinei prevazuta cu o fanta (deschizatura). Cuplul rezistiv este dat de cele doua arcuri spirale. Dispozitivul de amortizare pneumatic amortizeaza oscilatiile bruste ce apar datorate cuplului activ. Deviatia se obtine cand M_a=M_r.

In fig. 2.6 este prezentata schema simplificata a unui instrument feromagnetic cu respingere. Acesta contine o bobina rotunda, in interiorul careia se gaseste fixata o placuta feromagnetica. De axul dispozitivului mobil este prinsa o a doua placuta feromagnetica asezata in dreptul placutei fixe. In rest contine aceleasi elemente. La trecerea curentului prin bobina se magnetizeaza in acelasi mod placutele feromagnetice care se resping determinand cuplul activ. Acest tip de instrument feromagnetic s-a impus datorita tehnologiei mai economice, ecranarii mai simple si posibilitatii mai usoare de liniarizare a scarii.

b) Ecuatia de functionare

Considerand bobina instrumentului parcursa de un curent continuu I, expresia energiei localizata in campul magnetic al bobinei de inductivitate L este:

W_m=LI^{2 .} (2.22)

Rezulta:

M_a=, (2.23)

dar la o deviatie a, rezulta M_a=M_r.

M_r =, (2.24)

in curent continuu.

In curent alternativ asupra dispozitivului mobil actioneaza cuplul activ instantaneu, care este dat de relatia: .

Dispozitivul mobil, insa, nu poate urmari variatiile rapide ale m_a si deviatia a este determinata de M_{a med}.

M_{a med.}=.

Daca consideram , atunci avem:

M_{a med}=.

Din M_r = M_a , identica cu cea din curent continuu.

Deci a pentru instrumente feromagnetice, in curent alternativ, este functie de I², unde I este valoare efectiva a curentului.

Dar , unde R_m este reluctanta caii de inchidere a fluxului magnetic care include si placutele feromagnetice.

Rezulta, deci:

(2.25)

Instrumentele feromagnetice au o scara gradata cu un caracter patratic, cu repere foarte apropiate la inceput si mult mai departate la sfarsit.

Cum , scara gradata poate fi liniarizata pe o anumita portiune prin modificarea formei si pozitiei initiale a placutelor feromagnetice.

c) Proprietati, utilizari:

Functionarea este influentata de existenta pieselor feromagnetice, de campurile magnetice exterioare, variatiile de temperatura si de frecventa.

Datorita histerezisului pe care il prezinta placutele feromagnetice la functionarea in curent continuu, la o anumita valoare a curentului exista mici diferente intre indicatiile instrumentului obtinute prin cresterea, respectiv, scaderea curentului. Erorile de histerezis depind de proprietatile materialului feromagnetic. Pentru reducerea histerezisului la instrumentele de precizie mai mare, placutele se realizeaza din materiale feromagnetice cu proprietati deosebite, cu permeabilitate ridicata si histerezis neglijabil (permalloy, mumetal) care permit construirea unor instrumente de clasa 0,5 sau 0,2.

In curentul alternativ, functionarea nu este influentata de histerezis dar este influentata de curentii turbionari indusi in piesele metalice ale instrumentului. Influenta campului magnetic exterior poate fi diminuata prin ecranare sau folosind o constructie astaticizata (cu 2 bobine care sa creeze campuri magnetice proprii de sensuri opuse si cupluri active de acelasi sens care sa se anuleze). Campul magnetic exterior se aduna cu campurile magnetice proprii astfel incat cuplul total ramane neinfluentat.

Variatia temperaturii si a frecventei este insotita de modificarea rezistentei si, respectiv, a reactantei bobinei, conducand la aparitia de erori in cazul voltmetrelor feromagnetice.

Proprietati: Principalele avantaje sunt: capacitate de suprasarcina mare, posibilitatea de masurare directa a unor curenti relativ mari, folosire in curent continuu si alternativ, cost redus. Principalele dezavantaje sunt: consumul propriu mare, sensibilitate redusa, scara neuniforma.

Utilizari: Se utilizeaza in constructia ampermetrelor si voltmetrelor.

2.2.3. Instrumente electrodinamice

Functionarea instrumentelor electrodinamice se bazeaza pe interactiunea curentilor care parcurg bobinele fixe si bobinele mobile ale acestora. Caracteristic acestor instrumente este lipsa fierului din constructia lor.

a) Constructie si functionare

Este format din doua bobine fixe coaxiale b₁ si o bobina mobila b₂ fara cadru, situata in interiorul acestora, fixata pe axul instrumentului (fig. 2.7). Pe ax se mai gasesc doua resorturi spirale pentru crearea cuplului rezistent si pentru aducerea curentului la bobina mobila, acul indicator si paleta amortizorului pneumatic. Bobinele fixe pot fi conectate in serie sau paralel.

Daca bobinele fixe sunt parcurse de un curent continuu I₁ si bobina mobila de un curent continuu I₂, fortele electrodinamice tind sa roteasca bobina mobila spre pozitia in care fluxul propriu ar coincide cu cel al bobinei fixe.

Tinand cont de energia localizata in campul magnetic:

, (2.26) unde L₁, L₂ sunt inductivitatile proprii ale bobinelor fixe si mobile; M - inductivitatea mutuala, se poate deduce M_a. Daca .

Pentru:

M_a=M_r=Da (2.27)

Rezulta : . depinde de spectrul campului magnetic creat de bobina fixa in spatiul in care se afla bobina mobila. Din acest punct de vedere instrumentele electrodinamice se impart in doua categorii: cu camp uniform (axial) si cu camp radial.

a) Instrumentul cu camp uniform axial are bobinele fixe alungite axial si apropiate astfel incat campul magnetic in interiorul lor este practic uniform. In acest caz inductivitatea mutuala se exprima prin:

unde M_m este valoarea maxima a inductivitatii mutuale M₁₂, g a - unghiul dintre axele bobinelor fixa si mobila.

Tinand cont de relatiile precedente, rezulta:

(2.28)

Curba de variatie a factorului functie de unghiul g a este sinusoidala, asa cum se prezinta in fig. (2.8), curba 1.

b) Instrumentul cu camp radial este constituit din doua bobine fixe plate si departate convenabil astfel incat campul magnetic sa fie distribuit radial pe circumferinta pe care se deplaseaza laturile bobinei mobile.

Pentru aceasta trebuie indeplinite conditiile: d/D=0,62; l/D=0,37. Astfel printr-o alegere convenabila a pozitiei initiale (g = 45⁰), se obtine, pentru intreaga deplasare utila a bobinei (90^o), , fig.2.8 curba 2, astfel incat relatia (2.27) devine:

In curent alternativ daca i₁, i₂ sunt curentii care parcurg bobinele,

asupra bobinei mobile b₂ actioneaza un cuplu activ instantaneu: . Cum f>>f₀, rezulta ca deviatia instrumentului va fi determinata de valoarea medie a cuplului activ:

=.

Cand curentii i₁, i₂ sunt sinusoidali de forma:

i₁=sinwt;

unde prin j se intelege unghiul dintre I₁ si I₂.

Din M_a=M_r rezulta ecuatia de functionare in curent alternativ:

, care pentru cele doua tipuri constructive se exprima astfel:

- pentru instrumente cu camp uniform:

- pentru instrumente cu camp radial:

(2.31)

Observatii:

relatiile sunt valabile si cand numai unul dintre curenti este nesinusoidal;

daca ambii curenti sunt nesinusoidali, atunci intervine in expresia

deviatiei si suma produselor dintre armonicele de acelasi ordin prin cosinusul unghiului de defazaj dintre ele; prezenta armonicilor de ordin diferit nu afecteaza deviatia instrumentului.

Proprietati, utilizari

Datorita lipsei pieselor feromagnetice, erorile constructive sunt neglijabile, in schimb, factorii exteriori (campuri magnetice, variatii de temperatura si frecventa) pot cauza erori de indicatie daca nu se iau masuri de reducere a acestora.

Influenta campurilor magnetice perturbatoare se reduce prin ecranare sau constructie astatica. Instrumentul astatic este de fapt constituit din doua instrumente avand bobinele mobile situate pe un ax comun. Atat bobinele fixe cat si cele mobile se conecteaza astfel incat sa realizeze campuri de sensuri contrare si cupluri de acelasi sens; astfel cuplurile determinate de interactiunile dintre curenti se aduna, pe cand cele produse de campul perturbator exterior se anuleaza.

Variatiile temperaturii, si, respectiv, frecventei, pot introduce erori datorita modificarii rezistentei (Cu), si, respectiv, reactantei bobinelor. Aceste erori pot fi reduse la valori neglijabile prin scheme de compensare adecvate.

Proprietati Datorita lipsei elementelor feromagnetice si posibilitatii de compensare a erorilor suplimentare, principala calitate a acestor instrumente este precizia ridicata, putandu-se folosi ca aparate etalon. Dezavantajele lor sunt: consum propriu ridicat (datorita inchiderii fluxului magnetic prin aer); capacitate de suprasarcina redusa (datorita trecerii curentului prin resorturi); cuplu activ de valoare redusa.

Utilizari ampermetre, voltmetre, wattmetre de precizie (clasa 0.5; 0.2).

2.2.4. Logometre electrodinamice

Sunt instrumente cu camp axial al caror dispozitiv mobil este format din doua bobine mobile (1) si (2) fixate pe un ax comun sub un unghi b (fig. 2.9). Curentii sunt adusi la bobinele mobile prin fire subtiri lipsite de cuplu rezistent mecanic. Daca bobinele fixe F sunt parcurse de curentul alternativ I, iar cele mobile de curentii I₁ si I₂, datorita interactiunii intre I si I₁ - pe de o parte - si I si I₂ - pe de alta parte - se produc 2 cupluri M₁ si M₂ de sensuri opuse, ale caror expresii sunt:

unde M_F1 si M_F2 - inductivitatile mutuale intre bobina F si bobinele mobile 1, respectiv 2, date de:

.

fiind fluxurile totale de inductie mutuala corespunzatoare.

Cu notatiile din fig.2.9, fluxurile F_F1 si F_F2 se pot exprima prin relatiile:

Tinand cont ca inductia campului magnetic produs de bobina fixa B_F este proportionala cu curentul I (B_F=K_BI), relatiile (2.33) devin:

si

unde M_F1m si M_F2m sunt valorile maxime ale inductivitatilor magnetice mutuale corespunzatoare. Daca bobinele mobile sunt identice, atunci N₁=N₂, A₁=A₂, M_F1m=M_F2m=K=const, expresiile celor doua cupluri devin:

. (2.34)

La echilibru, M_1med + M_2med =0, de unde rezulta:

respectiv:

(2.35)

Logometrul electrodinamic este utilizat in constructia fazmetrelor.

2.2.5. Instrumente ferodinamice

Spre deosebire de instrumentul electrodinamic, lipsit complet de parti feromagnetice, instrumentul ferodinamic (fig. 2.10) are ca principal element constructiv un miez feromagnetic pe care se afla asezata bobina fixa si in al carui intrefier cilindric, ingust si uniform se poate roti bobina mobila. Bobina mobila se construieste fara cadru, iar curentul este adus

prin intermediul resorturilor spiralate, care servesc si la producerea cuplului rezistent. Amortizarea se realizeaza, de regula, pe cale magnetica. Functionarea se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic creat in intrefier de curentul I₁ din bobina fixa si curentul I₂ din bobina mobila. Deoarece in intrefier campul magnetic este uniform radial, cuplul activ este de aceeasi forma ca si in cazul instrumentului magnetoelectric.

