of 51 /51
Colegiul Tehnic INFOEL Bistriţa PROIECT DE SPECIALITATE pentru examenul de certificare a competenţelor profesionale pentru obţinerea certificatului de calificare profesională nivel 3 Calificare profesională: Tehnician în automatizări Coordonator proiect: Absolvent: ing. Muţ Mariana

Aparate de Masurat Marimi Electrice

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Aparate de Masurat Marimi Electrice..

Text of Aparate de Masurat Marimi Electrice

Colegiul Tehnic INFOEL Bistria

PROIECT DE SPECIALITATEpentru examenul de certificare a competenelor profesionale pentru obinerea certificatului de calificare profesional nivel 3

Calificare profesional: Tehnician n automatizri

Coordonator proiect: ing. Mu Mariana

Absolvent:

2012

TEMA PROIECTULUI

APARATE DE MASURAT MARIMI ELECTRICE

2

CUPRINS

3

Pagina ARGUMENT 1. CONCEPTUL DE MSURARE 1.1. Msurarea 1.2. Mrimi msurabile 2. MIJLOACE ELECTRICE DE MSURARE 2.1. Definirea mijloacelor electrice de msurare 2.2. Scheme funcionale ale mijloacelor electrice de msurare 2.3. Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de msurare. 3. INSTRUMENTE ELECTRICE DE MSURAT ANALOGICE 3.1. Elemente componente ale instrumentelor electrice de msurat 3.2. Ecuaia de micare a unui instrument analogic 3.3. Aparate magnetoelectrice 3.3.1. Instrumentul magnetoelectric 3.3.2. Tipuri de aparate magnetoelectrice 3.3.3. Aparate magnetoelectrice cu redresor. 3.4. Aparate feromagnetice. 3.4.1. Instrumentul feromagnetic. 3.4.2. Ampermetre feromagnetice. 3.4.3. Voltmetre feromagnetice 3.5. Aparate electrodinamice 3.5.1. Instrumentul electrodinamic 3.5.2. Ampermetre electrodinamice 3.5.3. Voltmetre electrodinamice 3.6. Aparate ferodinamice 5 6 6 6 7 7 8 9 11 11 13 14 14 17 19 21 21 24 24 25 25 28 29 29

4

3.6.1. Instrumentul ferodinamic 3.7. Instrumente de inducie 3.7.1. Construcie i funcionare 4. ESTIMAREA ERORILOR DE MSURARE N MSURRILE ELECTRICE DIRECTE 4.1. Definirea erorii de msurare. Surse de erori 4.2. Estimarea erorilor la msurarea cu aparate analogice5. NORME DE TEHNICA SECURITAII MUNCII I PSI

29 31 31 33 33 33 35 37 38 39 40 41

6. BIBLIOGRAFIE 7. ANEXE Anexa 1 - Principiile de funcionare i caracteristicile dispozitivelor de msurat analogice Anexa 2 - Marcarea aparatelor de msurat analogic Anexa 3 - Elementele constructive ale aparatelor analogice

5

ARGUMENTMetrologia este definit ca domeniul de cunotine referitoare la msurri, cuprinznd toate aspectele, att teoretice ct i practice, ale msurrilor, oricare ar fi nivelul lor de precizie, mrimea msurat, modalitatea i scopul efecturii, domeniul tiinei sau tehnicii n care intervin. Obiectul metrologiei include mrimi i uniti de msur, etaloane, metode i mijloace de msurare, erori i incertitudini de msurare, influena condiiilor de msurare, caracteristici ale mijloacelor de msurare, relaia om-aparat, etalonri, norme i prescripii privind asigurarea metrologic. Activitatea de metrologie este guvernat de reglementri i legi care prevd: mijloacele de msurare legale, sistemul naional de etalonare, fabricarea i importul mijloacelor de msurare, transmiterea unitilor de msur, autorizarea laboratoarelor i a personalului din metrologie. La ora actual, noiunile de metrologie au devenit indispensabile unui numr tot mai mare de persoane care i desfoar activitatea n cele mai variate domenii; majoritatea domeniilor de activitate necesit determinri pe baz de msurri efectuate cu ajutorul mijloacelor de msurare; Calitatea produselor i serviciilor se poate asigura numai prin msurri corecte, efectuate cu precizie optim i n condiii de legalitate, ceea ce presupune: - justa folosire a mijloacelor de msurare i supravegherea lor permanent; - transmiterea corect a unitilor de msur, de la mijloacele-etalon la cele de lucru; Activitatea uman din orice domeniu de activitate presupune msurarea a numeroase mrimi fizice. n domeniul energetic i electrotehnic automatizarea i controlul proceselor, verificarea calitii produselor, ntreinerea mainilor i aparatelor electrice, presupun msurarea a numeroase mrimi electrice, magnetice i neelectrice msurare care se face pe cale electric. Pentru percepie cu organele sale de sim (vz, auz) a mrimilor ce caracterizeaz fenomenele electrice, omul a imaginat i construit instrumente de msurat mai simple sau mai sofisticate bazate pe diverse principii de funcionare n funcie de fenomenele fizice utilizate i de mrimea msurat. Instrumentele de msurat analogice convertesc mrimea electric x ntr-o deplasare liniar sau mai ales unghiular a unui index pe o scar gradat, astfel ca operatorul s poat aprecia amplitudinea mrimii electrice msurate n uniti adecvate. Ele au n component un dispozitiv mobil asupra creia mrimea electric exercit un cuplu de fore dependent de amplitudinea acesteia. Pentru a stabili o coresponden ntre mrimea electric x i unghiul de deviaie , instrumentele au i un dispozitiv care genereaz un cuplu rezistent de natur mecanic sau electric. Astfel cele dou cupluri se echilibreaz la o anumit valoare a unghiului dependent de mrimea electric de msurat x. Cuplul de fore dat de mrimea de msurat numit cuplu activ, este produs n diferite moduri n funcie de fenomenul fizic utilizat. Lucrarea prezint cteva aspecte privind construcia i funcionarea principalelor tipuri de instrumente analogice de msurat: magnetoelectrice, feromagnetice, electrodinamice, ferodinamice i de inducie.

6

1. CONCEPTUL DE MSURARE1. 1. MSURAREA Msurarea poate fi definit ca un proces (succesiune de operaii) prin care se obin informaii cantitative despre o mrime fizic Acest proces de msurare poate fi definit pe baza mai multor modele dintre care se descriu dou mai importante. a) Modelul matematic al msurrii. Conform acestui model procesul de msurare este un proces fizic experimental de comparaie a mrimii de msurat cu o alt mrime de aceeai natur cu ea, considerat unitate de msur, rezultatul comparaiei fiind un numr real: unde: X - mrimea de msurat; n - valoarea numeric a mrimii de msurat, care arat numrul de uniti de msur Um cuprinse n mrimea de msurat. Msurarea este descris de funcia: f : X Y Msurarea este deci atribuirea de numere mrimilor astfel nct s poat fi descrise relaiile cantitative dintre ele. Aceste numere se numesc valori ale mrimii msurate. Mijlocul tehnic necesar efecturii acestei atribuiri l constituie mijlocul de msurare. 1.2. MRIMI MSURABILE 1.2.1. Mrimile i caracterizarea lor Mrimea reprezint o proprietate comun a unei clase de obiecte, fenomene, procese, care poate fi deosebit calitativ i determinat calitativ. Considernd (fig. 1.1) c M este mulimea mrimilor existente n natur putem evidenia submulimea M1 corespunztoare mrimilor definibile (observabile) mrimi pentru care se poate obine o informaie care s permit discriminarea lor calitativ. Submulimea M1 include submulimea M2 corespunztoare mrimilor msurabile - mrimi definibile pentru care este posibil atribuirea unui numr fiecrui element (aprecierea cantitativ) i pentru care s-a elaborat metoda de msurare i mijlocul de msurare prin care este posibil aceast atribuire.

X = n Um

Fig.1.1. Mrimi definibile i msurabile. Deci, condiiile ca o mrime s fie msurabile sunt: posibilitatea de a fi definit (observabilitatea), posibilitatea construirii unei scale de msurare (totalitatea numerelor reale ce pot fi atribuite) adic definirea unor uniti de msur, posibilitatea conceperii mijlocului de msurare pe baza unei metode de msurare.

