COLEGIU TEHNIC "ALESANDRU PAPIU ILARIAN" ZALAU SALAJ

TIPURI DE APARATE DIGITALE

MASURARI ELECTRICE

INTRODUCERE

Dupa modul in care se exprima rezultatul masuratorii, aparatele de masurat se impart in doua mari categorii: Aparatele de masurat digitale se caracterizeaza prin faptul ca:
- rezultatul masurarii este afisat direct sub forma numerica;
- masurarea nu este continua ci discreta, efectuandu-se la anumite intervale de timp;
- rezultatul masurarii nu poate lua orice valoare, deoarece indicatia variaza in trepte (intre valori succesive indicare de un aparat de masura digital mai pot exista si alte valori pe care aparatul nu le poate afisa; de exemplu, intre indicatiile 35,725 si 35,726 mai pot exista si alte valori ca: 35,7251, 35,7257,.).Aparatele de masurat digitale au aparut si s-au dezvoltat o data cu dezvoltarea tehnicii de calcul
si a dispozitivelor de automatizari. Folosind cele mai noi cuceriri ale tehnicii moderne, aceste aparate au atins in prezent performante deosebi de inalte si sunt in continua perfectionare. In acelasi timp,
tehnica moderna se dezvolta si se perfectioneaza folosind din ce in ce mai mult aparatura de masurat si control digitala.Aparatele de masurat digitale prezinta o serie de calitati care au determinat utilizarea lor din ce in ce mai larga in toate domeniile. Aceste proprietati sunt
¨ eliminarea erorilor de citire (erori de scara, erori subiective introduse de operator, erori de calibrare sau de paralaxa);
¨ precizie foarte buna, dependenta de numarul de cifre afisate. Cu cat numarul de cifre afisate este mai mare cu atat precizia lui este mai buna. Se intalnesc precizii de 10-5 - 10-6.
¨ sensibilitate foarte buna; cresterea sensibilitatii este posibila datorita rezolutiei aparatului
(rezolutia este cea mai mica variatie a marimii de masurat pe care o poate sesiza un aparat de masurat digital si corespunde intervalului dintre doua indicatii succesive);
¨ siguranta mare in exploatare;
¨ rapiditate si comoditate in efectuarea masuratorilor;
¨ viteza de masurare mare, putand realiza cateva sute de masurari pe secunda. Aceasta proprietate permite ca un singur aparat sa fie cuplat succesiv, prin intermediul unor selectoare, in mai multe puncte de masurare ale unei instalatii;
¨ posibilitatea inregistrarii rapide si precise a rezultatelor;
¨ posibilitatea programarii si automatizarii procesului de masurare;
¨ posibilitatea cuplarii cu calculatoare si cu alte dispozitive automate;
¨ posibilitatea transmiterii rezultatelor la distanta, fara introducerea unor erori suplimentare.¨ Impedante de intrare de ordinul GW.
Fata de aparatele analogice, aparatele de masurat digitale prezinta unele dezavantaje, cum ar fi
¨ complexitate mare;
¨ cost ridicat.

Sisteme de masurare computerizate

Avantajele oferite in multiple domenii de modalitatea digitala de transmitere a semnalelor purtatoare de informatie au condus la utilizarea acesteia si in cadrul sistemelor de masurare. Cresterea performantelor calculatoarelor si extinderea utilizarii acestora au facut ca sistemele de masurare ce includ acest tip de componente sa formeze nu numai o categorie distincta ci sa fie utilizate cu preponderenta in comparatie cu sistemele de masurare exclusiv analogice.

Cunoscute sub diverse alte denumiri (sisteme de masurare digitale, sisteme computerizate de achizitie de date, sisteme de masurare pe baza de microprocesor etc), sistemele de masurare computerizate se caracterizeaza in primul rand prin faptul ca, dintr-un anumit punct al sistemului, semnalul electric purtator de informatie este convertit din forma analogica in forma digitala.