In curent continuu, cuplul activ se exprima prin:

, (2.36)

cu:

, (2.37)

unde: F este fluxul produs de bobina fixa care inlantuie bobina mobila; B₁=k_BI₁ - inductia in intrefier; N₂ - numarul de spire ale bobinei mobile; A₂ - suprafata bobinei mobile. Din conditia de echilibru M_a=M_r=Da se deduce ecuatia de functionare in curent continuu:

(2.38)

In curent alternativ asupra dispozitivului mobil actioneaza cuplul

activ instantaneu:

datorita inertiei dispozitivului mobil, deviatia este determinata de cuplul activ mediu:

(2.39)

Daca se admite ca inductia B₁ este proportionala si in faza cu curentul I₁ (B₁(t)=k_BI₁ si (B₁,I₁)=0 ) expresia cuplului activ mediu este:

(2.40)

de unde se deduce ecuatia de functionare in curent alternativ:

(2.41)

Se observa ca in curent alternativ, ecuatiile de functionare sunt

identice cu cele ale instrumentului electrodinamic cu camp radial.

Proprietati, utilizari

Erorile instrumentelor ferodinamice sunt mai mari decat ale celor electrodinamice datorita prezentei miezului feromagnetic. Erorile se datoreaza neliniaritatii curbei de magnetizare, histerezisului si curentilor turbionari indusi in miez. Ca urmare inductia B₁ nu este riguros proportionala cu curentul I₁ si nici exact in faza. Din aceasta cauza instrumentele ferodinamice sunt caracterizate printr-o precizie mai mica, aceasta fiind dependenta de calitatea miezului feromagnetic.

In schimb, prezenta miezului confera acestor instrumente o serie de avantaje: cuplu activ puternic, consum propriu redus, influenta neglijabila a campurilor exterioare, constructie robusta.

Sunt folosite in constructia unor aparate de tablou (clasa 1; 1.5; 2.5) de curent alternativ (in special wattmetre) si a unor aparate inregistratoare (datorita cuplului activ puternic).

2.2.6. Instrumente de inductie

Functionarea acestor instrumente se bazeaza pe actiunea produsa de fluxuri magnetice alternative asupra curentilor turbionari indusi de acestea intr-un element metalic ce apartine dispozitivului mobil.

Dupa numarul de fluxuri magnetice care produc cuplul activ, ele pot fi: cu flux unic sau cu fluxuri multiple.

Dupa forma elementului activ al dispozitivului mobil pot fi: cu disc sau cu tambur. Cea mai larga utilizare o are instrumentul de inductie cu trei fluxuri (fig. 2.11).

Acesta este constituit din doi electromagneti (1)si (2) parcursi de curenti alternativi i₁, i₂ si un disc din aluminiu (3), fixat pe axul dispozitivului mobil, care se poate roti in intrefierul dintre cei doi electromagneti (fig.2.11).

Fluxul F al curentului i₁ strabate discul de doua ori, in timp ce F , produs de electromagnetul 2, il strabate o singura data, inchizandu-se in armatura de sub disc. Astfel discul este strabatut de trei ori de fluxurile produse de cei doi electromagneti. Fluxurile F si F fiind alternative induc in disc curentii turbionari i_1t si i_2t care se inchid in jurul fluxurilor care ii produc - fig. 2.12, a.

Tinand cont de fluxurile si de curentii care interactioneaza precum si de sensurile fortelor de interactiune, apar trei cupluri active instantanee, ale caror expresii sunt:

(2.42)

Datorita inertiei miscarea discului este determinata de cuplul activ mediu:

Admitand curentii i₁ si i₂ si respectiv fluxurile Φ₁, Φ₂ sinusoidale si defazate cu unghiul ψ (Φ₁(t)=Φ₁ sin ωt, Φ₂(t)=Φ₂ sin (ωt-ψ)) conform cu fig. 2.12, b.

Rezulta:

si deci:

In baza legii inductiei electromagnetice curentii turbionari pot fi exprimati prin relatii de forma: . Inlocuind in relatia precedenta se obtine:

(2.43)

Proprietati si utilizari

Functionarea instrumentului este influentata de prezenta miezurilor feromagnetice, caracterizate prin neliniaritatea dintre fluxuri si curenti, de prezenta histerezisului si a curentilor turbionari. Indicatiile instrumentului pot fi, de asemenea, influentate de variatiile de frecventa si temperatura.

Instrumentele de inductie prezinta o serie de avantaje: cuplu activ puternic si slaba influenta a campurilor exterioare, capacitate mare de suprasarcina si constructie robusta. Unul din principalele avantaje il constituie faptul ca permite constructia unor aparate cu miscare continua a dispozitivului mobil (de tip contor). In schimb, prezinta dezavantajul unei precizii reduse datorita importantelor surse de erori mentionate (clasa 1,5; 2,5).

Se utilizeaza in special la constructia contoarelor de energie de curent alternativ.

2.2.7. Instrumente electrostatice

Functionarea acestor instrumente se bazeaza pe fortele electrostatice care se exercita intre armaturile unui condensator (C) la aplicarea unei tensiuni electrice (U). O armatura, fiind mobila, se deplaseaza sub actiunea cuplului activ determinat de fortele electrostatice servind la masurarea tensiunii aplicate.

Este constituit (fig. 2.13) din doua armaturi metalice fixe (1), avand forma unor sectoare de cutie cilindrica foarte plata - numite cadrane - in interiorul carora se afla o paleta din aluminiu (2) de forma unui sector dublu de cerc.

La unele instrumente, de sensibilitate relativ mare, paleta este sustinuta pe fire tensionate, in care caz instrumentul se prevede cu indicator optic, iar in cazul celor de sensibilitate scazuta paleta este fixata pe un ax cu suspensie pe paliere, cuplul rezistent fiind realizat cu resorturi spirale. Instrumentul se mai prevede cu un amortizor pneumatic sau electromagnetic si este introdus intr-o cutie metalica (ecran) pentru protectie impotriva campurilor electrice exterioare.

La aplicarea tensiunii continue U intre armatura mobila si armaturile fixe se exercita forte electrostatice care determina aparitia unui cuplu activ care roteste paleta mobila in sensul cresterii capacitatii si energiei localizata in condensatorul format de sistemul de armaturi.

Avand in vedere ca energia localizata in campul electric este W_e = CU², cuplul activ rezulta:

(2.44)

Din conditia de echilibru a cuplurilor (M_a = M_r = Da) se deduce ecuatia de functionare in curent continuu:

(2.45)

In curent alternativ asupra paletei mobile actioneaza cuplul activ instantaneu:

(2.46)

Datorita inertiei, deviatia este hotarata de cuplul activ mediu:

(2.47)

Ecuatia de functionare in curent alternativ rezulta de aceeasi forma ca si in curent continuu:

, (2.48)

unde U este valoarea efectiva a tensiunii.

Proprietati, utilizari

Functionarea este influentata de campurile electrice exterioare, dar acestea sunt eliminate prin ecranarea instrumentului.

Principalele avantaje: masoara direct tensiuni continue si alternative indiferent de forma acestora, au consum nul sub tensiune continua si neglijabil sub tensiune alternativa, nu sunt influentate de temperatura, pot fi realizate aparate de precizie ridicata, au domeniu larg de frecventa (MHz). In schimb au un cuplu activ de valoare mica, motiv pentru care nu pot functiona decat la tensiuni mari (sute sau mii de volti).

Sunt utilizate la voltmetre de laborator pentru tensiuni relativ mici (sute de volti) si frecvente inalte (MHz) si voltmetre pentru tensiuni inalte si frecvente joase; pot fi realizate de asemenea wattmetre speciale (fara consum).

2.2.8. Instrumente termice

Functionarea instrumentelor termice se bazeaza pe alungirea sau deformarea reversibila a unor conductoare sub actiunea caldurii disipate la trecerea curentului electric. Din aceasta categorie fac parte instrumentele bimetalice si cele cu fir cald care nu se mai utilizeaza.

Instrumentele bimetalice (fig. 2.14)

Au elementul activ alcatuit dintr-o lama bimetalica (1) infasurata sub forma de spirala, avand un capat fixat pe axul aparatului si celalalt capat la partea fixa. Curentul de masurat I trece prin bimetalul (1), axul instrumentului si banda de cupru (Cu) care este lipsita de cuplul rezistent. Datorita caldurii dezvoltata in bimetalul (1) prin efect Joule-Lenz, prin dilatare, acesta roteste axul instrumentului si acul indicator fixat pe acesta. Cuplul rezistent este produs de un al doilea bimetal (2), identic cu primul dar infasurat in sens invers, si care nu este parcurs de curent, fiind, totodata, protejat de un ecran de pertinax impotriva caldurii radiate de bimetalul activ (1).

La stabilirea echilibrului termic, deviatia dispozitivului mobil, este proportionala cu patratul curentului:

a = kI² .    (2.49)

Instrumentul functioneaza atat in curent continuu cat si in curent alternativ unde masoara valoarea efectiva. Datorita inertiei termice stabilirea deviatiei permanente dureaza cateva minute dupa stabilirea curentului corespunzator. Daca in timpul masurarii, curentul isi modifica valoarea, instrumentul indica valoarea efectiva medie pe intervalul de timp respectiv. Unele instrumente sunt prevazute cu indicator de maxim sau cu sistem de contacte pentru semnalizarea curentului maxim admis.

Instrumentele bimetalice sunt caracterizate printr-un cuplu activ foarte puternic, capacitate de suprasarcina mare, lipsa influentei campurilor exterioare si variatiilor de frecventa (in jurul frecventei industriale). Precizia lor este insa redusa, in jur de 3%.

Se utilizeaza in constructia de ampermetre de tablou pentru indicarea sau inregistrarea mediei valorii efective a curentului sau a valorii maxime atinse intr-un interval de timp.

2.3. Aparate de masura

Masurarea marimilor se face cu ajutorul aparatelor de masura (AM), care au ca element esential instrumentul de masura. Ele mai contin, in general si alte elemente de circuit (rezistente, inductivitati, capacitati, diode redresoare, dispozitive de comutare, surse de t.e.m., etc.), care sunt conectate intre ele si cu instrumentul electric, dupa o schema de masura data.

In electronica, dintre AM analogice cele magnetoelectrice prezinta cel mai mare interes deoarece au sensibilitate mare ( A), precizie buna (0,5 - 1.5), consum de energie redus ( W - mW) si sunt singurele care pot fi utilizate ca instrumente de iesire la AM electronice analogice.

Intrucat, prin prezentarea principalelor tipuri de instrumente de masura s-au descris totodata si AM corespunzatoare, in continuare se vor mai prezenta doar, cateva tipuri speciale de AM.

2.3.1. AM magnetoelectrice cu redresor

Se pot folosi si pentru masurarea marimilor in c.a. Aceste AM au avantajul (fata de celelalte aparate de masura pentru c.a (feromagnetice, electrodinamice, etc.)), unei sensibilitati mai bune, a unui consum mult mai redus si o banda de frecventa considerabil mai larga. In schimb au insa, o precizie mai scazuta (clasa 1,5 - 2,5).

Se utilizeaza atat ca aparate de tablou cat si ca multimetre de laborator.

2.3.1.1. Diode utilizate la AM cu redresor

In prezent se utilizeaza aproape numai diode cu germaniu deoarece au tensiunea de deschidere (0,2 V), sensibil mai mica decat cele cu siliciu (0,6 V). Diodele destinate aparatelor de masura cu redresor trebuie selectate cu atentie si apoi supuse unei imbatraniri artificiale.

Exemple de diode utilizate la redresoare pentru AM:

l. Dioda OA - 79 avand tensiunea de deschidere Up = 0,180 V, curentul direct la deschidere: 50 mA, si 5 mA la 1V, capacitate inversa C_i =l pF, rezistenta in conductie directa R_d = 100 W, rezistenta in conductie inversa R_i 100 kW, coeficientul termic (CTR) al lui R_d: 1 - 1 ,5 %/C. coeficientul termic al lui R_i 5 - 8 %/C.

2. Dioda EFD-110 (IPRS), ce are aceiasi parametri.

Din cauza neliniaritatii caracteristicii volt - amper (fig. 2.15, a) scara aparatului cu redresor rezulta neliniara la tensiuni mici (sub 0,5 V), daca nu se iau masuri de corectie.

