Procedee de Extindere A Domeniului de Masurare La Voltmetre [PDF]

Zitiervorschau

Pagina Argument Capitolul I Noţiuni de metrologie Capitolul II Procedee de extindere a domeniului de măsurare la voltmetre Capitolul III N.T.S.M. şi P.S.I. în măsurări electrice Bibliografie

I.1 Aparate de măsură I.2 Mijloace şi metode de măsurare I.3 Dispozitive electrice indicatoare II.1 Măsurarea tensiunii curentului electric II.2 Extinderea domeniului de măsurare la voltmetre III.1 Norme de protecţia muncii III.2 Paza şi stingerea incendiilor

1 2 6 7 11 19 23 24 25

CUPRINS

ARGUMENT

Un instrument de măsură este echipat cu un element rezistiv traversat de curent care dacă este transformat corect, permite colectarea informaţiilor dorite ( intensitate , tensiune, rezistenţă ). Un instrument de măsură cu citire analogică transformă curentul care trece prin el întro deviaţie mecanică a acului indicator pe un cadran gradat. Voltmetrul măsoară o tensiune la bornele sale folosind curentul care îl traversează pentru a devia acul indicator. Rezistenţa acestui instrument este numită rezistenţă internă, iar curentul ce produce deviaţia maximă a acului indicator se numeşte curent de deviaţie maximă. Rezistenţa şi curentul au valori foarte mici iar tensiunea necesară pentru a se obţine deviaţia maximă este foarte scăzută faţă de tensiunea de măsurat. Pentru a măsura tensiuni mai mari se montează rezistenţe in serie cu aparatul. Aceste rezistenţe definesc treptele de funcţionare ale voltmetrului. Rezistenţa internă a voltmetrului este foarte mare în mod normal egală cu sute de kiloohmi. Deoarece măsoară o tensiune la bornele sale, voltmetrul trebuie introdus în paralel cu porţiunea de circuit pe care o măsoară. Ampermetrul măsoară curentul care trece prin el şi funcţionează dupa acelaşi principiu ca şi voltmetrul. Are un curent de derivaţie maximă foarte mic în comparaţie cu cel de măsurat. Pentru a măsura curenţi mari se montează rezistenţe (şunturi) în paralel cu acesta. La fel ca şi în cazul voltmetrelor, aceste rezistenţe definesc treptele de funcţionare ale ampermetrelor. Ampermetrul are de obicei , o rezistenţă internă foarte mică (câţiva ohmi). Deoarece măsoară un curent care trece prin el , ampermetrul trebuie montat în serie în circuit. Am ales această temă deoarece în practica se întâlnesc deseori cazuri în care este nevoie de extinderea domeniului de măsurare a ampermetrului. Pentru întocmirea acestui proiect am parcurs următoarele module : 

Utilizarea maşinilor şi aparatelor electrice



Tehnici de măsurare în domeniu

Competenţe vizate : 

Caracterizează sistemele de reglare automată



Explică structura instalaţiilor / sistemelor de măsurare



Execută operaţii pregătitoare pentru utilizarea tehnicilor de măsurare



Utilizează tehnici de măsurare pentru determinarea / monitorizarea mărimilor tehnice specifice proceselor industriale.

1

Capitolul I

Noţiuni de metrologie

I.1 Aparate de măsură I.1.1 Generalităţi Tehnica de măsurare, cu ajutorul căreia se efectuează orice proces de măsurare, conţine pe lângă metoda de măsurare si o a doua componentă: mijlocul de măsurare – ca element “fizic” cu ajutorul căruia se aplica o metodă de măsurare în scopul realizării experimentului ce conduce la determinarea valorii măsurandului analizat. Mijlocul de măsurare, pe care – indiferent de complexitatea lui – îl vom denumi si operatorul care execută măsurarea, figura 1, a. Ca urmare, sub forma sa cea mai simplă, un aparat de măsurat poate fi considerat ca un diport căruia la intrare i se aplică un semnal X (v. fig. 1, b) prelevat de la obiectul analizat şi care reprezintă măsurandul, iar la ieşire furnizează un semnal Y (un răspuns) sub o formă ce poate fi percepută de operator ca rezultat al măsurării.

Fig. 1. Schema aparatului de măsurat În general, sau mai bine zis în cazurile reale, răspunsul Y nu depinde numai de mărimea de intrare (semnalul X ), aşa cum arată, ci si de alte mărimi care influenţează aparatul, fără a fi “utile” (adică supuse măsurării). Aceste mărimi “perturbatoare” sunt denumite mărimi de influență; aşa sunt mărimile ce reprezintă influenţa mediului asupra aparatului de măsurat (ca: temperatura, presiunea, umiditatea, vibratiile s.a.), mărimi perturbatoare electromagnetice (determinate de: câmpurile electrice, câmpurile magnetice, undele electromagnetice, semnalele transmise prin reţeaua comună de alimentare cu energie electrică etc.). În afara mărimilor de influență, răspunsul (mărimea de ieşire a aparatului) mai depinde si de comenzile care au fost date aparatului de măsurat, prin elementele de comanda cu care marea majoritate a aparatelor sunt dotate. De aceea, o reprezentare mai completă a aparatelor de măsurat este dată de schema din figura 2.