7

2. MIJLOACE ELECTRICE DE MSURARE2.1. DEFINIREA MIJLOACELOR ELECTRICE DE MSURARE Mijloacele electrice de msurare (MEM) reprezint ansamblul mijloacelor tehnice care materializeaz i conserv unitile de msur i furnizeaz informaii de msurare. Componentele principale sunt: msura - mijlocul de msurare ce materializeaz una sau mai multe valori ale unei mrimi fizice, de exemplu rezistoare electrice, condensatoare electrice, etc. instrumentul de msurare - cea mai simpl asociere de dispozitive i elemente care poate furniza informaii de msurare, mrimea msurat fiind raportat la o scar de repere, de exemplu: ubler, balan, instrumentul magnetoelectric, instrumentul electrodinamic, etc. aparatul de msurare - mijlocul de msurare constituit pe baza unei scheme ce conine mai multe convertoare electrice de msurare, de exemplu: ampermetru, voltmetru, etc. Reprezentarea general a unui aparat de msurare este prezentat n Fig.2.1.

Fig. 2.1.

Aparatul de msurare - reprezentarea general

Se disting: aparate de msurare analogice, aparate de msurare numerice (digitale), puni i compensatoare Aparatele de msurare analogice (cu spot sau ac indicator) sunt aparate la care legea de coresponden ntre mrimea de msurat X, aplicat la intrare i rezultatul msurrii Y, obinut la ieire, este o funcie continu (fig. 2.2).

Fig. 2.2. Dependena Y = f(X) la un aparat analogic. Aparatele de msurare digitale sunt aparate la care rezultatul msurrii este prezentat direct sub form numeric, ca urmare a eantionrii, cuantificrii i codificrii.8

Fig. 2.3. Dependena Y=f(X) la un aparat digital. instalaia de msurare - ansamblul de aparate de msurare, mrimi i dispozitive anex, reunite printr-o schem sau metod comun i care servesc pentru msurarea unuia sau mai multor mrimi, de exemplu: compensatorul de curent continuu, nregistratorul electronic, puntea tensometric etc. Sistemul de msurare este definit ca ansamblul de senzori i traductoare, reele informatice sau de transmisie a semnalelor, sisteme de achiziii de date, aparate de msurare conectate la o magistral de comunicaii etc., acest ansamblu fiind condus de un calculator (microcontroler, microprocesor, PC etc.) pe baza unui program elaborat de utilizator pentru efectuarea automat a msurrilor n vederea gestionrii i controlului unui proces industrial. Deoarece n ultimii ani se tinde spre utilizarea unor uniti independente de msurare i acionare, dotate cu inteligen proprie, conectate la magistrale informatice ce le subordoneaz unui sistem informatic central, ierarhizat, a aprut i noiunea de sistem distribuit de msurare (cu inteligen distribuit).

2.2. SCHEME FUNCIONALE ALE MIJLOACELOR ELECTRICE DE MSURARE Mijlocul electric de msurare stabilete o dependen ntre mrimea de msurat i o alta ce poate fi perceput n mod nemijlocit de organele de sim umane, astfel nct permite determinarea valorii mrimii respective pe baza unei scri de msurare. Mijlocul electric de msurare constituie un lan de msurare i de aceea poate fi reprezentat printr-o schem funcional ale crei elemente le vom numi, n general, convertoare de msurare i care pot fi de trei tipuri: convertoare de intrare, convertoare de prelucrare, convertoare de ieire. Convertoarele de intrare (senzori I traductoare) transform mrimea de msurat ntr-un semnal electric: curent, tensiune, numr de impulsuri, etc. Convertoarele de prelucrare (amplificatoare, circuite de mediere, circuite de comparare, etc.) transform semnalul electric astfel nct s poat aciona convertorul de ieire. Convertoarele de ieire permit citirea sau nregistrarea valorii msurate.

9

Schema funcional a unui aparat analogic pentru msurarea unei mrimi active este prezent n fig. 2.4.a).

a)

b) Fig. 2.4. Schema funcional a unui aparat analogic. a) pentru mrimi active, b) pentru mrimi pasive

n cazul mrimilor pasive acestea nu pot furniza energia formrii semnalului metrologic i se face apel la o mrime exterioar fenomenului - mrime de activare ce poate furniza energia necesar msurrii i care este modulat de ctre mrimea de msurat (fig. 2.4. b)

2.3. CARACTERISTICILE METROLOGICE ELECTRICE DE MSURARE.

ALE

MIJLOACELOR

Sunt caracteristici referitoare la comportarea aparatelor de msurare n raport cu mrimea msurat, cu mediul ambiant i cu beneficiarul msurrii. Principalele caracteristici metrologice ale unui mijloc de msurare sunt: a) Intervalul de msurare - reprezint intervalul de valori ale mrimii de msurat pe ntinderea cruia un mijloc de msurare poate furniza informaii de msurare cu erori limit prestabilite. Intervalul de msurare este cuprins ntre o limit inferioar X min i o limit superioar Xmax. Pentru mrirea exactitii de msurare mijloacele electrice de msurare se realizeaz cu intervalul de msurare mprit n mai multe game. b) Sensibilitatea absolut este raportul dintre variaia mrimii de ieire i variaia corespunztoare a mrimii de intrare:S=

Se mai utilizeaz i noiunea de sensibilitate relativ care se definete cu expresia:

dy dx

dy y Sr = dx x

10

Se mai utilizeaz, cu precdere la aparatele analogice noiunea de prag de sensibilitate definit ca cea mai mic valoare a mrimii de intrare care determin o variaie distinct sesizabil a mrimii de ieire (de exemplu 1/2 sau 1/3 dintr-o diviziune). c) Rezoluia este cea mai mic variaie a mrimii de msurat care poate fi apreciat pe dispozitivul de afiare al aparatului. Termenul de rezoluie este utilizat, cu precdere, pentru mijloacele de msurare la care mrimea de ieire are o variaie discontinu. De exemplu, la aparatele digitale, rezoluia este egal cu o unitate a ultimului rang zecimal (un digit). d) Puterea consumat este puterea absorbit de aparat de la fenomenul supus msurrii n cazul mrimilor active sau de la mrimea de activare, n cazul mrimilor pasive. Aparatele analogice, n funcie de tipul lor, pot consuma o putere pn la civa wai, n timp ce aparatele electronice au consumuri mult mai mici. e) Capacitatea de suprancrcare reprezint proprietatea aparatului de a suporta, fr deteriorri, mrimi de msurat care depesc limitele intervalului de msurare. De exemplu, un ampermetru cu clasa de exactitate c = 1 trebuie s suporte timp de 2 ore o mrime X=1,20 Xmax i timp de 0,5 secunde o mrime X=10 Xmax, fr a-i fi afectate calitile. f) Exactitatea instrumental reprezint caracteristica aparatului de a da rezultate ct mai apropiate de valoarea adevrat a mrimii de msurat. n acest domeniu se mai utilizeaz i noiunile de: justee - calitatea ce exprim gradul de concordan dintre valoarea medie obinut dintr-un numr mare de msurri repetate i valoarea de msurat. fidelitate este calitatea ce se refer la concordana dintre mai multe rezultate ale msurrii aceleiai mrimi obinute n condiii prescrise exactitate exprim gradul de concordan dintre rezultatul unei msurri i o valoare furnizat de un aparat etalon acceptat ca adevrat. Rezultatul msurrii n acest caz se exprim cu ajutorul incertitudinii de msurare X = Xms X g) Fiabilitatea metrologic reprezint probabilitatea ca aparatul de msurare s funcioneze corect un timp dat, fiind utilizat n mod corespunztor scopului pentru care a fost realizat. Calitatea unui aparat de msurare este caracterizat nu numai prin faptul c el corespunde normelor de performane, ci i prin aptitudinea lui de a-i conserva aceste performane n timp.

11

3. INSTRUMENTE ELECTRICE DE MSURAT ANALOGICE

3.1. ELEMENTE COMPONENTE ALE INSTRUMENTELOR ELECTRICE DE MSURAT. Un instrument electric de msurat este un mecanism electromecanic compus din elemente componente specifice care genereaz cuplul activ asupra prii mobile i elemente cu funcii auxiliare, comune mai multor tipuri de instrumente. Deoarece elementele componente care genereaz cuplul activ vor fi descrise la fiecare tip de instrument n parte, vor fi prezentate mai nti elementele componente comune din care fac parte mecanismul de suspensie, mecanismul de producere a cuplului antagonist, mecanismul de amortizare de citire a mrimii msurate. a) Mecanismul de suspensie Rolul su la un instrument electric de msurat este acela de a asigura micarea cu frecri minime a prii mobile a instrumentului. Se cunosc dou tipuri de astfel de mecanisme: cu pivoi de oel i lagre de pietre semipreioase (safire, rubine sintetice) i cu benzi sau fire tensionate.