In scopul liniarizarii, cel mai adesea se leaga in serie cu dioda o rezistenta convenabila (fig. 2.15, b si c). La o rezistenta de aproximativ - 15) R_d se obtine o liniaritate acceptabila (fig. 2.15, c) insa cu pretul cresterii tensiunii directe.

Liniarizarea cu rezistenta in serie mai prezinta avantajul important ca se micsoreaza dependenta de temperatura a lui I_d.

O cale simpla si eficace de liniarizare a scarii la AM cu redresor consta in conectarea redresorului in bucla de reactie a unui amplificator operational (fig. 2.18, c).

2.3.1.2. Instrumentul magnetoelectric cu redresor

a) Scheme de redresare

In prezent se utilizeaza, practic, numai schemele cu redresare bialternanta si anume: scheme in punte Graetz, jumatate Graetz si cu transformator.

Schema in punte Graetz (fig. 2.16, a) are sensibilitate buna, insa are o scara puternic neliniara pe prima parte si erori de temperatura mari.

Schema jumatate Graetz. (fig. 2.17, a). In aceasta schema, cele doua rezistente R au valori sensibil mai mari decat rezistenta in conductie directa a diodelor ceea ce imbunatateste liniaritatea scarii si micsoreaza erorile de temperatura. Desi, are o sensibilitate mai scazuta, este cea mai utilizata schema pentru AM cu redresor.

. (2.50)

Schema cu transformator (flg. 2.17, b). Permite extinderea limitelor de masura intr-un mod simplu, precis si cu pierderi mici de energie. Permite masurarea si a tensiunilor mici (T poate fi si ridicator), insa are limita superioara a benzii de frecventa mai coborata si un gabarit sensibil mai mare. Cu toate acestea, se utilizeaza la unele multimetre de laborator.

Ca instrumente magnetoelectrice se folosesc miliamperme-tre (1-3mA)-pentru AM de tablou si microampermetre pentru AM de laborator. Din punctul de vedere al liniaritatii scarii si al micsorarii erorilor de temperatura sunt de preferat miliampermetrele, insa cand se cere rezistenta (kW/V) mare trebuie utilizat microampermetrul.

b) Ecuatia de functionare

Curentul redresat (i_M=i) care strabate bobina instrumentului (fig.2.16, a) are forma unor impulsuri rotunjite cu perioada de repetitie T/2 (fig. 2.16, b), T fiind perioada curentului de masurat; . In acest caz, organul mobil este supus unui cuplu activ pulsator de valoare instantanee: m₁=nsBi=Ki. La frecventa de peste 10-20 Hz, organul mobil al instrumentului nu mai poate urmari pulsatiile imprimate de m₁ si se stabileste intr-o pozitie corespunzatoare cuplului mediu pe intervalul T/2 (principiul integrarii prin inertie mecanica) adica:

de unde rezulta ecuatia de functionare cautata:

=SI_med, (2.51)

in care S reprezinta sensibilitatea mecanismului.

Se observa ca AM cu redresor raspunde la valoarea medie (I_med) a curentului de masurat Insa din motive metrologice (aparatele etalon utilizate la etalonare/verificare - electrodinamice - raspund la valoarea efectiva) scara AM cu redresor se gradeaza in valoarea efectiva (I) a curentului sinusoidal Ca urmare, ecuatia (2.51) trebuie transcrisa in forma (S' = S/1,11):

Insa, I_ef=1,11I_med numai in regim sinusoidal, ceea ce rezulta, ca AM cu redresor masoara corect numai in regim sinusoidal.

c)      Erori la AM cu redresor

Principalele erori care apar in plus fata de cele ale instrumentului, sunt datorate: imbatranirii diodelor, deformarii curbei curentului, variatia temperaturii si a frecventei. Compensarea erorilor respective nu se poate face suficient de bine si de aceea AM cu redresor au precizie relativ redusa (1,5 - 2,5 %), precizie totusi suficient de buna pentru unele aplicatii din electronica.

Eroarea datorata imbatranirii diodelor. Datorita solicitarilor termice sau electrice, cu trecerea timpului diodele imbatranesc, fenomen caracterizat mai ales prin cresterea rezistentei in conductie directa (R_d). Cresterea lui R_d duce la micsorarea curentului prin instrument (I_M) si deci la micsorarea lui a, adica la aparitia unei erori (e_i

Procesul de imbatranire poate fi accelerat si de prezenta agentilor corozivi. Pentru micsorarea lui e_i diodele pentru AM cu redresor se supun unui proces de imbatranire artificiala, cum ar fi mentinerea la o anumita temperatura ridicata, timp de 10-15 zile, care la diodele cu Ge este in jur de 60C. Pentru evitarea imbatranirii mai departe, in schemele de redresare trebuiesc limitate supratensiunile (care sunt cauza imbatranirii) la bornele acestora.

O alta cale utilizata, dar care asigura numai o imbatranire partiala, consta in trecerea curentului nominal (al diodei) in sens direct, timp de cateva zile.

Eroarea datorata deformarii curbei curentului. S-a vazut ca AM cu redresor functioneaza corect numai in regim sinusoidal unde factorul de forma este k_f = Cand curba curentului se abate de la forma sinusoidala (k_f¹1,11) in indicatia aparatului apare eroarea:

Adica:

Daca, de exemplu k_f = 1, eroarea este e_k

Eroarea datorata variatiei temperaturii (e_T R_d scade cu cresterea temperaturii cam cu 0,5-1,5 %/C si ca urmare I_M (fig. 2.16, a) creste iar aparatul va indica cu eroare. Pentru reducerea erorii, se inseriaza o rezistenta cu CTR pozitiv (R_c, din fig. 2.18, a); aceasta rezistenta se face de regula din cupru (CTR = 0,4%/⁰C).

In cazul puntii jumatate Graetz (fig. 2.17, a), coeficientul termic al ansamblului, (R_d + r + R) este de aproximativ 3 - 5 ori mai mic decat CTR_d si de aceea R_c rezulta de valoare corespunzator mai redusa (iar in cazul AM de precizie mai redusa ca 1,5%, nici nu se mai pune R_c).

Totusi, ramane o eroare e_T = 0,3 - 0,5 % si AM cu redresor nu pot avea erori mai mici decat 1,5 %.

Eroarea datorata variatiei frecventei. In fig. 2.18, a se arata schema echivalenta a circuitului din fig. 2.16, a, situatie cand D₁ si D₃ sunt in conductie, iar D₂ si D₄ sunt blocate (r si L reprezinta rezistenta si, respectiv, inductivitatea instrumentului, iar C_i - capacitatea proprie a unei diode).

Cum C_i 1 pF, efectul de suntare capacitiva este neglijabil de mic pana la frecvente de ordinul sutelor de kHz (peste limita superioara a benzii AM cu redresor). Ramane de examinat doar influenta lui L: la cresterea frecventei, reactanta X_L creste, curentul prin instrument scade si deci acul intarzie. Pentru a combate aceasta eroare se inseriaza un grup R/C derivatie (fig. 2.18, b), la care impedanta scade la cresterea frecventei. Exista si alte metode de compensare.

Observatii:

Instrumentul magnetoelectric cu redresor la care s-a efectuat compensarea erorilor de temperatura si de frecventa (fig. 2.18, b) va fi numit, in cele ce urmeaza, voltmetru elementar cu redresor. Tensiunea nominala a acestuia este de 1,5 - 3 V. Aceasta
schema sta la baza ampermetrelor si voltmetrelor cu redresor.

Erorile datorate variatiei temperaturii si frecventei se elimina automat daca se plaseaza puntea redresoare in bucla de reactie a unui amplificator operational (AO). ca in fig. 2.19. In acest caz exista relatiile:

,

care arata ca indicatia instrumentului (a) este independenta de R_d (variatia temperaturii) si de L (variatia frecventei). In plus, schema permite si cresterea sensibilitatii in tensiune, de circa 100 ori (U_xn=10- 20mV in loc de 1-2V); de exemplu, daca R₁=200W si I_M=50 mA, rezulta U_xn=10 mV. Aceasta schema, numita si redresor fara prag sau redresor de precizie, sta la baza voltmetrelor electronice de valoare medie.

2.3.1.3. AM cu redresor

a) Ampermetre si voltmetre cu redresor

Voltmetre. Acestea se realizeaza pe baza voltmetrului elementar (fig. 2.18, b), prin inscrierea unei rezistente aditionale corespunzatoare. Tensiuni nominale: 3 - 1000 V, clasa de precizie 1,5-2,5.

Ampermetre. Acestea sunt realizate dintr-un voltmetru elementar care masoara caderea de tensiune pe o rezistenta de precizie (sunt neinductiv din manganina) parcursa de curentul de masurat (fig. 2.20). Curenti nominali: 0,01 - 3 A, clasa de precizie: 1,5 sau 2,5.

Uneori curentul in suntul R_S este adus prin intermediul unui transformator de curent, situatie in care acesta serveste si la extinderea limitelor de masura (solutie intalnita la multimetrul romanesc MF-35, de exemplu).

Observatii:

Ampermetrele si voltmetrele cu redresor, fiind sensibile la valoarea medie, pot fi utilizate la determinarea factorului de forma in regim nesinusoidal.

Exemplu: Curentul care alimenteaza o bobina cu miez saturat (fig.2.21) este masurat cu doua ampermetre, unul cu redresor (A₁), care indica 1A si altul electrodinamic (A₂) care indica 0,95A. Cum pe scara lui A₁ se citeste 1,11*l_med, rezulta ca I_med= 1/1,11 = 0,9 A si deci k_f = I/l_med = 0,95/0.90 = 1.05.

Din acest exercitiu mai rezulta ca, pentru calculul valorii medii, indicatia aparatului cu redresor trebuie impartita la

3. Daca in cazul citat s-ar pune problema calcularii erorii suplimentare (la A₁) datorate deformarii curbei curentului, s-ar gasi, conform cu (2.52), e_k = 6%. Aceasta arata ca daca s-ar fi masurat curentul prin bobina numai cu A₁, s-ar fi comis o eroare de peste cea calculata pe baza indicelui de clasa ( c I_n/I ).

b) Voltmetrul diferential cu redresor

Masoara diferenta a doua tensiuni alternative. Pot fi utilizate in unele aplicatii speciale: compararea a doua tensiuni alternative (cu aplicatii de exemplu, la cuplarea in paralel a doua generatoare), realizarea de frecventmetre de tablou cu zero in afara scarii, etc.

Schema de principiu a unui voltmetru diferential cu redresor este data in fig. 2.22. Este realizata din doua punti jumatate Graetz montate in opozitie. Rezistentele reglabile R₁ si R₂ servesc la reglajul pozitiei de zero electric a acului indicator (care de regula este la mijlocul scarii gradate). Diodele D₁D₄ trebuie sa fie cat mai bine imperecheate.

Ecuatia de functionare. Cum bobina mobila a instrumentului este parcursa de doi curenti (i₁ si i₂) in opozitie, conform cu (2.51) rezulta:

a = S( I_{1 med} - I_{2 med}) de unde, tinand cont de proportionalitatea dintre acesti curenti si tensiunile de intrare, se obtine ecuatia de functionare

a = SA( U_{1 med} - U_{2 med}), (2.53)

sau :

a = S'A 1,11( U₁ - U₂) = B 1,11 u,

unde A si B sunt constante, iar:

u = U₁ - U₂; u << U₂ ,

tensiunea citita a voltmetrului.

Precizia de masurare. Daca U₁ = U₂ este tensiunea de masurat, iar U₂ = U₀ - o tensiune de referinta cunoscuta cu precizie, atunci din (2.53') rezulta

relatie care arata ca precizia de masurare DU_x/U_x este apropiata de precizia tensiunii de referinta U₀, daca₀

Acest principiu de crestere a preciziei de masurare la un AM analogic (pe seama ingustarii limitelor lui de masura) este utilizat printre altele, la voltmetrele electronice diferentiale si la frecventmetrele de tablou cu zero in afara scarii gradate.

