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

2012

TEMA PROIECTULUI

APARATE DE MASURAT MARIMI ELECTRICE

2

CUPRINS

3

Pagina

ARGUMENT 5

1. CONCEPTUL DE MĂSURARE 6

1.1. Măsurarea 6

1.2. Mărimi măsurabile 6

2. MIJLOACE ELECTRICE DE MĂSURARE 7

2.1. Definirea mijloacelor electrice de măsurare 7

2.2. Scheme funcţionale ale mijloacelor electrice de măsurare 8

2.3. Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare.

9

3. INSTRUMENTE ELECTRICE DE MĂSURAT ANALOGICE 11

3.1. Elemente componente ale instrumentelor electrice de măsurat

11

3.2. Ecuaţia de mişcare a unui instrument analogic 13

3.3. Aparate magnetoelectrice 14

3.3.1. Instrumentul magnetoelectric 14

3.3.2. Tipuri de aparate magnetoelectrice 17

3.3.3. Aparate magnetoelectrice cu redresor. 19

3.4. Aparate feromagnetice. 21

3.4.1. Instrumentul feromagnetic. 21

3.4.2. Ampermetre feromagnetice. 24

3.4.3. Voltmetre feromagnetice 24

3.5. Aparate electrodinamice 25

3.5.1. Instrumentul electrodinamic 25

3.5.2. Ampermetre electrodinamice 28

3.5.3. Voltmetre electrodinamice 29

3.6. Aparate ferodinamice 29

4

3.6.1. Instrumentul ferodinamic 29

3.7. Instrumente de inducţie 31

3.7.1. Construcţie şi funcţionare 31

4. ESTIMAREA ERORILOR DE MĂSURARE ÎN MĂSURĂRILE ELECTRICE DIRECTE

33

4.1. Definirea erorii de măsurare. Surse de erori 33

4.2. Estimarea erorilor la măsurarea cu aparate analogice 33

5. NORME DE TEHNICA SECURITAŢII MUNCII ŞI PSI 35

6. BIBLIOGRAFIE 37

7. ANEXE 38

Anexa 1 - Principiile de funcţionare şi caracteristicile dispozitivelor de măsurat analogice

39

Anexa 2 - Marcarea aparatelor de măsurat analogic 40

Anexa 3 - Elementele constructive ale aparatelor analogice 41

5

ARGUMENT

Metrologia este definită ca domeniul de cunoştinţe referitoare la măsurări, cuprinzând toate aspectele, atât teoretice cât şi practice, ale măsurărilor, oricare ar fi nivelul lor de precizie, mărimea măsurată, modalitatea şi scopul efectuării, domeniul ştiinţei sau tehnicii în care intervin.

Obiectul metrologiei include mărimi şi unităţi de măsură, etaloane, metode şi mijloace de măsurare, erori şi incertitudini de măsurare, influenţa condiţiilor de măsurare, caracteristici ale mijloacelor de măsurare, relaţia om-aparat, etalonări, norme şi prescripţii privind asigurarea metrologică.

Activitatea de metrologie este guvernată de reglementări şi legi care prevăd: mijloacele de măsurare legale, sistemul naţional de etalonare, fabricarea şi importul mijloacelor de măsurare, transmiterea unităţilor de măsură, autorizarea laboratoarelor şi a personalului din metrologie.

La ora actuală, noţiunile de metrologie au devenit indispensabile unui număr tot mai mare de persoane care îşi desfăşoară activitatea în cele mai variate domenii; majoritatea domeniilor de activitate necesită determinări pe bază de măsurări efectuate cu ajutorul mijloacelor de măsurare;

Calitatea produselor şi serviciilor se poate asigura numai prin măsurări corecte, efectuate cu precizie optimă şi în condiţii de legalitate, ceea ce presupune:

- justa folosire a mijloacelor de măsurare şi supravegherea lor permanentă;- transmiterea corectă a unităţilor de măsură, de la mijloacele-etalon la cele de

lucru;Activitatea umană din orice domeniu de activitate presupune măsurarea a

numeroase mărimi fizice. În domeniul energetic şi electrotehnic automatizarea şi controlul proceselor, verificarea calităţii produselor, întreţinerea maşinilor şi aparatelor electrice, presupun măsurarea a numeroase mărimi electrice, magnetice şi neelectrice măsurare care se face pe cale electrică.

Pentru percepţie cu organele sale de simţ (văz, auz) a mărimilor ce caracterizează fenomenele electrice, omul a imaginat şi construit instrumente de măsurat mai simple sau mai sofisticate bazate pe diverse principii de funcţionare în funcţie de fenomenele fizice utilizate şi de mărimea măsurată.

Instrumentele de măsurat analogice convertesc mărimea electrică x într-o deplasare liniară sau mai ales unghiulară a unui index pe o scară gradată, astfel ca operatorul să poată aprecia amplitudinea mărimii electrice măsurate în unităţi adecvate. Ele au în componentă un dispozitiv mobil asupra căreia mărimea electrică exercită un cuplu de forţe dependent de amplitudinea acesteia. Pentru a stabili o corespondenţă între mărimea electrică x şi unghiul de deviaţie , instrumentele au şi un dispozitiv care generează un cuplu rezistent de natură mecanică sau electrică.

Astfel cele două cupluri se echilibrează la o anumită valoare a unghiului dependentă de mărimea electrică de măsurat x.

Cuplul de forţe dat de mărimea de măsurat numit cuplu activ, este produs în diferite moduri în funcţie de fenomenul fizic utilizat.

Lucrarea prezintă câteva aspecte privind construcţia şi funcţionarea principalelor tipuri de instrumente analogice de măsurat: magnetoelectrice, feromagnetice, electrodinamice, ferodinamice şi de inducţie.

6

1. CONCEPTUL DE MĂSURARE

1. 1. MĂSURAREA

Măsurarea poate fi definită ca un proces (succesiune de operaţii) prin care se obţin informaţii cantitative despre o mărime fizică Acest proces de măsurare poate fi definit pe baza mai multor modele dintre care se descriu două mai importante.a) Modelul matematic al măsurării.

Conform acestui model procesul de măsurare este un proces fizic experimental de comparaţie a mărimii de măsurat cu o altă mărime de aceeaşi natură cu ea, considerată unitate de măsură, rezultatul comparaţiei fiind un număr real:

unde: X - mărimea de măsurat; n - valoarea numerică a mărimii de măsurat, care arată numărul de unităţi de

măsură Um cuprinse în mărimea de măsurat.Măsurarea este descrisă de funcţia: Măsurarea este deci atribuirea de numere mărimilor astfel încât să poată fi

descrise relaţiile cantitative dintre ele. Aceste numere se numesc valori ale mărimii măsurate.

Mijlocul tehnic necesar efectuării acestei atribuiri îl constituie mijlocul de măsurare.

1.2. MĂRIMI MĂSURABILE

1.2.1. Mărimile şi caracterizarea lor

Mărimea reprezintă o proprietate comună a unei clase de obiecte, fenomene, procese, care poate fi deosebită calitativ şi determinată calitativ.

Considerând (fig. 1.1) că M este mulţimea mărimilor existente în natură putem evidenţia submulţimea M1 corespunzătoare mărimilor definibile (observabile) mărimi pentru care se poate obţine o informaţie care să permită discriminarea lor calitativă.

Submulţimea M1 include submulţimea M2 corespunzătoare mărimilor măsurabile - mărimi definibile pentru care este posibilă atribuirea unui număr fiecărui element (aprecierea cantitativă) şi pentru care s-a elaborat metoda de măsurare şi mijlocul de măsurare prin care este posibilă această atribuire.

Fig.1.1. Mărimi definibile şi măsurabile.

Deci, condiţiile ca o mărime să fie măsurabile sunt: posibilitatea de a fi definită (observabilitatea), posibilitatea construirii unei scale de măsurare (totalitatea numerelor reale ce pot

fi atribuite) adică definirea unor unităţi de măsură, posibilitatea conceperii mijlocului de măsurare pe baza unei metode de măsurare.

7

2. MIJLOACE ELECTRICE DE MĂSURARE

2.1. DEFINIREA MIJLOACELOR ELECTRICE DE MĂSURARE

Mijloacele electrice de măsurare (MEM) reprezintă ansamblul mijloacelor tehnice care materializează şi conservă unităţile de măsură şi furnizează informaţii de măsurare. Componentele principale sunt: măsura - mijlocul de măsurare ce materializează una sau mai multe valori ale

unei mărimi fizice, de exemplu rezistoare electrice, condensatoare electrice, etc. instrumentul de măsurare - cea mai simplă asociere de dispozitive şi elemente

care poate furniza informaţii de măsurare, mărimea măsurată fiind raportată la o scară de repere, de exemplu: şubler, balanţă, instrumentul magnetoelectric, instrumentul electrodinamic, etc.

aparatul de măsurare - mijlocul de măsurare constituit pe baza unei scheme ce conţine mai multe convertoare electrice de măsurare, de exemplu: ampermetru, voltmetru, etc.

