COLEGIUL TEHNIC „ION CREANGĂ” TG. NEAMŢ

LUCRARE DE SPECIALITATEPENTRU OBŢINEREA CERTIFICATULUI DE COMPETENŢĂ

PROFESIONALĂ

FINALITATEA : TEHNICIAN ELECTRICIAN ELECTRONIST AUTO SPECIALIZARE :

ÎNDRUMĂTOR: CANDIDAT: PROF. ZAMA CRISTI BORDEANU LARISA

2012

PUNTI DE MASURARE

Capitolul I. Argument

Tema proiectului meu „ Punti de Masurare” face parte integranta din domeniul pregatirii mele profesionale si anume Tehnician Electrician Electronist Auto. In cei patru ani de studiu am elaborat intreaga gama de module de pregatire in domeniu insa cel mai mult m-a atras modulul care are o larga aplicabilitate in domeniul Tehnic. In cadrul elaborarii proiectului meu a trebuit sa-mi exting aria de cunostinte studiind bibliografia recomandata de coordonator , fapt ce imi permite o pregatire profesionala mai buna , proiectul meu avand aplicabilitate in multe domenii ale Tehnicii .Tema aleasa este structurata in capitole abordate separat ca parti distincte. Contributia personala privind elaborarea proiectului consta in selectarea informatiilor tehnice specifice specializarii , structurarea pe capitole a acestora. Lucrarea prezinta in mod sinetetic si actualizat sub forma unor scheme principalele aspecte, importanta si rolul.

CuprinsCapitolul I. ArgumentCapitolul II. 1.Introducere

1.1.Metoda puntilor de masura1.2.Metoda Punţii Varley1.3.Punti Wheatstone echilibrate1.4.Punti pentru masurarea rezistentelor electrice mici1.5.Punti pentru masurarea rezistentelor electrice mari1.6.Punti neechilibrate1.7.Puntea de zgomot

2.Circuitele in punte2.1.Puntea Wheatstone2.2.Puntea Thomson (puntea Kelvin dublă)

Capitolul III. BibliografieCapitolul IV. Anexe

1.Introducere

Circuitele în punte se folosesc de un detector de nul pentru a compara două tensiuni. Principiul este asemănător unei balanţe de laborator ce compară două greutăţi pentru a indica egalitatea lor. Spre deosebire de circuitul „potenţiometric” utilizat pentru a măsura pur şi simplu o cădere de tensiune necunoscută, circuitele în punte pot fi folosite pentru a măsura o varietate de mărimi electrice, una din ele fiind rezistenţa.Masurarea rezistentelor cu metode de puntePuntea simpla (Wheatstone) Puntea simpla este folosita pentru masurarea cu precizie buna a rezistentelor cu valori cuprinse intre 1 W si 10 MW. Precizia de masurare este in mod uzual de 0,2 % din valoarea masurata. Schema de principiu a puntii simple este prezentata in fig. 9.6.

Fig. 9.6. Schema de principiu a puntii simple de curent continuu.

Puntea simpla reprezinta o retea inchisa, formata din patru laturi, patru noduri si doua diagonale.

Punctele A si B determina diagonala de alimentare, in timp ce punctele C si D definesc diagonala de masurare in care este conectat galvanometrul folosit ca indicator de nul in c.c.Curentul ce strabate diagonala de masurare Ig are expresia data de teorema generatorului echivalent de tensiune.

(9.9)

(9.10)

(9.11)

(9.12)unde: -UCD0 - tensiunea intre punctele C si D la mersul in gol;-Rg - rezistenta galvanometrului; -Rech - rezistenta echivalenta a puntii, intre punctele C si D, la mersul in gol.

Puntea simpla de curent continuu se poate folosi in doua regimuri de lucru:a) regimul dezechilibrat apare in cazul in care curentul prin galvanometru nu este zero. Acest regim de lucru permite masurarea marimilor care pot influenta valoarea unei rezistente.b) regimul echilibrat este folosit pentru masurarea rezistentelor.

In cazul in care puntea este echilibrata se obtine Ig=0 , adica UCDO= 0 , de unde conditia de echilibru devine:

(9.13) Se observa ca relatia de echilibru este independenta de tensiunea de alimentare si de parametrii galvanometrului folosit. Pentru echilibrarea puntii este necesar ca cel putin unul dintre rezistoarele

R2, R3, R4 sa fie reglabil. De obicei raportul se alege de forma 10k, iar R3 este un rezistor decadic. Sunt doua moduri de echilibru a puntii:

1) se pastreaza constant raportul si se regleaza R3, acest mod fiind utilizat in cazul puntilor de laborator de precizie ridicata;

2) se pastreaza constanta valoarea rezistentei R3 si se regleaza raportul , acest mod intalnindu-se mai ales la puntile industriale. Precizia masurarii unei rezistente cu o punte simpla depinde de precizia de cunoastere a rezistentelor R2, R3, R4 si de sensibilitatea puntii. Convertoare rezistenta – tensiune

O imbunatatire a preciziei de masurare in comparatie cu cea oferita de ohmmetrele simple reprezinta realizarea convertoarelor rezistenta-tensiune ce permit obtinerea la iesire a unei tensiuni continue proportionale cu rezistenta de masurat. O varianta de convertor rezistenta tensiune este prezentata in fig. 9.7. in care sursa de curent de referinta injecteaza un curent I0constant prin rezistenta necunoscuta Rx. Amplificatorul A cu rezistenta foarte mare de intrare are aplicata la intrare caderea de tensiune de la bornele rezistentei Rx.