Fig. 3.1. Sisteme de suspensie. a) cu pivot i crapidin, b) cu band tensionat

n cazul suspensiei cu pivoi de oel dur i lagre din materiale semipreioase dure: safir sau rubin sintetice, suprafeele de sprijin sunt foarte bine lefuite pentru micorarea frecrilor iar jocurile ntre pivot i lagr foarte bine dimensionate, pentru a permite dilatarea. Pentru amortizarea ocurilor mecanice, unul din lagre este prevzut cu resort axial. n cazul suspensiei pe benzi sau fire tensionate utilizat n cazul instrumentelor foarte sensibile, frecarea este neglijabil. Pentru a micora amplitudinile vibraiilor este prevzut un ghidaj mecanic n jurul firului de suspensie. Aceste fire sau benzi se fac din bronz fosforos, sau bronz cu beriliu, materiale cu mare elasticitate i bun conductivitate electric deoarece acestea au rolul i de ci de curent pentru alimentarea bobinei mobile la unele instrumente. Benzile sunt tensionate de lame elastice care au rol i de amortizare a ocurilor.

12

Aceste suspensii cu benzi sau fire tensionate au avantajul eliminrii frecrilor, scderii consumului instrumentului, creterea sensibilitii dar prezint dezavantajul unei mai mari fragiliti la ocuri sau vibraii. b) Mecanismul de producere a cuplului antagonist. La instrumentele cu benzi sau fire tensionate, acestea au i rolul de a produce cuplul antagonist. La cele cu pivoi i lagre, cuplul ce se opune rotaiei l produc resoartele spirale plasate de o parte sau de ambele pri ale organului mobil. Ele sunt realizate din materiale similare ca i benzile tensionate, sunt montate n sens opus pentru o poziionare mai precis la zero a organului mobil, iar unul din ele are captul solidar cu corectorul de zero din care poate fi tensionat mai mult sau mai puin pentru poziionarea la reperul zero a indexului instrumentului. c) Mecanismul de amortizare a oscilaiilor. Datorit ineriei, dispozitivul mobil are tendina de a oscila fie la stabilirea unei deviaii, fie la revenirea la zero, datorit amortizrii foarte mici realizate prin frecare cu aerul. De aceea se prevd mecanisme de amortizare a oscilaiilor pentru obinerea unui timp de rspuns ct mai scurt. Cele mai frecvente sunt mecanismele de amortizare pneumatice, electromagnetice i mai rar hidraulice. a) Mecanismul pneumatic se compune dintr-o palet uoar, fixat pe ax, care se mic ntr-o camer nchis ca un piston. b) Dispozitivul de amortizare electromagnetic se bazeaz pe fora rezistent, care apare ntre curenii indui n piese conductoare, care se mic n cmpul unor magnei permaneni.

Fig. 3.2. Dispozitive de amortizare a oscilaiilor. a) pneumatic, b) i c) electromagnetice

d) Mecanismul de indicare a deviaiei Poate fi de dou feluri: cu ac indicator i scar gradat sau cu sistem optic: surs de lumin i index luminos, proiectat pe un cadran gradat. n ambele cazuri, scara gradat, ca i cadranul, au trasate repere principale marcate cu cifre i diviziuni intermediare.13

La mecanismele cu ac indicator, cadranul are decupat o fereastr circular prin care se vede o oglind necesar eliminrii erorii de paralax (la instrumentele de precizie). Mecanismul de indicare cu spot luminos, dei mai complicat, are avantaje importante: uureaz organul mobil, reduce momentul de inerie, micoreaz timpul de rspuns, mrete factorul de calitate, mrete sensibilitatea, permite utilizarea suspensiei pe benzi, scade consumul propriu, elimin eroarea de paralax. Ele necesit i surs de energie pentru sursa de lumin, de aceea sunt evitate la aparatele portabile. e) Mecanisme de echilibrare. Ele permit echilibrarea organului mobil, astfel ca indicaia s nu fie afectat de poziia de aezare a instrumentului. Este format din 2-3 contragreuti, aezate la 60 0, 900, 1200, care se pot deplasa i apoi fixa pe tije prinse de ax. Elementele constructive ale principalelor tipuri de instrumente analogice sunt prezentate n Anexa 1. 3.2. ECUAIA DE MICARE A UNUI INSTRUMENT ANALOGIC a) Cuplul activ Cuplul activ apare ca urmare a fenomenelor de interaciune a cmpurilor electromagnetice i el determin micarea organului mobil. Ca urmare a deplasrii organului mobil, instrumentul absoarbe energia de la circuitul de msurat pe care o utilizeaz, la efectuarea lucrului mecanic de deplasare unghiular, care se nmagazineaz sub form de energie potenial n resoarte (exceptnd energia consumat prin frecare) i la creterea energiei cmpului electromagnetic, datorit schimbrii poziiei n cmp a dispozitivului mobil. Funcia depinde de Ma = f ( x,) variabila x, liniar sau a neliniar dup principiul de funcionare al instrumentului, cea mai convenabil fiind dependena liniar. b) Cuplul rezistent Cuplul rezistent, la aparatele prevzute cu resort sau benzi tensionate este de natur mecanic i el are expresia:Mr = D

unde: D - cuplul rezistent specific n Nm/rad.

3.3. APARATE MAGNETOELECTRICE 3.3.1. Instrumentul magnetoelectric A. Instrumentul magnetoelectric cu bobin mobil

14

a) Construcia i principiul de funcionare Mecanismul care genereaz cuplul activ la instrumentul magnetoelectric este format dintr-un magnet permanent i o bobin. Cuplul activ ia natere ca urmare a interaciunii dintre cmpul magnetului permanent i conductoarele parcurse de curent continuu ale bobinei. Dup felul cum sunt dispuse, se disting instrumente magnetoelectrice cu magnet permanent fix i bobin mobil, i instrumente cu bobin fix i magnet mobil. La rndul lor, cele cu magnet permanent fix i bobin mobil pot avea magnetul exterior bobinei (fig. 3.3.a) sau interior acesteia (fig. 3.3.b).

Fig 3.3. Instrumente magnetoelectrice Din punct de vedere constructiv circuitul magnetic este format din magnetul permanent (1) jugul magnetic (2), piesele polare (3) i miezul cilindric (4). Bobina mobil (5) este plasat n ntrefier foarte bine centrat cu ajutorul sistemului de suspensie. Ea este format dintr-un cadru izolant sau din aluminiu pe care sunt bobinate mai multe spire cu conductor izolat foarte subire (0,01 + 0,1 mm). Curentul este adus la bobin prin resoartele spirale (6), care genereaz prin rsucire cuplul rezistent. Pe sistemul mobil este fixat i acul indicator (7) echilibrat de contragreuti (8). A , galvanometre) se utilizeaz Pentru instrumentele foarte sensibile ( suspensie pe benzi i n locul acului indicator, o oglind mic solidar cu bobina, pentru citirea optic a deviaiei. Magnetul permanent realizat din aliaj magnetic dur (Alnico, Magnico etc) sau ferite dure, genereaz n ntrefier un cmp magnetic uniform cu inducii de 0,2 0,5 T.

Fig. 3.4. Forme constructive de circuite magnetice. n general forma pieselor polare i a miezului cilindric realizeaz un cmp radial uniform distribuit cu inducia constant n orice poziie s-ar afla bobina. Mecanismul de amortizare la instrumentul magnetoelectric este construit din cadrul de Al al bobinei, de form dreptunghiular, care funcioneaz ca o spir n15

scurtcircuit, n care se induc, prin micarea n cmpul magnetic permanent, cureni care se opun micrii i o amortizeaz. b) Ecuaia de funcionare

Fig.3.5. Instrumentul magnetoelectric cu cmp radial uniform. La trecerea unui curent continuu prin bobin, ca urmare a interaciunii curentului cu cmpul magnetic al magnetului permanent, asupra bobinei acioneaz forele F care dau natere cuplului activ Ma ce rotete bobina. Ma=Fb unde F=IBl ; b=2a I - intensitatea curentului prin bobin; B - inducia magnetic l - lungimea conductorului(nlimea unei spire); b - limea unei spire Ma = Fb = IBNl b = BNAI unde: A=l b ( suprafaa unei spire)

Bobina se rotete pn cnd cuplul rezistent (M r=D), egaleaz cuplul activ La echilibru:M a = M r BNAI = D = BNAI D

BNA/D=K ( constant) - sensibilitatea aparatului = K I - caracteristica de conversie Sensibilitatea se mai noteaz i cu S = SI

Pentru realizarea unor instrumente ct mai sensibile se mrete numrul de spire, suprafaa bobinei i se caut magnei permaneni ct mai puternici, concomitent cu utilizarea suspensiei pe benzi tensionate care au D mic i nu prezint momente de frecare. Instrumentele sensibile sunt ns destul de fragile i nu rezist la ocuri electrice sau mecanice. Se observ de asemeni din expresia deviaiei c ea este proporional cu curentul I i sensul ei depinde de sensul curentului, deci instrumentele magnetoelectrice au fie reperul zero la mijlocul scalei, fie polaritatea +,- marcat16

pe borne pentru a obine deviaie n sensul normal al acalei. Reperele sunt echidistante dac indicaia B este constant peste tot n ntrefier, sau dup o anumit funcie impus, dup aceeai funcie vor fi distribuite i reperele scalei. B. Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil. Este mult mai simplu, mai robust i nu are pri mobile parcurse de curent.