Reprezentarea generală a unui aparat de măsurare este prezentată în Fig.2.1.

Fig. 2.1. Aparatul de măsurare - reprezentarea generală

Se disting: aparate de măsurare analogice, aparate de măsurare numerice (digitale), punţi şi compensatoare

Aparatele de măsurare analogice (cu spot sau ac indicator) sunt aparate la care legea de corespondenţă între mărimea de măsurat X, aplicată la intrare şi rezultatul măsurării Y, obţinut la ieşire, este o funcţie continuă (fig. 2.2).

Fig. 2.2. Dependenţa Y = f(X) la un aparat analogic.

Aparatele de măsurare digitale sunt aparate la care rezultatul măsurării este prezentat direct sub formă numerică, ca urmare a eşantionării, cuantificării şi codificării.

8

Fig. 2.3. Dependenţa Y=f(X) la un aparat digital.

instalaţia de măsurare - ansamblul de aparate de măsurare, mărimi şi dispozitive anexă, reunite printr-o schemă sau metodă comună şi care servesc pentru măsurarea unuia sau mai multor mărimi, de exemplu: compensatorul de curent continuu, înregistratorul electronic, puntea tensometrică etc.

Sistemul de măsurare este definit ca ansamblul de senzori şi traductoare, reţele informatice sau de transmisie a semnalelor, sisteme de achiziţii de date, aparate de măsurare conectate la o magistrală de comunicaţii etc., acest ansamblu fiind condus de un calculator (microcontroler, microprocesor, PC etc.) pe baza unui program elaborat de utilizator pentru efectuarea automată a măsurărilor în vederea gestionării şi controlului unui proces industrial. Deoarece în ultimii ani se tinde spre utilizarea unor unităţi independente de măsurare şi acţionare, dotate cu inteligenţă proprie, conectate la magistrale informatice ce le subordonează unui sistem informatic central, ierarhizat, a apărut şi noţiunea de sistem distribuit de măsurare (cu inteligenţă distribuită).

2.2. SCHEME FUNCŢIONALE ALE MIJLOACELOR ELECTRICE DE MĂSURARE

Mijlocul electric de măsurare stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o alta ce poate fi percepută în mod nemijlocit de organele de simţ umane, astfel încât permite determinarea valorii mărimii respective pe baza unei scări de măsurare.

Mijlocul electric de măsurare constituie un lanţ de măsurare şi de aceea poate fi reprezentat printr-o schemă funcţională ale cărei elemente le vom numi, în general, convertoare de măsurare şi care pot fi de trei tipuri: convertoare de intrare, convertoare de prelucrare, convertoare de ieşire. Convertoarele de intrare (senzori şI traductoare) transformă mărimea de

măsurat într-un semnal electric: curent, tensiune, număr de impulsuri, etc. Convertoarele de prelucrare (amplificatoare, circuite de mediere, circuite de

comparare, etc.) transformă semnalul electric astfel încât să poată acţiona convertorul de ieşire.

Convertoarele de ieşire permit citirea sau înregistrarea valorii măsurate.

9

Schema funcţională a unui aparat analogic pentru măsurarea unei mărimi active este prezentă în fig. 2.4.a).

a)

b)

Fig. 2.4. Schema funcţională a unui aparat analogic.

a) pentru mărimi active, b) pentru mărimi pasive

În cazul mărimilor pasive acestea nu pot furniza energia formării semnalului metrologic şi se face apel la o mărime exterioară fenomenului - mărime de activare – ce poate furniza energia necesară măsurării şi care este modulată de către mărimea de măsurat (fig. 2.4. b)

2.3. CARACTERISTICILE METROLOGICE ALE MIJLOACELOR ELECTRICE DE MĂSURARE.

Sunt caracteristici referitoare la comportarea aparatelor de măsurare în raport cu mărimea măsurată, cu mediul ambiant şi cu beneficiarul măsurării.

Principalele caracteristici metrologice ale unui mijloc de măsurare sunt:

a) Intervalul de măsurare - reprezintă intervalul de valori ale mărimii de măsurat pe întinderea căruia un mijloc de măsurare poate furniza informaţii de măsurare cu erori limită prestabilite. Intervalul de măsurare este cuprins între o limită inferioară Xmin şi o limită superioară Xmax. Pentru mărirea exactităţii de măsurare mijloacele electrice de măsurare se realizează cu intervalul de măsurare împărţit în mai multe game.b) Sensibilitatea absolută este raportul dintre variaţia mărimii de ieşire şi variaţia corespunzătoare a mărimii de intrare:

Se mai utilizează şi noţiunea de sensibilitate relativă care se defineşte cu expresia:

10

Se mai utilizează, cu precădere la aparatele analogice noţiunea de “prag de sensibilitate” definit ca cea mai mică valoare a mărimii de intrare care determină o variaţie distinct sesizabilă a mărimii de ieşire (de exemplu 1/2 sau 1/3 dintr-o diviziune).c) Rezoluţia este cea mai mică variaţie a mărimii de măsurat care poate fi apreciată pe dispozitivul de afişare al aparatului. Termenul de rezoluţie este utilizat, cu precădere, pentru mijloacele de măsurare la care mărimea de ieşire are o variaţie discontinuă. De exemplu, la aparatele digitale, rezoluţia este egală cu o unitate a ultimului rang zecimal (un digit).d) Puterea consumată este puterea absorbită de aparat de la fenomenul supus măsurării în cazul mărimilor active sau de la mărimea de activare, în cazul mărimilor pasive. Aparatele analogice, în funcţie de tipul lor, pot consuma o putere până la câţiva waţi, în timp ce aparatele electronice au consumuri mult mai mici. e) Capacitatea de supraîncărcare reprezintă proprietatea aparatului de a suporta, fără deteriorări, mărimi de măsurat care depăşesc limitele intervalului de măsurare.

De exemplu, un ampermetru cu clasa de exactitate c = 1 trebuie să suporte timp de 2 ore o mărime X=1,20 Xmax şi timp de 0,5 secunde o mărime X=10 Xmax, fără a-i fi afectate calităţile.f) Exactitatea instrumentală reprezintă caracteristica aparatului de a da rezultate cât mai apropiate de valoarea adevărată a mărimii de măsurat. În acest domeniu se mai utilizează şi noţiunile de:

justeţe - calitatea ce exprimă gradul de concordanţă dintre valoarea medie obţinută dintr-un număr mare de măsurări repetate şi valoarea de măsurat.

fidelitate – este calitatea ce se referă la concordanţa dintre mai multe rezultate ale măsurării aceleiaşi mărimi obţinute în condiţii prescrise

exactitate – exprimă gradul de concordanţă dintre rezultatul unei măsurări şi o valoare furnizată de un aparat etalon acceptată ca adevărată.

Rezultatul măsurării în acest caz se exprimă cu ajutorul incertitudinii de măsurare X = Xmăs Xg) Fiabilitatea metrologică reprezintă probabilitatea ca aparatul de măsurare să funcţioneze corect un timp dat, fiind utilizat în mod corespunzător scopului pentru care a fost realizat. Calitatea unui aparat de măsurare este caracterizată nu numai prin faptul că el corespunde normelor de performanţe, ci şi prin aptitudinea lui de a-şi conserva aceste performanţe în timp.

11

3. INSTRUMENTE ELECTRICE DE MĂSURATANALOGICE

3.1. ELEMENTE COMPONENTE ALE INSTRUMENTELOR ELECTRICE DE MĂSURAT.

Un instrument electric de măsurat este un mecanism electromecanic compus din elemente componente specifice care generează cuplul activ asupra părţii mobile şi elemente cu funcţii auxiliare, comune mai multor tipuri de instrumente.

Deoarece elementele componente care generează cuplul activ vor fi descrise la fiecare tip de instrument în parte, vor fi prezentate mai întâi elementele componente comune din care fac parte mecanismul de suspensie, mecanismul de producere a cuplului antagonist, mecanismul de amortizare de citire a mărimii măsurate.

a) Mecanismul de suspensie

Rolul său la un instrument electric de măsurat este acela de a asigura mişcarea cu frecări minime a părţii mobile a instrumentului.

Se cunosc două tipuri de astfel de mecanisme: cu pivoţi de oţel şi lagăre de pietre semipreţioase (safire, rubine sintetice) şi cu benzi sau fire tensionate.

