Tehnologie Afaceri Scoala Didactica Legislatie Familie

 

3. MASURAREA MARIMILOR ELECTRICE

APARATE PENTRU MASURAREA MARIMILOR ELECTRICE

3.1. MASURAREA INTENSITATII CURENTULUI ELECTRIC

Curentul electric - miscarea dirijata a purtatorilor de sarcina electrica dintr-un conductor.

Intensitatea curentului electric - cantitatea de purtatori de sarcina electrica care traverseaza sectiunea unui conductor in unitatea de timp.

Unitatea fundamentala de masura ( in S.I.) - amper (A

Masurarea intensitatii curentului electric - prin metode directe ampermetre

Tipuri de ampermetre - analogice

- digitale

Galvanometru - pentru masurarea curentilor de intensitate foarte mica (10^-6 - 10^-9)

Simbolizarea ampermetrelor

Montarea ampermetrului in circuit - se monteaza in serie in circuitul in care se masoara intensitatea curentului.

Rezistenta interna a ampermetrului r_A - este foerte mica, mult mai mica decat rezistenta circuitului (consumatorului), pentru a avea erori cat mai mici.

3.2. MASURAREA TENSIUNII ELECTRICE

Tensiunea electrica - lucrul mecanic efectuat pentru transportul sarcinii electrice intre doua puncte ale unui circuit.

Unitatea fundamentala de masura ( in S.I.) - volt (V

Masurarea tensiunii - prin metode directe voltmetre

- prin metode de compensatie - pentru masurari de mare exactitate

Tipuri de voltmetre - analogice

- digitale

Simbolizarea voltmetrelor

Montarea voltmetrului in circuit - se monteaza in paralel in circuitul in care se masoara tensiunea.

Rezistenta interna a voltmetrului r_v - este foarte mare, mult mai mare decat rezistenta circuitului (consumatorului), pentru a avea erori cat mai mici.

Extinderea domeniului de masurare a ampermetrului si voltmetrului

	In cazul in care valoarea marimii masurate depaseste domeniul de masurare al aparatului electric se poate realiza extinderea domeniului de masurare al acestuia.

Extinderea domeniului de masurare se realizeaza cu dispozitive speciale introduse in circuitul de masurare, si anume :

In curent continuu : sunturi si rezistente aditionale

In curent alternativ : transformatoare de masurat

3.4. MASURAREA REZISTENTEI ELECTRICE

Rezistenta electrica - marime fizica care consta in proprietatea unui material de a se opune trecerii curentului electric.

Unitatea fundamentala de masura ( in S.I.) - ohm (W)

Metode de masurare a rezistentei electrice

metoda indirecta - a ampermetrului si voltmetrului (metoda volt-mpermetrica)

metode cu citire directa - ohmmetre, megaohmmetre, multimetre

metode de comparatie - (metode de punte)

Masurarea rezistentelor prin metoda ampermetrului si voltmetrului

• metoda indirecta cu trei etape ale procesului masurarii

se masoara tensiunea U_x la bornele consumatorului cu ajutorul unui voltmetru

se masoara intensitatea I_x curentului prin consumator cu ajutorul unui ampermetru

se calculeaza rezistenta consumatorului introducandvalorile obtinute anterior in expresia matematica a legii lui Ohm

• in montajele volt +ampermetrice, voltmetrul poate fi legat inainte sau dupa ampermetru, reyultand astfel doua montaje de masurare:

montajul amonte

montajul aval

• montajul amonte - voltmetrul este legat inaintea ampermetrului

montajul se utilizeaza pentru masurarea rezistentelor mari, mult mai mari decat rezistenta interna a ampermetrului

• montajul aval - voltmetrul este legat dupa ampermetru

montajul se utilizeaza pentru masurarea rezistentelor mici, mult mai mici decat rezistenta interna a voltmetrului

Masurarea rezistentelor cu ohmmetrul analogic

Ohmmetrul - aparat cu ajutorul caruia se masoara direct valoarea rezistentei electrice.

