SENZORI SI TRADUCTOARE Lab. 2 Măsurarea tensiunilor şi a curenţilor electrici

SENZORI SI TRADUCTOARE Lab. 2 Măsurarea tensiunilor şi a curenţilor electrici Măsurarea tensiunilor electrice la bornele circuitelor electronice se realizează cu ajutorul voltmetrelor, aparate ce se conectează în paralel cu montajul analizat la bornele dorite. Intensitatea curentului electric din latura unui circuit electronic se măsoară cu ajutorul ampermetrelor, aparate ce se înseriază în latura dorită. Există o foarte mare diversitate a sistemelor de măsurare a celor doua mărimi de baza, motiv pentru care alegerii acestora în vederea efectuării unei măsurări trebuie să i se acorde o atenţie sporită. Câteva din criteriile de bază care se au în vedere la alegerea sistemului de măsurare sunt prezentate în continuare: regimul de funcţionare al circuitului în care se efectuează măsurarea (staţionar, cvasistaţionar, variabil); natura mărimii electrice de circuit măsurate (curent, tensiune); ordinul de mărime al mărimii măsurate si gama posibila de variaţie a acesteia; precizia impusa măsurării; domeniul de frecvenţă si viteza de lucru; influenta factorilor perturbatori externi (temperatura, câmpuri electrice sau magnetice) asupra sistemului de măsurare; versatilitatea sistemului de măsurare; disponibilităţile materiale ale operatorului. Este evident faptul ca introducerea unui sistem de măsurare într-un circuit electric în vederea măsurării unei mărimi electrice (tensiune, curent) determină o perturbare a acesteia. Este necesar ca această perturbare să fie minima, cerinţa realizata prin alegerea unor sisteme de măsurare cu consumuri proprii reduse (ampermetre cu rezistente interne cât mai mici, voltmetre cu rezistente interne cât mai mari). Din punctul de vedere al formei de unda a mărimilor măsurate, sistemele de măsurat se împart în doua categorii: de curent continuu si de curent alternativ. 2.1 APARATE MAGNETOELECTRICE Funcţionarea aparatelor magnetoelectrice se bazează pe interacţiunea dintre câmpul magnetic al unui magnet permanent si o bobina mobila parcursa de curentul de măsurat curent continuu In urma interacţiunii apare cuplul activ M a care pune in mişcare bobina mobila împreuna cu echipajul mobil. La echilibru M a =M r (cuplul rezistent), unde M r =D* (D=cuplu specific) = S*I este indicaţia aparatului Caracteristica statică de funcţionare S= constanta de proporţionalitate; I= intensitatea curentului electric. Sensibilitatea foarte mare pana la 10-6 A pana la 10-6 A Interval de măsurare scara gradata uniforma; 1

se folosesc ca A si V de c.c. Clasa de precizie Proprietari este f. buna; 0,05-0,1 consum propriu de putere f. mic (<1mW); sunt puţin influenţate de câmpuri magnetice exterioare; sensibile la suprasarcini. Fig. 2.1 Construcţia dispozitivului magnetoelectric Construcţia si funcţionarea dispozitivului magnetoelectric cu bobina mobilă si magnet permanent pot fi studiate cu ajutorul schemei din figura 2.1. Bobina mobilă 1, în forma de cadru dreptunghiular, parcursă de curentul I, se poate roti liber într-un întrefier redus format de piesele polare 2 ale magnetului permanent 3 si miezul cilindric 4. Câmpul magnetic creat de magnetul permanent are un spectru radial si omogen, inducţia magnetica B din întrefier fiind constantă, indiferent de poziţia bobinei. Forţa magnetoelectrică elementară ce se exercită asupra unui element dl al conductoarelor bobinei este:, iar forţa Laplace ce acţionează asupra unui conductor (în cazul figurii 2.1) este: unde l este lungimea activa a unui conductor al bobinei. Daca U m este tensiunea măsurată, iar R e rezistenta echivalenta (a bobinei dispozitivului magnetoelectric si a rezistentelor înseriate cu acesta) rezultă: în care D este cuplul rezistent specific, α unghiul de deviaţie al sistemului mobil, iar k = N B l d este o constanta constructiva denumita constanta dinamica a aparatului, în care N este numărul de spire al bobinei 2

2.2 APARATE ELECTRODINAMICE Funcţionarea aparatelor electrodinamice se bazează pe acţiunea forţelor electrodinamice ce se exercita intre bobine fixe si mobile parcurse de curent. Din această interacţiune ia naştere cuplul activ care tinde sa rotească bobina mobila. La echilibru M a =M r, unde M r =D* (D=cuplu specific) In c.c. = K*I 1 *I 2 si in c.a. = K*I 1 *I 2 *cos unde: Caracteristica statica de funcţionare Sensibilitatea Interval de măsurare Clasa de precizie Proprietăţi = indicaţia aparatului; K= constanta de proporţionalitate; I 1,I 2 = intensitatea curentului electric prin cele doua bobine. =defazajul dintre cei doi curenţi este buna, se pot măsura curenţi începând cu ma. au scara gradată uniform ca wattmetre; au scara gradată neuniform ca A si V; funcţionează in c.c. si c.a. este f. buna, sunt cele mai precise aparate de c.a. consum propriu de putere f. mare (2-10W); indicaţiile sunt influenţate de frecventa curentului (sunt utilizate pana la 1500Hz); aparatele sunt puternic influenţate de câmpurile magnetice exterioare; sunt sensibile la suprasarcini. Fig. 2.2 Construcţia dispozitivului electrodinamic 3

