Ce este un aparat de masura

Ce este un aparat de masura

Definitia aparatului de masura

Un aparat de masura este orice dispozitiv special realizat pentru afisarea unei marimi electrice intr-un format ce poate fi interpretat de catre un operator uman. De obicei, acest format este sub forma vizuala: deplasarea unui indicator pe o scala, o serie de dispozitive luminoase aranjate sub forma unui bargraph, sau un afisaj format din cifre.

In analiza si testarea circuitelor, exista dispozitive proiectate pentru realizarea masuratorilor marimilor electrice de baza, si anume, tensiune, curent si rezistenta. Exista multe alte tipuri de aparate de masura, dar in acest capitol ne vom concentra atentia, in principal, pe modul de functionare al acestora trei.

Majoritatea aparatelor de masura moderne sunt digitale, folosind un afisaj numeric. Modelele mai vechi de aparate de masura sunt insa mecanice, utilizand un indicator mecanic pentru afisarea marimii masurate. In ambele cazuri, este nevoie de o setare a aparatului pentru indicarea corespunzatoare a marimilor masurate. In acest capitol ne vom referi exclusiv asupra principiilor de functionare ale aparatelor de masura analogice (mecanice).

Aparate de masura electromagnetice

Majoritatea aparatelor de masura analogice se bazeaza pe principiul electromagnetismului, si anume, pe faptul ca trecerea unui curent printr-un conductor produce un camp magnetic perpendicular pe axa de deplasare a electronilor. Cu cat valoarea curentului este mai mare, cu atat mai mare va fi campul magnetic produs. Daca acest camp magnetic produs de conductor este liber sa interactioneze cu un alt camp magnetic, vom asista la dezvoltarea unei forte fizice intre cele doua surse ale campurilor magnetice. Daca una dintre acest surse este libera sa se deplaseze fata de cealalta sursa, aceasta se va deplasa pe masura ce curentul trece prin conductor, deplasarea fiind direct proportionala cu valoarea curentului.

Galvanometrul

Primele astfel de aparate de masura construite erau cunoscute sub numele de galvanometre, fiind recunoscute pentru precizia lor. Un model foarte simplu de galvanometru consta dintr-un ac magnetizat (asemenea celui folosit la compas) suspendat la capatul unui fir si pozitionat in interiorul unei infasurari conductoare. La trecerea curentului prin aceasta infasurare, se va produce un camp magnetic ce va modifica pozitia initiala a acului. Un astfel de aparat antic este prezentat in figura alaturata.

Astfel de aparate nu mai sunt insa practice in prezent, fiind extrem de sensibile la orice tip de miscare si la interferentele datorate campului magnetic al pamantului. Singurul lor scop ramane prezentarea conceptelor de baza ale dispozitivelor experimentale. In prezent, termenul de "galvanometru" este utilizat pentru desemnarea oricarui tip de aparat de masura de o precizie exceptionala, nefiind neaparat un dispozitiv ca cel prezentat mai sus.

Aparate de masura cu magnet permanent

Aparatele de masura electromagnetice sunt realizate in prezent dintr-o bobina suspendata intr-un camp magnetic, protejata de majoritatea influentelor externe. Astfel de dispozitive sunt cunoscute sub numele de aparate de masura cu magnet permanent.

In figura de mai sus, acul indicator este pozitionat aproximativ la 35% pe scala gradata, zero fiind in stanga iar valoarea maxima regasindu-se in partea dreapta. O crestere a curentului de masurat va duce la o deplasare a acului indicator spre dreapta iar o descrestere a lui va duce la o deplasare a acului spre stanga. Afisajul aparatului de masura contine o scala gradata cu cifre pentru indicarea valorilor marimii de masurat, indiferent de tipul acesteia.

Cu alte cuvinte, daca este necesara o valoare de 50 µA pentru deplasarea maxima a acului indicator (spre capatul din dreapta), scala va avea scrisa o valoarea de 0 µA in partea stanga si o valoare de 50 µA in partea dreapta; mijlocul va fi desigur 25 µA.

In exemplul din figura, acul ar indica in acest caz ipotetic o valoare a curentului de 17,5 µA. De obicei, scala este impartita in gradatii mult mai mici, din 5 in 5 µA, sau chiar la 1 µA, pentru a permite o citire mult mai precisa a indicatiei acului.