2

Fig. 2

Schema aparatului de măsurat

Mărimile de intrare ale aparatului de măsurat sunt caracterizate de: natura fizică a mărimii (tensiuni electrice, curenţi electrici, rezistente etc.); intervalul de valori măsurabile (valoarea minimă, valoarea maximă) variaţia în timp (mărimi constante, variabile periodic, forma de undă etc.). I.1.2 Aparate de măsurat electrice Studiul aparatelor de măsură este deosebit de important, deoarece în zilele noastre se poate măsura pe cale electrică aproape orice mărime electrică sau neelectrică. Pentru a putea efectua o măsurătoare se stabileşte o metodă de măsurare şi se utilizează un mijloc de măsurare, adică un aparat de măsurat. Aparatele de măsură pot fi clasificate, având în vedere următoarele criterii: a. modul de afişare al rezultatului măsurării: 

aparate analogice - furnizează valoarea mărimii măsurate prin aprecierea poziţiei unui ac indicator în raport cu reperele unei scări gradate;



aparate digitale (numerice) - furnizează valoarea mărimii măsurate sub forma unui număr prezentat într-un afişaj.

b.

principiul de funcţionare ( în cazul aparatelor analogice):  aparate magnetoelectrice  aparate electromagnetice(feromagnetice)  aparate electrodinamice  aparate cu inducţie  aparate electrostatice  aparate termice  logometre.

3

c. mărimea măsurată: galvanometre, ampermetre, voltmetre, wattmetre, frecvenţmetre, contoare, ohmmetre, punţi. APARATE DE MĂSURĂ ANALOGICE Operaţia de măsurare cu un aparat de măsură analogic cuprinde următoarele etape: 

conversia mărimii de măsurat în tensiune electrică;



prelucrarea analogică a semnalului electric;



afişarea cu ajutorul acului indicator;

Fig. 3 Schema bloc a unui aparat de măsură analogic Din punct de vedere constructiv, instrumentele de măsurare prezintă următoarele componente: 

un dispozitiv de măsurare care funcţionează pe baza unui anumit principiu;



un ac indicator solidar cu partea mobilă a dispozitivului de măsurare;



un cadran cu o scară gradată liniar sau neliniar (logaritmic) în faţa căruia culisează acul indicator;



unul sau mai multe dispozitive pentru producerea cuplului antagonist;



un corector pentru reglarea acului în dreptul reperului zero;



un dispozitiv amortizor pentru amortizarea oscilaţiilor acului indicator;



carcasa în care este cuprins aparatul;



borne pentru conectarea aparatului în circuit.

Aparatele de măsură analogice sunt constituite dintr-o parte fixă şi o parte mobilă care se poate roti în jurul unui ax. Echipajul mobil al aparatului este acţionat pe de o parte de un cuplu de forţe, numit cuplu activ sau motor, care este funcţie de mărimea electrică de măsurat şi pe de altă parte de un cuplu rezistent sau antagonist produs de obicei de un arc sub formă de spirală. Schema echipajului mobil este prezentată în figura 4.

4

Fig. 4 Schema echipajului mobil al aparatului de măsură analogic Acul indicator (1) confecţionat din ţeava de aluminiu se roteşte sub acţiunea cuplului activ. Pentru aducerea în zero a acului indicator se foloseşte un dispozitiv format dintr-o furcă (3) prinsă la un capăt al arcului spiral, care este deplasată de excentricul unui şurub (4) acţionat din exteriorul aparatului. Contragreutăţile (5) elimină influenţa greutăţii proprii a echipajului mobil asupra deviaţiei. Pentru citirea deviaţiei se utilizează un dispozitiv format dintr-o scară gradată şi un ac indicator. Scara gradată are trasate repere principale, marcate cu cifre şi diviziuni intermediare. Aceasta este prevăzută cu o oglindă pentru a evita eroarea cu paralaxă (dacă citirea nu se face perpendicular pe aparat se citeşte greşit numărul de diviziuni). Partea fixă a aparatului conţine: ecrane, bobine, magneţi permanenţi. Cele mai importante caracteristici ale aparatelor sunt: clasa de precizie, constanta aparatului, rezistenţele interioare care stabilesc consumul propriu al aparatului. APARATE DE MĂSURĂ DIGITALE Principiul de funcţionare al unui aparat digital de măsurare constă în transformarea mărimii de măsurat cu variaţie continuă în timp, în semnale digitale, prelucrarea specifică a acestora şi afişarea sub o formă numerică.

