Unitatea de nvare nr.3:Dispozitivul de masurare feromagnetic. Dispozitivele de msurare

electrodinamic si ferodinamic

Cuprins:3.1.Dispozitivul de masurare feromagnetic.

3.1.1 Construcia aparatelor feromagnetice de repulsie.3.1.2 Relaii de funcionare.3.1.3 Aparate feromagnetice cu rezonan (Frecvenmetre cu lamele vibrante)3.1.4 Logometre feromagnetice3.1.5 Domenii de utilizare.

3.2. Dispozitivele de msurare electrodinamic si ferodinamic3.2.1 Construcia aparatelor electrodinamice3.2.2 Relaii de funcionare3.2.3 Aparate ferodinamice3.2.4 Logometre electrodinamice (ferodinamice)

Obiective:La sfritul acestei uniti de nvare, studenii vor fi capabili:- s enumere componentele i s definesc relaiile de funcionare pentru aparatele

feromagnetice de repulsie;- s cunoasc elementele i principiile de funcionare pentru aparate feromagnetice cu

rezonan i logometre feromagnetice ;- s enumere componentele i s definesc relaiile de funcionare pentru dispozitivele

de msurare electrodinamic si ferodinamic;- s cunoasc elementele i principiile de funcionare pentru logometre

electrodinamice (ferodinamice).

3.1.Dispozitivul de masurare feromagneticAparatele feromagnetice (sau electromagnetice) au dispozitivul motor constituit dintr-

o bobin fix i una sau mai multe piese feromagnetice dispuse astfel nct acestea s se aflesub aciunea cmpului magnetic produs de bobin, atunci cnd aceasta este parcurs de curent.Dup sensul forei ce acioneaz asupra sistemului mobil dispozitivele feromagnetice pot fi:

a) cu atracie, la care piesele feromagnetice sunt atrase n interiorul bobinei;b) cu repulsie, la care piesele feromagnetice se resping ntre ele.3.1.1Construcia aparatelor feromagnetice de repulsie n compunerea lor intr o

bobin 6, de form cilindric, n interiorul creia se afl dou piese feromagnetice 1 i 2,dintre care piesa 2 este fixat de carcasa bobinei, iar cealalt 1 este mobil, fiind prins deaxul dispozitivului. Cuplul activ apare datorit respingerii pieselor feromagnetice care sepolarizeaz magnetic identic atunci cnd prin bobin trece curentul de msurat. Forele

magnetice de repulsie acioneaz ntr-un plan perpendicular i excentric fa de ax,determinnd cuplul activ Ma de rotaie al organului mobil. Cuplul rezistent este creat de unsingur resort spiral sau benzi tensionate, n funcie de precizia aparatului.

1 pies feromagnetic fix2 - pies feromagnetic mobil3 bobin fix4 resort spiralat5 contragreuti

Fig. 1 Aparat electromagnetic cu repulsien ultimul timp au aprut i aparate care folosesc concomitent att efectul de atracie, ct i celde repulsie. Avantajele acestor construcii constau n creterea cuplului activ i condiii maifavorabile de uniformizare i extindere a scrii pn la 240....270.

Pentru mrirea sensibilitii se construiesc i aparate de repulsie cu suspensie pe firetensionate i dispozitiv optic de citire.

3.1.2 Relaii de funcionareRelaiile de funcionare sunt aceleai pentru ambele tipuri, ntruct cuplul activ se

bazeaz pe fore generate pe aceeai cale i care, fie c sunt de atracie, fie c sunt de repulsie,acioneaz n sensul creterii energiei magnetice Wm .

Energia magnetic Wm are expresia:2

m LI21W

unde L este inductivitatea proprie a bobinei, iar I curentul care o parcurge. n ipotezameninerii constante a curentului I, cuplul activ se deduce din variaia energiei magnetice nraport cu deviaia echipajului mobil.Astfel:

d

dLI21

ddWM 2

ctIm

a

Dac se consider cuplul rezistent antagonist dat de resortul spiral al aparatului: DM r