Principiu de functionare - masurarea curentului ce strabate circuitul ohmmetrului si a carui valoare depinde de rezistenta de masurat, conform legii lui Ohm.

Componentele unui ohmmetru

• miliampermetru magnetoelectric
• rezistoare pentru protectia instrumentului magnetoelectric si pentru schimbarea domeniilor de masurare
• borne pentru conectarea rezistentelor de masurat

Tipuri de ohmmetre - in functie de mmodul de conectare al miliampermetrului

• ohmmetre serie
• ohmmetre derivatie

Schema serie

toate elementele componente sunt montate in serie

sursa de tensiune continua este o baterie de 1,5..1,8V

miliampermetru magnetoelectric avand scara gradata direct in ohmi, cuprinzand intervalul de la R_x=0 la R_x=

scara gradata este inversa si foarte neuniforma

reglarea indicatiei acului indicator este necesara, deoarece imbatranirea bateriei determina modificarea tensiunii cu care este alimentat aparatul si prin urmare cresterea erorii de masurare

etapele reglarii

pentru R_x=0 se realizeaza un scurtcircuit intre bornele aparatului. Daca acul indicator nu este la 0 se regleaza R_p pana se obtine indicatia corecta

pentru R_x= se lasa bornele aparatului in gol si se regleaza pozitia acului indicator cu ajutorul corectorului de zero al aparatului magnetoelectric

acest tip de ohmmetru se utilizeaza pentru masurarea rezistentelor mari cuprinse intre 10 si 10⁶W

pentru ca eroarea de masurare sa fie cat mai mica este necesar ca intervalul de masurare se fie ales astfel incat citirea sa se faca la mijlocul scarii gradate.

Schema derivatie

miliampermetrul magnetoelectric este montat in paralel in circuitul de masurare

sursa de tensiune continua este o baterie de 1,5..1,8V

miliampermetru magnetoelectric avand scara gradata direct in ohmi, cuprinzand intervalul de la R_x=0 la R_x=

scara gradata este directa si foarte neuniforma

reglarea indicatiei acului indicator este necesara, deoarece imbatranirea bateriei determina modificarea tensiunii cu care este alimentat aparatul si prin urmare cresterea erorii de masurare

etapele reglarii

pentru R_x=0 se regleaza pozitia acului indicator cu ajutorul corectorului de zero al aparatului magnetoelectric

pentru R_x= se lasa bornele aparatului in gol si se regleaza R_p pana se obtine indicatia corecta

acest tip de ohmmetru se utilizeaza pentru masurarea rezistentelor mici pana la 50W

intreruptorul K trebuie deconectat atunci cand nu se efectueaza masurari pentru a se evita descarcarea bateriei

Masurarea rezistentelor cu ajutorul metodelor de comparatie

Principiu - masurarea rezistentei electrice prin compararea cu valoarea unor rezistente cunoscute.

Tipuri - metoda de punte (puntea Wheatstone), metoda substitutiei, metoda compararii tensiunilor si metoda reducerii tensiunii la jumatate.

Puntea Wheatstone

Puntea - circuit care contine patru elemente (brate9 dispuse intr-o schema sub forma unui patrulater. Circuitul se alimenteaza pe una din diagonale, iar in cealalta diagonala se monteaza un aparat indicator de nul.

Avantajele metodei sensibilitate mare

precizie mare

domeniu larg de utilizare

manevrare usoara

• elementele componente ale puntii

R₁, R₂- rezistente de raport

R₃ - rezistenta de comparatie

G - galvanometru cu rol de indicator de nul 

E - sursa de tensiune continua

R₀ - rezistenta de protectie a galvanometrului

• rolul elementelor componente

R₃ -prin reglajul rezistentei de comparatie, pentru un raport al rezistentelor R₁, R_2, se realizeaza , echilibrarea puntii

G - indica lipsa curentului in diagonala de masurare

E - alimenteaza cu tensiune electrica montajul

• modul de lucru

Se regleaza R₃ pina cand indicatorul de nul indica 0.

Se citesc valorile rezistentelor R_1,R₂, R₃. 