Fig.5 Schema bloc a unui aparat de măsură digital

5

Un semnal digital este un semnal cu 2 nivele, “0” şi “1”, informaţia fiind reprezentată prin prezenţa unuia sau a altuia din cele 2 nivele. Convertorul analog digital transformă un semnal analogic într-unul digital. Operaţia de prelucrare numerică cuprinde următoarele etape: 

cuantificarea semnalului, care reprezintă operaţia de divizare a semnalului în “cuante” (cantităţi egale, de o anumită valoare);



codificarea, care reprezintă operaţia de asociere a unor valori numerice la cuantele obţinute (codificarea binară operează cu nivelele “0” şi “1”, care corespund unor niveluri de tensiune continue ( ex. 0V şi 5V);



afişarea, care reprezintă operaţia de prezentare a rezultatului sub formă de cifre, cu ajutorul indicatoarelor optoelectronice de tip LED sau LCD.

Dintre avantajele introduse de aparatele digitale, faţă de aparatele analogice amintim: 

eliminarea erorilor de citire;



viteză mare de măsurare ( sute, mii de măsurări/secundă);



posibilitatea de stocare a informaţiei în memoria unui calculator.

I.2 Mijloace şi metode de măsurare Mijloacele de măsurare se clasifică în: a) Măsura, care reprezintă un mijloc de măsurare ce materializează pe toată durata utilizării sale una sau mai multe valori ale unei mărimi fizice. Măsurile pot fi cu valoare unică dacă materializează o singură valoare (cală plan-paralelă, rezistor electric etc.) sau cu valori multiple, dacă materializează mai multe valori (riglă gradată, rezistor electric în decade etc.). b) Instrumentul de măsurat constituie cea mai simplă asociere de dispozitive şi elemente care poate furniza în mod independent informaţii de măsurare (şubler, balanţă, ampermetru etc.). c) Prin aparat de măsurat se înţelege un mijloc de măsurare realizat, în general, dintr-un traductor primar, dispozitive intermediare şi un instrument de măsurat (aparat electric pentru măsurat temperatura, voltmetru cu diode în clasă B etc.). d) Sistemul de măsurare reprezintă un ansamblu complet de mijloace de măsurare şi dispozitive anexă în scopul obţinerii unor informaţii de măsurare, reunite prin scheme şi metode comune; poate fi asociat cu dispozitive de automatizare şi/sau tehnică de calcul. După modul de prelucrare şi redare a informaţiei de măsurare, mijloacele de măsurare pot fi: analogice, dacă semnalul de ieşire este o mărime fizică continuu variabilă sau numerice, dacă semnalul de ieşire reprezintă valori discrete ale mărimii de intrare.

6

Totalitatea procedeelor folosite pentru obţinerea informaţiei de măsurare formează metoda de măsurare. După modul în care se obţine rezultatul măsurării, există metode de măsurare directe – dacă valoarea măsurandului rezultă nemijlocit din procesul de măsurare sau indirecte, dacă valoarea măsurandului se obţine pe baza unei relaţii de calcul în care intervin valori provenite din măsurările directe. Metodele de măsurare directă permit evaluarea măsurandului prin comparaţie cu un etalon, prin etalon înţelegându-se un mijloc de măsurare care serveste la definirea, realizarea, reproducerea sau conservarea unităţii de măsură a unei mărimi în scopul transmiterii unităţii de măsură altor mijloace de măsurare (trasabilitate). Această comparaţie se poate realiza simultan (balanţă etc.) sau succesiv (ampermetru etc.). I.3 Dispozitive electrice indicatoare Dispozitivele indicatoare servesc la transformarea rezultatului măsurării într-o formă accesibilă simţurilor, de obicei, vizuală. I.3.1 Dispozitive indicatoare electromecanice Dispozitivele indicatoare electromecanice au în compunerea lor un echipaj mobil care se poate deplasa (roti) de-a lungul unei scări gradate, ca urmare a acţiunii unor forţe sau momente de natură electrică şi/sau mecanică. I.3.2 Dispozitive magnetoelectrice Dispozitivele magnetoelectrice pot fi realizate în două variante: a) dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă; b) dispozitiv magnetoelectric cu magnet mobil. Schema de principiu a unui dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă este prezentată în figura 6.

Fig. 6

Schema de principiu a unui dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă 7

Dispozitivele magnetoelectrice sunt foarte sensibile, putând măsura curenţi de ordinul nA şi au consumuri reduse de ordinul mW. Dispozitivele magnetoelectrice cu bobină mobilă sunt puţin rezistente la suprasarcini. Dispozitivele magnetoelectrice cu magnet mobil sunt însă, desebit de rezistente la suprasarcini şi la şocuri, motiv pentru care se folosesc la construcţia aparatelor de bord. Dintre dezavantajele prezentate de aceste dispozitive pot fi citate: sensibilitatea la influenţa câmpurilor magnetice exterioare (care poate fi diminuată prin ecranare) şi unghiul de deschidere mic al scării gradate (circa 60°). Prin construcţii speciale, unghiul de deschidere poate fi mărit la 240° sau chiar mai mult. Dacă cuplul antagonist este produs de o altă bobină mobilă 2, prinsă solidar de bobina 1, se obţine un logometru (aparat care măsoară raportul a două mărimi de acelaşi fel), magnetoelectric cu bobine mobile (figura 7). La echilibru, cuplurile care acţionează asupra celor două bobine sunt egale.

