Tehnici de msurare n domeniu MIJLOACE PENTRU MSURAREA

Tehnici de măsurare în domeniu MIJLOACE PENTRU MĂSURAREA MĂRIMILOR ELECTRICE - 1 Mărimi şi unităţi de măsură electrice Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare Mijloace pentru măsurarea mărimilor electrice Ing. Carmen Gaşpar 1

Mărimi şi unităţi de măsură electrice Intensitatea curentului electric Este cantitatea de sarcină electrică ce trece prin secţiunea transversală a unui conductor în unitatea de timp. Unitatea de măsură în SI este Amperul (A), care este intensitatea a doi curenţi electrici constanţi, identici, care circulând prin două conducte rectilinii, paralele, foarte lungi, de secţiuni neglijable, aşezate în vid la distanţa de 1 m unul faţă de altul, produce între aceste conductoare o forţă de 2*10 -7 N pe fiecare m de lungime. Tensiunea electrică Este lucrul mecanic efectuat de sursă pentru deplasarea sarcinii electrice în întregul circuit. Dimensional: [U]=L 2*M*T-3*I-1 Unitatea de măsură în SI, este Voltul (V), care este tensiunea electrică determinată de un câmp electric uniform, cu intensitatea de un amper pe metru, pe distanţa de un metru, măsurată de-a lungul liniilor de câmp. 2

Mărimi şi unităţi de măsură electrice Rezistenţa electrică Energia electrică Este câtul dintre tensiunea la borne U şi intensitatea I a curentului electric continuu care parcurge conductorul. Dimensional: [R]=L 2*M*T-3*I-2 Unitatea de măsură în Si este ohmul (W), care se defineşte ca fiind rezistenţa electrică dintre două puncte ale unui conductor filiform, între care, aplicând tensiunea electrică de un volt, se stabileşte un curent electric constant cu intensitatea de 1 amper, atunci când conductorul nu este sediul unor tensiuni electromotoare. Reprezintă puterea electrică consumată de un receptor, într-un interval de timp. Se exprimă cu relaţia: W=P*(t 2 -t 1) Un generator electric transformă energia de altă natură în energie electrică, care nu este energia curentului electric, ci energia câmpului din circuitul electric. Energia electrică variază, chiar dacă intensitatea curentului din circuit rămâne constantă. Relaţia de definiţie: W=U*I*t=I 2*R*t=U 2*t/R Dimensional: [W]=L 2*M*T-2 Unitatea de măsură în SI, Joule (J); 1 J=1 W/s, iar în practică kilowattoră (k. Wh) Joulul esteenergia electrică dezvoltată în timp de o secundă, într-un circuit electric parcurs de un curent electric constant, cu intensitatea de un amper, când tensiunea electrică aplicată la bornele circuitului este de un volt. 3

Puterea electrică este energia primită sau cedată de un sistem electric, în unitatea de timp. � Dimensional: P=L 2*M*T-3 În curent alternativ se deosebesc următoarele tipuri de puteri: � Puterea aparentă, care este produsul dintre valoarea tensiunii efective, U (indicată de un voltmetru montat la bornele circuitului) şi intensitatea efectivă I (indicată de un ampermetru înseriat în circuit). P=U*I Unitatea de măsură a puterii aparente este voltamperul (VA). � Puterea activă în curent alternativ este puterea disipată de un rezistor de rezistenţă R, ea fiind produsul dintre tensiunea efectivă, intensitatea efectivă şi factorul de putere. P=Pa*cosϕ=U*I*cosϕ, unde cosϕ este factorul de putere � Unitatea de măsură a puterii active este wattul (W). � Puterea reactivă este dată de relaţia: Pr=Pa*sinϕ Unitatea de măsură a puterii reactive este varul (VAR). 4

Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice Intervalul de măsurare, estede intervalul de valori ale mărimii de măsurare măsurat, cuprins între o limită inferioară şi una superioară, unde mijlocul de măsurare furnizează informaţii cu incertitudini de măsurare prestabilite. Capacitatea de suprasarcină este capacitatea unui mijloc de măsurare electric de a suporta, fără defecţiuni, sarcini ce depăşesc condiţiile de referinţă, sau intervalul de măsurare. Rezoluţia (prag de sensibilitate) este cea mai mică valoare a mărimii de intrare, care determină o variaţie sensibilă a mărimii de ieşire. Se referă la comportarea mijloacelor de măsurare, în raport cu mărimea supusă măsurării şi modul de obţinere a rezultatelor. Sensibilitatea (S) este raportul dintre variaţia mărimii de ieşire şi de intrare. Constanţa aparatului, inversul sensibilităţii. Incertitudinea de măsurare este domeniul de valori în care se pot situa erorile de măsurare. Exactitatea reprezintă calitatea mărimii, funcţie de inceritudinea de măsurare. Eroarea limită de măsurare este valoarea maximă posibilă pentru eroarea aparatului, care garantează că erorile de măsurare, cu care se realizează operaţia, sunt mai mici ca eroarea limită de măsurare. 5