Fig.3.6. Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil Bobina (1) este fix, divizat n dou, iar magnetul (2) este fixat pe ax i este realizat de obicei din oel clit sau aliaj magnetic dur. Pentru amortizarea oscilaiilor el este nchis ntr-un cilindru din folie din cupru sau aluminiu (4) n care se induc prin micare cureni turbionari ce amortizeaz oscilaiile. Cuplul activ ia natere prin interaciunea cmpului magnetic dat de bobin cu cmpul magnetului, pe care tinde s-l orienteze dup axa bobinei. Principalul avantaj al acestui tip de instrument este robusteea sa, dat de organul mobil simplu rezistent i de bobina fix ce poate fi supradimensionat. La cureni mari bobina se poate reduce la un simplu conductor. Aparatele au ns sensibilitatea sczut, datorit circuitului magnetic fr fier, poate fi influenat de cmpuri magnetice exterioare, de aceea trebuie ecranat magnetic. Se utilizeaz totui pe autovehicule i avioane, fiind rezistent la ocuri i vibraii, la clase de precizie: C = 1,5 2.5. 3.3.2. Tipuri de aparate magnetoelectrice a) Galvanometru de curent continuu Galvanometru este instrumentul de curent continuu cel mai sensibil, care poate msura sau detecta cureni de valori foarte reduse 10 -6 10-9A. El este destinat punilor i compensatoarelor de curent continuu ca detector de curent zero. De aceea, din punct de vedere constructiv, el are unele particulariti. Astfel, pentru a urmri cuplul activ, numrul de spire al bobinei este mare, cu fir foarte subire (0,01 0,02 mm) limea bobinei este mrit. Inducia n ntrefier este mai mare prin concentrarea cmpului magnetic radial pe un sector mai ngust (15 450) deoarece el este prevzut cu sistem optic de citire, care dubleaz unghiul de deviaie. Cuplul rezistent este foarte redus, dat fie de dou benzi tensionate, fie de un fir de tensiune la galvanometrele staionare foarte sensibile.

17

Bobina (b) nu are cadru ci se realizeaz prin rigidizarea spirelor cu rini speciale pentru a fi ct mai uoare. Pentru a mri sensibilitatea, raza reflectat de oglinda (o) montat pe bobina mobil este lungit artificial prin reflexii n 2 3 oglinzi (o1,o2) aezate n drumul spre scara gradat (g). Aceasta poate fi realizat din geam mat n cazul citirii prin transmisie sau cu un ecran alb semicircular la citirea prin reflexie. Fig. 3.7. Galvanometrul de curent continuu. Valorile uzuale pentru constanta de curent la galvanometrele portabile este C1 = 10 7 + 109 A / div de aceea n cazul unei scale cu l00 diviziuni, rezult un curent maxim admisibil: 15 7 Pentru utilizarea I max = Ci max = 10 + 10 A galvanometrului la echilibrarea punilor e nevoie la nceput de o sensibilitate mai redus, care este realizat cu ajutorul unui reductor de sensibilitate.

Fig. 3.8. Reductor de sensibilitate pentru galvanometre. b) Ampermetre magnetoelectrice Pentru realizarea ampermetrelor instrumentul magnetoelectric se conecteaz la bornele unui unt (fig. 3.12). Din aceast schem rezult valoarea untului pentru un anumit instrument cu rezistena R0 i curentul nominal I0. I R Rs = o unde: n = Io n 1

Fig. 3.9. Schema ampermetrelor magnetoelectrice Aceast schem simpl are dou dezavantaje importante: - rezistena mic a untului face ca instrumentul s aib un regim dinamic aperiodic puternic supraamortizat; - variaia rezistenei bobinei de cupru a instrumentului cu aproximativ. 4% la 0 10 C n timp ce rezistena untului variaz foarte puin, conduce la erori mari de temperatur la msurarea curentului. De aceea se folosesc scheme de rezistene mai simple sau mai complicate pentru compensarea erorilor de temperatur. Rezistena de manganin face ca variaia cu temperatura a rezistenei Ro + Rm s fie mai mic.18

Fig. 3.10. Reducerea erorii de temperatur la ampermetrele cu unt Erorile ce mai apar la ampermetrele magnetoelectrice datorate variaiei de temperatur sunt legate de variaie (slbirea) cuplului specific al resoartelor i de diminuarea fluxului magnetului permanent. Parial ele se compenseaz. Prin alegerea potrivit a materialului resoartelor i a materialului magnetic, ele se pot compensa integral. c) Voltmetre magnetoelectrice. Voltmetrele magnetoelectrice se realizeaz din instrumentul magnetoelectric considerat ca milivoltmetru cruia i se nseriaz una sau mai multe rezistene adiionale pentru a obine una sau mai multe game de tensiune.

Fig.3.11. Voltmetru magnetoelectric cu 4 game. Valoarea rezistenei adiionale se calculeaz cu relaia: (n Ra = Ro 1)

unde: n =

U Uo

Variaia temperaturii introduce erori neglijabile la voltmetrele magnetoelectrice, deoarece, chiar pentru gamele mici de tensiune, Re Recr , astfel c variaia acesteia cu temperatura nu produce variaia curentului I o prin instrument, deci indicaia nu va fi afectat. La milivoltmetrele fr rezisten adiional sau cu Ra comparabil cu Ro sunt necesare scheme de compensare ca la ampermetre. Voltmetrele magnetoelectrice funcioneaz numai n curent continuu, au rezisten intern mare, 100/ V pn la 50k/ V , consum propriu redus, 0,005 +1 W i se construiesc fr msuri speciale pn la 1000V. 3.3.3. Aparate magnetoelectrice cu redresor Pentru msurarea curentului alternativ instrumentul magnetoelectric trebuie conectat ntr-o schem de redresoare mono sau bialternan. Cu ajutorul unturilor i a rezistenelor adiionale se pot realiza astfel ampermetre i voltmetre pentru curent alternativ. Aparatul poate msura i curent continuu dac se deconecteaz redresorul, astfel c ele se utilizeaz mai ales ca multimetre (A,V, ) cu un numr mare de intervale de msurare.19

a) Funcionarea instrumentului magnetoelectrice alimentat cu curent alternativ redresat Datorit ineriei relativ mari a organului mobil, instrumentul magnetoelectric are o frecven proprie de oscilaie mic f o = 0,5 + 2 Hz de aceea nu poate urmri variaiile instantanee ale unui curent redresat de frecven f = 50 +100 Hz . Cuplul su activ va fi proporional cu o valoare medie a curentului.( M a ) med 1 = o i dt = o I med T oT

De aceea i indicaia sa va fi proporional cu valoarea medie a curentului redresat: = o I med D La redresorul monoalternan valoarea medie a curentului o are expresia: 1 o 1 I = I I med = I 2 sin t dt = 2,22 D TT 2,22 Rezult c pentru curent sinusoidal deviaia este proporional cu valoarea efectiv a curentului alternativ.

Fig. 3.12.

Aparate electrice cu redresor b) bialternan

a) monoalternan fi:I med 1 = TT

La redresorul bialternan (n punte) din fig. 3.16. b curentul mediu redresat va

Io

2 sin t dt =

I 1,11

=

o D 1,11D

Se observ o deviaie dubl n acest caz deci o sensibilitate dubl pentru aparat. Realizarea ampermetrelor i a voltmetrelor cu redresor se face tot cu unturi i rezistene adiionale, montate n paralel cu redresorul, respectiv n serie. O variant frecvent utilizat este aceea a utilizrii transformatoarelor de msur de curent i tensiune cu prize pe primar.