Fig.7 Logometru magnetoelectric Logometrele se folosesc la măsurarea electrică a mărimilor neelectrice împreună cu traductoare rezistive, ele prezentând avantajul că valoarea indicaţiei este independentă de tensiunea de alimentare a schemei de măsurare. I.3.3 Dispozitive indicatoare electro-optice Dispozitivele indicatoare electro-optice convertesc informaţia electrică într-o informaţie de natură luminoasă. În cadrul acestor dispozitive, o importanţă deosebită o prezintă dispozitivele de afişare alfa-numerice, dezvoltarea acestora fiind impusă de extinderea măsurărilor numerice. Există o gamă largă de dispozitive de afişare, însă pentru aparatele de măsurat prezintă importanţă numai unele tipuri, care vor fi prezentate în continuare. După modul de realizare a cifrelor sau a altor caractere se disting: 8

a) dispozitive fără sintetizarea caracterelor; b) dispozitive cu sintetizarea caracterelor, care pot fi cu segmente sau cu matrici. Dispozitivele cu sintetizarea caracterelor cu segmente pot fi cu: 7, 9, 14 sau 16 segmente (figura 8). Dispozitivele cu sintetizarea caracterelor cu matrici conţin matrici cu: 3x5 puncte, 4x7 puncte sau 5x7 puncte (figura 9). Prin iluminarea diferenţiată a segmentelor sau punctelor din matrici pot fi sintetizate diferite caractere alfa-numerice.

Fig. 8 Sintetizarea caracterelor cu segmente

Fig. 9 Sintetizarea caracterelor cu matrici

Cerinţele impuse dispozitivelor de afişare alfa-numerice sunt: a) - preţul de cost/digit mic; b) - compatibilitate cu circuitele logice; c) - putere consumată mică; d) - tensiuni mici de alimentare; e) - citirea la întuneric şi/sau în condiţii de iluminare; f) - distanţă şi unghi de observare mari; g) - durată mare de viaţă. Principalele tipuri de dispozitive de afişare alfa-numerice sunt: 1. Afişajele cu diode electroluminiscente (LED). Diodele electro-luminiscente sunt realizate cu arseniură de galiu, fosfor, eventual alte substanţe şi au proprietatea că în cazul în care sunt direct polarizate (U=1,6...3 V) emit unde luminoase de culoare roşie, galbenă sau verde după compoziţia materialului din care sunt confecţionate. Cu ajutorul lor se pot realiza sisteme de afişare cu segmente sau matrici (de regulă de culoare rosie). 2. Afişajele fluorescente cu vid sunt realizate cu tuburi cu vid cu mai mulţi anozi acoperiţi de un luminofor de culoare verde şi un catod cald, între care se dispune o grilă de comandă. Dacă pe grilă se aplică o tensiune de circa 20 V, electronii ajung la anod, iar stratul luminofor emite lumină verde (ochiul omenesc are sensibilitate maximă la verde). Acest sistem de afişare se construieste cu segmente.

9

3. Afişaj cu cristale lichide nematice. Anumite substanţe organice având molecule în formă de bare, care pot fi într-o stare stabilă între starea solidă şi lichidă, se numesc cristale lichide. În aceste condiţii ele au anumite proprietăţi electrice si optice. În straturi subţiri (10 mm), dacă sunt polarizate electric cu tensiuni de ordinul volţilor, ele se ordonează prezentând transparenţă optică, putând fi astfel folosite în sisteme de afişare pasivă (cu lumină exterioară), cu segmente sau matricial. Au un consum energetic foarte redus (de ordinul mW). 4. Afişajul cu tub catodic/cinescop se foloseşte de obicei la sistemele complexe. Prin utilizarea unor generatoare de caractere sau editoare grafice care aplică simultan tensiuni pe intrările x, y si z ale osciloscoapului, pe ecran pot fi obţinute diferite caractere prin sintetizare. Acest sistem de afişare are un grad de complexitate mare şi se utilizează împreună cu sisteme de calcul.

10

Capitolul II

Procedee de extindere a domeniului de măsurare la voltmetre

II.1 Măsurarea tensiunii curentului electric II.1.1 Caractere generale ale voltmetrelor Voltmetrele sunt aparate destinate măsurării tensiunii electrice. Tensiunea aplicată la bornele unui voltmetru va da naştere unui curent electric, curent ce va străbate echipamentul mobil al dispozitivului de măsurare (conform legii lui Ohm). Cum rezistenţa bobinei aparatului de măsurat (voltmetru) este constanta, putem concluziona că intensitatea curentului care străbate voltmetrul depinde numai de tensiune: I=f(U). Ca atare curentul electric care trece prin voltmetru provoacă deplasarea echipamentului mobil cu un unghi α. In concluzie, pentru fiecare valoare a tensiunii aplicată pe bornele voltmetrului avem o valoare bine definită a curentului, respectiv a unghiului de deviaţie α. Rezistenţa interioară a voltmetrului (Rv>>R) trebuie să fie mai mare decât rezistenţa receptorului, respectiv a generatorului de energie. Voltmetrele pot fi utilizate fie ca microvoltmetru, fie ca milivoltmetru, fie ca voltmetru respectiv kilovoltmetru (fig. 10).