Concluzii:

AM cu redresor raspund la valoarea medie, dar sunt gradate in valori efective ale regimului sinusoidal, adica pe scara lor se citeste 1,11 x valoarea medie a marimii de masurat si din aceasta cauza ele indica corect numai in regim sinusoidal pur.

2.3.1.4. Multimetre pasive

Multimetrele sunt aparate ce permit masurarea mai multor marimi. Multimetrele pasive sunt alcatuite pe baza unui microampermetru magnetoelectric sensibil (I_n = 20-50 mA). Ele permit masurarea marimilor U, I si R in c.c. precum si a lui U si I in c.a. Unele din acestea mai permit masurarea si a altor parametri, ca de exemplu, beta - la tranzistoare sau frecvente in domeniul audio.

Datorita simplitatii, robustetii si a pretului de cost scazut, multimetrele pasive continua sa ramana aparatele cele mai raspandite pentru masurari de rutina si de depanare. La realizarea unui asemenea multimetru apar unele probleme legate de alegerea treptelor de sensibilitate, de suprapunere a scarilor la diverse trepte de sensibilitate si suprapunerea scarilor de c.c. si cele de c.a.

Alegerea treptelor de sensibilitate. Valorile nominale la treptele de sensibilitate (game), se aleg de regula in seria: l, 3, 10, 30, 100, etc. (aproximativ din 10 in 10 dB). Aceasta succesiune s-a impus din cerinte metrologice si economice. Treptele in succesiunea lor trebuie sa se suprapuna pe cel putin o treime din lungimea scarii pentru ca eroarea de masurare (e_a sa nu depaseasca triplul erorii tolerate, la trecerea pe treapta imediat urmatoare. De exemplu, daca acul se afla la finele scarii gradate pe treapta de 10 V si trebuie de masurat 12V se trece pe sensibilitatea de 30V cand acul revine la deviatia a a_n si ca urmare eroarea de masura (e_a) creste de la c (indicele de clasa) la (30/12) c < 3c. Daca suprapunerea este mai mica, e_a creste mai mult, iar daca suprapunerea este mai mare e_a scade, insa aparatul devine mai scump (mai multe trepte la comutatorul de game). Seria de trepte 1, 3, 10 reprezinta un compromis acceptabil intre cele doua cerinte; aceasta se mai numeste si serie cu trepte de 10 dB. Pentru evitarea calculelor mentale, intotdeauna se prevad doua scari gradate: una cu 30 diviziuni si alta cu 100 sau submultipli ai acestora (fig. 2.23).

Paralel cu seria analizata (de inspiratie europeana) se utilizeaza si seria 1; 2,5; 5; 10, etc., (de inspiratie americana) prevazuta cu doua scari: de 25 si respectiv 100 de diviziuni. Aceasta prezinta avantajul ca erorile de masurare sunt mai mici la trecerea de pe o treapta pe alta, insa prezinta si doua inconveniente:

- necesita calcule mentale din partea operatorului ca inmultiri sau impartiri cu 2, ceea ce poate duce la citiri gresite;

necesita mai multe trepte la comutator pentru acelasi domeniu, deci aparatul rezulta mai scump (de exemplu pentru acoperirea domeniului 0 - 1000 V sunt necesare noua trepte de sensibilitate in timp ce la multimetrele bazate pe seria 1; 3: 10 sunt necesare numai 7).

b) Problema scarilor unice.

Dupa cum s-a aratat mai inainte masurarea curentilor si tensiunilor, atat in c.c. cat si in c.a., trebuie sa se faca numai pe doua scari: de 30 si de 100 diviziuni, de exemplu.

Trepte de sensibilitate pentru c.c. Treptele de curent (l_x) se realizeaza cu ajutorul unui sunt universal iar cele de tensiune cu ajutorul unei rezistente aditionale (R_a) in trepte care se calculeaza cu relatiile:

R_s=r /(n-1); n=i_n / I_n ;    (2.54)

R_a=r(n-1); n=u_n /U_n,

unde: i_n, u_n, I_n, U_n sunt valorile nominale ale instrumentelor de masura si respectiv ale AM dupa extinderea domeniului de masura.

Treptele de sensibilitate pentru c.a. se realizeaza dupa o schema similara cu cea de c.c., cu deosebirea ca instrumentul (mA) este conectat la suntul universal prin intermediul unei punti redresoare, de regula jumatate Graetz (fig. 2.17, a).

Suprapunerea scarilor de c.c. si c.a La multimetrele obisnuite trecerea de la functionarea din c.c. in c.a. se face prin modificarea corespunzatoare a sensibilitatii schemei cu ajutorul comutatorului de game (sectoare cu trepte distincte pentru c.c. si c.a.), ceea ce duce la un comutator cu numar foarte mare de pozitii, care-i complicat si scump.

La multimetrele de cost scazut si precizie mai redusa (cl. 2,5) se ia ca punct de plecare schema de functionare in c.a. iar suprapunerea scarilor c.a. si c.c. se face prin micsorarea corespunzatoare a sensibilitatii schemei la trecerea din c.a. in c.c. (cu 11%), micsorare ce se obtine prin inscrierea unei rezistente (R₁); la functionarea in c.a. aceasta rezistenta este scurtcircuitata manual (cu o pozitie a comutatorului de game) sau automat cu ajutorul unui condensator (C₁).

In fig. 2.24 se arata o schema de multimetru cu schimbarea automata a sensibilitatii pentru suprapunerea scarilor de c.a. cu cele de c.c. Condensatorul C₁ se calculeaza astfel incat chiar la limita inferioara a benzii (20 - 30 Hz) sa scurtcircuiteze complet pe R₁.

Calculul lui R₁ se face din conditia ca raportul dintre R_ac la functionarea in c.c. si la functionarea in c.a. sa fie egal cu 1,11 (deoarece scara in c.a. este gradata in 1,11 x valoarea medie). Neglijand rezistenta diodei in conductie directa (R_d), din fig, 2.24 rezulta:

Aceasta solutie simplifica mult constructia comutatorului (si creste fiabilitatea aparatului), cu pretul micsorarii preciziei (tipic, clasa 1,5 in c.c. si 2,5 in c.a.) deoarece la functionarea in c.c. una din diodele redresoare ramane in circuit si la masurari in c.c.

Din schema se observa ca rezistenta coloanei suntului (R_S) si cea a coloanei rezistentei aditionale (R_a) formeaza divizorul de tensiune pentru functia de voltmetru c.a.

c) Functii suplimentare

La multimetrele pentru electronisti, in afara de functionalitatile mentionate (ampermetru - voltmetru c.c. si c.a. + ohmmetru) se mai prevad si alte functionalitati cum ar fi scara in dB, wattmetru de iesire, tranzistormetru, generator de semnal, etc.

Scara decibelilor Majoritatea multimetrelor pasive si o buna parte din cele electronice cu ac indicator sunt prevazute si cu scara in dB. Aceasta scara este trasata de regula pentru referinta de 1 mW/600W si serveste la masurarea nivelului de tensiune (in telecomunicatii) dupa relatia:

Aceasta masurare este, insa, valabila numai in regim sinusoidal si numai pentru o sarcina rezistiva de 600W; daca forma undei sau sarcina difera, atunci la rezultatul masurarii trebuie aduse corectiile corespunzatoare.

Wattmetru de iesire. La unele multimetre (DU-20, de exemplu) exista si o functionalitate de wattmetru pe principiul P= U²/R=propU², unde R=600W (cel mai adesea) este conectata din exterior Ia bornele volt ale multimetrului.

Tranzistormetru. Functionalitatea tranzistormetrului deriva din cea de ohmmetru si este incorporata in forma cea mai simpla permitand doar masurarea curentului de colector la gol (I_c0) si a factorului de amplificare in curent (b), insa valorile acestor parametri sunt suficiente pentru a da o idee despre starea tranzistorului respectiv.

Una din schemele utilizate este aratata in fig. 2.25. Masurarea lui I_c0 se face cu P la rezistenta minima. K₂ deschis si K₁ inchis (la tranzistoarele obisnuite de mica putere I_c0= mA la 20C). Pentru masurarea lui b se inchide K₂ si se citeste curentul de colector I_c. Pe baza celor doi curenti masurati (in mA) se calculeaza:

(2.56^')

relatie stabilita pe baza ecuatiei de curenti I_c = I_c0 + bI_B in care s-a luat

I_B = 10 mA = ct., valoare fixata prin jocul de rezistente din schema.

Daca I_c>500 mA, adica depaseste curentul nominal al microampermetrului se creste corespunzator rezistenta P si se reiau

masurarile (l_c0, si I_c ). Rezistenta R₁ serveste la protectia tranzistorului impotriva ambalarii termice (la cresterea lui I_B - din cauza cresterii temperaturii - creste I_c, ceea ce duce la cresterea caderii de tensiune pe R₁ si, deci, la micsorarea tensiunii de colector).

Functia generator de semnal (signal - tracer, injecteur de signal). Furnizeaza un semnal dreptunghiular de 1 sau 2 KHz si amplitudine 1-5 V_V-V, cu ajutorul unui astabil (fig. 2.26). Acest semnal fiind bogat in armonici dupa cum rezulta din relatia urmatoare (E - amplitudinea):

permite localizarea rapida a defectelor in receptoarele radio si televiziune si in amplificatoarele de AF. Cu ajutorul unui astfel de generator se poate urmari traseul semnalului (de unde si denumirea de 'signal tracer') de la intrarea si pana la iesirea radioreceptorului si, prin aceasta, se poate stabili usor si rapid locul unde semnalul este intrerupt, insuficient amplificat sau deformat. Dupa aceea, utilizand celelalte functionalitati se controleaza diferitele componente pana la localizarea defectului.

Acest semnal de test se injecteaza in blocul de joasa frecventa al radioreceptorului incepand cu cel de iesire si mergand din etaj in etaj pana la intrarea acestui bloc. Sunetul in difuzor va fi din ce in ce mai puternic pe masura inaintarii cu punctul de injectie spre etajul detector. Dupa aceea se examineaza asemanator etajul FI (frecventa intermediara) si etajul de inalta frecventa pana la descoperirea blocului defect. Astabilul din fig. 2.26 furnizeaza un semnal cu frecventa F=1/T' 1KHz la factor de umplere 20 %.

2.3.1.5 AM cu redresor sensibil la faza

In cazul in care pe langa amplitudinea unei tensiunii necunoscute de c.a. este necesar a determina si faza in raport cu o tensiune de referinta, se poate utiliza AM cu redresor sensibil la faza Detectoarele sensibile la faza pot fi: cu diode, cu tranzistoare sau cu multiplicatoare. Ele se mai numesc si detectoare sincrone.

Aparatele de masura echipate cu detector sensibil la faza se numesc vectormetre; ele permit masurarea tensiunilor si curentilor atat ca marime cat si ca faza in raport cu o referinta.

a) Vectormetru cu redresor electromecanic

Schema de principiu a acestuia este aratata in fig. 2.27, a unde (1) este un electromagnet, care actionand asupra unei lame elastice (2), stabileste sau intrerupe contactul (3) prin care se inchide curentul de masurat. Electromagnetul este alimentat cu tensiunea U_c - numita tensiune de comanda - de aceeasi frecventa cu tensiunea de masurat (U_x).

Daca U_s este in faza cu U_c dispozitivul functioneaza ca un AM cu redresor monoalternanta obisnuit. Daca insa U_c este defazata in urma cu unghiul j (fig. 2.27, b si c), atunci pe durata j w, accesul curentului la instrument este intrerupt si, ca urmare, cuplul activ al acestuia devine:

de unde se obtine ecuatia de functionare cautata:

care arata ca aparatul sesizeaza atat marimea tensiunii de masurat (U_x) cat si faza acesteia, in raport cu tensiunea de comanda (referinta).