(9.14) Tensiunea u2 va fi proportionala cu tensiunea u1:u 2 = A×u1 = A×I0 ×Rx = K×Rx (9.15)respectiv cu rezistenta Rx. Gamele de masurare se pot modifica prin schimbarea curentului I0sau prin modificarea coeficientului de amplificare A.

Fig. 9.7. Convertorrezistenta tensiune

Rezistenta Rx s-a prevazut cu patru borne aa'si bb' pentru a evidentia faptul ca la borna b' pot inter-veni rezistentele parazite de contact in cazul in care se masoara rezistentele din ce in ce mai mici. Volt-metrul din schema poate fi analogic sau numeric caz in care precizia de masurare poate creste considerabil. Pentru ohmmetrele digitale se prefera o schema de convertor rezistenta-tensiune cu performante ridicate care elimina influenta rezistentelor de contact, fig. 9.8.

Sunt utilizate doua amplificatoare operationale: AO1 ce are in bucla de reactie rezistenta Rx conectata in serie cu rezistentele de precizie R0 respectiv AO2 ce asigura ca punctele a' si c sa fie echipotentiale eliminand influenta rezistentei de contact ce apare la borna b'. Rezistenta de contact de la borna b poate fi neglijata daca rezistentele R0 sunt suficient de mari. Daca amplificatoarele operationale sunt considerate ideale sunt valabile relatiile:

; ; (9.16)

Fig. 9.8. Schema convertoruluirezistenta - tensiune performant

din care rezulta relatia de legatura dintre tensiunea de iesire U2 si rezistenta Rx.

(9.17) Schema permite realizarea a mai multor game de masurare prin modificarea constantei K adica a rezistentelor R0 respectiv a raportului rezistentelor R1 si R2. Masurarea parametrilor de circuit R,L,C utilizand puntile de c.a. Generalitati despre punti de c.a

Schema generala a unui punti de c.a. este prezentata in figura 9.9.

Fig. 9.9. Puntea de curent alternativ.

In bratele puntii sunt conectate impedantele Zx, Z2, Z3 si Z4, iar prin echilibrarea puntii urmeaza sa se masoare parametrii impedantei Zx . Diagonala AB la care se conecteaza tensiunea de alimentare Ua se numeste diagonala de alimentare, iar diagonala CD, la care se conecteaza indicatorul de nul IN, se numeste diagonala de masurare. Alimentarea puntilor de c.a. se realizeaza folosind tensiuni sinusoidale cu frecvente incepand cu zeci de Hz (in general diferite de 50Hz sau de primele armonici ale acesteia) pana la frecvente de ordinul a 1000Hz. Nu se folosesc frecvente mai mari din cauza capacitatilor parazite care apar intre impedante, respectiv intre impedante si masele conductoare din jur.Indicatoarele de nul sunt in momentul de fata voltmetre electronice selective cu o anumita frecventa centrala sau acordabile pe o frecventa dintr-o anumita banda de frecventa. Considerand impedanta sursei de alimentare nula si impedanta indicatorului de nul infinita se poate scrie valoarea tensiunii de dezechilibru ce apare in diago-nala de masurare:

(9.18) Puntea se gaseste la echilibru daca tensiunea din diagonala de masurare este zero, ceea ce implica:

(9.19) Din relatia de mai sus rezulta posibilitatea masurarii unui impedante necunoscute, conectata intr-un brat al puntii, independent de valoarea tensiunii de alimentare, daca se cunosc impedantele din celelalte brate ale puntii. Relatia (9.19) scrisa in complex este echivalenta cu indeplinirea simultana a doua conditii scrise in domeniul real.

Daca scriem impedantele sub forma: , relatia (9.28) devine: Rx R4 - R2 R3 = Xx X4 -X2 X3 (9.20)

Rx X4 - R4 Xx = R2 X3 -R3 X2 (9.21)

Daca scriem impedantele sub forma: conditia de echilibru data de relatia (9.19) devine:Zx × Z4 = Z2 × Z3 (9.22)jx ×j4 = j2× j3 (9.23) Relatiile (9.20), (9.21), (9.22) si (9.23) sunt in general complicate si procesul de echilibrare realizat pe baza lor ar fi extrem de laborios. In plus, in relatii intervine si frecventa, ceea ce implica o masurare in plus. De aceea se cauta simplificarea configuratiei puntii pe de o parte si eliminarea frecventei din relatiile de echilibru pe de alta parte. Din relatia (9.23) rezulta ca numarul minim de reactante care trebuie sa ramana in punte este de doua, in celelalte doua brate ale puntii putand exista rezistente pure.