Atunci la echilibru se obine:0Dd

dLI21MM 2ra

din care rezult ecuaia de funcionare:2Id

dLD21

Relaia de mai sus indic faptul c deviaia a organului mobil fa de poziia de zeroeste dependent att de I2 ct i de variaia inductivitii L, care la rndul su depinde de .Prin urmare, sensibilitatea acestor aparate nu este constant pe ntreg domeniul, i nu se poateevalua dect sub forma diferenial:

ddL

dIdID2

1ddLID

1dIdS 2I

innd cont c variaia inductanei L n funcie de I se face prin intermediul lui rezult:

dId

dLdID2

1ddLID

1S 22

2I

Relaiile de mai sus arat c aparatele feromagnetice au n principiu o scarneuniform. Dac se admite c factorul d

dL poate fi fcut constant, scara va fi ptratic. Scara

poate fi ameliorat intervenind asupra factorului ddL , astfel nct s se modifice caracterul

ptratic i s se realizeze o uniformizare a gradaiilor pe o mare parte din ntinderea acesteia.Datorit dependenei cuplului activ de I2, aparatele feromagnetice nu au polaritate

fixat, sensul deviaiei este totdeauna acelai independent de sensul curentului prin bobin.Aparatele feromagnetice, ca o consecin a aceleiai proprieti, pot fi folosite i n

curent alternativ. ntr-adevr, dac prin bobin trece curentul alternativ sinusoidal: tsin2Iti ef

atunci nlocuind n ,

d

dLI21

ddWM 2

ctIm

a pentru un curent constantrezult un cuplu activ cu variaie sinusoidal a crui valoare instantanee va fi:

tsinIddLid

dL21m 22ef2ai

Deoarece frecvena proprie de oscilaie a organului mobil este Hz1fn , rezult cpentru frecvene f > 10...15 Hz organul mobil se va deplasa numai n funcie de valoareamedie a cuplului activ:

T0

22ef

T0 aimeda dttsinId

dLT1dtmT

1MEfectund integrala se deduce:

2efmeda Id

dL21M

Se obine deci un cuplu invariant n timp care determin poziia de echilibru staionar:2efId

dLD21

Relaia este similar cu aceea de funcionare n curent continuu i arat c n

curent alternativ se obine aceeai deviaie ca pentru curentul continuu I, dac Ief = I.Aceasta denot c acelai aparat poate fi utilizat att n curent continuu, ct i n curentalternativ, fr a implica scri sau etalonri diferite.

3.1.3 Aparate feromagnetice cu rezonan (Frecvenmetre cu lamele vibrante)

Frecvenmetrul cu lamele vibrante este un aparat de tip feromegnetic. Acesta are douvariante constructive: cu acionare direct i cu acionare indirect (fig.2). n ambele variante

l electromagnetul se alimenteaz cu tensiuneaalternativ (U~) a crui frecvena f se msoar.

2 traversa este fixat de carcasa aparatului prinlamelele elastice (3). De traversa (2), ce poate oscila, estefixat plcua feromagnetic (4), ea constituind armturaaparatului,

5 lamelele vibrante confecionate din oel.Alimentnd cu curentul i bobina electromagnetului,

acesta va atrage i respinge plcua (4), deci ea va oscila.Oscilaiile prin intermediul traversei (2) se vor transmitelamelelor (5), ntruct fora portant a electromagnetului esteproporional cu ptratul curentului i, rezult c oscilaiileplcii (4) vor fi de frecven dubl fa de frecvena curentului(f=2fx). Lamela a crei frecven proprie este 2fx va intra nrezonan, avnd amplitudinea de vibraie maxim,difereniindu-se astfel de celelalte lamele.

Fig.2Pe partea frontal a aparatului se pot observa amplitudinile maxime ale lamelelor vibrante; sevor vedea capetele acestor lamele, vopsite n alb. n dreptul capetelor lamelelor este scrisvaloarea frecvenei (fx) corespunztoare. Aceste aparate se construiesc pentru frecveneindustriale, %10Hz50 , adic cu domeniul ntre 45 i 55 Hz, lamelele fiind acordate pentrufiecare 0,5 Hz.

3.1.4 Logometre feromagnetice1. Logometrul feromagnetic se compune din dou bobine b1, i b2 fixe, strbtute de

curenii i1 i i2 i dou palete mobile (piese din fier moale) fixate pe acelai ax la echipajuluimobil.

2. Logometrul feromagnetic poate fi realizat i cu un singur miez (pies din fier moale)care este atras sau orientat n cmpul magnetic creat de curenii i1 i i2 (fig.3).

a Fig.3 b

Prin construcie, cele dou cupluri active M1 i M2 acioneaz n sensuri opuse asupraaparatului. Valorile lor trebuie s fie diferite de unghiul de deviaie al echipajului mobil alaparatului, condiie ce se asigur prin forme adecvate i poziii iniiale corespunztoare alepieselor din fier moale fa de bobinele fixe. La echilibru se obine o deviaie dat de expresia:

21iif

adic deviaia echipajului mobil este o funcie neliniar a raportului celor doi cureni ceparcurg spirele celor dou bobine fixe ale logometrului feromagnetic.