Se calculeaza R_x din relatia de echilibru a puntii. 

• Conditia de echilibru

R₁ R₃ = R₂ R_x

_{Sau: - La o punte in echilibru produsele bratelor opuse sunt egale.}

_{La o punte in echilibru rapoartele bratelor alaturatesunt egale.}

Protectia galvanometrului

Deoarece la inceputul masurarii puntea poate fi puternic dezechilibrata, trebuie sa se micsireze sensibilitatea galvanometrului pentru a nu fi deteriorat la trecerea unui curent prea mare prin el. Se introduce rezistenta R₀ in serie cu galvanometrul, prin intermediul comutatorului K₂. Cand echilibrul puntii a fost aproximativ atins, se trece K₂ pe pozitia 1 si se continua echilibrarea cu o sensibilitate sporita.

Metoda substitutiei

E- sursa de c.c. cu rezistenta ibnterna neglijabila

R_e - rezistensa variabila etalonata

K - comutator cu doua pozitii

A - ampermetru cu mai multe limite de masurare

• Modul de lucru

se inchide K pe pozitia 1 si se masoara

se trece K pe pozitia 2 si se masoara

se variata R_e pana cand I₁=I₂

3.5. MASURAREA PUTERII ELECTRICE

Unitatea fundamentala de masura ( in S.I.) - watt (W)

Puteri electrice in c.a.

putere aparenta - unitatea de masura: voltamper - VA

putere activa P=U I cosj - unitatea de masura: watt - W

putere reactiva Q=U I sinj - unitatea de masura: voltamper reactiv - var

Masurarea puterii electrice in c.c.

metoda ampermetrului si voltmetrului

- puterea consumata in c.c. de un receptor avand rezistenta electrica R se poate masura cu un ampermetru si un voltmetru.

- voltmetrul se va monta in amonte (k pe pozitia a) daca R>>r_a, fie in aval (k pe pozitia b) daca R<< r_v

masurarea cu wattmetrul electrodinamic

indicatia aparatelor electrodinamice este proportionala cu puterea electrica si ca urmare se pot grada direct in wati

scara aparatului este directa si uniforma

deoarece la wattmetru exista pericolul de supraincarcare chiar daca indicatia aparatului este sub limita de masurare (U si I pot depasi valorile nominale chiar daca produsul lor este in limite normale) se vor monta un ampermetru si un voltmetru pentru a urmari incarcarea wattmetrului.

simbolizarea wattmetrului

- montarea wattmetrului in circuit

bornele de tensiune notate cu U^* si U se conecteaza in paralel cu sarcina

bornele de curent notate cu I^* si Ise conecteaza in serie cu sarcina

bornele marcate cu "*" se numesc borne polarizate si sunt borne de intrare de tensiune si de curent

wattmetre cu mai multe domenii de masurare

sunt prevazute cu mai multe domenii pentru intensitatea curentului electric si mai multe domenii pentru tensiune

pentru a se determina puterea masurata de wattmetru, este necesar sa se cunoasca constanta K_w a wattmetrului, corespunzatoare domeniilor alese pentru intensitatea curentului si pentru tensiune

K_w reprezinta puterea corespunzatoare unei diviziuni a scarii gradate

I_n - domeniul de masurare ales pentru intensitatea curentului

U_n - domeniul de masurare ales pentru tensiune

a_max - numarul maxim de diviziuni al scarii gradate

puterea masurata i cazul in care acul indicator arata a diviziuni este

Masurarea puterii electrice in c.a. monofazat

masurarea puterii aparente

se poate realiza cu un voltmetru si un ampermetru

in functie de impedanta consumatorului se poate alege varianta amonte sau aval

puterea se va calcula cu ajutorul relatiei de definitie

masurarea puterii active

se poate masura cu wattmetrul analogic electrodinamic sau ferodinamic sau cu wattmetrul digital

in functie de impedanta consumatorului se poate alege varianta amonte sau aval, avand grija ca bornele marcate sa fie legate la sursa

masurarea puterii reactive

indirect - masurand puterea aparenta si puterea activa si aplicand relatia

direct - cu ajutorul varmetrelor

varmetrele sunt tot aparate electrodinamice sau ferodinamice care au in serie cu bobina mobila in loc de rezistenta aditionala o bobina sau un condensator, care introduc un defazaj suplimentar de 90⁰

bornele marcate trebuie sa fie legate la sursa

la o montare corecta varmetrul va indica in sensul normal daca defazajul este inductiv si in sens contrar daca defazajul este capacitiv.