Fig. 3.1. Sisteme de suspensie.

a) cu pivot şi crapidină, b) cu bandă tensionată

În cazul suspensiei cu pivoţi de oţel dur şi lagăre din materiale semipreţioase dure: safir sau rubin sintetice, suprafeţele de sprijin sunt foarte bine şlefuite pentru micşorarea frecărilor iar jocurile între pivot şi lagăr foarte bine dimensionate, pentru a permite dilatarea. Pentru amortizarea şocurilor mecanice, unul din lagăre este prevăzut cu resort axial.

În cazul suspensiei pe benzi sau fire tensionate utilizată în cazul instrumentelor foarte sensibile, frecarea este neglijabilă. Pentru a micşora amplitudinile vibraţiilor este prevăzut un ghidaj mecanic în jurul firului de suspensie.

Aceste fire sau benzi se fac din bronz fosforos, sau bronz cu beriliu, materiale cu mare elasticitate şi bună conductivitate electrică deoarece acestea au rolul şi de căi de curent pentru alimentarea bobinei mobile la unele instrumente.

Benzile sunt tensionate de lame elastice care au rol şi de amortizare a şocurilor.

12

Aceste suspensii cu benzi sau fire tensionate au avantajul eliminării frecărilor, scăderii consumului instrumentului, creşterea sensibilităţii dar prezintă dezavantajul unei mai mari fragilităţi la şocuri sau vibraţii.

b) Mecanismul de producere a cuplului antagonist.

La instrumentele cu benzi sau fire tensionate, acestea au şi rolul de a produce cuplul antagonist. La cele cu pivoţi şi lagăre, cuplul ce se opune rotaţiei îl produc resoartele spirale plasate de o parte sau de ambele părţi ale organului mobil. Ele sunt realizate din materiale similare ca şi benzile tensionate, sunt montate în sens opus pentru o poziţionare mai precisă la zero a organului mobil, iar unul din ele are capătul solidar cu corectorul de zero din care poate fi tensionat mai mult sau mai puţin pentru poziţionarea la reperul zero a indexului instrumentului.

c) Mecanismul de amortizare a oscilaţiilor.

Datorită inerţiei, dispozitivul mobil are tendinţa de a oscila fie la stabilirea unei deviaţii, fie la revenirea la zero, datorită amortizării foarte mici realizate prin frecare cu aerul. De aceea se prevăd mecanisme de amortizare a oscilaţiilor pentru obţinerea unui timp de răspuns cât mai scurt.

Cele mai frecvente sunt mecanismele de amortizare pneumatice, electromagnetice şi mai rar hidraulice. a) Mecanismul pneumatic se compune dintr-o paletă uşoară, fixată pe ax, care se mişcă într-o cameră închisă ca un piston. b) Dispozitivul de amortizare electromagnetic se bazează pe forţa rezistentă, care apare între curenţii induşi în piese conductoare, care se mişcă în câmpul unor magneţi permanenţi.

Fig. 3.2. Dispozitive de amortizare a oscilaţiilor.

a) pneumatic, b) şi c) electromagnetice

d) Mecanismul de indicare a deviaţiei

Poate fi de două feluri: cu ac indicator şi scară gradată sau cu sistem optic: sursă de lumină şi index luminos, proiectat pe un cadran gradat. În ambele cazuri,

13

scara gradată, ca şi cadranul, au trasate repere principale marcate cu cifre şi diviziuni intermediare.

La mecanismele cu ac indicator, cadranul are decupată o fereastră circulară prin care se vede o oglindă necesară eliminării erorii de paralaxă (la instrumentele de precizie).

Mecanismul de indicare cu spot luminos, deşi mai complicat, are avantaje importante: uşurează organul mobil, reduce momentul de inerţie, micşorează timpul de răspuns, măreşte factorul de calitate, măreşte sensibilitatea, permite utilizarea suspensiei pe benzi, scade consumul propriu, elimină eroarea de paralaxă.

Ele necesită şi sursă de energie pentru sursa de lumină, de aceea sunt evitate la aparatele portabile.

e) Mecanisme de echilibrare.

Ele permit echilibrarea organului mobil, astfel ca indicaţia să nu fie afectată de poziţia de aşezare a instrumentului.

Este format din 2-3 contragreutăţi, aşezate la 600, 900, 1200, care se pot deplasa şi apoi fixa pe tije prinse de ax.

Elementele constructive ale principalelor tipuri de instrumente analogice sunt prezentate în Anexa 1.

3.2. ECUAŢIA DE MIŞCARE A UNUI INSTRUMENT ANALOGIC

a) Cuplul activ

Cuplul activ apare ca urmare a fenomenelor de interacţiune a câmpurilor electromagnetice şi el determină mişcarea organului mobil.

Ca urmare a deplasării organului mobil, instrumentul absoarbe energia de la circuitul de măsurat pe care o utilizează, la efectuarea lucrului mecanic de deplasare unghiulară, care se înmagazinează sub formă de energie potenţială în resoarte (exceptând energia consumată prin frecare) şi la creşterea energiei câmpului electromagnetic, datorită schimbării poziţiei în câmp a dispozitivului mobil.

Funcţia depinde de variabila x, liniar sau neliniar după principiul de funcţionare al instrumentului, cea mai convenabilă fiind dependenţa liniară.

b) Cuplul rezistent

Cuplul rezistent, la aparatele prevăzute cu resort sau benzi tensionate este de natură mecanică şi el are expresia:

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

14

3.3. APARATE MAGNETOELECTRICE

3.3.1. Instrumentul magnetoelectric

A. Instrumentul magnetoelectric cu bobină mobilă

a) Construcţia şi principiul de funcţionare

Mecanismul care generează cuplul activ la instrumentul magnetoelectric este format dintr-un magnet permanent şi o bobină. Cuplul activ ia naştere ca urmare a interacţiunii dintre câmpul magnetului permanent şi conductoarele parcurse de curent continuu ale bobinei. După felul cum sunt dispuse, se disting instrumente magnetoelectrice cu magnet permanent fix şi bobină mobilă, şi instrumente cu bobină fixă şi magnet mobil.

La rândul lor, cele cu magnet permanent fix şi bobină mobilă 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) şi miezul cilindric (4).

Bobina mobilă (5) este plasată în întrefier foarte bine centrată cu ajutorul sistemului de suspensie.

Ea este formată dintr-un cadru izolant sau din aluminiu pe care sunt bobinate mai multe spire cu conductor izolat foarte subţire (0,01 + 0,1 mm).

Curentul este adus la bobină prin resoartele spirale (6), care generează prin răsucire cuplul rezistent.

Pe sistemul mobil este fixat şi acul indicator (7) echilibrat de contragreutăţi (8).Pentru instrumentele foarte sensibile ( , galvanometre) se utilizează

suspensie pe benzi şi în locul acului indicator, o oglindă mică solidară cu bobina, pentru citirea optică a deviaţiei.

Magnetul permanent realizat din aliaj magnetic dur (Alnico, Magnico etc) sau ferite dure, generează în întrefier un câmp magnetic uniform cu inducţii de 0,2 0,5 T.

15

Fig. 3.4. Forme constructive de circuite magnetice.

În general forma pieselor polare şi a miezului cilindric realizează un câmp radial uniform distribuit cu inducţia constantă în orice poziţie s-ar afla bobina.

Mecanismul de amortizare la instrumentul magnetoelectric este construit din cadrul de Al al bobinei, de formă dreptunghiulară, care funcţionează ca o spiră în scurtcircuit, în care se induc, prin mişcarea în câmpul magnetic permanent, curenţi care se opun mişcării şi o amortizează.

b) Ecuaţia de funcţionare

Fig.3.5. Instrumentul magnetoelectric cu câmp radial uniform.

La trecerea unui curent continuu prin bobină, ca urmare a interacţiunii curentului cu câmpul magnetic al magnetului permanent, asupra bobinei acţionează forţele F care dau naştere cuplului activ Ma ce roteşte bobina.

Ma=Fb unde F=IBl ; b=2aI - intensitatea curentului prin bobină;B - inducţia magneticăl - lungimea conductorului(înălţimea unei spire); b - lăţimea unei spire

Ma = Fb = IBNl b = BNAI unde: A=l b ( suprafaţa unei spire)

Bobina se roteşte până când cuplul rezistent (Mr=Dα), egalează cuplul activ

La echilibru:

16

BNA/D=K ( constant) - sensibilitatea aparatului - caracteristica de conversie

Sensibilitatea se mai notează şi cu S

Pentru realizarea unor instrumente cât mai sensibile se măreşte numărul de spire, suprafaţa bobinei şi se caută magneţi permanenţi cât mai puternici, concomitent cu utilizarea suspensiei pe benzi tensionate care au D mic şi nu prezintă momente de frecare. Instrumentele sensibile sunt însă destul de fragile şi nu rezistă la şocuri electrice sau mecanice.