In concluzie pentru obtinerea conditiei de echilibru, la puntile de c.a. sunt necesare doua elemente reglabile, care pot fi rezistente si (sau) reactante.

Exista doua tipuri de punti de curent alternativ: a) Punti de raport, care contin in doua brate adiacente diagonalei de alimentare rezistente pure. De exemplu, pentru puntea din fig. 9.10

considerand = R3 si = R4 , se obtine:

(9.24)

Pentru ca in relatia de mai sus sa nu intervina frecventa este necesar ca

si sa fie de aceeasi natura (ambele capacitive sau ambele inductive). b) Punti de produs, care au in compunere doua brate opuse rezistive.

Consideram ca exemplu cazul = R2 si = R3. In aceste conditii, la echilibru se obtine:

(9.25) Eliminarea frecventei din conditia de echilibru presupune ca

impedantele si sa fie de natura diferita. Configuratii de punti pentru masurarea capacitatilor si inductivitatilor

Pe baza relatiilor de mai sus se obtin urmatoarele configuratii de punti:Puntea din fig. 9.10 (Sauty serie) este folosita pentru masurarea condensatoarelor cu

pierderi mici (la care se prefera schema echivalenta serie), iar puntea din fig. 9.11 (Sauty paralel) pentru masurarea condensatoarelor cu pierderi mari (la care se prefera schema echivalenta paralel).

Fig. 9.10. Puntea Sauty serie. Fig. 9.11. Puntea Sauty paralel. Relatiile de echilibru pentru puntile din fig. 9.10 si fig. 9.11 sunt:

(9.26)

(9.27) (9.28)unde este tangenta unghiului de pierderi al condensatorului masurat. Puntea Maxwell-Wien (fig. 9.12) este indicata pentru masurarea inductivitatilor cu factor de calitate mic sau mijlociu, in timp ce puntea Hay (fig. 9.13) este folosita pentru bobine cu factor de calitate mare. Relatiile de echilibru pentru puntile din fig. 9.12 si fig. 9.13 sunt:

(9.29) Lx = R2 R3 C4 (9.30)

(9.31)unde Qx este factorul de calitate al bobinei.

Fig. 9.12. Puntea Maxwell -Wien. Fig. 9.13. Puntea Hay.

Clasificari ale puntilor de masurare:

a) dupa modul de lucru: -ß punti echilibrate: -ß semiechilibrate; -ß punti dezechilibrate.

b) dupa regimul de alimentare: -ß punti de curent continuu; -ß punti de curent alternativ.

1.1.Metoda puntilor de masura

Metoda punţilor de măsură se utilizează în vederea detectării defectelor în cablurile cu perechi de conductoare. Pentru aplicarea ei este necesar să fie îndeplinite următoarele condiţii:să se cunoască natura deranjamentului;să existe pe cablu defect 2 puncte care să încadreze locul defect şi să fie accesibile efectuării măsurătorilor electrice; circuitele şi conductoarele care urmează să se măsoare să fie omogene din punct de vedere electric; valoarea rezistenţei de trecere să fie cât mai mică şi invariabilă.

De asemenea se mai impun următoarele măsuri:Pentru micşorarea curenţilor de polarizare, înaintea începerii măsurărilor electrice de localizare a defectelor, se pun la pământ, la ambele extremităţi ale cablului deranjat, toate firele cablului, câteva minute;Firele şi perechile, care nu intră în constituirea schemei electrice de măsurare, se pun la pământ până la terminarea măsurărilor de localizare;Pentru asigurarea omogenităţii firelor care intră în constituirea schemei de măsurare, firul de întoarcere al curentului va fi realizat prin scurtcircuitarea la ambele extremităţi a cablului deranjat.

Metoda punţii Muuray este una din metodele cele mai simple şi eficace. Ea prezintă şi avantajul că dacă în cablul deranjat nu se mai găseşte niciun fir bun pentru a îndeplini condiţia de izolament impusă, se poate folosi ca fir de întoarcere orice conductor exterior cablului deranjat, dacă acesta îndeplineşte condiţia respectivă.Această metodă se utilizează când distanţa până la locul deranjamentului este mică şi rezistenţa buclei circuitului cu defect nu depăşeşte 100Ω. Metoda punţii Muuray constituie o metodă cu raport variabil a rezistoarelor A şi B din braţele punţii. Ea prezintă două variante: metoda punţii Muuray cu fir bun şi metoda punţii Muuray cu fir auxiliar. Metoda punţii Muuray cu fir bun presupune folosirea ca fir de întoarcere a unui fir dintr-un alt cablu instalat paralel cu cablul deranjat.Identificarea elementelor de circuit ale punţii:

-E = tensiunea electromotoare a sursei;-A1, B1 = rezistoare cu rezistenţe variabile;-l1 = distanţa de la extremitatea 1 a cablului până la defect;-l2 = distanţa de la extremitatea 2 a cablului până la defect;-R1 = rezistenţa firului până la deranjament (indicele 1 arată că

măsurătorile s-au efectuat de la extremitatea 1 a cablului deranjat);-R2 = rezistenţa firului de la extremitatea 2 până la deranjament;-Rp = rezistenţă pentru protejarea sursei de alimentare;-Rb = rezistenţa buclei;-G = galvanometru. Echilibrarea punţii se face modificând valoarea elementelor de circuit

variabile până când galvanometrul va indica valoarea zero. Din condiţia de echilibru: B1R1 = A1(R2 + Rb/2) (1)rezultă caracteristicile punctului de defect R1 şi l1 (vezi relaţiile de mai jos)

(2)

1.2.Metoda Punţii Varley

Puntea Varley se utilizează când linia este mai lungă, rezistenţa buclei Rb este peste 100Ω, locul deranjamentului de izolaţie este îndepărtat şi există un conductor auxiliar cu izolament bun.