Redresorul sensibil la faza electromecanic prezinta avantajele: are rezistenta de conductie directa aproape nula (R_d = miliohmi), rezistenta in sens invers aproape infinita (R_i > GW) iar coeficientul termic al lui R_d - neglijabil de mic, adica se comporta ca un redresor ideal de precizie, insa are frecventa de lucru redusa (maxim sute de Hz) si se uzeaza relativ rapid (contactele 2-3) si de aceea, in prezent, practic, nu se mai construieste, insa poate fi intalnit la AM mai vechi.

b) Vectormetre cu redresor sensibil la faza cu diode si cu tranzistoare:

Redresorul sensibil la faza cu diode este similar cu cel electromecanic cu deosebirea ca intrerupatorul 2-3 este inlocuit de unul cu diode. Acesta se bazeaza pe tensiunea de prag a diodelor semiconductoare, care la cele cu siliciu este U_p = 0,6 V; daca tensiunea de masurat (U_x) este mai mica decat U_p, U_x nu poate deschide dioda. Daca insa peste U_x se suprapune o tensiune de comanda U_c de aceeasi frecventa cu U_x, dioda se deschide permitand trecerea curentului corespunzator lui U_x. Pentru eliminarea efectului curentului provocat de U_c se utilizeaza diverse scheme; printre care cea mai cunoscuta este schema Walter. VSF cu diode sunt simple si robuste insa tensiunea de masurat (U_x) trebuie redusa Ia valori sub 0,5 V iar U_c trebuie sa fie mult mai mare decat U_x.

VSF cu tranzistoare La acestea comutatorul 1-3 din fig. 2.27 este inlocuit cu unul pe baza de tranzistoare, cu avantajul ca nu mai este obligatorie conditia U_x<<U_c. VSF cu diode si tranzistoare desi sunt foarte simple si robuste prezinta neajunsul ca raspund la valoarea medie a lui U_x si, deci, nu functioneaza corect decat in sinusoidal. Acest neajuns nu apare la VSF care raspund la valoare efectiva a lui U_x.

c) Vectormetre de valoare efectiva In structura acestora intra un multiplicator electronic integrat, cel mai adesea de tipul cu transconductanta variabila cum sunt, de exemplu, circuitele integrate XR 2208 si ROB 80-85.

Multiplicatorul XR-2208 Schema bloc a acestuia este prezentata in fig. 2.28. Se observa ca, in afara de multiplicator, circuitul mai cuprinde si un amplificator operational (AO) independent precum si un buffer (+1) pe iesirea de inalta frecventa (15) ceea ce-i confera o mare versatilitate.

In fig. 2.29 se arata schema tehnologica a acestui tip de multiplicator care dupa operatiile de reglaj (P₁, P₂, P₃) raspunde la ecuatia de functionare:

(2.59)

In relatia (2.59), U_x si U_y sunt tensiunile de intrare, U₀ - tensiune de iesire, iar K factorul de scara. Cu potentiometrul P₁ se ajusteaza factorul de scara la K = iar cu P₂ si P₃ se regleaza ofsetul pe intrarile de semnal X si respectiv Y; cu P₄ se regleaza ofsetul la iesire (U₀).

Un astfel de multiplicator a fost utilizat, cu rezultate bune, la un aparat complex pentru masurarea tgd in inalta frecventa.

Vectormetru cu multiplicator integrat Schema de principiu a unui astfel de aparat este prezentata in fig, 2.30, a. In acest caz tensiunea de referinta (fig. 2.30, b) trebuie sa aiba amplitudine stabilizata, adica U_r = const. Daca tensiunea de masurat este de forma atunci (2.59) poate fi transcrisa in forma:

U₀ = KU_x cosj - KU_r cos(2w t - j

de unde, eliminand componenta alternativa cu un filtru RC trece-jos, se obtine deviatia voltmetrului de iesire (V) este (S - sensibilitatea lui V):

a=SU₀=AU_xcos j; A=KSU_r=const.

ceea ce arata ca, in acest caz, detectia se face pe valoarea efectiva.

Un asemenea VSF a fost utilizat, cu rezultate bune, la un aparat pentru masurarea intensitatii campului electrostatic.

VSF integrat este mai precis si are un gabarit mult mai redus decat cele cu diode sau cu tranzistoare si, de aceea, in ultimul timp, le inlocuieste rapid pe acestea din urma.

d) Fazmetru cu multiplicator integrat.

Principiu. Daca la schema din fig. 2.30, a se mentine si U_x = const., atunci (2.60) poate fi transcrisa in forma (B=AU_x=const.):

a = B cos j

care arata ca, in acest caz, aparatul raspunde numai la faza. Pe aceasta idee s-au realizat fazmetre (cosj-metre) de tablou pentru electroenergetica, aparate ce concureaza serios cu fazmetrele electrodinamice si ferodinamice.

Fazmetru cu multiplicator XR - 2208

La multiplicatorul XR - 2208, daca tensiunile si intrarile de semnal (X, Y) depasesc 50mV, adica: U_x, U_y = 50mV, canalele respective intra in saturatie, si ca urmare, tensiunea de iesire (U₀) nu mai depinde de valorile lui U_x si U_y ci numai de defazajul dintre acestea, conform cu relatia (K₀ const.):

U₀ = K₀ cos j

O schema de fazmetru de tablou cu XR - 2208 pentru reteaua de 50Hz este prezentata in fig. 2.31, a. Aparatul raspunde la ecuatia de functionare:

a = K₀Scos j

in care S reprezinta sensibilitatea voltmetrului de iesire (V) iar j - defazajul dintre tensiunea si curentul (fig. 2.31, b) sarcinii Z(j

Cu anumite precautii (decuplari pe intrari si pe iesiri) aparatul poate functiona pana la 1-10 MHz.

2.3.2 Aparate magnetoelectrice cu termocuplu

Sunt alcatuite dintr-un termocuplu al carui fir incalzitor este parcurs de curentul de masurat (I_x) si dintr-un milivoltmetru magnetoelectric care masoara tensiunea produsa de termocuplu. Au calitatea pretioasa ca nu sunt influentate de forma curbei lui I_x si de aceea sunt utilizate ca aparate de transfer c.a. - c.c. de inalta frecventa, insa au durata de viata relativ scurta (sub 1000 ore) si nu suporta suprasarcini (termocuplul). Se intalnesc sub forma de miliampermetre, ampermetre si voltmetre de RF, insa domeniul lor de folosire se restrange treptat in special din cauza fragilitatii termocuplului.

2.3.2.1. Termocuplul

Din punct de vedere fizic un termocuplu este alcatuit dintr-un fir incalzitor si un senzor de temperatura.

Senzorul de temperatura. Este format din sudura (contactul) a doua sarme (a, b) din metale diferite (fig. 2.32, a). Cand o asemenea sudura este incalzita la temperatura T, la capetele aflate la temperatura ambianta (T₀) - 'capete reci', apare o t.e.m:

E = A(T-T₀ ).

Valoarea constantei A pentru cateva perechi de metale mai des intalnite in electronica, in mV/⁰C este: Cu/constantan - 42, Cu/copel - 60, Fe/constantan - 55, Cu/manganina - 1,5, Cu/Al - 5,4 si Cu/Ag - 0,2.

Primele trei cupluri de metal sunt potrivite pentru alcatuirea senzorului de temperatura din termocuple. Ultimele au fost citate pentru a da o idee in privinta erorilor de temperatura ce pot aparea la contactul dintre doua conductoare de conexiuni; se observa ca perechea Cu/Al trebuie evitata si ca pentru aparate de inalta precizie trebuie preferata conexiunea Cu/Ag. Ecuatia de functionare (2.62) este utila in termometria industriala.

Firul incalzitor (1) (fig. 2.32, b) se face dintr-un metal cu CTr cat mai mic si t.e.m. in raport cu cuprul cat mai redusa, ambele cerinte fiind indeplinite de catre platina si nichel. Sectiunea acestui fir se alege astfel incat sa asigure o densitate de curent de 30 - 40 A/mm² (adica de 10 - 20 de ori mai mare decat la conductorii obisnuiti). Temperatura maxima de lucru este 180 - 200 C. Curentul de masurat (I_x) este adus la firul incalzitor prin doua sarme de cupru (2, 2') care servesc si ca suport mecanic pentru primul.

Legatura mecanica (si termica) dintre firul incalzitor si sudura calda (3 - 4) este asigurata de catre o bobita de sticla (5) cu diametrul

in jur de 0,1 mm. O asemenea izolatie suporta o tensiune de maximum 80 - 100 V; intreg ansamblul este plasat intr-un tub cu vid (10^-5 mmHg).

Ecuatia de functionare

Cum temperatura sudurii calde (T) este proportionala cu puterea disipata de filament: R_fI_x² si cum T₀ este o constanta, rezulta ca (2.62) poate fi transmisa in forma:

E = k I_x²,

in care k este o constanta. Aceasta ecuatie de functionare arata ca, in c.a. termocuplul raspunde la valoarea efectiva a lui I_x si deci poate fi utilizat ca dispozitiv de transfer c.a./c.c. (adica poate fi calibrat in c.c., unde precizia de calibrare este mai mare decat in c.a. si apoi utilizat in c.a.) precum si la masurarea curentilor nesinusoidali.

Forme constructive. Exista doua variante, de joasa si de inalta frecventa.

Termocuplul de joasa frecventa (fig. 2.33, a) functioneaza in limitele clasei de precizie numai pana la 1 - 5 MHz din cauza capacitatii parazite dintre terminalele de Cu (2-2') si a inductivitatii acestora. Termocuplul de inalta frecventa (fig. 2.33, b), la care terminalele 2-2' lipsesc, poate merge pana la 200 MHz cu erori sub

Precizie. Termocuplurile obisnuite (fig.2.33, a) dau erori sub 1% la frecvente pana la 1-5 MHz, iar cele de inalta frecventa (fig. 2.33, b) - sub 2% pana la 200MHz (0,5% sub 100 MHz). Exista si termocuple in clasa 0,5 sau chiar in clasa 0,2, iar in montaje de opozitie (potentiometre) se poate ajunge pana la clasa 0,01.

Principalele neajunsuri ale termocuplelor: nu suporta supracurenti (max 30-50% I_n) si au o durata de viata scurta (cateva sute de ore).

2.3.2.2. Milivoltmetrul magnetoelectric (mV)

Constructie. Acest tip de milivoltmetru are o constructie particulara: sensibilitate foarte mare (U_n=6-10mV) si rezistenta interioara mica (50 - 100 W pentru a se putea adapta la termocuplul respectiv. Asemenea calitati se obtin pe seama cresterii inductiei in intrefier (pana la 0,3 - 0,5 T) cu ajutorul unui magnet permanent puternic. De aceea milivoltmetrele pentru termocuple sunt mai voluminoase si mai scumpe decat celelalte milivoltmetre magnetoelectrice.

Exemplu de milivoltmetru pentru TC, milivoltmetrul indicator Ml - 192 (I.A.E.M. -Timisoara) cu parametrii: U_n=8 mV, r=100 W, cl. 1.

Adaptarea la circuitul de masura. Pentru transferul maxim de putere de la sursa (termocuplu) la receptor (milivoltmetru) este necesar ca rezistenta acestuia din urma sa fie egala cu R_c. Insa calculele arata ca adaptabilitatea se mentine satisfacatoare intr-un interval relativ larg: r/R = 0.5 - 3.

2.3.2.3. Ampermetre si voltmetre cu TC

Ampermetrele cu TC (fig. 4.44) se construiesc pentru curenti nominali: 10 - 1000 mA. Prin transformatoare de curenti limitele de masura ale acestora pot li extinse pana la 100 -300A.

Precizie. Tinand seama de eroarea de baza a termocuplului (0.2 - 1%) si cea a milivoltmetrului (0,5 - 1,5%) rezulta ca precizia unui ampermetru cu termocuplu nu este mai buna ca 1 - 2,5 %, insa o asemenea precizie este satisfacatoare pentru majoritatea masurarilor din RF.

Erori specifice. In afara de erorile mentionate, aici mai pot aparea si altele, specifice, printre care mai importante sunt: eroarea de capete reci si eroarea datorita cuplajelor capacitive parazite.