3.6. MASURAREA ENERGIEI ELECTRICE IN C.A. MONOFAZAT

in curent continuu, intreaga energie electrica absorbita de un consumator de la o sursa se consuma, in sensul transformarii in alta forma de energie

in curent alternativ nu se consua intreaga energie absorbita de la sursa, o parte se inmagazineaza in componentele reactive ale circuitului, deci exista:

energie activa determinata de puterea activa P

energie reactiva determinata de puterea reactiva Q

unitatea de masura pentru energia activa este varsecunda si kilovarora.

unitatea de masura pentru energia reactiva este 1J=1Ws.In practica se utilizeaza kWh

masurarea se efectueaza cu contorul de energie electrica

contorul este realizat dintr-un dispozitiv de masurat si un mecanism integrator

tipuri de contoare:

de tip electrodinamic pentru masurarea energiei electrice in c.c.

de inductie pentru masurarea energiei electrice in c.a.

constanta nominala a contorului C_n este inversul constantei reale si reprezinta

numarul de rotatii pe care le face discul pentru un consum de energie egal cu 1kWh

N - numarul de rotatii

W - energia consumata

conectarea contoarelor in circuit se face conform aceleiasi scheme ca si in cazul

wattmetrelor

3.7. TRANSFORMATOARE DE MASURAT

Transformatoarele de masurat sunt sunt transformatoare de constructie speciala utilizate in tehnica masurarilor pentru a extinde domeniile de masurare ale ampermetrelor si voltmetrelor in circuite de curent alternativ.

Rolul lor functional este de a micsora - reduce - curentul sau tensiunea de masurat

Dupa marimea pe care o reduc transformatoarele de masurare pot fi:

transformatoare de masurat de curent

transformatoare de masurat de tensiune

3.7.1. Transformatoarele de masurat de curent

• utilizate numai in curent alternativ, pentru a masura curenti de valoaremai mare de 50A.
• Transformatoarele de curent, denumite si reductoare de curent, au:

- o infasurare primara realizata cu un numar mic de spire (uneori o singura spira), N₁, care se monteaza in serie cu circuitul strabatut de curentul de valoare mare I₁ care se masoara.

- o infasurare secundara care are un numar mai mare de spire N₂, si la bornele acesteia se leaga ampermetrul care masoara curentul I₂.

- Raportul curentilor este:

= de unde:

I₁ = I₂

Din aceasta relatie se observa ca in circuitul secundar ampermetrul masoara un curent de ori mai mic decat cel din primar.

deoarece in secundarul transformatorului se conecteaza o impedanta mica (cea a ampermetrului) regimul de functionare al transformatorului este apropiat de regimul de functionare in scurtcircuit al transformatoarelor de forta.

Regim de avarie: I₁ 0 si Z= - aceasta situatie apare cand secundarul ramane deschis. Pentru a evita regimul de avarie in secundar se monteaza de regula un ampermetru de 1A sau de 5A sau circutul de curent al unui wattmetru. In cazul in care acestea lipsesc, bornele infasurarii secundare se leaga in scurtcircuit.

• Transformatoarele de masurat de curent se utilizeaza pentru masurarea curentilor alternativi care depasesc 50 A, pana la zeci de mii de amperi.
• Montarea in circuit infasurarea primara se monteaza in serie in circuitul de curent alternativ

• Marcarea bornelor: bornele primare se noteaza cu P₁ si P₂, iar bornele secundare cu S₁, S₂.
• La utilizarea transformatoarelor de curent apar erori de curent si erori de unghi.