Identificarea elementelor de circuit ale punţii:E = tensiunea electromotoare a sursei;A1, B1= rezistoare cu rezistenţe fixe;

r01 = rezistor cu rezistenţă variabilă care este montat în serie cu porţiunea de până la locul deranjamentului; R1 = rezistenţa firului până la deranjament (indicele 1 arată că măsurătorile s-au efectuat de la extremitatea 1 a cablului deranjat);R2 = rezistenţa firului de la extremitatea 2 până la deranjament;Rp = rezistenţă pentru protejarea sursei de alimentare;Rb = rezistenţa buclei;l1 = distanţa de la extremitatea 1 a cablului până la deranjament;l2 = distanţa de la extremitatea 2 a cablului până la defect;G= galvanometru.

Echilibrarea punţii se face modificând valoarea elementelor de circuit variabile până când galvanometrul va indica valoarea zero. Din condiţia de echilibru:B1 (R1 + r01) = A1 (R2 + Rb/2) (3) rezultă caracteristicile punctului de defect R1 şi l1 (vezi relaţiile 4)

(4)

(5) unde: p1 = A1/B1

MASURAREA REZISTENTEI ELECTRICE PRIN METODE DE PUNTE

Una din cele mai raspândite metode de laborator de masurare a rezistentelor este puntea de curent continuu, aceasta datorita faptului ca prin ea se pot masura rezistente cu valori de la 10-6 la 1010 cu precizii de la 1% la 2% în cazul puntilor simple, portabile, pâna la 0,001% în cazul unor punti de laborator speciale.Puntile de curent continuu pot fi clasificate astfel:-punti pentru masurarea rezistentelor de valori medii (puntea Wheatstone);-punti pentru masurarea rezistentelor de valori mici (punti Thomso -punti pentru masurarea rezistentelor de valori mari (variante ale puntii Wheatstone).

1.3.Punti Wheatstone echilibrate

Puntea Wheatstone se compune din patru brate rezistive, o diagonala de alimentare în care se conecteaza sursa si o diagonala detectoare în care se conecteaza aparatul de masurat .

Variind rezistentele puntii, se poate obtine ca prin aparatul indicator curentul sa fie zero, adica puntea sa fie "echilibrata", ceea ce înseamna ca tensiunile la bornele rezistentelor R1 si R2 , respectiv R4 si R3 sunt egale doua câte doua: R1I1=R2I2 si R4I1=R3I2, de unde rezulta:

Relatia aceasta constituie conditia de echilibru a puntii Wheatstone si permite determinarea uneia dintre rezistente, de exemplu R4=Rx, când sunt cunoscute celelalte trei.

Aceasta relatie este independenta de tensiunea electromotoare E si de rezistenta interna a surseiRi, de sensibilitatea si de rezistenta interna a indicatorului de nul (RIN).

Sensibilitatea puntii este afectata de toti factorii mentionati. Exista multe moduri de a exprima sensibilitatea puntii Wheatstone si a cauta maximul ei, în functie de marimile considerate ca limitative : tensiuni, curenti, puteri. O expresie generala a tensiunii de dezechilibru, în apropierea echilibrului este urmatoarea:

unde: ΔUABeste tensiunea de dezechilibru la bornele indicatorului de nul; E - tensiunea de alimentare a puntii; R4- abaterea rezistentei R4 de la valoarea de echilibru; Ri - rezistenta interna a sursei; RIN - rezistenta interna a indicatorului de nul;

Daca Ri→0 si RIN→∞ , ceea ce corespunde destul de bine situatiei în cazul puntilor cu indicator electronic, sensibilitatea este maxima daca bratele puntiisunt egale: R1=R3. În acest caz ΔUAB/E=0,25ΔR4/.R4, adica raportul dintre variatia tensiunii de iesire a puntii si tensiunea de alimentare este ¼ din variatia relativa a rezistentei de masurat. În toate celelalte cazuri valoarea acestui raport este mai mica.

Daca Ri=0 , dar RIN ≠∞ , se obtine sensibilitate maxima (putere maxima în indicatorul de nul) daca RIN=R1=R2 (conditie de adaptare). Daca puntea are brate inegale (R1≠R3), atunci pentru sensibilitatea maxima RIN trebuie sa fie egal cu rezistenta echivalenta a puntii între punctele de conectare a indicatorului de nul:

Schema practica a majoritatii puntilor Wheatstone utilizate în prezent este cea din figura 9,b. Conditia de echilibru este:

R1 si R2 fiind cunoscute sub denumirea de rezistente de raport si sunt rezistente variabile în decade (1+10+100+1000) care permit fixarea unui raport egal cu 10 -

3 la 103. Rezistenta R3 , zisa de comparatie, este tot variabila în decade, cu valori cuprinse între 10-1 si 105 .