Eroarea de capete reci. Se datoreaza formarii unor termocuple parazite la punctele de contact dintre sarmele cuplului (3, 4) si cele ale conductoarelor de cupru (6, 6') care duc la milivoltmetru (fig. 2.34). Aceste termocuple parazite functioneaza pe baza diferentei de temperatura ce apare intre capetele reci (a, b) si mecanismul de masura al milivoltmetrului. Pentru eliminarea acestei erori, termocuplul se introduce in carcasa instrumentului, sarmele 6 si 6' se suprima, iar legatura cu mecanismul milivoltmetrului se face direct cu sarmele 3 si 4 ale termocuplului. (In termometria industriala, unde sarmele 6, 6' nu pot fi evitate, eroarea de capete reci (o problema dificila), se compenseaza prin conectarea in opozitie a unor termocuple identice cu cele parazite).

Eroarea datorita cuplajelor parazite. Pentru a fi protejat de campurile electromagnetice perturbatoare, miliampermetrele cu termocuplu se ecraneaza, insa intre ecran si firul de intoarcere al circuitului de masura apare un cuplaj capacitiv parazit C_p (fig. 2.35), Daca ecranul este conectat Ia borna de intrare (a), curentul parazit (I_c) care se inchide prin Cp nu patrunde in filamentul termocuplului si, deci, nu cauzeaza erori.

Daca insa ecranul se leaga la iesire (borna b) atunci curentul total prin filament va fi I_x+I_c si, deci, in indicatie va aparea o eroare care este cu atat mai importanta cu cat frecventa curentului I_x este mai mare.

Voltmetrele cu termocuplu se realizeaza prin inserierea unui miliampermetru cu TC (I_n=l - 3 mA) cu o rezistenta aditionala (R_a) (fig. 2.36). Parametri tipici: precizia 1,5 - impedanta de intrare 200 - 1000 W/V. Se utilizeaza la masurarea tensiunilor in regim nesinusoidal.

Aparate de masura cu efect Hall

Aceste AM, masoara fara a face contact galvanic cu obiectul de masurat, permitand protejarea operatorului impotriva electrocutarii, dar si efectuarea de masurari in timpul functionarii instalatiilor.

2.3.3.1. Senzorul Hall

Se stie ca efectul Hall consta in aparitia tensiunii(U_H) intr-o placuta semiconductoare parcursa de un curent de comanda(I_c) si plasata intr-un punct cu inductia(B), perpendiculara pe planul placutei (fig.2.37). Valoarea acestei t.e.m., numita si tensiune Hall, este data de relatia:

U_H=S_H I_c B; S_H= (2.64)

in care h este grosimea placutei, R_H- constanta Hall, iar S_H- sensibilitatea senzorului Hall.

2.3.3.2.Teslametru cu sonda Hall

O aplicatie directa a senzorului Hall o constituie masurarea inductiei in campuri magnetice statice. In figura 2.38 se arata schema unui teslametru pasiv (fara amplificator) in varianta Metra unde mV este un milivoltmetru magnetoelectric de laborator, iar S_H senzorul Hall. Acesta din urma este plasat in varful unei sonde in forma de surubelnita (fig.2.38, b), permitand introducerea senzorului in intrefierul unde trebuie masurat B_x. Potentiometrul P serveste la reglarea curentului de comanda(I_c), iar rezistenta R la controlul acestuia.

Modul de lucru Mai intai se pune comutatorul K in pozitia 1("etalonare") si se regleaza P pana cand I_c atinge valoarea prescrisa, care este marcata pe scara cu un punct colorat, apoi se da K in pozitia 2 si se citeste B_x.

Performante Limite de masura: 0,2/0,5/2T; precizie clasa 2,5.

2.3.3.3.Ampermetre cu efect Hall

Ampermetrele cu efect Hall s-au impus in special la masurarea curentilor continui foarte mari.

Schema de principiu a unui asemenea ampermetru este data in figura 2.39. Curentul de masurat (I_x) alimenteaza o bobina care produce un camp de inductie(B), proportionala cu I_x si, cum curentul de comanda(I_c) este constant, rezulta ca deviatia la milivoltmetru de iesire va fi proportionala cu I_x.

La curenti mari kA se foloseste un singur conductor(C) care trece prin fereastra unui circuit magnetic dublu U (fig.2.40), in ale carui intrefieruri sunt plasate sondele Hall S₁ si S₂ conectate in serie. Asemenea ampermetre pot masura curenti continui pana la zeci de kA cu precizii bune ca 1-2% oferind, in acelasi timp posibilitatea izolarii electrice a aparatului de masura(mV) fata de conductorul(C) prin care circula curentul de masurat.

2.3.3.4. Wattmetre cu efect Hall

Schema este prezentata in figura 2.41, unde R_a este o rezistenta aditionala, necesara limitarii curentului de comanda (I_c) la valoarea nominala, RC- un filtru trece-jos, iar:

; ,

tensiunea si respectiv curentul la bornele sarcinii Z. Cum curentul de comanda este proportional cu tensiunea(i_c=k₁u) iar inductia(B) cu I (b=k₂i), conform cu (2.64) rezulta ca tensiunea Hall instantanee:

k=k₁k₂S_H, (2.65)

are o componenta continua proportionala cu puterea activa la bornele lui Z si o componenta alternativa de frecventa dubla.

Eliminand pe acesta din urma cu filtru trece-jos (RC) ramane componenta continua, care produce o deviatie:

(2.66)

unde S_W=kS reprezinta sensibilitatea wattmetrului, in care S este sensibilitatea milivoltmetrului de iesire mV.

Schema din figura 2.41, poate functiona si fara filtru trece-jos RC, eliminarea componente alternative din U_H facandu-se prin integrare inertiala intocmai ca la wattmetrul electrodinamic.

La frecvente joase filtrul RC este necesar deoarece inertia organului mobil al milivoltmetrului(mV) este sensibil mai mica decat cea de la mecanismul de masura electrodinamic. Condensatorul C montat in paralel pe mV face sa creasca inertia acestuia din urma.

Schema din figura 2.41, a, are neajunsul ca aparatul nu este izolat complet fata de reteaua in care se masoara puterea. Schema din figura 2.41, b, la care curentul de comanda este luat prin intermediul unui transformator de tensiune (T), inlatura acest neajuns.

Observatii

1. Defazand curentul I_c cu 90⁰ in urma tensiunii U aparatul va indica puterea reactiva: UI sin.

2. Daca la U_H din (2.65) se blocheaza componenta continua (cu un condensator) si se redreseaza componenta alternativa, aparatul va indica puterea aparenta: UI.

2.3.3.5. Cleste ampermetric cu efect Hall

La masurarea curentilor (I_x) in afara de cerinta:

(2.67)

in care r este rezistenta ampermetrului iar R_c - rezistenta totala a circuitului in care se masoara I_x, apare adesea si cerinta de a masura pe I_x fara intreruperea circuitului. Aceasta operatie se poate face cu ajutorul dispozitivelor de tip cleste ampermetric. O problema importanta ce apare la clestii ampermetrici consta in reducerea sectiunii miezului magnetic.

Opozitia magnetica se realizeaza automat cu ajutorul unui sistem de urmarire

a)      Cleste ampermetric Hall pentru c.c.

Constructie. Placuta Hall (PH, fig.2.42, a) este fixata pe una din falcile clestelui (fig.4.42, b) in asa fel incat sa fie perpendiculara pe fluxul magnetic care o strabate. Falcile se construiesc din tole magnetice subtiri cu bune calitati magnetice si mecanice, ambele falci alcatuind un tor cu sectiunea S.

Curentul de masurat (I_x) produce, in miezul magnetic al falcilor, un flux (R - reluctanta, n₁=1) care, intersectand placuta Hall, da nastere unei t.e.m. - (U_H). Aceasta din urma este aplicata unui amplificator diferential, cu amplificare foarte mare (A=10⁵-10⁶), ce alimenteaza o bobina cu n₂ spire, care da un flux magnetic, de semn contrar lui. Fluxul F creste pana cand devine aproape egal cu F_x, situatie in care sistemul intra in echilibru.

In figura 2.43 este prezentata o schema de principiu a masurarii curentilor electrici, intr-o instalatie industriala cu cleste ampermetric Hall.

Ecuatia de functionare. In prezenta fluxurilor direct (F_x) si fluxului oponent (F ) la iesirea senzorului Hall apare o t.e.m.:

expresie in care S reprezinta sectiunea miezului alcatuit din falcile clestelui. Prin urmare tensiunea de iesire din AD, U₂, devine:

(2.69)

relatie ce poate fi transcrisa in forma:

(2.70)

din care rezulta F_x F = 0 si deci (n₁=1):

. (2.71)

Curentul de compensare (I₂) trecand prin rezistenta R₂ produce o cadere de tensiune U=R₂I₂ care poate fi masurata cu ajutorul unui voltmetru magnetoelectric. In cazul primei solutii rezulta relatia :

(2.72)

ce reprezinta ecuatia de functionare a clestelui ampermetric analizat.

Relatia (2.70) scoate in evidenta avantajul esential al metodei opozitiei magnetice: miezul lucreaza la un flux rezultant () foarte mic (), ceea ce permite ca sectiunea acestuia sa fie foarte mica, precum si o buna comportare in c.a.

Performante. Limite de masura: 10mA-10A, precizie 1.5-3% .

b) Cleste ampermetric Hall pentru c.c. si c.a.

Clestele din figura 2.42 poate functiona si in c.a. daca tensiunea de iesire U₂ = R₂I₂ este masurata cu un voltmetru cu redresor de precizie, montat ca in figura 2.44. Comutatorul K fiind in pozitia a("c.c."), clestele functioneaza dupa ecuatia:

(2.73)

similara cu (2.72).

Functionare in c.a. Mutand pe K in b ("c.a.") ecuatia de functionare devine:

(2.74)

2.3.3.6. Circuite integrate cu senzor Hall

Dimensiunile foarte reduse ale senzorului Hall au permis integrarea acestuia pe monocip, solutie ce a condus la unele circuite integrate "magnetice" simple, robuste si cu larga aplicabilitate in masurari, automatica si robotica. Schema bloc a unui astfel de C.I., numit si comutator senzorial precum si forma capsulei sunt prezentate in figura 2.45, a, respectiv fig. 2.45, b. Caracteristica de transfer a acestui CI este de tip blocat-saturat, deci usor adaptabila la schema de masura prin impulsuri(TTL), cum sunt traductoarele de turatie (figura 2.45, c) si cele de vibratii.

2.3.4. AM cu efect Gauss

a)Senzorul Gauss

Se stie ca efectul Gauss, denumit si efect magnetorezistiv, se manifesta prin cresterea rezistentei unei placute de stibiura de indiu la introducerea acesteia intr-un camp magnetic. Caracteristica inductie- rezistenta a unei placute de stibiura de indiu este aratata in figura 2.46. Portiunea neliniara(ab si ab^') este aproximativ patratica:

R=R₀+mB²; m=constant (2.75)

si se utilizeaza la realizarea de wattmetre, iar portiunea liniara se utilizeaza la realizarea de ampermetre. Si intr-un caz si in celalalt, pentru eliminarea efectului rezistentei initiale(R_a, R_b), este necesar un circuit in punte. Senzorul Gauss are aceleasi aplicatii ca senzorul Hall, insa uneori este mai avantajos decat acesta pentru ca are numai doua terminale in loc de patru.

b)Ampermetre cu efect Gauss

Schema de principiu a unui astfel de ampermetru este aratata in figura 2.47, unde MR este magnetorezistenta, iar M- un magnet permanent necesar eliminarii portiunii neliniare(rezistenta initiala creste pana la R_b), situatie in care ecuatia de functionare a senzorului devine:

R=R_b+KB.