Prin insasi natura fizica a multor fenomene masurate se impune ca traductoarele utilizate sa genereze semnale analogice. Primele prelucrari (conditionari) ale acestor semnale (amplificari, liniarizari, anumite tipuri de filtrari) raman inca apanajul unor circuite electronice lucrand in domeniul analogic. Din acest punct, incepand cu o serie de tipuri de conditionare a semnalului (unele filtrari si liniarizari, multiplexari), continuand cu transmiterea acestuia, prelucrarea informatiei, stocarea acesteia si pana la transmiterea informatiei catre utilizatorul sistemului, toate operatiile dintr-un sistem de masurare computerizat sunt efectuate de catre componente electronice digitale independente sau aflate sub comanda unui calculator.

Prezentul capitol isi propune sa prezinte o clasificare succinta a celor mai utilizate categorii de sisteme de masurare computerizate. Vor fi prezentate principalele tipuri de componente ale acestor sisteme, functiunile si performantele acestora, astfel incat sa se poata trage o serie de concluzii privind domeniile lor de aplicabilitate. Utilizarea calculatoarelor fiind implicit legata de existenta unui software, vor fi descrise unele variante principale de programe utilizate in cadrul sistemelor de masurare computerizate.

In finalul capitolului vor fi prezentate o serie de aspecte legate de inglobarea sistemelor de masurare computerizate in aplicatii din domeniul inteligentei artificiale si de utilizarea acestora in reteaua Internet.

Clasificare

Deoarece o buna parte din problematica sistemelor de masurare computerizate este reprezentata de catre aspectele referitoare la transmiterea si prelucrarea informatiei continute in semnale digitale, una dintre cele mai des intalnite clasificari ale acestor sisteme este efectuata in functie de protocolul utilizat pentru transmiterea semnalelor digitale.

Astfel, in ordinea in care diversele protocoluri au inceput sa fie utilizate, dar si in ordinea crescatoare a complexitatii acestora, sistemele de masurare computerizate pot fi clasificate in urmatoarele categorii principale:

cu comunicatie seriala;

cu comunicatie paralela;

cu placi de achizitie de date;

cu calculatoare de uz industrial.

Sistemele de masurare computerizate cu comunicatie seriala reprezinta una dintre primele categorii de astfel de sisteme. Aparute odata cu ideea utilizarii calculatorului in masurare, ele au fost formate prin dotarea aparatelor de masura cu convertoare analog - digitale si cu interfete de comunicatie seriala prin intermediul carora informatia privind valorile masurate sa poata fi transmisa unui calculator. O schema care evidentiaza principalele componente ale unui sistem de masurare computerizat cu comunicatie seriala este prezentata in figura @.1.

Dezvoltari ulterioare ale aparatelor de masura analogice au permis ca modificarea unor parametri de configurare a acestora (domeniul de masurare, factorul de amplificare, indicele canalului activ, tipul de prelucrare a semnalului etc) sa poata fi efectuata la primirea unei comenzi generate de catre calculator si transmisa aparatului de masura prin calea de comunicatie seriala.

Datorita vitezei relativ reduse de transmitere a informatiei in cazul comunicatiei seriale, acest tip de sisteme de masurare computerizate poate fi utilizat fie in cazul in care valorile marimilor masurate variaza relativ lent, fie in cazul in care interfata de comunicatie seriala a aparatului de masura analogic nu transmite catre calculator decat o parte din valorile masurate sau indicatori statistici ai acestor valori.

Posibilitatile de afisare pe monitorul calculatorului a valorilor masurate, de prelucrare a acestor valori si de stocare in fisiere de date, precum si de modificare automata (comandata prin software) a parametrilor de lucru ai aparatelor de masura analogice au condus la eliminarea functiunilor respective din cadrul posibilitatilor acestor aparate. Componentele indicatoare (cu ac indicator, cu tub catodic sau digitale cu cristale lichide), inregistratoarele si butoanele sau comutatoarele aparatelor de masura analogice nu isi mai justificau prezenta datorita dublarii functiunilor respective de catre calculator. In plus, modul in care calculatorul poate realiza aceste functiuni ale sistemului de masurare nu necesita in aceeasi masura prezenta operatorului uman, fiind de asemenea caracterizat prin viteza, acuratete si fiabilitate sporite.