20

Fig. 3.13. Aparate cu redresor i transformatoare de msurare. b) Caracteristicile aparatelor magnetoelectrice cu redresor Deoarece n practic intereseaz valoarea efectiv, scara aparatelor magnetoelectrice cu redresor este gradat n acest mod, considerndu-se forma de und a mrimii redresate ca sinusoidal. Pentru unde sinusoidale ns aparatul are indicaia proporional cu valoarea medie a curentului ceea ce conduce la erori mari de msurare. Pentru acest caz:=o I D Kf

Pentru a citi corect valoarea efectiv a curentului sinusoidal trebuie cunoscut factorul de form:Kf = I I med

i atunci:

I = C I

Kf 1,11

O alt surs de erori la aparate cu redresor o constituie neliniaritatea diodelor, ceea ce face ca scrile de c.a. ale aparatului s fie diferite de cele de c.c. i anume, mai dese la nceputul scrii de msur din cauza valorii mai mari a rezistenei n sens direct a diodei ( Rd ) la valori mici a curentului. Pentru liniarizare se caut s se introduc n serie cu diodele rezistene mult mai mari dect Rd . Diodele redresoare introduc i erori de temperatur i frecven. Rezistenele n sens direct i invers depind de temperatur n sens invers proporional. Erorile de frecven apar la frecvene mari (f > 10kHz) datorit capacitii parazite a diodelor a cror rezisten scade cu frecvena. Din aceast cauz partea din curent neredresat crete cu frecvena i indicaia instrumentului va scdea. Ele pot fi construite cu numr mare de game de msurare, cu consum propriu redus, sensibilitatea ridicat, msoar i n c.c i n c.a. Banda de frecven poate fi de 10 20 kHz, clasa de precizie este de regul 1 n c.c i 1,5 n c.a. Pentru ohmmetre uzual este clasa de precizie 1% sau 1,5% din deschiderea scrii gradate. La majoritatea multimetrelor scara n curent alternativ este neliniar i este diferit pentru cea de curent alternativ. Totui sunt i multimetre cu scri comune obinute prin liniarizarea caracteristicii diodelor. 3.4. APARATE FEROMAGNETICE 3.4.1. Instrumentul feromagnetic. a) Construcia i principiul de funcionare. Se mai numesc i electromagnetice sau cu fier mobil i sunt printre cele mai rspndite aparate de msurat de curent continuu i alternativ de frecven industrial. Mecanismul de producere a cuplului activ este compus dintr-o bobin fix ce genereaz un cmp magnetic la trecerea curentului, una sau mai multe piese feromagnetice fixe i una mobil ce se afl plasate n cmpul magnetic. Din interaciunea cmpului magnetic cu piesele feromagnetice, piesa mobil tinde s ocupe o poziie n care energia sistemului s fie maxim, producnd astfel cuplul activ.21

Instrumentul feromagnetic are n general mecanism de suspensie cu ax de oel terminat cu pivoi ce se sprijin pe lagre din safir sau rubine sintetice, deoarece nu se realizeaz cu precizii mai mari de 0,5% i nu se pot realiza de sensibilitate foarte ridicat. Dup modul cum ia natere cuplul activ se cunosc dou tipuri de instrumente atracie (fig. 3.14.a) i cu repulsie (fig. 3.14. b).

a) Fig. 3.14. Instrument feromagnetic

b)

La instrumentul de atracie bobina parcurs de curent (1) este plat, n interiorul ei fiind atras de piesa feromagnetic (2) aezat excentric pe ax. Pentru reglarea curentului la max la valoarea propus este prevzut o pies feromagnetic (3) la captul opus al bobinei. Cuplul rezistent este dat de resoarte spirale (5) iar mecanismul de amortizare a oscilaiilor este n general de tip pneumatic (4). Pentru echilibrarea greutii acului indicator (6), a piesei feromagnetice i a paletei amortizorului sunt prevzute dou contragreuti (7). Forma piesei feromagnetice mobile este astfel aleas (cu eventuale decupri) pentru a liniariza scara gradat. La instrumentul feromagnetic cu repulsie (fig. 3.14.b) bobina (1) este cilindric, iar piesa feromagnetic mobil (2) solidar cu axul are forma unui sector circular de form dreptunghiular, aezat excentric pe ax. Ea se poate mica n faa unei piese feromagnetice (3) de form special fixat pe un pahar interior bobinei realizat din material magnetic (alam). Prin rotirea acestei piese se poate ajusta valoarea deviaiei maxime la curentul nominal al instrumentului. Cuplul rezistent este produs de resortul spiral (5) al crui capt este solidar cu corectorul de zero. Amortizarea este de tip pneumatic (4) sau mai rar cu cureni indui ntr-un sector de aluminiu prin micarea ntre polii unui magnet permanent. La acest tip de instrument cuplul activ ia natere prin magnetizarea n acelai sens n cmpul creat de bobin, a piesei fixe i a celei mobile, care se resping, producnd rotirea sistemului mobil. b) Ecuaia de funcionare . Expresia cuplului activ la acest tip de instrument se poate deduce din teorema forelor generalizate. Energia nmagazinat n bobina cu piesele feromagnetice poate fi scris ca:22

W =

n care: L - inductivitatea bobinei; I - curentul constant care o parcurge. Rezult:Ma =

1 L l 2 2

Cuplul rezistent dat de resoarte: M r = D va echilibra cuplul activ la o deviaie: 1 dL 2 Aceast = I expresie a deviaiei arat c scara va avea un 2 D d caracter ptratic. Pentru uniformizarea ei se acioneaz asupra formei pieselor feromagnetice. Astfel se mrete pe prima treime a deviaiei seciunea sau suprafaa pieselor i se micoreaz treptat pe msura creterii cuplului cu ptratul curentului. Totui prima parte (cam 20%) a scalei nu se poate uniformiza de aceea nu se folosete, precizia instrumentului fiind garantat de la un reper al scalei marcat cu un punct. Dac prin bobina instrumentului feromagnetic se trece un curent alternativ I 2 sin t , cuplul activ instantaneu va urmri variaiile curentului, sinusoidal i = ns din cauza ineriei, organul mobil va urmri un cuplu mediu: Expresia deviaiei va fi proporional cu ptratul valorii efective a curentului. 1 dL 2 = I 2 D d Ea este foarte apropiat de expresia n curent continuu, diferena datornduse pierderilor n fier produse n piesele feromagnetice de fluxul variabil n timp ceea ce modific puin inductivitatea bobinei. Pentru precizii mai reduse i materiale feromagnetice de calitate, scara poate fi aceeai i n c.c i n c.a. c) Proprieti, erori Datorit simplitii i robusteei sale instrumentul feromagnetic este foarte rspndit. Bobina fiind fixat poate fi supradimensionat s reziste la ocuri mari de curent, iar organul mobil este simplu, rigid i rezistent la ocuri mecanice. Datorit utilizrii universale, el poate fi verificat i reglat n curent continuu pe compensator, deci cu precizia ridicat. Unul din dezavantajele instrumentului feromagnetic l constituie consumul su ridicat 1 5W necesar pentru meninerea cmpului magnetic n bobin. Un alt dezavantaj este legat de existena pieselor feromagnetice care, n curent continuu, pot da cupluri diferite la creterea sau descreterea curentului din cauza histerezisului, iar n curent alternativ pierderile n fier i existena curenilor turbionari, care micoreaz cmpul, fac ca deviaia s fie mai mic. Ambele fenomene se pot micora prin utilizarea unor piese din materiale cu permeabilitate mare i pierderi n fier mici. Cmpul magnetic relativ slab al bobinei face ca instrumentul s fie uor influenat de cmpuri magnetice externe, de aceea el trebuie s fie ecranat de un ecran magnetic, fie astaticizat. Un aparat astatic este format din dou instrumente identice suprapuse cu piesele mobile pe acelai ax parcurse de cureni n sensuri contrarii. Datorit dependenei cuplului activ de ptratul curentului, cele dou cupluri se vor nsuma. n acelai timp, cmpurile magnetice ale celor dou instrumente23

dW 1 dL 2 = I d 2 d

avnd sensuri contrarii, cmpul exterior la un instrument se va aduna iar la cellalt se va scdea, astfel c influena sa asupra cuplului activ total va fi nul. Instrumentele feromagnetice se realizeaz uzual ca aparate de tablou cu clase de precizie 1,5 sau 2,5 dar i ca aparate de laborator de clas 0,5 , mai rar 0,2. 3.4.2. Ampermetre feromagnetice. Datorit consumului lor destul de ridicat, nu se pot realiza miliampermetre cu game mai mici de 10mA , deoarece rezistena lor intern crete foarte mult. Pentru realizarea miliampermetrelor i ampermetrelor cu diferite game de msur, instrumentul feromagnetic ofer o soluie foarte simpl, care elimin necesitatea introducerii unturilor n paralel cu instrumentul. Astfel, deoarece inductivitatea unei bobine depinde de ptratul numrului de spire:L=

n care: R () - reluctana bobinei la o poziie a pieselor feromagnetice expresia deviaiei instrumentului se poate exprima astfel: 1 dL 2 1 dLo = I = (N I )2 2 D d 2 D d Expresia ne arat c deviaia depinde de solenaia bobinei deci max se poate obine cu o solenaie (NI). Solenaia maxima este cuprinsa intre 200 si 400 Asp. Pentru a obine aceeai solenaie la curent mare, se alege un numr de spire mai mic si invers. Se pot executa bobine separate pentru fiecare gama sau o bobina cu prize. Se mai utilizeaz ca o soluie economic i divizarea bobinei n 2 sau 4 seciuni identice care se pot conecta n serie pentru gama minim, serie/paralel pentru un curent dublu i n paralel pentru curent de patru ori mai mare. Este necesar ns un comutator de game mai complicat. Prin realizarea bobinei cu o singur spir, din conductor gros de cupru, se pot msura cureni de 160 + 400 A, spre exemplu ampermetre ce echipeaz locomotivele diesel-electrice. Pentru cureni mai mari, de ordinul kA, se utilizeaz transformatoare de msura de curent, ampermetrul fiind n acest caz cu gama de 5A, dar poate fi gradat direct pentru curentul din circuitul primar. Sursele de erori ale ampermetrelor feromagnetice sunt cele expuse la instrumentul feromagnetic n general. Banda de frecventa uzual: 20 200 Hz. Ca aparate de laborator ele au c = 0,2 0,5 iar ca aparate de tablou C = 1,5 2,5.