Rezistentele din punte trebuie sa indeplineasca conditia: R₂=R₃=R₄ iar milivoltmetrul trebuie sa aiba o rezistenta interioara mare. In aceste conditii tensiunea de iesire din punte este U K·E·B, de unde tinand cont ca inductia este proportionala cu I_x (B = k₁ I_x) si ca ecuatia de functionare a milivoltmetrului este =S·U, se obtine in final ecuatia de functionare a ampermetrului:

; A=k₁KE. (2.76)

c)Wattmetru cu efect Gauss

Acesta functioneaza pe principiul multiplicarii prin elemente de ridicare la patrat dupa relatia cunoscuta:

(a+b)²-(a-b)²=4ab.

Ca elemente de ridicare la patrat se folosesc doua magnetorezistente identice care functioneaza pe portiunea patratica a caracteristicii (figura 2.46).

2.4. Osciloscoape catodice

Osciloscopul catodic (OC), este un aparat de masura de tip voltmetric (cu impedanta interna foarte mare ), care permite vizualizarea pe ecran a formei de unda a unui semnal in functie timp sau de o alta marime oarecare, data. OC sunt aparate foarte importante pentru inginerul electronist. Ele sunt utilizate in masurarea amplitudinilor, frecventelor, defazajelor semnalelor de diferite forme (semnale sinusoidale, impulsuri, etc.), precum si in detectarea altor informatii continute in semnalul respectiv (timp de crestere, modulare, distorsionare, etc.). In vederea inregistrarii unor semnale, mai ales a celor neperiodice, sunt utilizate osciloscoapele cu memorie, iar in analiza detaliata a semnalelor (in special a celor de inalta frecventa), sunt folosite osciloscoape cu esantionare.

2.4.1. Schema de principiu a unui OC

Schema bloc a unui osciloscop cu un singur spot (un singur canal) este prezentata in figura 2.48. Elementele componente sunt:

- Tubul catodic (T) cu placile de deflexie pe verticala (Y) si orizontala (X). Etalonarea se face in volt/cm., respectiv sec/cm.;

- preamplificatoare (PV) si respectiv amplificatoare (AV) pentru semnalele transmise pe placile de deflexie verticale;

- circuitul de intrare (CI), (este un atenuator in trepte);

- borna de intrare a semnalelor (Y). Selectarea semnalului de vizualizat se face cu comutatorul K₁: continuu (DC) sau alternativ (AC);

- bloc de sincronizare (S) dintre semnalul aplicat si baza de timp (BT);

- baza de timp (BT), care genereaza tensiunea in forma de dinti de fierastrau (tensiune de baleiaj), necesara deplasarii spotului pe orizontala

(figura 2.49).

- amplificatorului pe orizontala (AO), care aplica semnalul furnizat de baza de timp, amplificat, pe placile 'X'. Pe portiunea crescatoare a semnalului bazei de timp (t₁ la t₂), se obtine liniaritatea deflexiei orizontale in raport cu timpul. Frecventa BT poate fi reglata brut si fin. In perioada de revenire (t₂ la t₃) a tensiunii de baleiaj, pentru intreruperea spotului se utilizeaza circuitul de blancare CB. Pentru ca BT sa fie declansata intotdeauna la acelasi nivel L (figura 2.49), osciloscopul contine blocul de sincronizare S care genereaza semnale ce asigura sincronismul dintre BT si semnalul studiat;

- PO, preamplificator pe orizontala care amplifica semnalele din exterior;

- X, borna prin care se pot aplica semnale din exterior. Pe ecranul osciloscopului se obtine o functie Y(X), care nu depinde explicit de timp;

decat cel vizualizat, pentru sincronizarea bazei de timp. In acest caz, comutatorul K₃ este trecut in pozitia corespunzatoare (EXT). Baza de timp va fi declansata intotdeauna in punctele l si 2 (figura 2.49), ca si in cazul sincronizarii interioare, indiferent de semnalul aplicat pe borna Y.

Ca si in cazul sincronizarii interioare, poate fi variat nivelul L ('LEVEL') de declansare a BT (figura 2.49). Sincronizarea poate fi efectuata atat in functie de frontul pozitiv, cat si dupa cel negativ al semnalului aplicat.

In cazul osciloscoapelor cu doua spoturi (doua canale), sincronizarea BT se efectueaza automat dupa semnalul aplicat pe una dintre intrari (Y_A sau Y_B). Borna de sincronizare exterioara mareste posibilitatile de utilizare ale osciloscopului.

La osciloscoapele uzuale, borna Y prezinta la intrare o rezistenta de l MW in paralel cu o capacitate de 20 30 pF.

Semnalele se aplica pe intrarile osciloscopului, in general, prin intermediul unui cablu coaxial, pentru a diminua din cantitatea de semnale perturbatoare (zgomote) culese din exterior.

2.4.2. Tubul catodic

Este un tub cu vid care contine urmatoarele elemente:

a) Tunul electronic, producator al fasciculului de electroni (figura 2.50), este format dintr-un catod (K) incalzit de un filament (F) si o grila (G) de forma cilindrica, avand un orificiu ingust in baza, prin care electronii ies sub forma de fascicul. Potentialul grilei fata de catod este negativ. Cu cat potentialul grilei este mai negativ, cu atat cantitatea de electroni emisi de tunul electronic este mai redusa, putand fi chiar complet anulata. Astfel, prin reglarea cantitatii de electroni care parasesc tunul electronic, grila determina luminozitatea imaginii pe ecranul tubului.

b) Anozii de accelerare

Au urmatoarele doua functii:

- maresc energia electronilor care ies din tunul electronic;

- realizeaza convergenta fasciculului de electroni intr-un singur punct pe ecran.

Anozii de accelerare, avand forma unor cilindri coaxiali (figura 2.51), actioneaza ca 'lentile electrostatice', realizand focalizarea fasciculului electronic intr-un spot pe ecran. De regula, se utilizeaza l, 2 sau 3 anozi de accelerare.

a) Sistemele de deflexie, au rolul de a dirija spotul de electroni in orice punct al ecranului. Ele pot fi: - electrostatice, folosite pentru unghiuri de deflexie mici, deci pentru ecrane de dimensiuni reduse; - magnetice, utilizate in cazul unghiurilor de deflexie mari (pana la 110 130), deci pentru ecrane de dimensiuni mari (televizoare). In osciloscoapele catodice se utilizeaza sistemele de deflexie electrostatica, care sunt situate intre anozii de accelerare si ecran.

Principiul deflexiei electrostatice consta in deviatia unui fascicul de electroni in campul electric dintre doua placi metalice paralele. Pentru ca fasciculul (spotul) de electroni sa poata ajunge in orice punct al ecranului, se utilizeaza doua perechi de placi (figura 2.52). Placile de deflexie pe verticala (Y) sunt pozitionate in plan orizontal. Campul electric intre aceste placi este directional vertical, determinand deplasarea spotului de electroni pe verticala. Pozitia placilor de deflexie pe orizontala este in plan vertical. Campul electric intre aceste placi, directionat in plan orizontal, produce deplasarea spotului pe orizontala. Distanta d dintre placile de deflexie se alege astfel incat la o valoare constanta a tensiunii U aplicate placilor, campul electric E si unghiul de deviatie al spotului, sa fie cat mai mari. Distanta minima dintre placi este limitata de dimensiunile spotului electronic.

Consideratiile privind lungimea l a placilor de deflexie sunt urmatoarele:

- deviatia este direct proportionala cu l;

- timpul de trecere (de tranzit) t_p al electronilor in zona de camp dintre placi scade odata cu micsorarea lungimii l.

Timpul de tranzit t_p trebuie sa fie mult mai mic decat perioada minima T_min a semnalului aplicat pe bornele placilor de deflexie (t_p<<T_min=1/f_min). In cazul indeplinirii acestei conditii, valoarea intensitatii campului electric dintre placi E este practic constanta.

Deoarece lungimea l a placilor nu poate fi redusa sub o valoare limita (deoarece aceasta ar conduce la scaderea unghiului de deflexie a), pentru reducerea timpului de tranzit t_p se mareste viteza de trecere a electronilor in spatiul dintre placile de deflexie. Aceasta se realizeaza prin cresterea tensiunilor aplicate pe anozii de accelerare. Frecventa maxima la care functioneaza acest sistem este de zeci de MHz. Pentru frecvente de lucru mai ridicate, placile de deflexie sunt divizate in mai multe zone, conectate intre ele prin intermediul liniilor de intarziere (grupuri LC) cu constante concentrate. Intarzierea introdusa de fiecare celula LC este egala cu timpul de tranzit al electronilor de la o zona la alta. Frecventele maxime de lucru atinse cu acest sistem depasesc l GHz.

b) Ecranul, constituie destinatia finala a spotului de electroni emis de tunul electronic. Este realizat din sticla transparenta. Pe fata interioara a ecranului se depune un strat de material fluorescent, care bombardat de electroni emite fotoni (cuante de lumina). Numarul fotonilor emisi in punctele bombardate de spot pe ecran (adica luminozitatea punctelor de pe ecran, care pot fi percepute vizual din afara de observator) depinde de cantitatea si energia electronilor emisi de tunul electronic. Pe aceasta proprietate se bazeaza reglarea intensitatii luminoase a formelor semnalelor vizualizate (prin modificarea potentialului grilei). Bombardarea ecranului de spotul electronic, conduce, pe langa emisia de fotoni, la emisia de electroni secundari din substanta fluorescenta. Electronii de emisie secundara, cu energie redusa, au tendinta de a se acumula in apropiere de ecranul care i-a emis. Formarea acestui 'nor electronic' ar putea bara drumul spotului de electroni spre ecran. Prevenirea acestui fenomen perturbator se face prin captarea electronilor secundari cu ajutorul unui ecran conductor (grafit depus pe peretii laterali ai tubului catodic in apropierea ecranului) Ecranul conductor este conectat la un potential pozitiv.

In fata ecranului este asezata o placa transparenta, pe care sunt trasate linii echidistan-te verticale si orizontale, pentru a permite masurarea cantitativa a deplasarii spotului pe ecran. Pentru a elimina erorile de paralaxa, placa transparenta cu gradatii trebuie asezata cat mai aproape de ecran. La tuburile catodice utilizate in osciloscoa-pele moderne, gradatiile sunt trasate pe fata interioara a ecranului inainte de depunerea stratului fluorescent.

Pentru prezentarea, in continuare, a functionarii osciloscopului cu un singur canal (spot) se urmareste schema bloc din figura 2.48.

Semnalul de studiat se aplica la intrarea Y a osciloscopului. Pentru vizualizarea unor dependente implicite Y(X), amplificatorul deflexiei orizontale primeste semnalul de la preamplificatorul PO la care se aplica tensiunea de comparatie X.

In general, cu ajutorul osciloscoapelor se vizualizeaza variatia in timp a tensiunii de intrare; in acest scop, pe placile de deflexie pe orizontala se aplica o tensiune liniar - variabila (tensiune de baleiaj). Intrucat fiecarui punct de pe curba u_Y(t), aplicata pe intrarea Y, ii corespunde in timp un punct de pe functia liniara u_X(t), aplicata pe placile X, pe ecran se reproduce forma tensiunii u_Y in coordonatele Y - X (figura 2.53).

Vizualizarea semnalelor aplicate pe intrarea Y reclama o anumita periodicitate a tensiunii liniar - variabile, aplicata pe placile X ale osciloscopului.
Forma tensiunii de baleiaj, utilizata in osciloscoape este cea in dinti de fierastrau (figura 2.49), furnizata de generatorul bazei de timp (BT). O perioada a tensiunii de baleiaj este formata din (figura 2.54):

durata cursei directe t₁ (perioada activa a BT), in care tensiunea liniar - variabila determina deplasarea spotului de la stanga la dreapta ecranului;

durata cursei inverse t₂ (perioada de intoarcere) , in care scaderea rapida a tensiunii u_X(t) determina reintoarcerea spotului in partea stanga a ecranului.

La incheierea timpului t₂, baza de timp (BT) este pregatita pentru un nou ciclu de baleiere a ecranului. Pentru ca deplasarea de la dreapta la stanga a ecranului sa nu fie sesizata de observator, pe durata t₂ spotul este blocat cu ajutorul unui circuit de blancare (figura 2.48 si 2.54). Acest circuit produce o tensiune negativa pe durata t₂, blocand astfel trecerea spotului electronic spre ecran.