Astfel, aparatele de masura analogice utilizate in sisteme computerizate cu comunicatie seriala pot fi reduse la circuitele de conectare a traductoarelor, de conditionare a semnalului analogic, de conversie analog - digitala si de realizare a comunicatiei seriale. Avantajul acestei simplificari consta in eliminarea unor componente electronice sau electro - mecanice cu consum energetic relativ mare, care pot influenta negativ procesul de masurare.

Viteza de transmitere a informatiei prin intermediul comunicatiei seriale fiind relativ redusa in comparatie cu performantele globale in continua crestere ale calculatoarelor, a aparut posibilitatea ca un singur calculator sa comunice simultan cu mai multe sisteme de masurare, aceasta realizandu-se prin montarea in calculator a unei interfete de comunicatie seriala multicanal cu functiuni similare unui multiplexor.

Sistemele de masurare computerizate cu comunicatie paralela au o structura similara celor in care comunicatia se realizeaza in mod serial, principala diferenta constand in protocolul utilizat pentru transmiterea informatiei. Viteza sporita de transmitere a informatiei face ca aceasta solutie sa fie utilizata pentru conectarea la calculator a unor aparate pentru masurarea unor marimi fizice cu variatii foarte rapide.

Performantele deosebite ale aparatelor de masura utilizate in aceste sisteme fac ca, desi aparatele pot fi monitorizate sau configurate de catre calculator prin intermediul interfetei de comunicatie paralela, ele sa contina totusi componente de vizualizare si stocare a semnalului sau componente de configurare de catre utilizator. Pastrarea acestor componente face posibila utilizarea independenta a aparatelor de masura, in situatiile in care acestea nu sunt conectate la un calculator in cadrul unui sistem de masurare computerizat.

Sistemele de masurare computerizate cu placi de achizitie de date se caracterizeaza in primul rand prin faptul ca operatia de conversie a semnalului purtator de informatie din forma analogica in forma digitala nu mai este efectuata de catre aparatul de masura analogic ci de catre o componenta electronica distincta (placa de achizitie de date) montata in calculator (figura @.2).

Faptul ca placile de achizitie de date necesita ca semnalul analogic ce le este furnizat sa se incadreze intre anumite limite pentru valoarea tensiunii electrice face necesara prezenta unor aparate de conditionare a semnalelor inserate in sistemul de masurare intre traductoare si placa de achizitie. Functiile pe care le indeplinesc aceste conditionatoare nu sunt dedicate numai satisfacerii cerintelor impuse de placa de achizitie ci si a celor rezultate din tipul si caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate.

Majoritatea aparatelor de conditionare a semnalelor utilizate in componenta acestor sisteme sunt dedicate utilizarii intr-o configuratie computerizata. Ele nu poseda componente de vizualizare sau stocare a semnalelor, iar majoritatea operatiilor de configurare a acestor aparate sunt comandate de catre calculator, prin intermediul placii de achizitie de date.

Transferul de informatie intre aparatele de conditionare a semnalului si placa de achizitie de date are loc intr-un mod complex. O prima categorie (informatia continuta in semnalul masurat si conditionat) este transferata sub forma analogica in sens unic, catre placa de achizitie de date, si este dedicata convertorului analog - digital al acesteia. A doua categorie de semnale purtatoare de informatie transmise intre componentele respective ale sistemului de masurare este de natura digitala. Acestea sunt dedicate fie comandarii de catre placa de achizitie a modului de lucru al conditionatorului, fie transmiterii de catre acesta din urma a unor a unor informatii referitoare la starea in care se afla.

Prezenta convertorului analog - digital in placa de achizitie de date montata in calculator confera sistemului de masurare computerizat performante si flexibilitate sporite. Viteza de transmitere a informatiei provenite din masurare catre microprocesorul calculatorului este mult sporita in comparatie cu sistemele cu comunicatie paralela. Modul in care placa de achizitie de date realizeaza transferul informatiilor catre si de la microprocesor depinde de tipul de magistrala de date existent in structura calculatorului (AT, ISA, PCI etc).