Fig. 10 Tipuri de voltmetre Măsurarea tensiunii electrice se face cu metode directe, însă sunt posibile si metode indirecte de măsurare. În toate măsurările de tensiune se urmăreste ca prin introducerea mijlocului de măsurare - în paralel între două puncte din circuit (figura 11) - să nu se perturbe funcţionarea acestuia.

Fig. 11 Schema de măsurare a tensiunii 11

II.1.2 Voltmetre magnetoelectrice Voltmetrele magnetoelectrice sunt cele mai simple aparate analogice destinate măsurarii tensiunilor continue. Funcţionarea lor se bazează pe interacţiunea dintre câmpul magnetic B produs de un magnet permanent şi o bobină parcursă de un curent I. Din punctul de vedere al construcţiei, dispozitivele magnetoelectrice se pot realiza în următoarele variante: 1) dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă şi magnet exterior (varianta de bază); 2) dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă şi construcţie concentrică; 3) dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă;

Construcţia şi funcţionarea dispozitivului magnetoelectric cu bobină mobilă şi magnet permanent pot fi studiate cu ajutorul schemei din figura 12.

Fig. 12 Dispozitiv magnetoelectric cu bobină mobilă şi magnet permanent Bobina mobilă 1, în formă 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 şi omogen, inducţia magnetica B din întrefier fiind constantă, indiferent de poziţia bobinei. Constanta de tensiune, Cu (valoarea diviziunii), reprezintă valoarea tensiunii care determină o deviaţie de o diviziune, iar sensibilitatea de tensiune Su reprezintă deviaţia corespunzătoare unei tensiuni egale cu 1 V. Suspensia sistemului mobil poate fi realizată pe lagăre (exterioare sau interioare), pe benzi tensionate sau pe fir de torsiune. Cele trei tipuri de

12

suspensii posibile sunt prezentate în figura 4, împreună cu principalele elemente auxiliare ale dispozitivului magnetoelectric.

Fig. 13 Tipuri de suspensii ale sistemului mobil ale dispozitivului magnetoelectric. Dispozitivul magnetoelectric (v. fig. 13) este prevăzut cu un ac indicator 4, contragreutăţi pentru echilibrarea sistemului mobil 7, cu corectorul de zero 8, şi scara gradată uniform 5. Pentru aparatele cu clasa de precizie 0,2 si 0,1 este utilizat un sistem optic de citire a indicaţiilor cu spot luminos şi scara interioară. Celelalte notaţii din figura 4 indică: 1 – bobina mobilă , 2 – ax din oţel, 6 – lagăre, 10 – arc de întindere, 11 – oglindă şi 13 – fir de aducţiune.

13

Pe lânga funcţia principală, aceea de a crea cuplul antagonist, elementele elastice (resorturile spirale – reper 3 în figura 13, a), benzile tensionate – reper 9 în figura 13, c), firul de torsiune – reperul 12 din figura 13, d)) au şi rolul de readucere la zero a acului indicator la dispariţia mărimii măsurate şi de reglare a punctului de zero prin şurubul corector de 0 (reper 8 în figura 13). Unele dintre performanţele aparatelor magnetoelectrice pot fi îmbunătăţite prin anumite modificări constructive ale variantei de bază. Astfel, o utilizare optimă a materialelor magnetice şi o ecranare eficientă împotriva câmpurilor magnetice exterioare se pot obţine prin utilizarea aparatelor magnetoelectrice cu bobină mobilă şi construcţie concentrică (fig.14), iar reducerea gabaritului (fără afectarea lungimii scării) prin utilizarea unor dispozitive magnetoelectrice cu bobină mobilă unilaterală (fig.15).

Fig. 14 Bobină mobilă şi

Fig. 15 Dispozitive magnetoelectrice cu bobină mobilă

construcţie concentrică

unilaterală

Cel mai important dezavantaj al unui voltmetru magnetoelectric este determinat de rezistenţa de intrare de valoare redusă ceea ce face ca măsurarea tensiunii să se realizeze cu un consum ridicat de la sursa de măsurat, care astfel nu mai lucrează în “gol”, precum şi de fragilitatea lor la şocurile mecanice şi la vibraţii. II.1.3 Voltmetre electrodinamice Funcţionarea

aparatelor

electrodinamice

se

bazează

pe

acţiunea

forţelor

electrodinamice ce se exercită între conductoare parcurse de curenţi electrici de conducţie. Din punctul de vedere constructiv, un dispozitiv electrodinamic (v. fig. 16) este alcătuit din două bobine fixe cilindrice coaxiale identice 1 şi dintr-o bobină mobilă 2 rotundă sau dreptunghiulară.