Funcţionarea aparatelor electrodinamice se bazează pe acţiunea forţelor electrodinamice ce se exercita între conductoare parcurse de curenţi electrici de conducţie. Din punctul de vedere constructiv, un dispozitiv electrodinamic (fig. 2.2) este alcătuit din doua bobine fixe cilindrice coaxiale identice 1 si dintr-o bobina mobila 2 rotunda sau dreptunghiulara. Cuplul rezistent poate fi creat pe cale mecanica (resorturi spirale, benzi tensionate sau fire de torsiune) sau pe cale electrica (logometre electro sau ferodinamice). Bobina mobila, care de regula se alimentează prin cele doua resorturi spirale 3 care creează si cuplul antagonist, este fixata pe axul 4, poziţionat perpendicular pe axa de simetrie a bobinei fixe. Solidare cu axul sistemului mobil sunt si acul indicator 5 cu contragreutăţile 6 si paleta 7 a amortizorului pneumatic 8. Când bobinele fixă si mobilă sunt parcurse de curenţii constanţi I 1 si respectiv I 2 iau naştere forţe electrodinamice ce produc un cuplu electromagnetic Ma care tinde sa rotească sistemul mobil. Dacă (unde Um este tensiunea de măsurat, iar Re rezistenta echivalenta a bobinei si rezistoarelor adiţionale), atunci: 2.3 APARATE FEROMAGNETICE ( electromagnetic ) Funcţionarea aparatelor feromagnetice se bazează pe acţiunea dintre câmpului magnetic al unei bobine fixe parcursă de curentul de măsurat asupra unor plăcute de material feromagnetic care sunt atrase sau respinse in interiorul bobinei. La echilibru M a =M r, unde M r =D* (D=cuplu specific) Caracteristica statica de funcţionare Sensibilitatea = K*I 2 este indicaţia aparatului; K= constanta de proporţionalitate; I= intensitatea curentului electric. este mica; măsoară intensităţi ale curentului începând de la zeci de ma; se folosesc pana la câteva sute de Hz. 4

Interval de măsurare Clasa de precizie Proprietăţi nu au scara gradată uniform; prin soluţii constructive se obţine liniarizarea scării gradate, cu excepţia primelor repere; funcţionează in c.c. si c.a. este mica de 1,5-2,5; folosind aliaje magnetice speciale (permaloy) se obţin clase de precizie superioare (începând cu 0,5); indicaţiile sunt influenţate de fenomenul de histerezis si de curenţii turbionari; sunt influenţate de câmpuri magnetice exterioare; ampermetrele feromagnetice se realizează pana la 1A sau 5A, iar pentru valori mai mari se folosesc transformatoare de curent; extinderea domeniului de măsurare pana la câteva sute de volţi se realizează cu transformatoare de tensiune sau rezistente adiţionale. Bobina fixă 1, în formă cilindrică, este parcursă de curentul I si creează un câmp magnetic de inducţie B. În interiorul acesteia se află piesele feromagnetice 2 fixata de interiorul carcasei bobinei si 3 solidară cu axul 4 al sistemului mobil, care se vor magnetiza în acest fel. Forţele de respingere dintre cele două piese vor determina cuplul activ Ma care va pune în mişcare axul sistemului mobil şi odată cu acesta acul indicator 5 şi paleta 6 a dispozitivului de amortizare pneumatic 7. Fig. 2.3 Construcţia dispozitivului feromagnetic Variaţia acului indicator în care D este cuplul rezistent specific, L este inductivitatea bobinei, I este valoarea efectiva a curentului alternativ din bobină. Existenţa factorului I 2 în relaţia anterioară evidenţiază faptul ca scara 9 a dispozitivului electromagnetic este pătratică, cu diviziuni mai apropiate la început si mai depărtate spre capătul acesteia. Printr-o alegere adecvată a formei pieselor feromagnetice şi a poziţiei iniţiale a acestora, se poate obţine o variaţie a factorului dl/da care sa compenseze într-o bună măsură această neliniaritate. 5