Transmiterea sub forma analogica a semnalului de la aparatul de conditionare la calculator ridica unele probleme in situatiile in care distanta pe care se efectueaza transmiterea este mare sau atunci cand exista posibilitatea ca informatia continuta in semnal sa fie afectata de perturbatii exterioare sistemului de masurare. Evitarea alterarii informatiei se poate realiza fie prin inserarea in sistem a unor componente suplimentare (de obicei modulatoare) fie prin luarea unor masuri suplimentare de izolare si ecranare a componentelor sistemului de masurare.

Pe langa conectarea conditionatoarelor de semnal (in majoritatea cazurilor in varianta multicanal), placile de achizitie de date ofera posibilitatea generarii de catre calculator a unor semnale analogice de comanda si posibilitatea masurarii sau generarii de semnale logice sau sub forma de trenuri de impulsuri.

Datorita flexibilitatii in stabilirea structurii unui sistem de masurare computerizat cu placi de achizitie de date, acestea sunt utilizate cu precadere in activitati de cercetare experimentala (laboratoare, testari initiale pentru sisteme de automatizare etc).

Sistemele de masurare computerizate cu calculatoare de uz industrial utilizeaza de asemenea placi de achizitie de date si aparate dedicate de conditionare a semnalelor. Deosebirea in raport cu sistemele din categoria anterioara consta in faptul ca aceste componente, impreuna cu calculatorul care este de asemenea dedicat utilizarii respective, sunt realizate sub forma de module ce se monteaza intr-un suport (sasiu, rack) comun (figura @.3). Suportul comun respectiv asigura atat o parte din comunicatiile digitale dintre componentele sistemului de masurare cat si etansarea si izolarea acestora fata de eventualii factori de mediu agresivi (umiditate, praf etc).

In situatiile in care traductoarele sunt dispuse la distanta relativ mare de suportul comun al sistemului de masurare, pot fi utilizate conditionatoare de semnal externe, plasate in apropierea traductoarelor.

Transmiterea informatiilor intre componentele montate in suportul comun se efectueaza dupa protocoluri specifice acestui tip de sisteme de masurare (VXI, MXI, PXI etc).

In suportul comun al sistemului de masurare pot fi de asemenea montate interfete dedicate pentru comunicatia cu alte aparate de masura externe, atat in modul serial cat si in cel paralel. Aceste interfete comunica, de obicei prin intermediul magistralelor de date ale suportului comun, cu calculatorul de uz industrial.

Caracteristicile particulare ale componentelor utilizate in aceasta categorie face ca pretul acestora sa fie mai ridicat decat in situatiile anterioare, la acesta adaugandu-se pretul suportului comun si al accesoriilor acestora. Sistemele de masurare computerizate din aceasta categorie sunt utilizate in exclusivitate in aplicatii industriale de control, comanda si monitorizare a unor procese cu numar mare de puncte de masurare si marimi comandate.