3.7.2. Transformatorul de masurat de tensiune

S1

• se mai numeste si reductor de tensiune
• este constituit dintr-un circuit feromagnetic inchis confectionat din tole, pe care se dispune atat infasurarea primara cu N₁ spire, cat si infasurarea secundara cu N₂ spire.
• infasurarea primara are un numar mare de spire N₁ iar infasurarea secundara are un numar mic de spire N₂.
• la bornele infasurarii primare se aplica tensiunea de masurat U₁, iar la bornele infasurarii secundare se leaga vlotmetrul care masoara tensiunea U₂

Raportul tensiunilor este:

= de unde: U₁ = U

• din aceasta relatie se observa ca in circuitul secundar voltmetrul masoara o tensiune de ori mai mica decat tensiunea din primar.
• in secundar se monteaza un voltmetru de 100 V sau circuitul de tensiune al unui wattmetru.
• deoarece in secundarul transformatorului se conecteaza o impedanta mare(cea a voltmetrului) regimul de functionare al transformatorului este apropiat de regimul de functionare in gol al transformatoarelor de forta.
• Transformatoarele de tensiune se utilizeaza pentru reducerea valorilor tensiunii

electrice in circuite cu tensiuni nominale peste 500 V, la o tensiune de 100 V.

• La utilizarea transformatoarelor de tensiune apar erori de tensiune si erori de unghi.

• montarea in circuit infasurarea primara se monteaza in paralel in circuitul de curent alternativ
• marcarea bornelor: bornele primare se noteaza cu P₁ si P₂, iar bornele secundare cu S₁, S₂.

4 MIJLOACE PENTRU MASURAREA MARIMILOR ELECTRICE

• clasificarea aparatelor dupa natura fenomenelor pe care se bazeaza functionarea lor:

magnetoelectrice

feromagnetice

electrodinamice

de inductie

• marcarea aparatelor de masurat electrice

unitatea de masura, indicata prin simbolul sau

clasa de precizie

natura curentului (c.c., c.a.)

tensiunea de incercare a rigiditatii dielectrice

simbolul care indica fenomenele ce stau la baza functionarii aparatului

• partile componente ale aparatelot de masurat

dispozitivul de producere a cuplului activ

dispozitivul de producere a cuplului rezistent

dispozitivul de citire

corectorul de zero

amortizorul

4.1. Aparate magnetoelectrice (cu bobina mobla)

principiu de functionare interactiunea dintre campul magnetic al unui magnet permanent si o bobina mobila parcursa de curentul de masurat (c.c.). Cuplul activ care apare pune in miscare bobina mobila impreuna cu intreg echipajul mobil.

Descrierea aparatului

dispozitivul de producere a cuplului activ - partea fixa este alcatuita din magnet permanent, piese polare si miez cilindric. Partea mobila este realizata dintr-o bobina asezata in intrefierul circuitului magnetic.

dispozitivul de producere a cuplului rezistent - doua arcuri spirale

dispozitivul de citire - acul indicator si scara gradata.

corectorul de zero

amortizorul - electromagnetic

caracteristica statica de functionare a aparatului (unde I este curentul care strabate bobina)

proprietati:

scara uniforma

sensibilitate mare

precizie foarte buna

consum propriu de putere foarte mic

putin influentate de campurile magnetice exterioare

functioneaza numai in c.c.

sensibile la suprasarcini

utilizari

ampermetre si voltmetre de c.c.

4.2. Aparate feromagnetice

mai sunt cunoscute si sub numele de aparate electromagnetice sau cu fier mobis

principiu de functionare: functioneaza pe baza actiunii campului magnetic al unei bobine fixe parcurse de curentul de masurat, asupra unor placute din material feromagnetic, care sunt atrase sau respinse in interiorul bobinei.

are 2 variante constructive:

- cu atractie:

dispozitivul de producere a cuplului activ - bobina fixa (1), piesa din material

feromagnetic (2) asezata pe axul (3) al echipajului mobil

dispozitivul de producere a cuplului rezistent - arc spiral (6)

dispozitivul de citire - ac indicator 4) si scara gradata

corectorul de zero (7)

amortizorul - pneumatic cu paleta (8)

cu respingere

dispozitivul de producere a cuplului activ - bobina fixa (1) de forma cilindrica si 2 placute din material feromagnetic, din care (2) este fixata pe bobina, iar (3) pe axul (4) al echipajului mobil

dispozitivul de producere a cuplului rezistent - arc spiral (79

dispozitivul de citire - ac indicator (5) si scara gradata

corectorul de zero

amortizorul - cu paleta (6)

caracteristica statica de functionare a aparatului

proprietati:

scara neuniforma

sensibilitate mica

precizie mica

consum propriu de putere mare

influentate de fenomenul de histerezis si curentii turbionari

influentate de campurile magnetice exterioare

functioneaza in c.c. si in c.a.

utilizari

ampermetre si voltmetre de c.c.

4.3. Aparate electrodinamice

principiu de functionare actiunea fortelor electrodinamicece se exercita intre bobine fixe si mobile parcurse de curenti. Cuplul activ care apare pune in miscare bobina mobila impreuna cu intreg echipajul mobil.

Descrierea aparatului

dispozitivul de producere a cuplului activ - este alcatuit din 2 bobine fixe legate in serie sau in paralel, piese polare si miez cilindric. Bobina mobila este fixata pe axul echipajului mobil.

dispozitivul de producere a cuplului rezistent - doua arcuri spirale

dispozitivul de citire - acul indicator si scara gradata.

corectorul de zero

amortizorul - pneumatic cu paleta sau cu piston

caracteristica statica de functionare a aparatului

in c.c.

in c.a.

utilizari

ampermetre si voltmetre de c.c.

wattmetre: bobina fixa este numita si bobina de curent (se leaga in serie in circuit), bobina mobila este numita bobina de tensiune (se leaga in paralel in circuit).

proprietati:

scara uniforma (cand sunt utilizate ca wattmetre)

scara neuniforma (cand sunt utilizate ca ampermetre si voltmetre)

sensibilitate buna

precizie foarte buna

consum propriu de putere foarte mare

influentate de frecventa curentului (vor fi utilizate doar pana la 1500Hz)

influentate de campurile magnetice exterioare

functioneaza in c.c. si in c.a.

sensibile la suprasarcini

4.4. Aparate digitale

Principiul de functionare al aparatelor de masurat digitale consta in transformarea marimii de masurat, de obicei analogice, in semnale digitale.

transformarea marimii continue (analogice) in semnale digitale se realizeaza prin  discretizarea si codificarea marimii de masurat

discretizarea se poate face in timp (esantionare) sau in nivel (cuantificare)

interval de esantionare - timpul dintre doua masurari succesive

rezolutia aparatului - diferenta dintre doua trepte succesive

eroare de discretizare - diferenta dintre valoarea reala a marimii si valoarea masurata

schema bloc

Circuitul de intrare - prelucreza marimea de masurat pentr a obtine o marime convenabila la intrarea convertorului

Convertorul analog digital - transforma marimile de masurat analogice in marimi digitale

Numaratorul - numara impulsurile de la iesirea convertorului. Este format dintr-un lant de celule elementare de numarare care depind de sistemul de numeratie folosit.

Decodorul - transforma rezultatul masurarii din sistemul binar in sistemul zecimal

Dispozitivul de afisare - asigura comanda automata a operatiilor.

- pentru realizarea lui se folosesc diode electroluminiscente (LED) si cristale lichide (au proprietatea de a-si schimba traansparenta sau culoarea sub influenta campurilor electrice sau magnetice)

Blocul de comanda- asigura comanda automata a tuturor operatiilor

Blocul de alimentare - alimenteaza celelalte blocuri functionale.

proprietati

afisarea directa, sub forma numerica a rezultatului masurarii

masurarea nu este continua, ci discreta, ea efectuandu-se la anumite intervale de timp

valoarea afisata urmareste variatia in trepte cu care marimea este aproximata