Majoritatea aparatelor pot detecta polaritatea curentului, o directie a acestuia ducand la deplasarea acului intr-un anumit sens, iar directia opusa a curentului ducand la o deplasare in sens contrar al acului indicator. Modele D'Arsonval si Weston sunt de acest tip.

Exista insa si aparate care nu sunt sensibile la modificarea sensului curentului prin circuit, bazandu-se pe atragerea unui cursor mobil de fier, nemagnetizat, catre conductorul de curent fix pentru deplasarea acului indicator. Astfel de aparate sunt folosite pentru masurator in curent alternativ. Un dispozitiv sensibil la variatia polaritatii curentului, ar vibra pur si simplu inainte si inapoi fara a putea da o indicatie practica a marimii de masurat.

Aparate de masura electrostatice

Desi majoritatea aparatelor de masura analogice se bazeaza pe principiul electromagnetismului, cateva dintre ele se bazeaza pe electrostatica, cu alte cuvinte, pe forta de atractie sau de respingere generata de sarcinile electrice in mediul dintre ele.

Daca aplicam o tensiune intre doua suprafete conductoare separate printr-un dielectric format din aer, va exista o forta fizica de atractie intre cele doua suprafete, forta capabila sa indice valoare tensiunii. Aceasta forta este direct proportionala cu tensiunea aplicata intre placi si invers proportionala cu patratul distantei dintre ele. De asemenea, forta nu depinde de polaritate, rezultand astfel un dispozitiv insensibil la variatia polaritatii tensiunii.

Din pacate, forta generata de atractia electrostatica este foarte mica in cazul tensiunilor normale, astfel incat aceste tipuri de aparate de masura nu sunt practice pentru instrumentele de test normale. Astfel de aparate electrostatice sunt folosite pentru masurarea tensiunilor inalte, de ordinul miilor de volti.

Unul dintre cele mai mare avantaje al aparatelor electrostatice consta in rezistenta electrica extrem de mare, fata de aparatele electromagnetice care au o rezistenta electrica mult mai mica. Dupa cum vom vedea in cele ce urmeaza, o rezistenta electrica mare, rezultand intr-un curent mult mai mic prin dispozitiv, este absolut necesara pentru realizarea unui voltmetru profesional.

Tubul catodic (CRT)

O aplicatie mult mai intalnita a dispozitivelor electrostatice este tubul catodic. Acestea sunt tuburi speciale din sticla, similare celor intalnite la televizoarele clasice. Intr-un astfel de tub, un fascicol de electroni ce se deplaseaza prin vid, este deviat prin intermediul unei tensiuni existente intre doua placi metalice asezate de o parte si de cealalta a tubului.

Datorita faptului ca electronii poseda o sarcina electrica negativa, acestia tind sa fie respinsi de placa negativa si atrasi de placa pozitiva. O inversare a polaritatii tensiunii dintre cele doua placi va duce la modificarea in sens contrar al traseului fascicolului de electroni, acest dispozitiv fiind prin urmare sensibil la polaritate.

Electronii, avand o greutate mult mai mica decat placile metalice, se deplaseaza mult mai usor sub actiunea fortei dintre cele doua placi decat placile propriu-zise. Traseul lor deviat poate fi detectat pe masura ce acestia se lovesc de afisajul din sticla de la capatul tubului, unde intalnesc un strat subtire de fosfor; rezultatul este emiterea unei unde luminoase ce poate fi observata din exteriorul tubului. Cu cat tensiunea dintre cele doua placi este mai mare, cu atat electronii vor fi deviati mai puternic de la traseul lor initial, punctul luminos de pe afisaj regasindu-se la o distanta mai mare fata de centrul acestuia.

Intr-un tub real, precum cel alaturat, exista doua perechi de placi metalice pentru deviatia electronilor, nu doar una singura, pentru a putea acoperi intreaga aria a afisajului de sticla din capatul dispozitivului.

Cu toate ca aceste dispozitive pot inregistra tensiuni mici cu o precizie ridicata, ele sunt totusi greoaie, fragile si necesita putere electrica pentru functionare, spre deosebire de dispozitivele electromagnetice ce sunt mult mai compacte si sunt alimentate direct de semnalul de masurat ce se regaseste la bornele lor.

De obicei, tuburile catodice sunt folosite in combinatie cu circuite externe precise pentru formarea unui echipament de test mult mai mare, si anume, osciloscopul. Acest din urma dispozitiv poate indica variatia tensiunii cu timpul, o abilitatea extrem de importanta in cazul circuitelor cu tensiuni si curenti variabili in timp.