Mijloace pentru măsurarea mărimilor electrice Mijlocul electric se poate reprezenta ca o reţea de captare, Lanţ de demăsurare numită lanţ de măsurare. Semnalul metrologic, este un semnal energetic purtător al informaţiei de măsurare, dat de mijlocul de măsurare electric. Semnalul metrologic care circulă de-a lungul lanţului de măsurare este constituit dintr-o mărime fizică, un parametru variabil, ce ia valori în funcţie cu valoarea mărimii măsurate. Funcţie de semnalul metrologic, mijloacele de măsurare electrice se clasifică în: analogice, digitale şi mixte. 1. Aparate analogice Se caracterizează prin faptul că mărimile în care este convertit semnalul metrologic şi mărimile de ieşire, sunt legate de mărimea de măsurat prin relaţii (de exemplu de proporţionalitate). Urmăresc continuu, variaţia mărimii de măsurat. Valoarea măsurată se obţine prin aprecierea poziţiei unui ac indicator, a unui inscriptor sau a unui spot luminos, în raport cu reperele unei scări gradate. 6

2. Aparate digitale Au semnalul metrologic discontinuu, măsurarea repetându-se după un anumit interval de timp, iar valoarea măsurată este prezentată sub formă de număr în afişaj. Ele se pot realiza pe baza unei metode electrice de măsurare analogice sau pe baza unei metode electrice de măsurare digitale. Metodele electrice de măsurare digitale au avantajul obţinerii directe a valorii măsurate, exactitate ridicată şi posibilitatea înregistrării sau transmiterii la distanţă a informaţiei de măsurare. 3. Aparate electrice de măsurare mixte Au caracteristic faptul că rezultatul măsurării se obţine parţial sub formă digitală şi parţial sub formă analogică. După principiul de funcţionare se clasifică: a. Aparatele magnetoelectrice, funcţionează numai în curent continuu şi sunt formate din unul sau mai mulţi magneţi permanenţi, ficşi sau mobili, şi una sau mai multe bobine, parcurse de curentul de măsurare. b. Aparatele feromagnetice, sunt formate dintr-o bobină fixă, parcursă de curentul de măsurat, şi o piesă din Fe, introdusă în câmpul magnetic creat de curent. c. Aparate electrodinamice, sunt alcătuite din una sau mai multe bobine mobile, parcurse de curentul de măsurat. Dacă bobina este din Fe, se numesc ferodinamice. 7

Simbolurile aparatelor de măsurare mixtă d. Aparatele electrostatice, sunt formate din piese metalice fixe şi piese metalice mobile, între care se exercită forşe electrostatice. e. Aparatele termice cu fir cald, funcţionează prin dilatarea unui fir conductor parcurs de curentul de măsurat. f. Aparatele de inducţie, acţionează asupra curenţilor pe care conductoarele mobile îi introduc în piese. g. Aparatele cu redresor sunt formate prin asocierea unui aparat magnetoelectric cu unul sau mai multe dispozitive redresoare. h. Aparatele electrostatice funcţionează la frecvenţe înalte. Aparatele feromagnetice, electrodinamice, electrostatice şi termice funcţionează în curent continuu şi alternativ. Aparatele feromagnetice şi electrodinamice folosesc frecvenţa reţelei de 50 Hz. Aparatele termice măsoară curenţi la frecvenţe foarte înalte. 8

Aparate magnetoelectrice 1. Ampermetre şi voltmetre magnetoelectrice Au ca element de bază un dispozitiv magnetoelectric, cu sensibilitate micşorată pentru creşterea preciziei şi a fidelităţii. Pot fi folosite pentru măsurarea tensiunii şi curentului. Astfel dacă unui milivoltmetru îi înseriem o rezistenţă adiţională, îl transformăm în voltmetru şi totodată îl putem utiliza ca ampermetru, prin şuntarea lui cu rezistenţe bine calculate. Avantaje: sensibilitate mare, consum relativ mic, scară uniformă, amortizare bună. Principiul de funcţionare constă în: acţionarea unui câmp fix de inducţie magnetică asupra unei bobine parcurse de curent. 1 -magnet permanent; 2 piese polare; 3 miez cilindric; 4şunt magnetic; 5 bobină mobilă; 6 corector de zero. Circuitul magnetic conţine: magnet permanent sub formă de potcoavă cu două piese polare şi un şunt magnetic. Reglarea poziţiei şuntului permite menţinerea constantă a inducţiei în întrefier. În întrefier se roteşte o bobină mobilă, pe care se înfăşoară un conductor izolat şi care este fixată pe un ax de rotaţie. Acul indicator se fixează pe un ax cu oscilaţia limitată de contragreutăţi, iar cuplul rezistent e creat de arcuri spirale. Amortizarea se face cu curenţi ce se induc şi care crează un cuplu de frânare. 9