3.1.5 Domenii de utilizare. Aparatele feromagnetice se caracterizeaz printr-un consum propriu mai mare

dect al celorlalte tipuri de aparate electrice de msurat, ajungnd pn la valori de 0,5.....5VA.

Capacitatea de suprancrcare a aparatelor feromagnetice este ridicat, dat fiindbobina fix care poate fi dimensionat i rigidizat astfel ca s reziste la valori mari de curenide oc sau n regim prelungit.

Prin construcia rezistent la ocuri i vibraii i prin capacitatea desuprancrcare sporit, aparatele feromagnetice sunt printre cele mai robuste i sigure nfuncionare. innd seama de calitile menionate i de costul sensibil mai redus dect alcelor magnetoelectrice, aparatele feromagnetice se utilizeaz n primul rnd ca aparateindustriale de msurat de clase 1; 1,5; 2,5. Ca aparate de laborator se ntlnesc uzual aparateferomagnetice de clas 0,5 i prin soluii constructive speciale se realizeaz i de clase 0,2.

3.2. Dispozitivele de msurare electrodinamic si ferodinamic n construciaaparatelor electrodinamice intr o bobin mobil i o bobin fix. Atunci cnd acestea suntparcurse de cureni, apar fore electrodinamice care creaz cuplul activ.

Dup cum n circuitul magnetic al bobinelor se folosesc sau nu piese feromagnetice,dispozitivele se numesc electrodinamice, respectiv ferodinamice. n funcie de natura cupluluirezistent, dispozitivele se divid n:a) dispozitive electrodinamice simple (cu cuplu rezistent mecanic);b) logometre (cuplu rezistent electric).

Dup spectrul cmpului magnetic, dispozitivele electrodinamice se divid n:a) dispozitive electrodinamice cu cmp uniform;b) dispozitive electrodinamice cu cmp radial.

3.2.1 Construcia aparatelor electrodinamiceCele dou seciuni ale bobinelor fixe 1, dispuse coaxial la o anumit distan care

delimiteaz un spaiu n care se rotete bobina mobil 2, fixat pe axul 3 perpendicular pedirecia cmpului magnetic produs de bobinele fixe. Pe ax se mai afl fixate dou resoartespirale 4 pentru producerea cuplului rezistent i pentru aducerea curentului la bobina mobil,acul indicator 5 prevzut cu dou contragreuti de echilibrare 6 i paleta 7 a dispozitivului deamortizare pneumatic.

Fig.5 Construcia aparatelor electrodinamiceDiametrele medii ale seciunilor bobinei fixe D, al bobinei mobile d i distana l ntre

ele au valori optime din punctul de vedere al obinerii cmpului radial atunci cnd suntsatisfcute rapoartele:

62,0Dd i 37,0D

l Aparatele electrodinamice de mare sensibilitate i precizie au bobina mobil

suspendat pe fire tensionate i sunt prevzute cu dispozitiv optic de citire a deviaiilor.

3.2.2 Relaii de funcionareFuncionarea n curent continuu. Dac prin seciunile bobinei fixe legate n serie

trece cu curent continuu I1, i prin bobina mobil un curent I2, forele electrodinamice careapar tind s roteasc bobina mobil ctre poziia n care fluxul su ar coincide ca direcie cucel produs de bobinele fixe, poziie n care energia magnetic a dispozitivului motor estemaxim.

Pentru a obine expresia cuplului activ se pleac de la energia magnetic Wm care estedat de relaia:

2112222

211m IILIL2

1IL21W

n care L1 i L2 sunt inductivitile proprii ale bobinelor fix i mobil, iar L12 esteinductivitatea mutual dintre acestea.

Cuplul activ se deduce din derivata energiei Wm n raport cu deplasarea a organuluimobil. Admind c cei doi cureni se menin constani i observnd c inductivitile propriiL1 i L2 ale bobinelor nu depind de , singurul factor care variaz este inductivitatea mutualL12, dependent de poziia relativ a bobinei mobile fa de cea fix.

Rezult astfel:21

12ma IId

dLddWM

Din ecuaia de echilibrare a cuplului activ cu cel rezistent dat de resoartele spirale seobine relaia de funcionare a aparatelor electrodinamice.

ddLIID

1 1221

Inductivitatea mutual L12 i variaia ei cu sunt determinate de dimensiunile iforma bobinelor, precum i de poziia lor reciproc.