Generatorul bazei de timp (BT) poate lucra in doua moduri:

periodic, cand dintii de fierastrau se succed unul dupa altul, fara pauze (figura 2.54);

comandat, cand intre doi dinti de fierastrau succesivi exista o perioada anumita de pauza t_p (figura 2.49). In acest mod de lucru BT este declansata de nivelul L ('LEVEL') al semnalului de vizualizat.

Utilizarea modului de lucru periodic (figura 2.54) prezinta dezavantajul ca, in majoritatea cazurilor, perioada BT nu coincide cu perioada semnalului de vizualizat. Utilizarea bazei de timp periodice ar conduce in aceste cazuri la o instabilitate a imaginii pe ecran; in locul unei singure imagini pe ecran ar apare mai multe imagini care s-ar deplasa in permanenta pe ecran.

Utilizarea modului de lucru comandat (declansat) dupa un nivel, care poate fi de exemplu si momentul trecerii prin zero a semnalului, permite obtinerea unei singure imagini stabile pe ecranul osciloscopului.

2.4.3. Osciloscoape cu doua canale

In osciloscoapele cu doua intrari (Y_A si Y_B), pentru vizualizarea separata pe ecran a doua semnale , exista doua solutii:

utilizarea unui tub catodic cu doua fascicule (spoturi);

. utilizarea unui tub catodic obisnuit si comutatoare electronice care comuta intrarea amplificatorului pe verticala cand pe semnalul aplicat pe intrarea Y_A, cand pe cel de pe intrarea Y_B (figura 2.55).

In functie de viteza de trecere de la un semnal la altul, comutatorul electronic poate functiona in doua moduri:

alternat, atunci cand comutatorul electronic este comandat de insasi BT, astfel ca o baleiere a spotului afiseaza semnalul u_A iar cealalta baleiere, semnalul u_B (figura 2.56, a).

comutat, atunci cand frecventa de comutare este stabilita de un oscilator independent. In acest mod de lucru, spotul este permanent comutat de la un semnal la altul, afisand simultan ambele semnale de la cele doua intrari in decursul fiecarei baleieri a ecranului (figura 2.56, b). Deoarece frecventa oscilatorului independent este, de regula, mult mai mare decat frecventele semnalelor vizualizate, multitudinea de fasii desenate separat de spot pentru afisarea fiecaruia dintre cele doua semnale par a fi unite intre ele. In acest mod de lucru este necesar ca:

sa se genereze impulsuri de blancare la fiecare trecere a spotului de la un semnal la altul;

frecventele celor doua semnale sa fie recurente, deoarece sincronizarea BT se poate efectua numai cu unul dintre cele doua semnale de intrare.

Fig. 2.56. Modurile de lucru ale osciloscopului cu doua intrari :

a. - alternat; b.- comutat

2.4.4. Osciloscoape cu esantionare

Osciloscopul cu esantionare se utilizeaza pentru vizualizarea si analiza semnalelor de frecvente foarte inalte.

Sistemul de esantionare permite luarea succesiva de 'mostre' ('sample' - esantion, mostra) din forma semnalului de la intrare (figura 2.57). Amplitudinile acestor mici portiuni din semnalul de studiat sunt memorate si in final afisate pe ecran, fara a fi amplificate. Pe ecran forma semnalului apare reconstituita din aceste puncte, care sunt esantioane luate din semnalul de la intrare prin masurari succesive. Pentru a putea lua esantioane din intreaga forma a semnalului de la intrare, fiecare impuls de comanda a esantionarii (strob) este intarziat fata de strobul precedent cu un timp t (figura 2.57). Vizualizarea unui semnal cu un osciloscop cu esantionare are astfel avantajul de a permite reconstituirea detaliata a formei semnalului vizualizat pe aproape intreaga extindere a ecranului, ceea ce faciliteaza analiza parametrilor acestui semnal (de exemplu, durata si forma frontului de crestere/descrestere a impulsurilor). Cu cat numarul de puncte pe o diviziune de pe ecran este mai mare, cu atat reconstituirea semnalului de intrare esantionat se efectueaza mai fin. Intre timpul real (durata/perioada semnalului) si distanta pe orizontala intre punctele semnalului reconstituit, exista o legatura stransa data de valoarea intarzierii Δt de la o esantionare la alta (figura 2.57). Astfel, de exemplu, daca Dt = 50 ps, n = 100 puncte/diviziune, timpul echivalent pe o diviziune pentru reconstituirea semnalului vizualizat este: t_e=n Dt= 100 50=5 ns/div. Daca Dt=50 ps, iar perioada de timp real a unui semnal este T=10ns (f=100 MHz), este nevoie de un numar n=T/Dt= =10(ns)/50(ps)=200 puncte pentru esantionarea/reconstituirea acestui semnal. Pentru un numar de 100 puncte/div., semnalul mentionat va
apare pe ecran extins pe 2 diviziuni: 200 (puncte)/100 (puncte /div.) =2 div.

In cazul luarii unui punct ('mostra') din fiecare perioada T a semnalului de la intrarea osciloscopului, durata masurarii (reconstituirii esantionate a semnalului) t_m va fi t_m=T n, unde n este numarul de esantioane ('mostre'). Cu datele din exemplul de mai sus (n=200 puncte, f=100 MHz), rezulta ca un semnal cu perioada T=10 ns va fi esantionat in timpul t_m=200 10(ns)=2 ms. In consecinta, frecventa f a semnalului reconstituit si aplicat pe placile de deflexie Y ale osciloscopului va fi f=l/t_m=l/2(ms)=500KHz. Amplificarea unui semnal avand frecventa mentionata se poate efectua fara nici o dificultate.

In cazul semnalelor avand o frecventa mult mai joasa (de ordinul KHz), reconstituirea esantionata a imaginii ar dura foarte mult. Astfel, reconstituirea unui semnal cu f=l KHz in 200 de puncte ar dura t_m=l(ms) 200=200 ms. In acest caz, toate punctele (esantioanele) sunt luate din aceeasi perioada T pentru a micsora timpul de masurare. Reconstituirea pe ecran a semnalului de joasa frecventa esantionat are loc intr-un mod similar cu cel descris mai sus. Deoarece afisarea semnalelor de joasa frecventa (reconstituite) are loc simultan cu desfasurarea fenomenului (in timp real), notiunea de timp echivalent nu mai are nici o justificare.

Circuitele de esantionare din osciloscoapele cu esantionare pot lucra:

in timp echivalent, cand fiecare esantion este luat dintr-o alta perioada a semnalului studiat;

in timp real, cand toate esantioanele sunt luate din aceeasi perioada a semnalului analizat.

2.4.4.1. Functionarea osciloscopului cu esantionare in timp

echivalent

Schema bloc simplificata a osciloscopului cu esantionare functionand in timp echivalent este prezentata in figura 2.58, semnalul de intrare (figura 2.59) este aplicat la intrarea unei porti de esantionare. Aceasta poarta se deschide pentru un timp extrem de scurt numai atunci cand primeste un impuls de comanda a esantionarii (strob) de la comparator. Acest impuls la iesirea comparatorului apare in momentul coincidentei dintre tensiunea de referinta, furnizata de un generator de scara (semnal treapta), si tensiunea liniar - variabila, data de baza de timp (figura 2.59). Functionarea sincrona a bazei de timp si a generatorului de scara este asigurata de impulsurile de declansare, date de un formator de impulsuri (trigger).

In decursul fiecarei perioade a semnalului de intrare, comparatorul deschide poarta de esantionare pentru un timp foarte scurt in momentul coincidentei celor doua tensiuni aplicate la intrarea comparatorului. La iesirea portii apare de fiecare data un esantion al semnalului de intrare. Durata acestui esantion este aproximativ egala cu durata impulsului de control (strob) furnizat de comparator. De regula, poarta de esantionare se deschide pentru un timp extrem de redus, astfel incat se poate considera ca in cursul fiecarui proces de esantionare nu se produc variatii mari ale semnalului de intrare. Aplicate pe placile Y ale osciloscopului, punctele l, 2, 3, 4,, n, reconstituie pe ecran forma semnalului. Luarea esantioanelor din diferite puncte ale semnalului (figura 2.59) este asigurata de utilizarea tensiunii de referinta in forma de scara, care permite realizarea intarzierii t la fiecare ciclu de esantionare.

2.4.4.2. Functionarea osciloscopului cu esantionare in timp real

In modul de lucru in timp real, esantioanele sunt luate succesiv din aceeasi perioada a semnalului de intrare. Acest mod de lucru este posibil atunci cand baza de timp poate asigura un numar suficient de mare de stroburi (esantioane) in decursul unei perioade a semnalului, in vederea reconstituirii corecte a formei semnalului de vizualizat.

Din schema bloc a osciloscopului cu esantionare in timp real (figura 2.60, a) lipseste generatorul de tensiune liniar variabila; functionarea BT (generatorul de scara) este dictata exclusiv de impulsurile de tact ale unui oscilator local. Impulsurile furnizate de acest oscilator constituie, pe de o parte, stroburi care comanda puntea de esantionare, iar pe de alta parte, dicteaza frecventa salturilor de tensiune la iesirea generatorului de scara, conectata la placile de deflexie X ale osciloscopului. Pentru a se obtine viteze diferite de deplasare ale spotului pe orizontala, oscilatorul pilot este cuplat la un divizor de frecventa. Frecventa impulsurilor de tact de la iesirea ansamblului oscilator - divizor se selecteaza in functie de perioada semnalelor vizualizate, densitatea de puncte pe diviziune si timpul pe diviziune. Astfel, de exemplu, pentru a asigura un numar de 100 puncte/diviziune pentru un timp/diviziune de l ms/div., frecventa impulsurilor la iesirea divizorului trebuie sa fie: f=100

(puncte/div.)/1(ms/div.)=100 KHz.

Daca parametrul timp/div. se modifica la l0ms/div., ceea ce implica o deplasare mai lenta a bazei de timp, frecventa impulsurilor la iesirea ansamblului oscilator - divizor trebuie sa fie: f =100 (puncte/div.)/10 (ms/div.)=10 KHz, adica divizata cu 10 fata de cazul precedent. Circuitul de blocare al triggerului blocheaza functionarea acestuia din urma pana in momentul cand semnalul de la iesirea generatorului de scara atinge nivelul sau final.

2.4.5. Osciloscoape cu memorie

Osciloscoapele cu memorie permit retinerea informatiei de masurare cu variatie periodica sau aperiodica avand frecventa de variatie in limite largi. Memorarea asigura studierea variatiilor temporale dupa desfasurarea fenomenelor, compararea mai multor semnale care apar in momente diferite, afisarea unor semnale cu frecventa de repetitie redusa s.a.

Osciloscoapele cu memorie se realizeaza in doua variante fundamental diferite: cu memorie analogica si cu memorie numerica.

Costul tuburilor cu memoria imaginii (memorie analogica) este extrem de ridicat. Tendinta actuala dominanta in domeniul osciloscoapelor cu memorie consta in eliminarea acestui tub costisitor si utilizarea unui tub catodic clasic cuplat la un sistem numeric de memorare a imaginii.

La osciloscopul numeric (figura 2.61) semnalul de vizualizat este mai intai esantionat in timp real dupa care este convertit in semnal numeric (cu ajutorul convertorului analog/numeric A/N) si stocat intr-o memorie numerica, de unde poate fi extras si reconstituit in analogic (cu ajutorul convertorului numeric/analogic N/A) si afisat pe ecran, pe o durata usor controlabila, iar imaginea stocata poate fi readusa pe ecran ori de cate ori este necesar. In plus, ca si la osciloscoapele cu esantionare, redarea tensiunii de intrare se poate face la viteze foarte mici, compatibile cu ochiul uman.

La primele osciloscoape numerice, secventierea comenzilor era realizata de o baza de timp (logica cablata) pilotata de un oscilator cu cuart, dupa care s-a trecut la comanda cu microprocesor.