14

Fig. 16 Dispozitiv electrodinamic Dacă bobinele fixe sunt amplasate pe miezuri feromagnetice, aparatele se numesc ferodinamice. Cuplul rezistent poate fi creat pe cale mecanică (resorturi spirale, benzi tensionate sau fire de torsiune) sau pe cale electrică (logometre electro sau ferodinamice). Bobina mobilă, care de regulă se alimentează prin cele două resorturi spirale 3 care creează şi cuplul antagonist, este fixată pe axul 4, poziţionat perpendicular pe axa de simetrie a bobinei fixe. Solidare cu axul sistemului mobil sunt şi acul indicator 5 cu contragreutăţile 6 şi paleta 7 a amortizorului pneumatic 8. Voltmetrele electrodinamice sunt aparate precise (clasa de precizie 0,1 şi 0,2) şi se construiesc ca aparate de laborator cu 3 sau mai multe domenii de măsurare. Pentru un domeniu de măsurare de 300 V, consumul propriu este de cca. 20 VA. Ele sunt puternic influenţate de câmpurile magnetice exterioare. Reducerea consumului propriu, a influenţei câmpurilor magnetice exterioare ca şi realizarea unui cuplu activ mai puternic se obţin prin utilizarea dispozitivelor ferodinamice. Acestea au o construcţie mai simplă şi mai robustă, pot avea o deschidere a scării gradate de 90° sau 240° (dispozitivul cu bobină unilaterală), dar sunt mai puţin precise (clasa de precizie este de la 0,5 la 2,5). II.1.4 Voltmetre electrostatice Asupra armăturilor unui condensator electric, aflate la potenţiale diferite, se exercită forţe electrostatice de atracţie care tind să mărească atât capacitatea condensatorului cât şi energia electrostatică înmagazinată în câmpul electric al acestuia. Modificarea capacităţii se poate realiza fie prin modificarea suprafeţei active a armăturilor, fie prin modificarea distanţei dintre armături.

15

Fig. 17 Voltmetru electrostatic Schema de principiu a unui voltmetru electrostatic cu variaţia suprafeţei active a armăturilor este prezentată în figura 17. El este format din două armături metalice fixe 1 de forma unor sectoare de cilindru foarte plat şi o armătură mobilă 2 din aluminiu de forma unui dublu sector de cerc. Armătură mobilă este solidară cu axul 4 al sistemului mobil, ax pe care este fixat acul indicator 3 ce se deplasează în faţa scalei gradate 7. Cuplul rezistent este produs de resorturile spirale 5, iar amortizarea oscilaţiilor se realizează cu amortizorul pneumatic cu paleta 6. Creşterea sensibilităţii voltmetrului se poate obţine prin realizarea suspensiei pe benzi tensionate sau fire de torsiune. Voltmetrele electrostatice au consum propriu redus, iar funcţionarea lor nu este influenţată de temperatura şi câmpurile magnetice exterioare. Influenţa câmpurilor electrice se elimină prin ecranarea electrostatică a dispozitivului de măsurat. II.1.5 Voltmetre numerice Voltmetrele numerice (DVM - “Digital VoltMeter”) sunt aparate care afisează rezultatul măsurării direct sub formă numerică. Faţă de voltmetrele analogice de c.c. aceste aparate oferă următoarele avantaje: viteza de răspuns ridicată, precizie foarte bună, posibilitatea transmiterii la distanţă a informaţiei prin canale radio sau cu fir, ca şi posibilitatea prelucrării directe a acesteia cu ajutorul calculatoarelor, eliminarea erorilor de citire şi comoditatea citirii rezultatului măsurării. Există o mare diversitate de voltmetre digitale a căror funcţionare se bazează pe trei principii fundamentale : a) metoda comparaţiei constă în compararea tensiunii de măsurat cu o tensiune de referinţă. Se reglează mărimea de comparaţie (de referinţă) până la obţinerea egalităţii cu

16

tensiunea de măsurat. Modificarea tensiunii de referinţă se poate realiza continuu, în trepte sau prin aproximaţii succesive; b) metoda conversiei tensiunii continue analogice într-o mărime uşor de digitizat (utilizând convertoare tensiune/timp sau convertoare tensiune / frecvenţă); c) metoda mixtă care utilizează o combinaţie a metodei comparaţiei şi a conversiei. II.1.6

Măsurarea tensiunii alternative Mărimile periodice y = y (t+ kT) în general şi mărimile sinusoidale y = Ymax sin(wt + j)

în particular sunt caracterizate prin mai multe valori: valoarea instantanee, amplitudinea, valoarea efectiva şi valoarea medie. Valoarea care intereseaza în măsurări este valoarea efectivă a tensiunii alternative, definită ca fiind tensiunea echivalentă cu valoarea unei tensiuni continue care determină dezvoltarea (în acelaşi interval de timp) unei aceeaşi cantităţi de căldură într-o sarcină rezistivă. Obţinerea informaţiilor privind valorile efective ale tensiunilor alternative se poate realiza fie prin utilizarea unor voltmetre de valori efective, fie prin utilizarea unor voltmetre magnetoelectrice sau electronice de c.c. conectate la ieşirea unor dispozitive de detectie (redresoare, termoelemente) capabile să transforme semnalul alternativ într-un semnal continuu, proporţional cu acesta. Voltmetrul electromagnetic (feromagnetic) Funcţionarea dispozitivelor electromagnetice se bazează pe forţele de interacţiune dintre câmpul magnetic produs de o bobină fixă parcursă de curentul ce se măsoară (sau un curent proporţional cu tensiunea măsurată) şi una sau mai multe piese feromagnetice aflate în acest câmp.