Funcionarea n curent alternativAparatele electrodinamice pot fi utilizate i n curent alternativ. Considernd curenii

sinusoidali, tsin2Ii ef11 prin bobina fix tsin2Ii ef22 prin cea mobil,

cu frecvena T1

2f mai mare dect frecvena proprie de oscilaie a organului

mobil Hz21fn , deviaia va rezulta din aciunea cuplului activ mediu: cosIIddLdtiiddLT1dtmT1M ef2ef11221

T0

12T0 aimeda

Din valoarea dedus pentru cuplul mediu se gsete deviaia n curent sinusoidal: cosIId

dLD1

ef2ef112

sau mai general: 21ef2ef112 IIcosIId

dLD1

Relaia de mai sus arat c deviaia n curent alternativ sinusoidal este similar cu

cea n curent continuu, dac valorile eficace sunt egale cu cele ale curenilor continui idefazajul 0 .

3.2.3 Aparate ferodinamiceSunt aparate similare cu cele electrodinamice att ca structur, ct i ca relaii de

funcionare. Deosebirea este de natur constructiv i const n aceea c bobina fix i ceamobil sunt prevzute cu miezuri feromagnetice.

Circuitul magnetic are forma asemntoare celor prezentate la aparatelemagnetoelectrice. Prezena miezului feromagnetic face ca inducia B1 s fie mult mai maredect la aparatele electrodinamice, avnd bobina fix cu acelai numr de spire. Caurmare, cuplul activ este mult mai mare (10-25 ori). Astfel, ele pot funciona cu un consumde putere mai redus i n acelai timp sunt mai robuste. Circuitul magnetic asigur totodat oecranare a bobinei mobile i prin aceasta o protejare mpotriva influenei cmpurilormagnetice externe. Miezul feromagnetic atrage dezavantaje privind precizia. n curentcontinuu, apar pierderi prin histerezis. n curent alternativ, apar erori provocate de inducereade cureni turbionari. Din cauza acestor erori suplimentare, aparatele ferodinamice sunt deprecizie inferioar celor electrodinamice. Ele sunt utilizate mai ales n aplicaii industriale caaparate de panou de clasa: 1; 1,5; 2,5. Aceste precizii n curent alternativ sunt asigurate pentrufrecvena de 50 Hz.

Cmpul magnetic fiind radial i uniform, rezult prin analogie cu expresia obinut ladispozitivul magnetoelectric urmtoarele relaii pentru Ma n curent continuu:

212a IKINBAIM unde: N numrul de spire al bobinei mobile;

I2 curentul din bobina mobil;A aria activ a bobinei mobile;B K1I1, este inducia magnetic considerat proporional cu I1 care o produce;K = NAK1, este o constant constructiv.

Fig.6 Dispozitiv ferodinamic1 bobina fix; 2 bobina mobil; 3 miez feromagnetic

n curent alternativ, datorit ineriei sale, sistemul mobil se deplaseaz sub aciuneacuplului activ mediu care are expresia: 212122medaa IIcosIKIIBcosNABIMM aproape aceeai ca n cazul dispozitivelor electrodinamice cu cmp radial.

3.2.4 Logometre electrodinamice (ferodinamice)El se compune din dou sisteme de bobine, unul fix (l-1) cu sau fr miez de fier i

altul mobil realizat la rndul su tot din dou bobine (2-2) dispuse sub un unghi. de 2/ unafa de alta. Bobinele mobile sunt parcurse de curenii I1 i I2 adui prin intermediul a doufire flexibile. Cele dou bobine creaz cuplurile M1 i M2 de sensuri opuse. Deci, asupraechipajului mobil vor aciona dou cupluri, unul activ i i altul rezistent.

Fig. 7 Logometru electrodinamic

cosIKI2sinIIKM 1111

sinKIIsinIIKM 2222unde K1 = K2 = K.

K reprezint o constant de proporionalitate (cmpul magnetic B este omogen,bobinele mobile sunt identice).

Echipajul mobil este n echilibru cnd cele dou cupluri devin numeric egale, adic: sinKIIcosKII 21

i astfel deviaia depinde de raportul curenilor ce parcurg cele dou bobine mobile:

21

21

IIfI

Itg

Logometrele electrodinamice sunt utilizate cel mai frecvent n curent alternativ (ncurent continuu au performane inferioare logometrelor magnetoelectrice).