Aparat feromagnetic cu atracţie Dispozitiv de producere a cuplului activ Ma: o bobina fixa, plata; o in interior este atrasa plăcuta feromagnetica, la trecerea curentului electric. Dispozitiv de producere a cuplului rezistent: arc spiral. Dispozitiv de citire: ac indicator, scara gradata. Aparat feromagnetic cu respingere Dispozitiv de producere a cuplului activ Ma: o bobina fixa; o 2 plăcute din material feromagnetic; la trecerea curentului prin bobina cele 2 plăcute se magnetizează si se resping. Dispozitiv de producere a cuplului rezistent: arc spiral. Dispozitiv de citire: ac indicator, scara gradata. 2.4 MULTIMETRE DIGITALE Multimetrele digitale - măsoară mărimi electrice: U, I, R. Principiu de funcţionare au un voltmetru digital de c.c. cu diferite circuite auxiliare; pentru măsurarea tensiunilor alternative semnalul de măsurat este transformat intr-un semnal continuu cu circuite de detecţie; pentru măsurarea I curentul de măsurat trece prin rezistente de precizie si se măsoară căderea de tensiune la bornele acestor rezistente; pentru măsurarea R se trece prin ele c.c. de precizie si se măsoară tensiunea la bornele lor. Proprietăţile aparatelor digitale: precizie foarte buna, dependenta de numărul cifrelor afişate (de 10-5 pana la 10-6 ); sensibilitate f. bună, creşterea sensibilităţii este posibilă datorita rezoluţiei aparatului (rezoluţia este cea mai mică variaţie a mărimii de măsurat pe care o poate sesiza un aparat de măsurat digital si corespunde intervalului dintre două indicaţii succesive) Tipuri de voltmetre numerice: Voltmetru digital cu convertor tensiune-frecventa Voltmetru digital cu convertor analog-digital cu compensare cu tensiune crescatoare in trepte Voltmetru digital cu convertor tensiune-timp 6

2.5 MASURAREA INTENSITATII CURENTULUI ELECTRIC Măsurarea intensităţii curentului electric se realizează cu ampermetru care se montează in serie in circuit. Rezistenta proprie a ampermetrului trebuie sa fie mult mai mica decât rezistenta circuitului.(a << R) Extinderea domeniului de măsurare ampermetrelor se face cu şunturi. Suntul = rezistenta electrica de valoare mica care se montează in paralel pe aparatul de măsurat si prin care trece o parte din curentul de măsurat. R s =r a /(n-1) n= I/I a se numeşte coeficient de multiplicare Şunturile pot fi: interioare, exterioare, individuale, calibrate. Şuntul universal este un ansamblu de rezistente conectate intre ele in serie si care se distribuie fie in serie, fie in paralel cu aparatul de măsurat în funcţie de un comutator care schimbă domeniile de măsurare. 7

2.6 MĂSURAREA TENSIUNILOR ELECTRICE Măsurarea tensiunii electrice se realizează cu voltmetru care se montează în paralel în circuit. Rezistenta proprie a voltmetrului trebuie sa fie mult mai mare decât rezistenta circuitului.(r v >> R) Extinderea domeniului de măsurare a voltmetrelor se face cu rezistente adiţionale. Rezistenta adiţională = rezistenţa electrică de valoare mare care se montează în serie cu aparatul de măsurat magnetoelectric pe care cade o parte din curentul de măsurat. V R ad =r a (n-1) n= U/U a se numeşte coeficient de multiplicare Rezistenta in ohmi/volt caracterizează un aparat de măsură este rezistenţa necesară pentru a extinde domeniul de măsurare cu un volt şi este egală cu inversul curentului nominal. Voltmetre cu mai multe domenii de măsurare a)cu rezistenta adiţionala pentru fiecare interval b)cu rezistente in serie 8

2.7 TRANSFORMATOARE DE MASURĂ Transformatoare de curent Transformatoare de tensiune - se utilizează pentru măsurarea curenţilor alternativi mai mari de 50A. In secundarul transformatorului de curent se montează un ampermetru de 1A sau 5A. Raportul de transformare poate fi: K In =I 1n /I 2n raport nominal determinat prin construcţie, este înscris pe carcasa - se utilizează pentru măsurarea tensiunilor alternative mai mari de 100V pana la 400kV. In secundarul transformatorului de curent se montează un voltmetru de 100V sau 110V. Raportul de transformare poate fi: K Un =U 1n /U 2n raport nominal determinat prin construcţie, este înscris pe carcasa aparatului si 9

aparatului si depinde de valorile nominale ale curenţilor; K I =I 1 /I 2 raport real depinzând de valorile reale ale curenţilor. Montarea in circuit P 1 (K),P 2 (L) sunt bornele infăşurării primare. S 1 (k),s 2 (l) sunt bornele infăşurării secundare. Borna P 1 se leagă spre sursa, iar bornas 1 se leagă la bornele polarizate ale aparatelor de măsurat. depinde de valorile nominale ale tensiunilor; K U =U 1 /U 2 raport real depinzând de valorile reale ale tensiunilor. Montarea in circuit P 1 (K),P 2 (L) sunt bornele înfăşurării primare. S 1 (k),s 2 (l) sunt bornele înfăşurării secundare. Borna P 1 se leagă spre sursa, iar bornas 1 se leagă la bornele polarizate ale aparatelor de măsurat. 10