Masurari electrice

Pentru determinare unor constante fizice ale unor elemente de circuit , de exemplu rezistenta electrica a unui rezistor sau pentru determinarea variatiei unei marimi fizice de exemplu intensitatea curentului electric printr-un rezistor in functie de tensiunea aplicata pe rezistor ,se realizeaza in laborator diferite montaje electrice .Principalele instrumente de masura utilizate sunt ampermetrul pentru masurarea intensitatii curentului electric si voltmetrul pentru masurarea tensiunii electrice .
Asa cum am aratat ,ampermetrul se conecteaza in serie cu elementul respectiv (rezistorul) ,iar voltmetrul se conecteaza in derivatie cu acel element .Odata introduse in montajul electric atit ampermetrul cit si voltmetrul devin elemente ale montajului respectiv. Prin introducerea instrumentelor de masura in montaj ,acesta se modifica din punct de vedere electric .In mod tacit ,pina acum, am considerat atit ampermetrul cit si voltmetrul ca elemente ideale ,elemente care nu modifica starea electrica a sistemului prin introducerea lor in montaj.
Pentru ca sa se realizeze aceasta conditie ,ampermetrul trebuie sa aiba rezistenta electrica nula iar voltmetrul trebuie sa aiba o rezistenta electrica enorm de mare, teoretic infinita.
Instrumentele reale nu pot indeplini aceasta conditie .Fiecare instrument de masura se apropie de conditia ideala daca sunt folosite pentru anumite intervale de valori.
Ampermetrul real are rezistenta electrica (RA) diferita de zero , dar mult mai mica decit rezistenta electrica (R) a rezistorului cu care se inseriaza (RA << R).
Voltmetrul real are rezistenta electrica (RV),finita ,dar mult ma i mare decit rezistenta electrica a rezistorului cu care se conecteaza in derivatie (RV>>R).
Pentru a indeplini aceste conditii instrumentele de masura se utilizeaza pentru anumite domenii de valori masurate. Aceste domenii sunt indicate de scala instrumentului respectiv .
In montajul respectiv trebuie sa folosim un instrument corespunzator .De exemplu daca intensitatea curentului care trebuie determinata este de ordinul citorva amperi se utilizeaza un ampermetru cu scala 0-10 A. De asemenea daca estimam ca tensiunea masurata este de ordinul voltilor utilizam un voltmetru cu scala 0-12
Aceste restrictii au consecinte practic nedorite ,conducind la necesitatea de a dispune de o mare varietate de instrumente de masura .

Utilizarea ampermetrului

Deoarece masurarile presupun determinarea unor intensitati necunoscute ,la introducerea ampermetrului in circuit se alege la inceput domeniul cel mai mare posibil .Daca acul ampermetrului a deviat foarte putin se poate folosi o alta borna inferioara ,fara a deteriora aparatul ,astfel incit citirea sa fie cit mai exacta . Valoarea maxima a diviziunilor cadranului coincide cu valoarea intensitatii curentului la care ampermetrul a fost conectat in circuit .

De exemplu daca acul ampermetrului s-a oprit in dreptul diviziunii 80, atunci I=5?80/100 =4A

Suntul ampermetrului

Sa consideram un ampermetru cu rezistenta electrica proprie RA care poate masura curentii cu intensitatea maxima , Im .Pentru a mari domeniul de utilizare de n ori , pentru a-l putea utiliza la masurarea unor curenti electrici cu intensitatea maxima I ,n=I/Im ,se conecteaza in paralel cu ampermetrul uni rezistor senumit sunt ,cu rezistenta electrica RS .
Curentul cu intensitatea I ,care trebuie masurat ,se desparte in nodul M intr-un curent care trece prin ampermetrul , de intensitate IA si un curent cMasurarea rezistentelor

1) Cea mai simpla metoda de masurare a rezistentelor electrice consta in utilizarea ampermetrului si a unui voltmetru .Aratam in continuare cum se conecteaza aceste instrumente in circuit electric realizat pentru o determinare cit mai corecta.
a) Masurarea unei rezistente mari (montaj aval)

Se realizeaza montajul indicat in figura alaturata .La legarea in paralel a voltmetrului ,acesta masoara doua tensiuni ,pe ampermetru si pe rezistor:
UV=UA+IR R===>R=A
deoarece rezistenta ampermetrului RA este mica (RA << R),rezulta cu aproximatie ,


b) Masurarea unei rezistente mici (montaj amonte)
Intensitatea masurata de ampermetru reprezinta ,conform legii I a lui Kirchhoff suma intensitatilor rezistorului si respectiv voltmetrului :
I=IV+IR=

Deoarece volmetrul are rezstenta electrica foarte mare (RV>>R),relatia se paote aproxima:
I===>R=

c) Puterea Wheatstone
In activitatea experimentala determinPuterea Wheatstone

In activitatea experimentala determinarile se efectueaza cu anumite erori , abateri de la valorile reale .Existenta erorilor se datoreaza unor cauze subiective , de exemplu citirea valorilor indicate de instrumentele de masura , dar si a unor cauze obiective , determinate de imperfectiunea instrumentelor de masura .