2. Galvanometre � � � Sunt dispozitive de măsurat magnetoelectric, utilizate pentru măsurarea curentului electric continuu de valori mici. Au sensibilitate mare, dar este puţin robust şi precizie mică. Cu ajutorul circuitului din figură se determină valorile caracteristicilor galvanometrului: rezistenţa critică exterioară (rezistenţa conectată la borne, pentru care funcţionarea are loc în regim critic); rezistenţa internă (rezistenţa electrică măsurată la borne); perioada oscilaţiilor libere (timpul necesar pentru a efectua o ocilaţie completă). Clasificarea galvanometrelor: magnetoelectrice, balistice, de rezonanţă. Datorită cuplului mediu nul, nu dau indicaţii în curent alternativ. Erorile sunt determinate de frecările în lagăre, de etalonarea imprecisă sau de asamblarea defectoasă. Schema de determinare a caracteristicilor galvanometrului • Au clasă de precizie bună, sensibilitate ridicată şi consum de putere pentru măsurare mic. • Dezavantaj: funcţionează numai în curent continuu şi nu suportă supraîncărcări mari. 10

Aparate feromagnetice 2. Aparatul feromagnetic cu repulsie Principiul de funcţionare constă în interacţiunea dintre câmpul magnetic al 1 -bobină rotundă; 2 -piesă unei bobine fixe parcurse de curentul fixă; 3 -piesă mobilă de măsurat şi una sau mai multe piese Este format dintr-o bobină mobile din material feromagnetic. rotundă, cu două piese de Fe 1. Aparatul feromagnetic cu moale, una fixă şi una mobilă, atracţie care se magnetizează şi se resping, ceea ce determină deplasarea piesei. 1 -bobină; 2 -piesă Erorile de funcţionare în curent continuu, se de Fe moale datorează histerezului magnetic al piesei Este format dintr-o mobile, ce determină indicaţii diferite la creşterea şi descreşterea curentului de bobină în care poate măsurat (erori de 3 -4%). pătrunde o piesă de În curent alternativ, se produce o slăbire a Fe moale, sub acţiunea câmpului, provoccând erori de 1 -2%. Pentru a magnetic creat de curenţii din reduce aceste erori, se utilizează piese mobile, bobină. de dimensiuni reduse şi carcase din material Piesa se magnetizează şi este plastic. atrasă în interiorul bobinei. 11

Aparate electrodinamice şi ferodinamice Principiul de funcţionare a acestor aparate constă în interacţiunea dintre câmpul magnetic creat de curentul ce trece print-o bobină fixă şi curentul care parcurge o bobină mobilă. 1. Aparat electrodinamic Erorile ce apar la aparatele electrodinamice sunt cauzate de câmpurile magnetice exterioare Pentru micşorarea erorilor, aparatele electrodinamice se ecranează. 2. Aparat ferodinamic În cazul aparatelor ferodinamice, bobina fixă este prevăzută cu un miez feromagnetic în scopul întăririi câmpului. Aparatele ferodinamice, nu sunt influenţate de câmpuri magnetice exterioare, ele având un câmp propriu mai intens, dar prezintă efectul de histerezis magnetic al curenţilor turbionari ce apar în miez. Pentru micşorarea erorilor, se realizează cu miezul din tole secţionate. Ambele aparate funcţionează în curent continuu şi alternativ. 12

Aparate electrostatice Utilizează forţa electrostatică exercitată de armătura fixă a unui condensator variabil, asupra armăturii mobile. Varierea capacităţii se poate realiza prin: varierea suprafeţei active a armăturilor (fig. a) sau varierea distanţei dintre armături (fig. b). La aplicarea unei tesiuni între armăturile fixe şi mobile, acestea se încarcă cu electricitate de semn contrar şi se resping. În primul caz, se rotesc armăturile mobile în spaţiul dintre armăturile fixe şi cuplul rezistent este dat de arcurile spirale. a-cu variaţia suprafeţei armăturilor; b-cu variaţia distanţei dintre armături. În cel de-al doilea caz, se produce o deplasare a plăcii mobile suspendate între cele două plăci fixe (o atragere datorită energiei de semn contrar şi o respingere datorită energiei de acelaşi semn) şi cuplul rezistent este dat de greutatea plăcii mobile. Aparatul funcţionează şi la tensiune alternativă, cuplul mediu fiind diferit de zero. Avantaj: nu absorb curent, măsurarea făcându-se cu consum practic nul. Se folosesc numai ca voltmetre pentru măsurarea tensiunilor înalte. 13

Aparate termice 1 -fir activ; 2 -arc plat de oţel; 3 -fir de mătase; 4 -rolă; 5 -fir de bronz fosforos. Principiul de funcţionare se bazează pe dilatarea unui fir parcurs de curentul de măsurare. Dilatarea este transmisă la acul indicator, printr-un sistem de amplificare mecanică. Firul activ este confecţionat din aliaje cu coeficient ridicat de dilatare termică (Pt, Ag) şi diametru redus (maxim 0, 1 mm). Firul activ este întins pe arcul plat de oţel, prin intermediul unui fir de mătase, înfăşurat pe o rolă, şi de un fir de bronz. Prin întinderea arcului de oţel, firul activ provoacă rotirea rolei şi a acului indicator. Aparatele termice funcţionează în curent continuu şi alternativ, până la frecvenţe de sute de kilohertzi. La frecvenţe înalte, apar erori apreciabile. Dezavantaje: consumul de putere ridicat, firul activ fragil, inerţie termică, care împiedică urmărirea variaţiilor rapide de curent. 14