Practic, echilibrul puntii Wheatstone se obtine fixând un raport constant între rezistentele R1 si R2 si variind rezistenta de comparative R3 , fie invers. Domeniul de masurare este limitat inferior la 1 , pentru ca sub aceasta valoare erorile de masurare cresc foarte mult datorita influentei rezistentelor conductoarelor de legatura si a rezistentelor de contact de la bornele de legare la punte a rezistorului de masurat. La valori ale rezistentei de masurare mai mari decât 1M eroarea creste peste limita admisa, pentru ca scade sensibilitatea din cauza reducerii curentilor I1 si I2 din laturile puntii.

1.4.Punti pentru masurarea rezistentelor electrice mici

În cazul masurarii rezistentelor cu valori mici (1 la 10-6 ), rezistentele de contact si cele ale conexiunilor fiind de acelasi ordin de marime ca si rezistenta de masurat, introduc erori importante la masurarea rezistentei cu puntea Wheatstone.

Rezistentele conexiunilor pot fi îndepartate aproape complet conectând rezistenta de masurat la bornele sursei si indicatorului de nul, în schimb pentru a elimina influenta rezistentelor de contact trebuie separata functia de "alimentare" de cea de "masurare", disociind bornele respective. Se ajunge astfel la rezistenta cu patru borne, reprezentata în figurile 10, a si b.Curentul dintre "bornele de curent" (AB) produce între "bornele de tensiune" (MM ') o cadere de tensiune ce poate fi utilizata într-un circuit de masurat. Prizele de tensiuni sunt construite din doua cutite paralele (fig. 10,b), care lasa în afara bornele de current (AB).

Potentialul cules la bornele (MM ') reprezinta strict caderea de tensiune de la bornele rezistentei de masurat si nu înglobeaza si caderile de tensiune pe rezistentele de contact (AB) ale curentului de alimentare. Prin acest procedeu se pot realize rezistente definite cu o eroare de o milionime.

Conectând o astfel de rezistenta într-o punte de tip Wheatstone, pentru a o masura, si comparând-o cu o rezistenta de acelasi tip, pentru a lucra la sensibilitatea maxima, se obtine puntea din figura 11 care, redesenata ca în figura 12 capata forma clasica a puntii duble Thomson (Kelvin). Specific acestei punti este conductorul de legatura dintre rezistoarele Rx si Re a carui rezistenta r trebuie sa fie cât mai mica (r<<Re).

Pentru echilibrarea puntii se fixeaza R1/R2=R3/R4, ceea ce presupune un cuplaj mecanic între R1 cu R3 si R2 cu R4 si este variata fie rezistenta etalon Re , fie rezistentele R1 si R3 simultan.Expresia rezistentei de masurat este asemanatoare cu cea obtinuta în cazul puntii Wheatstone:

Forma practica a puntii Thomson este reprezentata în figura 13. Rezistoarele R1=R3 sunt variabile în decade (cutii de rezistenta), iar R2=R4 sunt comutabile, cu valori de forma 10n ? . Folosind pentru Re tot valori multiplu de 10, valoarea citita pe indicatoarele lui R1 se multiplica simplu cu un factor multiplu de 10 pentru a obtine rezultatul masurarii.

Puntea Thomson are si avantajul ca prin Rx si Re poate avea loc un current relativ mare, pentru a se obtine o sensibilitate ridicata. În acelasi scop, indicatorul de nul trebuie sa aiba o sensibilitate în tensiune cât mai mare (rezistenta interna mica).Eroarea de masurare a rezistentelor cu puntea dubla Thomson poate fi mai mica decât 0,1%.

Cu puntea dubla se masoara rezistente mici ca: rezistente de contact, rezistente de aparate (ampermetre, circuite de curent de wattmetre etc.), rezistente de sunturi, sigurante fuzibile si rezistivitatile conductoarelor (prin masurarea rezistentei R a unei anumite lungimi l [m] din acel conductor pentru care se cunoaste aria sectiunii S (mm2): = RS/l [ mm2]

1.5.Punti pentru masurarea rezistentelor electrice mari

La masurarea rezistentelor electrice de valori mari (peste 10 M ) cu ajutorul puntii Wheatstone s-au constatat urmatoarele dificultati: necesitatea unor indicatoare de nul de rezistenta mare (tip "electrometru"); cresterea excesiva a valorilor rezistentelor din bratele puntii; influenta marita a rezistentelor de izolatie. Ca indicatoare de nul se pot folosi amplificatoare de curent continuu cu tranzistoare cu efect de câmp, care asigura o sensibilitate suficienta. Pentru masurarea rezistentelor de valori peste 109 ÷ 1010 se utilizeaza electrometrele speciale, cele mai raspândite fiind cu tranzistoare cu efect de câmp speciale, cu modulator cu diode varicap sau cu condensator vibrant.