Se observă de asemeni din expresia deviaţiei că ea este proporţională cu curentul I şi sensul ei depinde de sensul curentului, deci instrumentele magnetoelectrice au fie reperul zero la mijlocul scalei, fie polaritatea “+”,”-” marcată pe borne pentru a obţine deviaţie în sensul normal al acalei. Reperele sunt echidistante dacă indicaţia B este constantă peste tot în întrefier, sau după o anumită funcţie impusă, după aceeaşi funcţie vor fi distribuite şi reperele scalei.

B. Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil.

Este mult mai simplu, mai robust şi nu are părţi mobile parcurse de curent.

Fig.3.6. Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil

Bobina (1) este fixă, divizată în două, iar magnetul (2) este fixat pe ax şi este realizat de obicei din oţel călit sau aliaj magnetic dur. Pentru amortizarea oscilaţiilor el este închis într-un cilindru din folie din cupru sau aluminiu (4) în care se induc prin mişcare curenţi turbionari ce amortizează oscilaţiile. Cuplul activ ia naştere prin interacţiunea câmpului magnetic dat de bobină cu câmpul magnetului, pe care tinde să-l orienteze după axa bobinei. Principalul avantaj al acestui tip de instrument este robusteţea sa, dată de organul mobil simplu rezistent şi de bobina fixă ce poate fi supradimensionată. La curenţi mari bobina se poate reduce la un simplu conductor.

Aparatele au însă sensibilitatea scăzută, datorită circuitului magnetic fără fier, poate fi influenţat de câmpuri magnetice exterioare, de aceea trebuie ecranat magnetic.

Se utilizează totuşi pe autovehicule şi avioane, fiind rezistent la şocuri şi vibraţii, la clase de precizie: C = 1,5 2.5.

17

3.3.2. Tipuri de aparate magnetoelectrice

a) Galvanometru de curent continuu

Galvanometru este instrumentul de curent continuu cel mai sensibil, care poate măsura sau detecta curenţi de valori foarte reduse 10 -6 10-9A. El este destinat punţilor şi compensatoarelor de curent continuu ca detector de curent zero.

De aceea, din punct de vedere constructiv, el are unele particularităţi. Astfel, pentru a urmări cuplul activ, numărul de spire al bobinei este mare, cu fir foarte subţire (0,01 0,02 mm) lăţimea bobinei este mărită. Inducţia în întrefier este mai mare prin concentrarea câmpului magnetic radial pe un sector mai îngust (15 450) deoarece el este prevăzut cu sistem optic de citire, care dublează unghiul de deviaţie.

Cuplul rezistent este foarte redus, dat fie de două benzi tensionate, fie de un fir de tensiune la galvanometrele staţionare foarte sensibile.

Bobina (b) nu are cadru ci se realizează prin rigidizarea spirelor cu răşini speciale pentru a fi cât mai uşoare.

Pentru a mări sensibilitatea, raza reflectată de oglinda (o) montată pe bobina mobilă este lungită artificial prin reflexii în 23 oglinzi (o1,o2) aşezate în drumul spre scara gradată (g).

Aceasta poate fi realizată din geam mat în 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 de aceea în cazul unei scale cu l00 diviziuni, rezultă un curent maxim admisibil:

Pentru utilizarea galvanometrului la echilibrarea punţilor e nevoie la început de o sensibilitate mai redusă, care este realizată cu ajutorul unui reductor de sensibilitate.

Fig. 3.8. Reductor de sensibilitate pentru galvanometre.

b) Ampermetre magnetoelectrice

Pentru realizarea ampermetrelor instrumentul magnetoelectric se conectează la bornele unui şunt (fig. 3.12). Din această schemă rezultă valoarea şuntului pentru un anumit instrument cu rezistenţa R0 şi curentul nominal I0.

18

unde:

Fig. 3.9. Schema ampermetrelor magnetoelectrice

Această schemă simplă are două dezavantaje importante: - rezistenţa mică a şuntului face ca instrumentul să aibă un regim dinamic

aperiodic puternic supraamortizat;- variaţia rezistenţei bobinei de cupru a instrumentului cu aproximativ. 4% la

100C în timp ce rezistenţa şuntului variază foarte puţin, conduce la erori mari de temperatură la măsurarea curentului.

De aceea se folosesc scheme de rezistenţe mai simple sau mai complicate pentru compensarea erorilor de temperatură. Rezistenţa de manganină face ca variaţia cu temperatura a rezistenţei să fie mai mică.

Fig. 3.10. Reducerea erorii de temperatură la ampermetrele cu şunt

Erorile ce mai apar la ampermetrele magnetoelectrice datorate variaţiei de temperatură sunt legate de variaţie (slăbirea) cuplului specific al resoartelor şi de diminuarea fluxului magnetului permanent. Parţial ele se compensează. Prin alegerea potrivită a materialului resoartelor şi a materialului magnetic, ele se pot compensa integral.

c) Voltmetre magnetoelectrice.

Voltmetrele magnetoelectrice se realizează din instrumentul magnetoelectric considerat ca milivoltmetru căruia i se înseriază una sau mai multe rezistenţe adiţionale pentru a obţine una sau mai multe game de tensiune.

Fig.3.11. Voltmetru magnetoelectric cu 4 game.

Valoarea rezistenţei adiţionale se calculează cu relaţia:

unde:

Variaţia temperaturii introduce erori neglijabile la voltmetrele magnetoelectrice, deoarece, chiar pentru gamele mici de tensiune, , astfel că variaţia acesteia cu temperatura nu produce variaţia curentului prin instrument, deci indicaţia nu va fi afectată.

19

La milivoltmetrele fără rezistenţă adiţională sau cu comparabil cu sunt necesare scheme de compensare ca la ampermetre.

Voltmetrele magnetoelectrice funcţionează numai în curent continuu, au rezistenţă internă mare, până la , consum propriu redus, şi se construiesc fără măsuri speciale până la 1000V.

3.3.3. Aparate magnetoelectrice cu redresor

Pentru măsurarea curentului alternativ instrumentul magnetoelectric trebuie conectat într-o schemă de redresoare mono sau bialternanţă. Cu ajutorul şunturilor şi a rezistenţelor adiţionale se pot realiza astfel ampermetre şi voltmetre pentru curent alternativ. Aparatul poate măsura şi curent continuu dacă se deconectează redresorul, astfel că ele se utilizează mai ales ca multimetre (A,V, ) cu un număr mare de intervale de măsurare.

a) Funcţionarea instrumentului magnetoelectrice alimentat cu curent alternativ redresat

Datorită inerţiei relativ mari a organului mobil, instrumentul magnetoelectric are o frecvenţă proprie de oscilaţie mică de aceea nu poate urmări variaţiile instantanee ale unui curent redresat de frecvenţă . Cuplul său activ va fi proporţional cu o valoare medie a curentului.

De aceea şi indicaţia sa va fi proporţională cu valoarea medie a curentului redresat:

La redresorul monoalternanţă valoarea medie a curentului o are expresia:

Rezultă că pentru curent sinusoidal deviaţia este proporţională cu valoarea efectivă a curentului alternativ.

Fig. 3.12. Aparate electrice cu redresor

a) monoalternanţă b) bialternanţă

20

La redresorul bialternanţă (în punte) din fig. 3.16. b curentul mediu redresat va fi:

Se observă o deviaţie dublă în acest caz deci o sensibilitate dublă pentru aparat.Realizarea ampermetrelor şi a voltmetrelor cu redresor se face tot cu şunturi şi

rezistenţe adiţionale, montate în paralel cu redresorul, respectiv în serie.O variantă frecvent utilizată este aceea a utilizării transformatoarelor de

măsură de curent şi tensiune cu prize pe primar.

Fig. 3.13. Aparate cu redresor şi transformatoare de măsurare.

b) Caracteristicile aparatelor magnetoelectrice cu redresor

Deoarece în practică interesează valoarea efectivă, scara aparatelor magnetoelectrice cu redresor este gradată în acest mod, considerându-se forma de undă a mărimii redresate ca sinusoidală.

Pentru unde sinusoidale însă aparatul are indicaţia proporţională cu valoarea medie a curentului ceea ce conduce la erori mari de măsurare. Pentru acest caz:

Pentru a citi corect valoarea efectivă a curentului sinusoidal trebuie cunoscut factorul de formă:

şi atunci:

O altă sursă de erori la aparate cu redresor o constituie neliniaritatea diodelor, ceea ce face ca scările de c.a. ale aparatului să fie diferite de cele de c.c. şi anume, mai dese la începutul scării de măsură din cauza valorii mai mari a rezistenţei în sens direct a diodei ( ) la valori mici a curentului. Pentru liniarizare se caută să se introducă în serie cu diodele rezistenţe mult mai mari decât .