N2 = N 2 Lo () R ()

3.4.3. Voltmetre feromagnetice Voltmetrele feromagnetice sunt compuse dintr-un miliampermetru feromagnetic i una sau mai multe rezistene adiionale montate n serie cu acesta (fig.3.15) n curent continuu expresia indicaiei miliampermetrului va fi: 1 dL 2 1 dL U2 = I = 2 D d 2 D d ( Ra + Ro ) 2

24

Deci

este proporional cu ptratul tensiunii.

Fig.3.15. Voltmetre feromagnetice In curent alternativ sinusoidal:I= U = Z U ( Ra + Ro ) 2 + 2 L2 o

=

1 dL U2 2 D d ( Ra + Ro ) 2 + 2 L2 o

i n acest caz deviaia este proporional cu ptratul valorii efective a Lo ) 2 , voltmetrul va avea erori de frecven, tensiunii, dar din cauza termenului ( suplimentare fa de erorile expuse la instrumentul feromagnetic. De aceea voltmetrele feromagnetice cu banda de frecven destul de ngust (45 60Hz). Ea poate fi extins (20 Hz 1kHz) cu ajutorul unor scheme speciale de compensare. Cea mai simpl i cea mai folosit este cea din fig.3.15.b) n care o 1 ) a rezistenei adiionale a primei game este untat de un condensator. parte ( Ra Voltmetrele feromagnetice nu se pot construi pentru game de tensiune mai mici de 35V din cauza erorii de temperatura i a creterii consumului propriu. Voltmetrele au clase de precizie c = 0,5 ca aparate de laborator i c = 1,5 2,5 ca aparate de tablou. 3.5. APARATE ELECTRODINAMICE 3.5.1. Instrumentul electrodinamic a) Construcia i principiul de funcionare Instrumentele electrodinamice utilizeaz pentru producerea cuplului activ interaciune dintre conductoarele parcurse de curent a dou sau mai multe bobine. Ele se compun dintr-o bobina fix divizat n dou (l) i o bobin mobil (2) situat n interiorul acesteia fixat pe axul instrumentului. Pentru producerea cuplului rezistent se utilizeaz dou resoarte spirale (3) care au i rolul de a conecta bobine mobil la bornele exterioare (fig.3.16.)

25

Fig. 3.16. Construcia instrumentelor electrodinamice. Cuplul de amortizare este realizat de un mecanism pneumatic (4) sau cu cureni indui. Pentru citirea deviaiei este fixat pe ax acul indicator (6) sau o oglind n cazul sistemului optic de citire (la instrumente pe benzi tensionate de mare sensibilitate). b) Ecuaia de funcionare Dac bobina fix este parcurs de curentul continuu I 1 iar cea mobila de curentul continuu I 2 , apar forte electrodinamice ntre conductoarele parcurse de cureni ale celor dou bobine, care tind s roteasc bobina mobil spre poziia de energie maxim a sistemului n care axele bobinelor coincid i fluxurile ar avea aceeai direcie. Energia nmagazinat n sistemul celor dou bobine la o deviaie are expresia:W = 1 1 2 L1 I 12 + L2 I 2 + M I1 I 2 2 2

in care: L1 , L2 - inductivitatile proprii ale celor dou bobine, fix i mobil, iar M inductivitatea mutual dintre ele n poziia . Rotirea bobinei mobile sub aciunea cuplului activ va tensiona resoartele proporional cu cuplul rezistent avnd expresia M r = D astfel ca la echilibru:=

Se observ din aceast expresie c deviaia depinde de produsul curenilor i de variaia cu a inductivitii mutuale dintre bobine.

1 dM I1 I 2 D d

26

Fig.3.17. Instrumente electrodinamice La alimentarea cu cureni alternativi sinusoidali cuplul instantaneu ce va aciona asupra bobinei mobile: dM din cauza ineriei bobinei va da M a (t ) = d i1 i 2 natere unui cuplu mediu:1 dM ( M a ) med = i1 i2 dt T 0 d Daca curenii au expresiileT

i1 = I 1 2 sin t i2 = I 2 2 sin(t )

expresia cuplului mediu devine:

iar expresia deviaiei: c) Proprieti, erori Dei influena factorilor perturbatori externi (cmpuri magnetice, temperatur, frecven) este mare, totui, datorita posibilitilor de a elimina influena acestor factori, ct i a liniaritii circuitelor (lipsa pieselor feromagnetice), instrumentele electrodinamice au precizie ridicat i sunt utilizate mai ales ca etaloane. Ele pot fi etalonate n c.c pe compensator i utilizate apoi n curent alternativ. Pentru eliminarea influenei puternice a cmpurilor magnetice exterioare, datorat valorilor mici ale cmpurilor interne, se utilizeaz astaticizarea i ecranarea. Pentru eliminarea influenei variaiilor de temperatur i de frecven, care modific rezistena bobinelor i respectiv reactana lor, se utilizeaz scheme adecvate de compensare. Banda de frecven nu poate depi 400 + 500 Hz la ampermetre i 1 2 kHz la voltmetre. Datorita faptului ca bobinele pot avea sensuri de bobinare diferite se marcheaz cu un asterisc sau sgeat bornele polarizate. Principalele dezavantaje ale instrumentelor electrodinamice sunt: - consum propriu ridicat (cmp magnetic prin aer) - capacitate de suprancrcare redus datorita bobinei mobile strns dimensionate i a trecerii curentului prin resoarte cuplu activ de valoare redus ceea ce necesit reducerea la minim a frecrilor (utilizarea suspensiei pe benzi tensionate), - influena puternic a factorilor externi ceea ce necesit msuri de compensare care mresc preul de cost. Cu ajutorul instrumentelor electrodinamice se pot realiza: ampermetre, voltmetre, wattmetre, cosfimetre etc. de precizie ridicat (c=0,2 0,5). 3.5.2. Ampermetre electrodinamice Dup schemele electrice, ampermetrele electrodinamice se mpart n dou categorii: - miliampermetre I < 500mA la care bobina mobil este montat n serie cu bobina fix (3.18.a) - ampermetre pentru I 0,5 A la care bobina mobil este parcurs de un curent mai mic, proporional cu curentul de msurat, fiind montat la bornele unui unt, legat n serie cu bobina fix (3.18.b)

dM I 1 I 2 cos d 1 dM = I 1 I 2 cos D d ( M a ) med =

27

Fig. 3.18. Ampermetre electrodinamice Influena cmpurilor magnetice exterioare se realizeaz, la ambele tipuri de ampermetre, prin ecranare. Influena variaiilor de temperatur i frecven este neglijabil la primul tip de ampermetru, cu bobinele n serie, deoarece variaia rezistenelor i reactanelor nu modific curentul din circuit. O mic eroare o produce variaia cuplului specific al resoartelor cu temperatura. La cel de al doilea tip de schem, eroarea de temperatur este nsemnat, deoarece rezistena bobinei mobile din cupru variaz puternic cu temperatura n timp ce rezistena untului din manganin este practic constant, astfel c variaz curentul prin bobina mobil. Pentru reducerea erorii de temperatur se nseriaz cu bobina mobil o rezistent r din manganin. Variaia frecvenei produce, din cauza reactanelor bobinelor mobile, modificarea valorii i fazei curenilor. Pentru micorarea influenei frecvenei se monteaz n paralel cu o parte din rezistenta r, o capacitate C. Compensarea se realizeaz ns pe un interval restrns de frecven, n jurul valorii nominale (40 60 Hz). Consumul propriu este relativ mare 1 20 VA. Clasele de precizie sunt de 0,2 0,5, deoarece sunt neeconomice ca aparate de panou. 3.5.3 Voltmetre electrodinamice Voltmetrele electrodinamice sunt compuse dintr-un miliampermetru cu bobinele n serie i o rezisten adiional din manganin (fig.3.23), divizat pentru mai multe domenii de msurare.