În ceea ce priveste valorile rezistentelor din bratele puntii exista doua posibilitati:a) alegerea unor rezistente de valori comparabile cu Rx . Astfel, se mentine o sensibilitate ridicata a puntii, dar îngreuneaza obtinerea unei precizii bune, datorita instabilitatii rezistoarelor de valori mari;b) alegerea de rezistente de valori nu prea mari, dar puternic inegale. Aceasta asigura o stabilitate buna, dar conduce la scaderea sensibilitatii.

În figura 14 este prezentata o schema de punte ce utilizeaza rezistente de valori acceptabile.

Daca se transfigureaza triunghiul din figura 14,a, format din Re, R1, R3 , în stea, puntea devine o puntesimpla la care relatia de echilibru este:

din care rezulta:

Rezistenta variabila Re este plasata în bratul opus lui Rx , adica prin scaderea lui Re catre zero se ajunge la Rx→∞ .

La masurarea rezistentelor mari (peste 109 ) trebuie sa se tina cont de urmatoarele:- valoarea rezistentelor depinde de tensiune, de aceea masurarea trebuie sa se faca la tensiuni specificate (uneori ajungând la 500-1000 V);- datorita curentilor de pola rizare echilibrul puntii devine stabil dupa un timp de la aplicarea tensiunii (poate ajunge la ordinul minutelor);- este necesara repetarea masurarii cu polaritatea inversata, pentru eliminarea erorilor datorate unor efecte de neliniaritate sau decalaje de tensiune.

1.6.Punti neechilibrate

Atât puntile Wheatstone cât si puntile Thomson pot fi utilizate si în regim de punte neechilibrata, în scopul masurarii unor variatii mici ΔRx ale rezistentei Rx0 fata de o valoare de echilibru Rx0. În general, puntile neechilibrate se utilizeaza la masurarea electrica a unei marimi neelectrice. Traductorul rezistiv, de valoare nominala Rx0, este conectat pe latura a 4-a a puntii, în celelalte brate ale puntii existând rezistente de precizie, unele dintre ele fiind reglabile. Initial, puntea este adusa la echilibru pentru valoarea nominala a rezistentei traductorului rezistiv Rx0. Schema de principiu a unei punti care lucreaza în regim neechilibrat este aratata în figura 15.

Datorita variatiei marimii neelectrice de intrare, marimea de iesire a traductorului variaza cu ± ΔRx0 fata de valoarea initiala, puntea se dezechilibreaza, la iesirea ei rezultând o tensiune de dezechilibru ± ΔU. Aceasta tensiune este masurata (dupa o prealabila amplificare) cu un aparat indicator de zero etalonat direct în unitati ale marimii neelectrice de studiat. Pentru o functionare corecta, tensiunea de alimentare E a puntii trebuie sa fie constanta în timp.

Pentru liniarizarea puntii si marirea sensibilitatii se pot adopta solutii de punti neechilibrate cu rezistente variabile într-o latura, în doua sau patru laturi.

Un exemplu de punte de limita utilizata pentru încadrarea rezistentei Rx între doua repere limita este prezentata în figura 16.

Puntea consta din bratele R1=R2 si o rezistenta r reglabila între ele, Re - rezistenta etalon si rezistenta Rx de masurat. Daca se admite toleranta ± a% pentru Rx fata de Re , se regleaza r astfel încât:

Amplificatoarele operationale A1 si A2 , având functie de comparatoare, comanda releele polarizate RL1 si respectiv RL2 . Daca valoarea lui Rx se afla între limitele stabilite, ambele amplificatoare sunt blocate si releele nu sunt actionate. Daca Rxdepaseste una din limite, amplificatorul corespunzator produce un curent la iesire si actioneaza releul respectiv. RL1 si RL2 pot fi adesea si niste indicatoare luminoase (cu "LED"-uri).

1.7.Puntea de zgomot

Puntea de zgomot este un dispozitiv pentru măsurarea reactanţei şi a rezistenţei unei sarcini RF care are un capăt conectat la pământ. Rotorul condensatorului de acord este conectat la pămant (vezi figura 2), iar ieşirea pentru receptor are un capăt, deasemenea, conectat la pământ. La un moment dat am luat in considerare posibilitatea unui nou circuit, cu toată puntea flotând deasupra pămantului , dar această situaţie ar fi prezentat anumite probleme reale de proiectare. Totuşi, am constatat că s-au obţinut rezultate rezonabile prin conectarea liniei simetrice testate, prin intermediul circuitului şoc ca cel din figura 2.

Punte de zgomot utilizată pentru măsurarea impedanţei liniei simetrice prin intermediul balunului şoc.Pentru frecvenţe sub 10 MHz am utilizat 12 spire bifilare pe un miez toroidal din ferită de la Amidon de tipul FT50-72. Metoda de bobinaj introduce totuşi o capacitate care şuntează circuitul. Pentru frecvenţe peste 10 MHz am constatat

că sunt suficiente 5 spire, ceea ce conduce şi la micşorarea erorii cauzată de capacitatea de şuntare.