Rezumat:Aparatele feromagnetice (sau electromagnetice) au dispozitivul motor constituit dintr-o bobin fix i

una sau mai multe piese feromagnetice dispuse astfel nct acestea s se afle sub aciunea cmpului magneticprodus de bobin, atunci cnd aceasta este parcurs de curent. Dup sensul forei ce acioneaz asupra sistemuluimobil dispozitivele feromagnetice pot fi:

a) cu atracie, la care piesele feromagnetice sunt atrase n interiorul bobinei;b) cu repulsie, la care piesele feromagnetice se resping ntre ele.Cuplul activ pentru cele cu repulsie apare datorit respingerii pieselor feromagnetice care se polarizeaz

magnetic identic atunci cnd prin bobin trece curentul de msurat. Forele magnetice de repulsie acioneazntr-un plan perpendicular i excentric fa de ax, determinnd cuplul activ Ma de rotaie al organului mobil.Cuplul rezistent este creat de un singur resort spiral sau benzi tensionate, n funcie de precizia aparatului.

Logometre feromagnetice1. Logometrul feromagnetic se compune din dou bobine b1, i b2 fixe, strbtute de curenii i1 i i2 i

dou palete mobile (piese din fier moale) fixate pe acelai ax la echipajului mobil.2. Logometrul feromagnetic poate fi realizat i cu un singur miez (pies din fier moale) care este atras

sau orientat n cmpul magnetic creat de curenii i1 i i2Dispozitivele de msurare electrodinamic si ferodinamic n construcia aparatelor electrodinamice

intr o bobin mobil i o bobin fix. Atunci cnd acestea sunt parcurse de cureni, apar fore electrodinamicecare creaz cuplul activ.

Dup cum n circuitul magnetic al bobinelor se folosesc sau nu piese feromagnetice, dispozitivele senumesc electrodinamice, respectiv ferodinamice. n funcie de natura cuplului rezistent, dispozitivele se divid n:a) dispozitive electrodinamice simple (cu cuplu rezistent mecanic);b) logometre (cuplu rezistent electric).

Dup spectrul cmpului magnetic, dispozitivele electrodinamice se divid n:a) dispozitive electrodinamice cu cmp uniform;

b) dispozitive electrodinamice cu cmp radial.Logometre electrodinamice (ferodinamice)El se compune din dou sisteme de bobine, unul fix (l-1) cu sau fr miez de fier i altul mobil realizat

la rndul su tot din dou bobine (2-2) dispuse sub un unghi. de 2/ una fa de alta. Bobinele mobile suntparcurse de curenii I1 i I2 adui prin intermediul a dou fire flexibile. Cele dou bobine creaz cuplurile M1 iM2 de sensuri opuse. Deci, asupra echipajului mobil vor aciona dou cupluri, unul activ i i altul rezistent.

Lucrare de verificare:1. Enumerai componentele i definii relaiile de funcionare pentru aparatele

feromagnetice de repulsie.2. Enumarai elementele i principiile de funcionare pentru aparate feromagnetice cu

rezonan i logometre feromagnetice .3. Enumerai componentele i definii relaiile de funcionare pentru dispozitivele de

msurare electrodinamic si ferodinamic.

Bibliografie :1. Tehnic, Bucureti, 19872. Manolescu, P., Ionescu-Golovanov, C., Msurri electrice i electronice, Editura

Didactic i Pedagogic, Bucureti, 19793. Iliescu, E., Brbulescu, D., Ionescu-Golovanov, C., Szabo, W., Szekely, I., Msurri

electrice i electronice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983

4. Dordea, R., Msurri electrice i electronice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti,1975

5. Ionescu, G., Msurri i traductoare, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 19856. Alecu, E., Gabril, Gh., Msurri electrice, Academia Militar, Bucureti, 19817. Braovan, I., Msurri electrice, Institutul Politehnic Traian Vuia, Timioara, 19768. Buciu, I., Iacob, T., Msurri electrice i magnetice, Academia Naval Mircea cel

Btrn, Constana, 19929. Pop, E., Chivu, M., Msurri electrice i magnetice, Institutul Politehnic Traian Vuia,

Timioara, 196910. Ionescu, G., .a., Traductoare pentru automatizri industriale, vol.I, Editura Tehnic,

Bucureti, 198511.Mihoc, D., Ceparu, M., .a., Teoria i elementele sistemelor de reglare automat, Editura

Didactic i Pedagogic, Bucureti, 198012. Ignea, A, Stoiciu, D., Msurri electronice, senzori i traductoare, Editura Politehnica,

Timioara, 2007