Diodele redresoare introduc şi erori de temperatură şi frecvenţă. Rezistenţele în sens direct şi invers depind de temperatură în sens invers proporţional.

Erorile de frecvenţă apar la frecvenţe mari (f > 10kHz) datorită capacităţii parazite a diodelor a căror rezistenţă scade cu frecvenţa. Din această cauză partea din curent neredresată creşte cu frecvenţa şi indicaţia instrumentului va scădea.

Ele pot fi construite cu număr mare de game de măsurare, cu consum propriu redus, sensibilitatea ridicată, măsoară şi în c.c şi în c.a.

Banda de frecvenţă poate fi de 10 20 kHz, clasa de precizie este de regulă 1 în c.c şi 1,5 în c.a. Pentru ohmmetre uzuală este clasa de precizie 1% sau 1,5% din deschiderea scării gradate. La majoritatea multimetrelor scara în curent alternativ este neliniară şi este diferită pentru cea de curent alternativ. Totuşi sunt şi multimetre cu scări comune obţinute prin liniarizarea caracteristicii diodelor.

21

3.4. APARATE FEROMAGNETICE

3.4.1. Instrumentul feromagnetic.

a) Construcţia şi principiul de funcţionare.

Se mai numesc şi electromagnetice sau cu fier mobil şi sunt printre cele mai răspândite aparate de măsurat de curent continuu şi alternativ de frecvenţă industrială.

Mecanismul de producere a cuplului activ este compus dintr-o bobină fixă ce generează un câmp magnetic la trecerea curentului, una sau mai multe piese feromagnetice fixe şi una mobilă ce se află plasate în câmpul magnetic.

Din interacţiunea câmpului magnetic cu piesele feromagnetice, piesa mobilă tinde să ocupe o poziţie în care energia sistemului să fie maximă, producând astfel cuplul activ.

Instrumentul feromagnetic are în general mecanism de suspensie cu ax de oţel terminat cu pivoţi ce se sprijină pe lagăre din safir sau rubine sintetice, deoarece nu se realizează cu precizii mai mari de 0,5% şi nu se pot realiza de sensibilitate foarte ridicată.

După modul cum ia naştere cuplul activ se cunosc două tipuri de instrumente atracţie (fig. 3.14.a) şi cu repulsie (fig. 3.14. b).

a) b)Fig. 3.14. Instrument feromagnetic

La instrumentul de atracţie bobina parcursă de curent (1) este plată, în interiorul ei fiind atrasă de piesa feromagnetică (2) aşezată excentric pe ax. Pentru reglarea curentului la la valoarea propusă este prevăzută o piesă feromagnetică (3) la capătul opus al bobinei.

Cuplul rezistent este dat de resoarte spirale (5) iar mecanismul de amortizare a oscilaţiilor este în general de tip pneumatic (4). Pentru echilibrarea greutăţii acului indicator (6), a piesei feromagnetice şi a paletei amortizorului sunt prevăzute două contragreutăţi (7). Forma piesei feromagnetice mobile este astfel aleasă (cu eventuale decupări) pentru a liniariza scara gradată.

La instrumentul feromagnetic cu repulsie (fig. 3.14.b) bobina (1) este cilindrică, iar piesa feromagnetică mobilă (2) solidară cu axul are forma unui sector circular de formă dreptunghiulară, aşezat excentric pe ax. Ea se poate mişca în faţa unei piese

22

feromagnetice (3) de formă specială fixată pe un pahar interior bobinei realizat din material magnetic (alamă).

Prin rotirea acestei piese se poate ajusta valoarea deviaţiei maxime la curentul nominal al instrumentului.

Cuplul rezistent este produs de resortul spiral (5) al cărui capăt este solidar cu corectorul de zero.

Amortizarea este de tip pneumatic (4) sau mai rar cu curenţi induşi într-un sector de aluminiu prin mişcarea între polii unui magnet permanent.

La acest tip de instrument cuplul activ ia naştere prin magnetizarea în acelaşi sens în câmpul creat de bobină, a piesei fixe şi a celei mobile, care se resping, producând rotirea sistemului mobil.

b) Ecuaţia de funcţionare.

Expresia cuplului activ la acest tip de instrument se poate deduce din teorema forţelor generalizate. Energia înmagazinată în bobina cu piesele feromagnetice poate fi scrisă ca:

în care: L - inductivitatea bobinei; I - curentul constant care o parcurge. Rezultă:

Cuplul rezistent dat de resoarte: va echilibra cuplul activ la o deviaţie:

Această expresie a deviaţiei arată că scara va avea un caracter pătratic.

Pentru uniformizarea ei se acţionează asupra formei pieselor feromagnetice.Astfel se măreşte pe prima treime a deviaţiei secţiunea sau suprafaţa pieselor

şi se micşorează treptat pe măsura creşterii cuplului cu pătratul curentului.Totuşi prima parte (cam 20%) a scalei nu se poate uniformiza de aceea nu se

foloseşte, precizia instrumentului fiind garantată de la un reper al scalei marcat cu un punct.

Dacă prin bobina instrumentului feromagnetic se trece un curent alternativ sinusoidal , cuplul activ instantaneu va urmări variaţiile curentului, însă din cauza inerţiei, organul mobil va urmări un cuplu mediu:

Expresia deviaţiei va fi proporţională cu pătratul valorii efective a curentului.

Ea este foarte apropiată de expresia în curent continuu, diferenţa datorându-se pierderilor în fier produse în piesele feromagnetice de fluxul variabil în timp ceea ce modifică puţin inductivitatea bobinei.

Pentru precizii mai reduse şi materiale feromagnetice de calitate, scara poate fi aceeaşi şi în c.c şi în c.a.

c) Proprietăţi, erori

Datorită simplităţii şi robusteţei sale instrumentul feromagnetic este foarte răspândit.

23

Bobina fiind fixată poate fi supradimensionată să reziste la şocuri mari de curent, iar organul mobil este simplu, rigid şi rezistent la şocuri mecanice. Datorită utilizării universale, el poate fi verificat şi reglat în curent continuu pe compensator, deci cu precizia ridicată.

Unul din dezavantajele instrumentului feromagnetic îl constituie consumul său ridicat 1 5W necesar pentru menţinerea câmpului magnetic în bobină.

Un alt dezavantaj este legat de existenţa pieselor feromagnetice care, în curent continuu, pot da cupluri diferite la creşterea sau descreşterea curentului din cauza histerezisului, iar în curent alternativ pierderile în fier şi existenţa curenţilor turbionari, care micşorează câmpul, fac ca deviaţia să fie mai mică.

Ambele fenomene se pot micşora prin utilizarea unor piese din materiale cu permeabilitate mare şi pierderi în fier mici.

Câmpul magnetic relativ slab al bobinei face ca instrumentul să fie uşor influenţat de câmpuri magnetice externe, de aceea el trebuie să fie ecranat de un ecran magnetic, fie astaticizat. Un aparat astatic este format din două instrumente identice suprapuse cu piesele mobile pe acelaşi ax parcurse de curenţi în sensuri contrarii. Datorită dependenţei cuplului activ de pătratul curentului, cele două cupluri se vor însuma. În acelaşi timp, câmpurile magnetice ale celor două instrumente având sensuri contrarii, câmpul exterior la un instrument se va aduna iar la celălalt se va scădea, astfel că influenţa sa asupra cuplului activ total va fi nulă.

Instrumentele feromagnetice se realizează uzual ca aparate de tablou cu clase de precizie 1,5 sau 2,5 dar şi ca aparate de laborator de clasă 0,5 , mai rar 0,2.

3.4.2. Ampermetre feromagnetice.

Datorită consumului lor destul de ridicat, nu se pot realiza miliampermetre cu game mai mici de 10mA , deoarece rezistenţa lor internă creşte foarte mult.

Pentru realizarea miliampermetrelor şi ampermetrelor cu diferite game de măsură, instrumentul feromagnetic oferă o soluţie foarte simplă, care elimină necesitatea introducerii şunturilor în paralel cu instrumentul. Astfel, deoarece inductivitatea unei bobine depinde de pătratul numărului de spire:

în care: - reluctanţa bobinei la o poziţie a pieselor feromagnetice expresia deviaţiei instrumentului se poate exprima astfel:

Expresia ne arată că deviaţia depinde de solenaţia bobinei deci se poate obţine cu o solenaţie (NI). Solenaţia maxima este cuprinsa intre 200 si 400 Asp. Pentru a obţine aceeaşi solenaţie la curent mare, se alege un număr de spire mai mic si invers.

Se pot executa bobine separate pentru fiecare gama sau o bobina cu prize. Se mai utilizează ca o soluţie economică şi divizarea bobinei în 2 sau 4 secţiuni identice care se pot conecta în serie pentru gama minimă, serie/paralel pentru un curent dublu şi în paralel pentru curent de patru ori mai mare.