O problemă a configuraţiei uzuale a punţii de zgomot este că rezistenţa maximă măsurabilă este de numai 250 ohmi sau chiar mai puţin, in timp ce impedanţa liniei simetrice de tip panglică este de 300 ohmi, iar impedanţa caracteristică a scăriţei este mult mai mare de 300 ohmi. Puntea de zgomot pe care am construit-o eu poate măsura rezistenţe până la 800 ohmi.

O metodă de măsurare alternativă constă in conectarea liniei simetrice prin intermediul unui balun de tip candelabru.

2.CIRCUITELE IN PUNTE

Circuitele în punte se folosesc de un detector de nul pentru a compara două tensiuni. Principiul este asemănător unei balanţe de laborator ce compară două greutăţi pentru a indica egalitatea lor. Spre deosebire de circuitul „potenţiometric” utilizat pentru a măsura pur şi simplu o cădere de tensiune necunoscută, circuitele în punte pot fi folosite pentru a măsura o varietate de mărimi electrice, una din ele fiind rezistenţa.

2.1.Puntea Wheatstone

Circuitul în puncte standard, numit adesea şi punte Wheatstone, arată astfel:

Atunci când căderea de tensiune între punctul 1 şi borna negativă a bateriei este egală cu tensiunea dintre punctul 2 şi borna negativă a bateriei,

detectorul de nul va indica valoarea zero. În acest caz spunem că puntea este „echilibrată”. Starea de echilibru a „balanţei” este dependentă da raporturile Ra / Rb şi R1 / R2 şi este independentă de tensiunea de alimentare (a bateriei).

Pentru măsurarea rezistenţelor folosind puntea Wheatstone, rezistenţa necunoscută se conectează în locul rezistorului Ra sau Rb. Celelalte trei componente sunt dispozitive de precizie, a căror rezistenţă este cunoscută. Oricare din cei trei rezistori poate fi înlocuit sau ajustat, astfel încât puntea să fie echilibrată. Când se ajunge la echilibru, valoarea rezistorului necunoscut se determină din raporturile rezistenţelor cunoscute.

O cerinţă a acestui sistem de măsură constă în existenţa unor seturi de rezistori variabili de precizie. Din moment ce rezistenţa acestora este cunoscută, pot fi folosiţi ca şi referinţă. De exemplu, dacă folosim o punte Wheatstone pentru a măsura o rezistenţă necunoscută Rx, va trebui să cunoaştem valorile exacte ale celorlalţi trei rezistori în starea de echilibru, dacă dorim să determinăm valoarea lui Rx:

Ecuaţia de echilibru a punţii Wheatstone este următoarea:

Fiecare din cei patru rezistori a unei punţi poartă numele de braţ. Rezistorul conectat în serie cu rezistenţa necunoscută Rx (Ra în figura de mai sus) poartă de obicei numele de reostat de reglaj. Din fericire, rezistenţele standard precise şi stabile nu sunt aşa de greu de realizat.Punţile Wheatstone sunt considerate superioare circuitelor de măsură standard prezentate în secţiunea precedentă din punct de vedere al măsurării rezistenţelor. Spre deosebire de acele circuite, punţile Wheatstone sunt liniare şi extrem de precise.

Având la dispoziţie rezistenţe standard de o precizie ridicată şi un detector de nul cu o sensibilitate suficientă, putem măsura rezistenţe cu o precizie de cel puţin +/- 0,05 %. Această metodă este preferată şi indicată pentru măsurarea rezistenţelor de laborator datorită preciziei ridicate.

Există multe variaţii a circuitului în punte Wheatstone de bază. Majoritatea circuitelor în punte de curent continuu sunt folosite pentru măsurarea rezistenţei. Dar circuitele alimentate în curent alternativ pot fi folosite pentru a măsura diferite mărimi electrice precum inductanţă, capacitate şi frecvenţă.

2.2.Puntea Thomson (puntea Kelvin dublă)

O variantă interesantă a punţii Wheatstone o reprezintă puntea dublă Kelvin, cunoscută şi sub numele de punte Thomson. Acest circuit este utilizat pentru măsurarea rezistenţelor extrem de mici (sub 1/10 ohmi):

Rezistorii de valoare mică sunt reprezentaţi prin simboluri cu linie îngroşată, la fel şi conductorii (prin care trece un curent mare) la care sunt conectaţi. Această punte „ciudată” poate fi cel mai bine înţeleasă dacă reluăm puntea Wheatstone standard pentru măsurarea rezistenţelor mici, pentru a ajunge apoi, pas cu pas (datorită problemelor întâmpinate), la forma finală a punţii Thomson.