Fig. 3.19. Voltmetre electrodinamice Principalele surse de erori sunt variaia temperaturii i variaia frecvenei. Eroarea de temperatur se manifest mai pregnant la domenii mici 7,5 15V cnd rezistena adiional fiind mic, pentru a micora comparativ rezistena miliampermetrului, se impune mrirea curentului de lucru i deci a consumului propriu. Din aceast cauz nu se pot construi voltmetre cu domenii mai mici de 7,5V.28

Eroarea de frecven, datorit variaiei reactanei bobinelor miliampermetrului, se manifest de asemenea mai puternic la domenii mici. Compensarea se face tot cu un condensator montat n paralel o parte a rezistenei adiionale, ceea ce mrete gama de frecven pn la l 2kHz. Consumul propriu variaz invers proporional cu gama, avnd valori ridicate 10 + 20VA sau chiar mai mult, la game mici. Clasa de precizie 0,1 0,5 le recomand ca etaloane pentru utilizarea n laboratoare. Pot fi realizate pn la 1000 V. Sunt construite i voltampermetre electrodinamice utiliznd acelai instrument electrodinamic n scheme diferite pentru a obine mai multe game de curent i de tensiune. 3.6. APARATE FERODINAMICE 3.6.1. Instrumentul ferodinamic Din punct de vedere constructiv instrumentul ferodinamic este nrudit cu instrumentul electrodinamic prin faptul c are o bobin fix i una mobil, dar posed n plus un circuit magnetic din tole sau pulberi presate care concentreaz cmpul magnetic al bobinei fixe ntr-un ntrefier cilindric asemntor circuitului magnetic al instrumentului magnetoelectric. Utilizarea tolelor sau a pulberilor feromagnetice presate este necesar pentru reducerea pierderilor prin cureni turbionari la funcionarea n curent alternativ. Forma circuitului magnetice are variante constructive multiple pentru a asigura deschideri ale scrii gradate de 90 sau 240 270C (fig.3.20). Bobina mobil este conectat cu exteriorul prin intermediul resoartelor spirale care produc i cuplul rezistent. Mecanismul de amortizare este mai ales de tip electromagnetic cu cureni indui prin micare de un magnet ntr-o palet sau sector de aluminiu. Cuplul activ ia natere ca urmare a interaciunii dintre cmpul magnetic creat n ntrefier de bobina fix parcurs de curentul I 1 i curentul I2 din bobina mobil.

Fig. 3.20. Instrumente ferodinamice. Cmpul magnetic n ntrefier fiind radial cuplul activ are o expresie asemntoare instrumentului magnetoelectric:M a = 1 N 2 I 2 = B1 A2 N 2 I 2 = K I 1 I 2

29

n care: 1 - fluxul ce strbate bobina mobil, generat de bobina fix; n 2 - nr. de spire al bobinei mobile; A2 - aria acesteia. Expresia deviaiei n curent continuu va fi:=

Dac curenii prin bobine sunt alternativi sinusoidali, de aceeai frecven i defazai cu unghiul , atunci cuplul activ mediu va avea expresia similar de la instrumentul electrodinamic cu cmp radial: ( M a ) med = K I 1 I 2 cos = K I 1 I 2 cos n ceea ce privete proprietile acestor instrumente, ele sunt determinate de existena circuitului magnetic. Acesta confer o serie de avantaje cum ar fi: cuplu activ mare, consum propriu redus, influena neglijabil a cmpurilor magnetice exterioare. Dar circuitul magnetic introduce o serie de erori datorate neliniaritii curbei de magnetizare, pierderilor n fier, i reaciei curenilor turbionari indui n miez. De aceea, precizia acestor instrumente pentru circuit magnetic din tole este de c = 1,5 2,5 iar n cazul utilizrii unor circuite magnetice de calitate c = 0,5 1. Domeniul lor de utilizare l constituie unele aparate de tablou (wattmetre, frecvenmetre) sau la construcia aparatelor nregistratoare, datorit cuplului activ mare. 3.7. INSTRUMENTE DE INDUCIE 3.7.1. Construcie i funcionare La baza principiului de funcionare al aparatelor de inducie st interaciunea dintre curenii turbionari indui ntr-o armtur metalic neferomagnetic i dou sau mai multe fluxuri magnetice alternative care au creat aceti cureni. Deoarece principiul fundamental al acestui dispozitiv este inducia electromagnetic, instrumentele de inducie pot funciona numai n curent alternativ sau, n general, numai n regim variabil. Dispozitivele de inducie se clasific n dispozitive cu un flux sau cu mai multe fluxuri, dup cum echipajul mobil este intersectat de unul sau mai multe fluxur. a) Dispozitivul de inducie cu un flux Din punct de vedere constructiv, dispozitivul de inducie este alctuit dintr- un electromagnet, o armtur neferomagnetic, un ax mobil, resorturi spirale, un ac indicator, un magnet permanent i o scar gradat. Curentul I parcurgnd bobina electromagnetului d natere la fluxul .Valoarea efectiv a acestui flux este proporional cu curentul I i defazat n urm cu unghiul (de avans histerezis). Acest flux strbate armtura mobil conductoare, inducnd n ea o tensiune electromotoare ce creeaz cureni electrici circulari care se nchid n jurul linii lor de flux care i determin. n urma interaciunii fluxului

K I 1 I 2 = K I1 I 2 D

30

electromagnetic cu curentul indus I d apare o for care va crea un cuplu ce va pune discul n micare. b) Dispozitivul de inducie cu dou fluxuri Curenii I 1 i I 2 parcurg nfurarea electromagneilor i, determin apariia fluxurilor 1 i 2 care strbat discul, inducnd n acesta tensiuni electromotoare. Interaciunea dintre cureni i fluxuri determin apariia unui cuplu activ care pune n micare discul de aluminiu. Deviaia acestuia depinde de fluxuri i de valoarea sinusului unghiului dintre cele dou fluxuri. Pe baza acestui dispozitiv se realizeaz wattmetre i varmetre de inducie, dar mai ales contoare de energie electric. c) Dispozitivul de inducie cu trei fluxuri Sensibilitatea, respectiv cuplul activ al dispozitivului cu dou fluxuri poate fi dublat, dac unul dintre fluxurile magnetice u sau i intersecteaz de dou ori discul neferomagnetic. Fig. 3.21. Dispozitiv de inducie cu trei fluxuri. Din punct de vedere constructiv acest lucru este posibil dac unul dintre electromagnei este aezat pe o direcie perpendicular pe raza discului i n partea inferioar a acestuia, iar cellalt electromagnet se aeaz n lungul razei discului, n partea superioar a acestuia. Se observ c n aceast situaie fluxul i intersecteaz de dou ori discul, n timp ce fluxul u , numai o singur dat. Se mai observ, de asemenea, c fluxul i strbate discul de dou ori, dar n sensuri contrare. Cuplul activ a acestui dispozitiv este dublu fa de cel cu dou fluxuri, motiv pentru care acesta este singurul utilizat la construcia instrumentelor de inducie. d) Proprietile dispozitivelor de inducie -datorit neliniaritii dependenei inducie cmp magnetic, nu exist o proporionalitate riguroas ntre valoarea efectiv a curentului prin nfurare i valoarea efectiv a fluxului electromagnetic;31

-pierderile magnetice n cele dou miezuri, defazeaz fluxurile n urma curenilor n mod inegal, fcnd necesar prezena unor circuite de simetrizare; -cuplul activ fiind direct proporional cu frecvena este puternic afectat de variaia acesteia, determinnd erori importante de indicaie; -capacitatea de suprasarcin este ridicat deoarece eventualele resorturi spirale nu sunt strbtute de curent; -influena cmpurilor exterioare (magnetice i electrice) este n prezent neglijabil i poate fi complet nlturat prin introducerea dispozitivului ntr-o carcas feromagnetic; -construcia simpl i robust a acestui instrument, i asigur o bun rezisten la solicitrile mecanice exterioare (vibraii); -datorit numeroaselor surse de erori (frecven, miezuri feromagnetice, temperatur, etc.) clasele de precizie realizabile sunt inferioare clasei 1. Principiile de funcionare i caracteristicile principalelor dispozitive de msurat analogice sunt prezentate sintetic n Anexa 2.

32

4. ESTIMAREA ERORILOR DE MSURARE N MSURRILE ELECTRICE DIRECTE4.1. DEFINIREA ERORII DE MSURARE. SURSE DE ERORI n orice msurare, orict de corect ar fi executat, valoarea msurat X m difer de valoarea real (adevrat) X a mrimii de msurat. Diferena dintre valoarea msurat i cea real: X = X m X se numete eroare absolut de msurare. Aceast eroare este inevitabil din cauze multiple. Pentru ca rezultatul msurrii s corespund ca siguran a valorii trebuie ca experimentatorul s respecte urmtoarele reguli: - nainte de nceperea msurrii s aleag metodele, mijloacele i condiiile de msurare adecvate pentru un pre minim al procesului de msurare; - s poat aprecia, ct mai uor i corect posibil, incertitudinea total, innd seama de principalele surse de erori, confirmnd sau infirmnd precizia estimat - exprimarea rezultatelor msurrii s fie adecvat beneficiarului acesteia, care decide dac este corespunztor sau nu cerinelor sale, deci dac procesul de msurare n ansamblu a fost corect sau trebuie reluat.