Este necesar însă un comutator de game mai complicat.

24

Prin realizarea bobinei cu o singură spiră, din conductor gros de cupru, se pot măsura curenţi de 160 + 400 A, spre exemplu ampermetre ce echipează locomotivele diesel-electrice.

Pentru curenţi mai mari, de ordinul kA, se utilizează transformatoare de măsura de curent, ampermetrul fiind în 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 în general. Banda de frecventa uzuală: 20 200 Hz. Ca aparate de laborator ele au c = 0,2 0,5 iar ca aparate de tablou C = 1,5 2,5.

3.4.3. Voltmetre feromagnetice

Voltmetrele feromagnetice sunt compuse dintr-un miliampermetru feromagnetic şi una sau mai multe rezistenţe adiţionale montate în serie cu acesta (fig.3.15)

În curent continuu expresia indicaţiei miliampermetrului va fi:

Deci este proporţională cu pătratul tensiunii.

Fig.3.15. Voltmetre feromagnetice

In curent alternativ sinusoidal:

Şi în acest caz deviaţia este proporţională cu pătratul valorii efective a tensiunii, dar din cauza termenului , voltmetrul va avea erori de frecvenţă, suplimentare faţă de erorile expuse la instrumentul feromagnetic.

De aceea voltmetrele feromagnetice cu banda de frecvenţă destul de îngustă (45 60Hz).

Ea poate fi extinsă (20 Hz 1kHz) cu ajutorul unor scheme speciale de compensare. Cea mai simplă şi cea mai folosită este cea din fig.3.15.b) în care o parte ( ) a rezistenţei adiţionale a primei game este şuntată de un condensator.

Voltmetrele feromagnetice nu se pot construi pentru game de tensiune mai mici de 35V din cauza erorii de temperatura şi a creşterii consumului propriu.

Voltmetrele au clase de precizie c = 0,5 ca aparate de laborator şi c = 1,5 2,5 ca aparate de tablou.

25

3.5. APARATE ELECTRODINAMICE

3.5.1. Instrumentul electrodinamic

a) Construcţia şi principiul de funcţionare

Instrumentele electrodinamice utilizează pentru producerea cuplului activ interacţiune dintre conductoarele parcurse de curent a două sau mai multe bobine.

Ele se compun dintr-o bobina fixă divizată în două (l) şi o bobină mobilă (2) situată în interiorul acesteia fixată pe axul instrumentului. Pentru producerea cuplului rezistent se utilizează două resoarte spirale (3) care au şi rolul de a conecta bobine mobilă la bornele exterioare (fig.3.16.)

Fig. 3.16. Construcţia instrumentelor electrodinamice.

Cuplul de amortizare este realizat de un mecanism pneumatic (4) sau cu curenţi induşi.

Pentru citirea deviaţiei este fixat pe ax acul indicator (6) sau o oglindă în cazul sistemului optic de citire (la instrumente pe benzi tensionate de mare sensibilitate).

b) Ecuaţia de funcţionare

Dacă bobina fixă este parcursă de curentul continuu iar cea mobila de curentul continuu , apar fortţe electrodinamice între conductoarele parcurse de curenţi ale celor două bobine, care tind să rotească bobina mobilă spre poziţia de energie maximă a sistemului în care axele bobinelor coincid şi fluxurile ar avea aceeaşi direcţie. Energia înmagazinată în sistemul celor două bobine la o deviaţie

are expresia:

in care: - inductivitatile proprii ale celor două bobine, fixă şi mobilă, iar M - inductivitatea mutuală dintre ele în poziţia .

Rotirea bobinei mobile sub acţiunea cuplului activ va tensiona resoartele proporţional cu cuplul rezistent având expresia astfel ca la echilibru:

26

Se observă din această expresie că deviaţia depinde de produsul curenţilor şi de variaţia cu a inductivităţii mutuale dintre bobine.

Fig.3.17. Instrumente electrodinamice

La alimentarea cu curenţi alternativi sinusoidali cuplul instantaneu ce va acţiona asupra bobinei mobile:din cauza inerţiei bobinei va da naştere unui cuplu mediu:

Daca curenţii au expresiile

expresia cuplului mediu devine:

iar expresia deviaţiei:c) Proprietăţi, erori

Deşi influenţa factorilor perturbatori externi (câmpuri magnetice, temperatură, frecvenţă) este mare, totuşi, datorita posibilităţilor de a elimina influenţa acestor factori, cât şi a liniarităţii circuitelor (lipsa pieselor feromagnetice), instrumentele electrodinamice au precizie ridicată şi sunt utilizate mai ales ca etaloane. Ele pot fi etalonate în c.c pe compensator şi utilizate apoi în curent alternativ.

Pentru eliminarea influenţei puternice a câmpurilor magnetice exterioare, datorată valorilor mici ale câmpurilor interne, se utilizează astaticizarea şi ecranarea.

Pentru eliminarea influenţei variaţiilor de temperatură şi de frecvenţă, care modifică rezistenţa bobinelor şi respectiv reactanţa lor, se utilizează scheme adecvate de compensare.

Banda de frecvenţă nu poate depăşi 400 + 500 Hz la ampermetre şi 1 2 kHz la voltmetre.

Datorita faptului ca bobinele pot avea sensuri de bobinare diferite se marchează cu un asterisc sau săgeată bornele polarizate.

Principalele dezavantaje ale instrumentelor electrodinamice sunt: - consum propriu ridicat (câmp magnetic prin aer) - capacitate de supraîncărcare redusă datorita bobinei mobile strâns dimensionate şi a trecerii curentului prin resoarte - cuplu activ de valoare redusă ceea ce necesită reducerea la minim a frecărilor (utilizarea suspensiei pe benzi tensionate), - influenţa puternică a factorilor externi ceea ce necesită măsuri de compensare care măresc preţul de cost.

27

Cu ajutorul instrumentelor electrodinamice se pot realiza: ampermetre, voltmetre, wattmetre, cosfimetre etc. de precizie ridicată (c=0,20,5).

3.5.2. Ampermetre electrodinamice

După schemele electrice, ampermetrele electrodinamice se împart în două categorii:

- miliampermetre la care bobina mobilă este montată în serie cu bobina fixă (3.18.a)

- ampermetre pentru la care bobina mobilă este parcursă de un curent mai mic, proporţional cu curentul de măsurat, fiind montată la bornele unui şunt, legat în serie cu bobina fixă (3.18.b)

Fig. 3.18. Ampermetre electrodinamice

Influenţa câmpurilor magnetice exterioare se realizează, la ambele tipuri de ampermetre, prin ecranare.

Influenţa variaţiilor de temperatură şi frecvenţă este neglijabilă la primul tip de ampermetru, cu bobinele în serie, deoarece variaţia rezistenţelor şi reactanţelor nu modifică curentul din circuit. O mică eroare o produce variaţia cuplului specific al resoartelor cu temperatura.

La cel de al doilea tip de schemă, eroarea de temperatură este însemnată, deoarece rezistenţa bobinei mobile din cupru variază puternic cu temperatura în timp ce rezistenţa şuntului din manganin este practic constantă, astfel că variază curentul prin bobina mobilă. Pentru reducerea erorii de temperatură se înseriază cu bobina mobilă o rezistentă r din manganin.

Variaţia frecvenţei produce, din cauza reactanţelor bobinelor mobile, modificarea valorii şi fazei curenţilor. Pentru micşorarea influenţei frecvenţei se montează în paralel cu o parte din rezistenta r, o capacitate C.

Compensarea se realizează însă pe un interval restrâns de frecvenţă, în 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 în serie şi o rezistenţă adiţională din manganin (fig.3.23), divizată pentru mai multe domenii de măsurare.

28

Fig. 3.19. Voltmetre electrodinamice

Principalele surse de erori sunt variaţia temperaturii şi variaţia frecvenţei.Eroarea de temperatură se manifestă mai pregnant la domenii mici 7,5 15V

când rezistenţa adiţională fiind mică, pentru a micşora comparativ rezistenţa miliampermetrului, se impune mărirea curentului de lucru şi deci a consumului propriu.

Din această cauză nu se pot construi voltmetre cu domenii mai mici de 7,5V.Eroarea de frecvenţă, datorită variaţiei reactanţei bobinelor miliampermetrului,

se manifestă de asemenea mai puternic la domenii mici. Compensarea se face tot cu un condensator montat în paralel o parte a rezistenţei adiţionale, ceea ce măreşte gama de frecvenţă până la l 2kHz.

Consumul propriu variază invers proporţional cu gama, având valori ridicate 10 + 20VA sau chiar mai mult, la game mici.