Pentru a obtine rezultate cit mai corecte trebuie inlaturate sau diminuate cit mai multe dintre cauzele care conduc la aparitia erorilor .

In acest sens ,s-a constatat ca o metoda importanta de reducere a erorilor o constituie metoda de zero. Conform acestei metode ,instrumentul este pus in situatia de a indica diviziunea zero.

Un exemplu de aplicatie a metodei de zero il reprezinta puterea Wheatstone .

arile se efectare trece prin suntAmpermetrul ideal

Asemenea voltmetrelor, si ampermetrele tind sa influenteze cantitatea de curent din circuitele in care sunt conectate. Totusi, spre deosebire de voltmetrul ideal, rezistenta interna a ampermetrului ideal este zero. Motivul il reprezinta o cadere de tensiune cat mai mica la bornele acestuia. Observati ca acest lucru este exact opus voltmetrului (curent cat mai mic consumat din circuit).

Efectul ampermetrului asupra circuitului; exemplu

Sa vedem un exemplu pentru identificarea efectelor unui ampermetru asupra circuitului. Atunci cand ampermetrul nu este introdus in circuit, curentul prin rezistorul de 3 Ω este de 666,7 mA, iar curentul prin rezistorul de 1,5 Ω este de 1,33 A.

Daca ampermetrul cu care efectuam masuratorile are o rezistenta interna de 0,5 Ω, introducerea acestuia intr-una din ramurile circuitului va afecta puternic circuitul. Modificand practic rezistenta ramurii din stanga de la 3 Ω la 3,5 Ω, ampermetrul va indica un curent de 571,43 mA in loc de 666,7 mA.

Introducerea ampermetrului in ramura din dreapta va avea un efect si mai mare asupra curentului din aceasta. In acest caz, curentul de ramura va fi de 1 A, in loc de 1,33 A, din cauza cresterii rezistentei prin introducerea ampermetrului.

La utilizarea ampermetrelor standard, ce se conecteaza in serie cu circuitul de masurat, reproiectarea aparatului pentru o rezistenta mai mica intre cele doua terminale, nu este practica sau poate chiar imposibila. Totusi, daca masuram curentul cu ajutorul unui voltmetru si a unui rezistor de sunt, cel mai indicat lucru este sa alegem o rezistenta cat mai mica. Orice rezistenta aditionala introdusa in circuitul initial, va duce la modificarea comportamentului acestuia.

Clestele ampermetric (clampmetrul)

O metoda ingenioasa de reducere a impactului pe care il are un aparat de masura asupra circuitului, este utilizarea conductorului ca parte integranta a ampermetrului. Toti conductorii produc un camp magnetic in jurul lor la trecerea curentului prin ei; valoarea acestui camp magnetic este direct proportionala cu valoarea curentului prin conductor. Construind un instrument pentru masurarea puterii acelui camp magnetic, se poate evita contactul direct si intreruperea circuitului. Un astfel de ampermetru poarta numele de clampmetru sau cleste ampermetric.

Acesta consta practic din doi clesti ce se pun in jurul conductorului. Cu ajutorul acestor dispozitive se pot realiza masurator rapide si sigure, in special in cazul circuitelor de putere. Datorita faptului ca acest clampmetru nu introduce nicio rezistenta suplimentara in circuitul de test, nu va exista practic nicio eroare de masuratoare in acest caz.de intensitate.

CUPRINS 

Introducere......................pagina 1

Sisteme de masurat computerizate...........pagina 2

Clasificare..............paginnile 2-6

Masurari electrice..pagina 7

Ampermetrul....................paginile 8-12

Nu se ia in considerare pagina cu nr. grupei,numele membrilor grupei,numele institutiei de invatamant si altele.

BIBLIOGRAFIE

Inspiratia noastra a fost procurata de cartea "Masurari electrice" si motorul de cautare https://www.google.ro/