Fig. 4.1. Erorile i procesul de msurare

4.2. ESTIMAREA ERORILOR LA MSURAREA CU APARATE ANALOGICE Pentru estimarea erorii limit de msurare a aparatelor analogice s-a introdus noiunea de clas de precizie . Clasa de precizie reprezint ansamblul mijloacelor electrice de msurare a cror precizie, calculat cu aceeai formul, este caracterizat prin acelai numr ( indice de clas) precum i printr-un ansamblu de proprieti metrologice specificate prin norme internaionale sau standarde de stat. Indicele de clas poate lua urmtoarele valori: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5. Indicele clasei de precizie a aparatului este egal cu eroarea raportat tolerat c = Rt (%) limit (exprimat n procente): Rt (%) = X max Xc 100%

Valoarea convenional Xc poate fi:

33

a) limita superioar a intervalului de msurare Xlim la aparatele care au raportul care la extremitatea scrii sau n afara ei i limita superioar a intervalului de msurare finit. Exemple: ampermetru, voltmetru, wattmetru b) valoarea nominal a mrimii de msurat pentru aparatele destinate s msoare n jurul unei valori nominale a mrimii de msurat. Exemplu: frecvenmetrele pentru msurarea frecvenei reelei. c) Suma modulelor limitelor de msurare - la aparatele avnd reperul zero n interiorul scrii. d) o valoare egal cu lungimea scrii gradate X c = L la aparatele cu scar neliniar sau limita superioar a intervalului de msurare infinit. Dac raportarea se face la lungimea scrii gradate, atunci sub cifra care indic clasa de precizie exist un semn suplimentar. Exemplu: fazmetre, ohmmetre. e) La o serie de aparate de aparate electrice de msurare analogice (contoare, transformatoare de msur, rezistene decadice, etc.) eroarea absolut limit se determin n funcie de valoarea msurat( X )max = cX 100

Observaii: 1) Pentru aparatele din aceste categorii clasa de precizie este nscris pe cadranul lor printr-un numr cX ( X )max = lim 2) Eroarea absolut limit este: 100 3) Valoarea real X a mrimii de msurat este cuprins n intervalul: X m ( X )max < X < X m + ( X )max - Eroarea relativ cu care se face msurarea mrimii X1 < Xlim este: X ( X )max X r = 1 100 100 = c lim (%) X1 X1 X1 Simboluri pentru clase de precizie a aparatelor analogice Modul de exprimarea Eroare total Simbolul clasei de al erorii intriseci exactitate Funcie de valorarea R = 2% msurat Funcie de Xc = Xlim 0,5 R = 0,5% Funcie de lungimea R = 1,5% scrii gradate Marcarea aparatelor de msur analogice este prezentat n Anexa 3.

34

5. NORME DE TEHNICA SECURITAII MUNCII I PSI Problemele cu caracter organizatoric aferente activitii de msurare pot influena hotrtor (direct sau indirect) producerea accidentelor de munc sau a mbolnvirilor profesionale, a securitii personalului i a aparatelor (instalaiilor). Datorit acestui lucru, se va acorda o atenie deosebit urmtoarelor elemente: controlul frecvent al condiiilor la locul de munc; controlul dotrii instalaiilor i al aparatelor cu dispozitive de tehnica securitii muncii, precum i a personalului, cu echipament i materiale de protecie, nainte de nceperea lucrului; organizarea locului de munc i a activitii respective; asigurarea disciplinei n munc; nu se va lucra cu minile ude i nu se vor atinge prile aflate sub tensiune, nu se vor efectua niciun fel de modificri asupra montajului, atta timp ct acesta se afl sub tensiune; se vor utiliza echipamentul i materialele de protecie individual. Este strict interzis orice modificare a destinaiei aparatului sau a utilajului, dac acestea contravin normelor i regulamentelor n vigoare. Existena i buna funcionare a aparatelor de msur i control i a dispozitivelor de protecia muncii fac parte din buna organizare a locului de munc. La fiecare loc de munc, vor fi afiate la loc vizibil instruciunile de protecia muncii i de lucru, nsoite de schemele aparatelor i ale utilajelor i de instruciunile de folosire. Responsabilii locurilor de munc sunt obligai s asigure organizarea corespunztoare a activitii, la fiecare loc de munc, n condiii de securitate a personalului i a aparatelor, prin: verificarea bunei funcionri a aparatelor i a instalaiilor, lund msuri operative de remediere a deficienelor; verificarea modului n care se ntrein aparatele, instalaiile i legarea la pmnt i la nul a celor care pot produce accidente prin electrocutare; instruirea corespunztoare a personalului , verificarea cunotinelor acestora,meninerea strict a ordinii i disciplinei; repartizarea sarcinilor, ndrumarea i controlul operaiilor, asigurarea asistenei tehnice permanente; asigurarea iluminatului, a nclzirii i a ventilaiei n laborator. Personalul desemnat poate ndeplini lucrrile de verificare numai dup ce i-a nsuit temeinic urmtoarele cunotine: regulamentul de ordine interioar a unitii; legislaia de protecie a muncii n vigoare, aferent activitii respective;

normele de protecie a muncii, generale, i cele specifice locului de munc; instruciunile de lucru; noiunile de prim-ajutor. Pentru a completa msurile tehnice, de protecie colectiv, luate n laboratorul de metrologie, este necesar s se utilizeze echipamentul i materialele de protecie. Distanele de transport manual nu vor depi 60 m. nlimea maxim la care se pot ridica manual pe vertical sarcinile maxime admise este de 1,5 m. Norme de prevenire i stingere a incendiilor

35

Respectarea normelor P.S.I. este obligatorie pentru ntreg personalul din instituii, ntreprinderi, ateliere etc. Pentru aceasta, este necesar ca fiecare loc de munc s fie dotat cu aparatur de stins incendii, format din: stingtoare de incendiu, furtune de incendiu prevzute cu ajutaje, rastele cu unelte P.S.I. (glei, lopei, trncoape). Personalul de la locul respectiv de munc este obligat s cunoasc locul de amplasare al aparaturii din dotare i funcionarea acestuia.La fiecare loc de munc, trebuie s fie afiat un plan de evacuare n caz de incendiu. n planul de evacuare sunt stabilite atribuiile personalului n caz de incendiu i schema de evacuare. Pentru prevenirea incendiilor sunt interzise: blocarea cilor de acces; depozitarea de produse (materiale) inflamabile n locuri special neamenajate; improvizaiile de natur electric; folosirea materialelor P.S.I. n alte scopuri; utilizarea focului deschis n locuri neamenajate sau interzise; folosirea produselor petroliere pentru degresarea, splarea pieselor, aparatelor; fumatul n locuri neamenajate; executarea de lucrri de ntreinere, reparaii etc. la instalaiile electrice de ctre personal neautorizat.

ATENIE! Este interzis splarea minilor sau a pieselor cu benzin.

36

6. BIBLIOGRAFIE1. Cociuba, P. , .a. Metrologie aplicat Lucrri de laborator, Editura Economic Preuniversitaria, Bucureti, 2001 2. Cosma, D., .a. - Electromecanic. Laborator de bazele metrologiei. Manual pentru anul I coala de Arte i Meserii domeniul electromecanic , Editura Economic Preuniversitaria, Bucureti, 2003 3. Isac, E. Msurri electrice i electronice, manual pentru clasele X-XII, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1991 4. Mare, Fl., .a. - Solicitri i msurri tehnice. Laborator tehnologic. Auxiliar curricular pentru clasa a X-a, liceu tehnologic profil tehnic , Editura Economic Preuniversitaria, Bucureti, 2001 5. Millea, A. Cartea metrologului. Metrologie general Editura Tehnic, Bucureti, 1985 6. Millea, A. Msurri electrice. Principii i metode Editura Tehnic, Bucureti, 1980 7. Mirescu, S.C., .a. - Laborator tehnologic. Lucrri de laborator i fie de lucru . Vol. I i II, Editura Economic Preuniversitaria, Bucureti, 2004 8. Nicolau, E., Beli M. Msurri electrice i electronice Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1972 9. Pop, E., .a. Tehnici moderne de msurare Editura Facla, Timioara, 1983 10. Tnsescu, M., Gheorghiu T., Gheu, C. Msurri tehnice, manual pentru clasa a X a, Editura ARAMIS, Bucureti, 2005

37

ANEXE

38