Dacă am dori să folosim o punte Wheatstone standard pentru a măsura rezistenţe de o valoare foarte mica, circuitul ar arăta astfel:

Când detectorul de nul indică o tensiune zero, ştim că puntea este echilibrată iar raporturile Ra / Rb şi RM/ RN sunt egale. Cunoscând valorile rezistorilor Ra, RM şi RN putem determina Rx...aproximativ.Avem totuşi o problemă: contactele şi firele conductoare dintre Ra şi Rx prezintă şi ele o anumită rezistenţă. Aceste rezistenţe parazite pot fi substanţiale în comparaţie cu rezistenţele mici Ra şi Rx. De asemenea, căderea de tensiune pe aceste rezistenţe parazite va fi suficient de mare, ducând la un curent mare prin ele. Toate aceste lucruri vor afecta indicaţia detectorului de nul, şi prin urmare, starea de echilibru a punţii:

Din moment ce nu dorim măsurarea acestor rezistenţe parazite, ci doar a rezistenţei Rx, trebuie găsita o modalitate de corectare a detectorului de nul astfel încât acesta să nu fie influenţat de căderile de tensiune din lungul acestor rezistenţe parazite. În cazul în care conectăm detectorul de nul şi braţele RM / RN direct la bornele rezistorilor Ra şi Rx, ne vom apropia de o soluţie mai practică:

În această configuraţie, cele două căderi de tensiune Efir din partea de sus şi de jos nu au niciun efect asupra detectorului de nul şi nu vor influenţa precizia măsurătorii lui Rx. Totuşi, celelalte două căderi de tensiune Efir vor cauza probleme.

Cunoscând faptul că partea stângă a detectorului de nul trebuie conectată la cele două borne ale rezistorilor Ra şi Rx pentru evitarea introducerii căderilor de tensiune Efir în bucla detectorului de nul, şi că orice conductor ce face legătura cu cele două terminale va conduce el însuşi un curent substanţial (ce va duce la căderi de tensiune parazite adiţionale), singura soluţie în această situaţie este realizarea unui drum puternic rezistiv între partea de jos a rezistorului Ra şi partea de sus a rezistorului Rx:

Putem controla căderile de tensiune parazite între Ra şi Rx prin dimensionarea celor doi rezistori noi, astfel încât raportul celui de sus cu cel de jos să fie egal cu raportul celor două braţe de pe partea cealaltă a detectorului de nul. Acesta este şi motivul pentru care aceşti rezistori au fost denumiţi Rm şi Rn în schema iniţială a puncţii Thomson: pentru a scoate în evidenţa proporţionalitatea lor cu rezistorii RM şi RN.

Raportul Rm / Rn fiind egal cu raportul RM / RN, braţul Ra (reostatul) este ajustat până în momentul în care detectorul de nul indică echilibrul punţii. În acest moment putem spune că Ra / Rx este egal cu RM / RN. Putem calcula Rx cu următoarea ecuaţie:

De fapt, ecuaţia de echilibru a punţii Thomson este următoarea:

-unde Rfir este rezistenţa firului conductor gros dintre rezistenţa standard de jos Ra şi rezistenţa de test Rx.

Atâta timp cât raportul dintre RM şi RN este egal cu raportul dintre Rm şi Rn, ecuaţia de echilibru nu este mai complexă decât cea a punţii Wheatstone normale. Rx / Ra va fi egal cu RN / RM, deoarece ultimul termen al ecuaţiei va fi zero, anulând efectele tuturor rezistorilor cu excepţia lui Rx, Ra, RM şi RN.Observaţii asupra punţii Thomson

În multe cazuri, RM = Rm şi RN = Rn. Totuşi, cu cât rezistenţele Rm şi Rn sunt mai mici, cu atât detectorul de nul va fi mai sensibil, deoarece rezistenţa conectată în serie cu el va fi mai mică. Creşterea sensibilităţii detectorului este un lucru bun, deoarece permite detectarea unor dezechilibre mult mai mici, şi prin urmare, atingerea unei situaţii de echilibru mult mai precise. Din această cauză, unele punţi Thomson folosesc rezistori Rm şi Rn a căror valori sunt spre 1/100 din raportul braţelor opuse (RM şi RN).

Din păcate totuşi, cu cât valorile rezistorilor Rm şi Rn sunt mai mici, cu atât vor conduce un curent mai mare, ceea ce va duce la creşterea efectului oricăror rezistenţe prezente la joncţiunea dintre acestea şi rezistorii R a şi Rx. După cum se poate vedea, instrumentele de precizie înalta necesită luarea în considerare a tuturor factorilor susceptibili de a produce erori de măsură. De cele mai multe ori, cea mai bună soluţie reprezintă un compromis între două sau mai multe tipuri diferite de erori.

Capitolul III. Bibliografie http://www.ghidelectric.ro/ http://www.mxplus.eu http://www.atelierulelectric.ro/ http://www.instrumente-de-masura.ro http://revista.infoelectronica.ro

Capitolul IV. Anexe

Fig. 2.4.1 Schema de principiu a punţii Muuray cu fir bun

Fig. 2.4.2 Schema de echivalenţă a punţii Muuray cu fir bun

Fig. 2.4.3 Schema de principiu a punţii Varley

Fig. 2.4.2 Schema de echivalenţă a punţii Muuray cu fir bun

Fig. 2.4.4 Schema de echivalenţă a punţii Varley

Puntea Wheatstone

Puntea Thomson (puntea Kelvin dublă)