Clasa de precizie 0,1 0,5 le recomandă ca etaloane pentru utilizarea în laboratoare.

Pot fi realizate până la 1000 V.Sunt construite şi voltampermetre electrodinamice utilizând acelaşi instrument

electrodinamic în scheme diferite pentru a obţine mai multe game de curent şi de tensiune.

3.6. APARATE FERODINAMICE

3.6.1. Instrumentul ferodinamic

Din punct de vedere constructiv instrumentul ferodinamic este înrudit cu instrumentul electrodinamic prin faptul că are o bobină fixă şi una mobilă, dar posedă în plus un circuit magnetic din tole sau pulberi presate care concentrează câmpul magnetic al bobinei fixe într-un întrefier cilindric asemănător circuitului magnetic al instrumentului magnetoelectric. Utilizarea tolelor sau a pulberilor feromagnetice presate este necesară pentru reducerea pierderilor prin curenţi turbionari la funcţionarea în curent alternativ. Forma circuitului magnetice are variante constructive multiple pentru a asigura deschideri ale scării gradate de 90 sau 240 270C (fig.3.20).

Bobina mobilă este conectată cu exteriorul prin intermediul resoartelor spirale care produc şi cuplul rezistent.

Mecanismul de amortizare este mai ales de tip electromagnetic cu curenţi induşi prin mişcare de un magnet într-o paletă sau sector de aluminiu.

Cuplul activ ia naştere ca urmare a interacţiunii dintre câmpul magnetic creat în întrefier de bobina fixă parcursă de curentul I1 şi curentul I2 din bobina mobilă.

29

Fig. 3.20. Instrumente ferodinamice.

Câmpul magnetic în întrefier fiind radial cuplul activ are o expresie asemănătoare instrumentului magnetoelectric:

în care: 1 - fluxul ce străbate bobina mobilă, generat de bobina fixă; n2 - nr. de spire al bobinei mobile; A2 - aria acesteia.

Expresia deviaţiei în curent continuu va fi:

Dacă curenţii prin bobine sunt alternativi sinusoidali, de aceeaşi frecvenţă şi defazaţi cu unghiul , atunci cuplul activ mediu va avea expresia similară de la instrumentul electrodinamic cu câmp radial:

În ceea ce priveşte proprietăţile acestor instrumente, ele sunt determinate de existenţa circuitului magnetic. Acesta conferă o serie de avantaje cum ar fi: cuplu activ mare, consum propriu redus, influenţa neglijabilă a câmpurilor magnetice exterioare.

Dar circuitul magnetic introduce o serie de erori datorate neliniarităţii curbei de magnetizare, pierderilor în fier, şi reacţiei curenţilor turbionari induşi în miez.

De aceea, precizia acestor instrumente pentru circuit magnetic din tole este de c = 1,5 2,5 iar în cazul utilizării unor circuite magnetice de calitate c = 0,5 1.

Domeniul lor de utilizare îl constituie unele aparate de tablou (wattmetre, frecvenţmetre) sau la construcţia aparatelor înregistratoare, datorită cuplului activ mare.

3.7. INSTRUMENTE DE INDUCŢIE

3.7.1. Construcţie şi funcţionare

La baza principiului de funcţionare al aparatelor de inducţie stă interacţiunea dintre curenţii turbionari induşi într-o armătură metalică neferomagnetică şi două sau mai multe fluxuri magnetice alternative care au creat aceşti curenţi. Deoarece principiul fundamental al acestui dispozitiv este inducţia electromagnetică, instrumentele de inducţie pot funcţiona numai în curent alternativ sau, în general, numai în regim variabil.

30

Dispozit ivele de inducţie se clasif ică în dispozit ive cu un f lux sau cu mai multe f luxuri, după cum echipajul mobil este intersectat de unul sau mai multe f luxur.

a) Dispozitivul de inducţie cu un flux

Din punct de vedere constructiv, dispozit ivul de inducţie este alcătuit dintr-un electromagnet, o armătură neferomagnetică, un ax mobil, resorturi spirale, un ac indicator, un magnet permanent şi o scară gradată.

Curentul I parcurgând bobina electromagnetului dă naştere la f luxul .Valoarea efectivă a acestui f lux este proporţ ională cu curentul I şi defazat în urmă cu unghiul (de avans histerezis). Acest f lux străbate armătura mobilă conductoare, inducând în ea o tensiune electromotoare ce creează curenţi electr ici circulari care se închid în jurul l ini i lor de f lux care î i determină. În urma interacţiunii f luxului electromagnetic cu curentul indus Id apare o forţă care va crea un cuplu ce va pune discul în mişcare.

b) Dispozitivul de inducţie cu două fluxuri

Curenţi i I1 şi I2 parcurg înfăşurarea electromagneţilor şi, determină apariţ ia f luxurilor 1 şi 2 care străbat discul, inducând în acesta tensiuni electromotoare. Interacţiunea dintre curenţi şi f luxuri determină apariţ ia unui cuplu activ care pune în mişcare discul de aluminiu. Deviaţ ia acestuia depinde de f luxuri şi de valoarea sinusului unghiului dintre cele două f luxuri.Pe baza acestui dispozit iv se realizează wattmetre şi varmetre de inducţie, dar mai ales contoare de energie electr ică.

c) Dispozitivul de inducţie cu trei fluxuri

Sensibil i tatea, respectiv cuplul activ al dispozit ivului cu două f luxuri poate f i dublată, dacă unul dintre f luxurile magnetice u sau i

intersectează de două ori discul neferomagnetic.

Fig. 3.21. Dispozitiv de inducţie cu trei fluxuri.

Din punct de vedere constructiv acest lucru este posibil dacă unul dintre electromagneţi este aşezat pe o direcţie perpendiculară pe raza discului şi în partea inferioară a acestuia, iar celălalt electromagnet se aşează în

31

lungul razei discului, în partea superioară a acestuia. Se observă că în această situaţie f luxul i intersectează de două ori discul, în t imp ce f luxul u, numai o singură dată. Se mai observă, de asemenea, că f luxul i străbate discul de două ori, dar în sensuri contrare.Cuplul activ a acestui dispozit iv este dublu faţă de cel cu două f luxuri, motiv pentru care acesta este singurul uti l izat la construcţia instrumentelor de inducţie.

d) Proprietăţile dispozitivelor de inducţie

-datorită neliniarităţi i dependenţei inducţie – câmp magnetic, nu există o proporţ ionalitate r iguroasă între valoarea efectivă a curentului prin înfăşurare şi valoarea efectivă a f luxului electromagnetic;-pierderile magnetice în cele două miezuri, defazează f luxurile în urma curenţi lor în mod inegal, făcând necesară prezenţa unor circuite de simetr izare;-cuplul activ f i ind direct proporţ ional cu frecvenţa este puternic afectat de variaţia acesteia, determinând erori importante de indicaţie;-capacitatea de suprasarcină este r idicată deoarece eventualele resorturi spirale nu sunt străbătute de curent;- influenţa câmpurilor exterioare (magnetice şi electr ice) este în prezent negli jabilă şi poate f i complet înlăturată prin introducerea dispozit ivului într-o carcasă feromagnetică;-construcţia simplă şi robustă a acestui instrument, î i asigură o bună rezistenţă la solicităr i le mecanice exterioare (vibraţi i) ;-datorită numeroaselor surse de erori (frecvenţă, miezuri feromagnetice, temperatură, etc.) clasele de precizie realizabile sunt inferioare clasei 1.

Principiile de funcţionare şi caracteristicile principalelor dispozitive de măsurat analogice sunt prezentate sintetic în Anexa 2.

32

4. ESTIMAREA ERORILOR DE MĂSURARE ÎN MĂSURĂRILE ELECTRICE DIRECTE

4.1. DEFINIREA ERORII DE MĂSURARE. SURSE DE ERORI

În orice măsurare, oricât de corect ar fi executată, valoarea măsurată Xm diferă de valoarea reală (adevărată) X a mărimii de măsurat.

Diferenţa dintre valoarea măsurată şi cea reală: se numeşte eroare absolută de măsurare. Această eroare este inevitabilă din cauze multiple.

Pentru ca rezultatul măsurării să corespundă ca siguranţă a valorii trebuie ca experimentatorul să respecte următoarele reguli:

- înainte de începerea măsurării să aleagă metodele, mijloacele şi condiţiile de măsurare adecvate pentru un preţ minim al procesului de măsurare;- să poată aprecia, cât mai uşor şi corect posibil, incertitudinea totală, ţinând seama de principalele surse de erori, confirmând sau infirmând precizia estimată- exprimarea rezultatelor măsurării să fie adecvată beneficiarului acesteia, care decide dacă este corespunzător sau nu cerinţelor sale, deci dacă procesul de măsurare în ansamblu a fost corect sau trebuie reluat.

Fig. 4.1. Erorile şi procesul de măsurare

4.2. ESTIMAREA ERORILOR LA MĂSURAREA CU APARATE ANALOGICE

Pentru estimarea erorii limită de măsurare a aparatelor analogice s-a introdus noţiunea de clasă de precizie. Clasa de precizie reprezintă ansamblul mijloacelor electrice de măsurare a căror precizie, calculată cu aceeaşi formulă, este caracterizată prin acelaşi număr (indice de clasă) precum şi printr-un ansamblu de proprietăţi metrologice specificate prin norme internaţionale sau standarde de stat.

Indicele de clasă poate lua următoarele 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 raportată tolerată limită (exprimată în procente):

Valoarea convenţională Xc poate fi:

33

a) limita superioară a intervalului de măsurare Xlim la aparatele care au raportul care la extremitatea scării sau în afara ei şi limita superioară a intervalului de măsurare finită.

Exemple: ampermetru, voltmetru, wattmetrub) valoarea nominală a mărimii de măsurat pentru aparatele destinate să

măsoare în jurul unei valori nominale a mărimii de măsurat.Exemplu: frecvenţmetrele pentru măsurarea frecvenţei reţelei.c) Suma modulelor limitelor de măsurare - la aparatele având reperul zero în

interiorul scării. d) o valoare egală cu lungimea scării gradate Xc = L la aparatele cu scară

neliniară sau limita superioară a intervalului de măsurare infinită. Dacă raportarea se face la lungimea scării gradate, atunci sub cifra care indică clasa de precizie există un semn suplimentar.

Exemplu: fazmetre, ohmmetre.e) La o serie de aparate de aparate electrice de măsurare analogice

(contoare, transformatoare de măsură, rezistenţe decadice, etc.) eroarea absolută limită se determină în funcţie de valoarea măsurată

Observaţii:1) Pentru aparatele din aceste categorii clasa de precizie este înscrisă pe cadranul lor printr-un număr

2) Eroarea absolută limită este:

3) Valoarea reală X a mărimii de măsurat este cuprinsă în intervalul:

- Eroarea relativă cu care se face măsurarea mărimii X1 < Xlim este:

Simboluri pentru clase de precizie a aparatelor analogiceModul de exprimarea al erorii intriseci

Eroare totală Simbolul clasei de exactitate

Funcţie de valorarea măsurată

R = 2%

Funcţie de Xc = Xlim R = 0,5% 0,5Funcţie de lungimea scării gradate

R = 1,5%

Marcarea aparatelor de măsură analogice este prezentată în Anexa 3.

34

5. NORME DE TEHNICA SECURITAŢII MUNCII ŞI PSI

Problemele cu caracter organizatoric aferente activităţii de măsurare pot influenţa hotărâtor (direct sau indirect) producerea accidentelor de muncă sau a îmbolnăvirilor profesionale, a securităţii personalului şi a aparatelor (instalaţiilor).

Datorită acestui lucru, se va acorda o atenţie deosebită următoarelor elemente: controlul frecvent al condiţiilor la locul de muncă; controlul dotării instalaţiilor şi al aparatelor cu dispozitive de tehnica securităţii

muncii, precum şi a personalului, cu echipament şi materiale de protecţie, înainte de începerea lucrului;

organizarea locului de muncă şi a activităţii respective; asigurarea disciplinei în muncă; nu se va lucra cu mâinile ude şi nu se vor atinge părţile aflate sub tensiune, nu se vor efectua niciun fel de modificări asupra montajului, atâta timp cât

acesta se află sub tensiune; se vor utiliza echipamentul şi materialele de protecţie individuală.Este strict interzisă orice modificare a destinaţiei aparatului sau a utilajului, dacă

acestea contravin normelor şi regulamentelor în vigoare.Existenţa şi buna funcţionare a aparatelor de măsură şi control şi a dispozitivelor

de protecţia muncii fac parte din buna organizare a locului de muncă.La fiecare loc de muncă, vor fi afişate la loc vizibil instrucţiunile de protecţia

muncii şi de lucru, însoţite de schemele aparatelor şi ale utilajelor şi de instrucţiunile de folosire.

Responsabilii locurilor de muncă sunt obligaţi să asigure organizarea corespunzătoare a activităţii, la fiecare loc de muncă, în condiţii de securitate a personalului şi a aparatelor, prin:

verificarea bunei funcţionări a aparatelor şi a instalaţiilor, luând măsuri operative de remediere a deficienţelor;

verificarea modului în care se întreţin aparatele, instalaţiile şi legarea la pământ şi la nul a celor care pot produce accidente prin electrocutare;

instruirea corespunzătoare a personalului, verificarea cunoştinţelor acestora, menţinerea strictă a ordinii şi disciplinei;

repartizarea sarcinilor, îndrumarea şi controlul operaţiilor, asigurarea asistenţei tehnice permanente;

asigurarea iluminatului, a încălzirii şi a ventilaţiei în laborator.Personalul desemnat poate îndeplini lucrările de verificare numai după ce şi-a

însuşit temeinic următoarele cunoştinţe: regulamentul de ordine interioară a unităţii; legislaţia de protecţie a muncii în vigoare, aferentă activităţii respective; normele de protecţie a muncii, generale, şi cele specifice locului de muncă; instrucţiunile de lucru; noţiunile de prim-ajutor.Pentru a completa măsurile tehnice, de protecţie colectivă, luate în laboratorul de

metrologie, este necesar să se utilizeze echipamentul şi materialele de protecţie.Distanţele de transport manual nu vor depăşi 60 m. Înălţimea maximă la care se pot

ridica manual pe verticală sarcinile maxime admise este de 1,5 m.

Norme de prevenire şi stingere a incendiilor

35

Respectarea normelor P.S.I. este obligatorie pentru întreg personalul din instituţii, întreprinderi, ateliere etc.

Pentru aceasta, este necesar ca fiecare loc de muncă să fie dotat cu aparatură de stins incendii, formată din: stingătoare de incendiu, furtune de incendiu prevăzute cu ajutaje, rastele cu unelte P.S.I. (găleţi, lopeţi, târnăcoape). Personalul de la locul respectiv de muncă este obligat să cunoască locul de amplasare al aparaturii din dotare şi funcţionarea acestuia.

La fiecare loc de muncă, trebuie să fie afişat un plan de evacuare în caz de incendiu. În planul de evacuare sunt stabilite atribuţiile personalului în caz de incendiu şi schema de evacuare.

Pentru prevenirea incendiilor sunt interzise: blocarea căilor de acces; depozitarea de produse (materiale) inflamabile în locuri special neamenajate; improvizaţiile de natură electrică; folosirea materialelor P.S.I. în alte scopuri; utilizarea focului deschis în locuri neamenajate sau interzise; folosirea produselor petroliere pentru degresarea, spălarea pieselor, aparatelor; fumatul în locuri neamenajate; executarea de lucrări de întreţinere, reparaţii etc. la instalaţiile electrice de către

personal neautorizat.

ATENŢIE!Este interzisă spălarea mâinilor sau a pieselor cu benzină.

36

6. BIBLIOGRAFIE

1. Cociuba, P. , ş.a. – Metrologie aplicată – Lucrări de laborator, Editura Economică Preuniversitaria, Bucureşti, 2001

2. Cosma, D., ş.a. - Electromecanică. Laborator de bazele metrologiei. Manual pentru anul I Şcoala de Arte şi Meserii – domeniul electromecanică, Editura Economică Preuniversitaria, Bucureşti, 2003

3. Isac, E. – Măsurări electrice şi electronice, manual pentru clasele X-XII, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1991

4. Mareş, Fl., ş.a. - Solicitări şi măsurări tehnice. Laborator tehnologic. Auxiliar curricular pentru clasa a X-a, liceu tehnologic – profil tehnic, Editura Economică Preuniversitaria, Bucureşti, 2001

5. Millea, A. – Cartea metrologului. Metrologie generală – Editura Tehnică, Bucureşti, 1985

6. Millea, A. – Măsurări electrice. Principii şi metode – Editura Tehnică, Bucureşti, 1980

7. Mirescu, S.C., ş.a. - Laborator tehnologic. Lucrări de laborator şi fişe de lucru. Vol. I şi II, Editura Economică Preuniversitaria, Bucureşti, 2004

8. Nicolau, E., Beliş M. – Măsurări electrice şi electronice – Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1972

9. Pop, E., ş.a. – Tehnici moderne de măsurare – Editura Facla, Timişoara, 198310.Tănăsescu, M., Gheorghiu T., Gheţu, C. – Măsurări tehnice, manual pentru

clasa a X a, Editura ARAMIS, Bucureşti, 2005

37

ANEXE

38