Fig. 18 Dispozitiv electromagnetic cu repulsie

17

Cuplul activ Ma, determinat de aceste forţe, acţionează asupra pieselor feromagnetice, determinând deplasarea acestora în zona de câmp magnetic maxim şi modificarea energiei magnetice a sistemului. În figura 18 este prezentat un dispozitiv electromagnetic cu repulsie utilizat în realizarea unor aparate de tablou. Bobina fixa 1, în forma cilindrică, este parcursă de curentul i şi creează un câmp magnetic de inducţie B. În interiorul acesteia se află piesele feromagnetice 2 – fixată de interiorul carcasei bobinei şi 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. Voltmetrele electromagnetice se construiesc ca aparate de tablou cu clasa de precizie 1,5 sau 2,5, sau ca aparate portabile (de laborator) cu clasa de precizie 0,5 sau 0,1. În cazul construcţiei acestora ca aparate de laborator, suspensia se realizează pe benzi tensionate, amortizarea este electromagnetică, iar în locul acului indicator se foloseşte o oglindă pentru dispozitivul optic de citire a deviaţiei. Domeniul de frecvenţe al aparatelor electromagnetice este cel al frecvenţelor industriale (45-65 Hz), cu posibilităţi de extindere până la 200 Hz, domeniul de măsurare variază între 3 si 20 VA. Pentru măsurarea tensiunilor alternative mai mari de 600 V se utilizează voltmetre cu domeniul de măsurare 100 V conectate în secundarul unor transformatoare de tensiune. Principalele surse de erori ale voltmetrelor electromagnetice sunt: - variaţiile de temperatură; - existenţa unor câmpuri magnetice; - fenomenul de histerezis magnetic şi curenţii turbionari; - frecvenţa şi forma de undă a semnalelor. În principiu, voltmetrele electromagnetice pot fi utilizate şi în c.c. unde sunt însă preferate aparate magnetoelectrice caracterizate prin precizii mai ridicate şi consumuri proprii reduse. Voltmetrele cu termocuplu Sunt voltmetre de tip termoelectric alcătuite din unul sau mai multe dispozitive termoelectrice de tip termocuplu şi un instrument de măsurat magnetoelectric. Funcţionarea acestora se bazează pe tensiunea termoelectromotoare Eθ care apare la capetele “reci” ale unui termocuplu, atunci când capetele sudate (“calde”) ale acestuia sunt încălzite de efectul termic al curentului electric de măsurat, trecut printr-un fir încălzitor (filament). Tensiunea termoelectromotoare Eθ – care este o tensiune continuă ce se măsoară cu ajutorul unui 18

milivoltmetru magnetoelectric – depinde de diferenţa de temperatură Δθ existentă între capetele sudate şi capetele reci ale termocuplului. Voltmetrele termoelectrice au calitatea de a măsura valorile efective ale tensiunilor alternative (chiar şi distorsionate) pâna la frecvenţe relativ înalte dar au un consum propriu ridicat şi o capacitate redusă de supraîncărcare.

II.2 Extinderea domeniului de măsurare la voltmetre Extinderea domeniului de măsurare a voltmetrelor magnetoelectrice se realizează cu ajutorul unor rezistente adiţionale Rad, executate din manganina, care se leagă în serie cu voltmetrul. Daca Rv este rezistenţa bobinei voltmetrului (care în general este mică), Uv domeniul de măsurare al acesteia şi U = nUv valoarea tensiunii de măsurat, rezistenţa adiţională Rad se calculează cu relaţia: U = I v (Rv + Rad) = nUv = nRvIv, de unde: Rad = Rv (n -1), n - raportul de multiplicare al domeniului

Fig. 19

Schemele de principiu ale voltmetrului cu un singur domeniu de măsurare (a) şi cu domenii multiple (b)

In cazul în care rezistenţa voltmetrului RV este mare, rezistorul adiţional nu-şi mai îndeplineşte rostul. In asemenea situaţii, pentru extinderea domeniului de măsurare a tensiunii se foloseşte divizorul de tensiune. Considerând valoarea rezistenţei Rext = ¥, raportul de divizare este:

19

Fig. 20 Divizor rezistiv Dacă Rext are valoare finită, atunci raportul de divizare are expresia:

Rezistoarele divizorului se confecţionează din manganină şi au valoarea rezistenţei suficient de mare pentru a avea un consum propriu redus. Un asemenea divizor funcţionează corect în curent continuu şi în curent alternativ de frecvenţă joasă (industrială), la care elementele parazite ale rezistenţelor şi circuitului exterior sunt neglijabile. La frecvenţe mai ridicate se face simţită influenţa capacităţilor parazite ale rezistoarelor, care apar conectate în paralel cu acestea. La calculul raportului de divizare se ţine seama de prezenţa capacităţilor:

Se vede că raportul de divizare nu mai este constant, depinzând de frecvenţă. Pentru realizarea compensării se utilizează o capacitate reglabilă astfel ca: R1C1= R2C2 ; caz în care raportul de divizare nu mai depinde de frecvenţă. In capacităţile C1 si C2 trebuiesc incluse şi capacităţile proprii ale rezistoarelor şi capacităţile montajului.

Fig. 21 Divizorul rezistiv compensat

20

Divizorul rezistiv compensat se utilizează pana la frecvenţe de zeci, chiar sute de MHz la osciloscoape, voltmetre de bandă largă, etc. Un alt tip de divizoare de tensiune sunt atenuatoarele. Atenuatoarele sunt divizoare de tensiune speciale, folosite în aparatele de măsurare electronice pentru reducerea semnalului de intrare la o valoare potrivită pentru a putea fi prelucrat de circuitele următoare. Un atenuator trebuie să îndeplinească două condiţii mai importante: a) Indiferent de raportul de atenuare ales impedanţa de intrare a atenuatorului trebuie să rămâna aceeaşi; b) trebuie satisfăcută condiţia de adaptare atât la intrare cât şi la ieşire, adică rezistenţa sa de intrare Ri, sa fie egală cu cea a sursei Rg şi cu rezistenţa de sarcină Rs. Dacă sunt îndeplinite aceste condiţii, rezultă că, mai ales în cazul frecvenţelor foarte mari (100 MHz ¸ 20 GHz) nu apar reflexii pe căile de conexiune. La proiectarea unui atenuator trebuie să se cunoască rezistenţa caracteristică a acestuia, R0:

în care: Risc - este rezistenţa de intrare a atenuatorului cu ieşirea în scurtcircuit; Ri0 - rezistenţa de intrare a atenuatorului cu ieşirea in gol.

Fig. 22

Atenuator tip T

Atenuatoarele se construiesc sub forma unui lanţ de cuadripoli adaptat, adică închis pe impedanţa caracteristică. Cuadripolii care se folosesc pot fi de tipul T, P sau T podit.

Fig. 23

Atenuator tip Π

Fig. 24

Atenuator tip T podit

21

Un cuadripol este o reţea electrica care are patru borne de acces cu exteriorul , iar laturile interioare nu prezintă cuplaje magnetice cu exteriorul . Exemple de cuadripoli sunt : transformatoarele electrice

( au două borne de intrare

-primarul -şi două de ieşire -

secundarul ) , liniile lungi de transport al energiei electrice etc. Extinderea domeniului de măsură la voltmetrele electrostatice se realizează prin utilizarea unor capacităţi adiţionale sau a divizoarelor capacitive de tensiune. Divizorul de tensiune capacitiv Este folosit pentru măsurarea tensiunilor alternative pâna la frecvenţe foarte ridicate (10 ¸ 100 Mhz). Sunt preferate în special la valori mari ale tensiunilor deoarece nu consumă putere activă. El se compune in principal din 2 condensatoare, unul C1 de capacitate mică, conectat în serie cu un condensator C 2 de capacitate mare (fig. 25).

Fig. 25 Divizorul de tensiune capacitiv Considerând că rezistenţa voltmetrului este foarte mare (RV ® ¥), (fig. 25, a.), raportul de divizare este:

Daca rezistenta voltmetrului conectat la divizor este mai mica, (fig. 25, b.)factorul de divizare devine:

Pentru ca raportul de divizare sa fie practic independent de frecvenţă şi de sarcină este necesar ca Rv (sarcina) să aibă o valoare cu cel putin un ordin de mărime mai mare decât reactanţa capacitivă a condensatorului C2.

22

Capitolul III

N.T.S.M. şi P.S.I. în măsurări electrice

III.1 Norme de protecţia muncii Principalele măsuri de prevenire a electrocutării la locurile de muncă sunt: 1. Asigurarea inaccesibilităţii elementelor care fac parte din circuitele electrice şi care se realizează prin amplasarea conductelor electrice, chiar izolate precum şi a unor echipamente electrice la o înălţime inaccesibilă pentru om. Normele prevăd ca înălţime minimă la care se postează orice fel de conductor electric să fie de 4 m , la traversarea părţilor carosabile de 6 m iar acolo unde se manipulează materiale piese cu un gabarit mai mare , această înălţime să depăşească cu 2 pană la 2,5 m gabaritele respective. 2. Folosirea tensiunilor reduse (de 12,24 şi 36V) pentru lămpile şi sculele electrice portative. 3. Folosirea mijloacelor individuale de protecţie şi mijloace de avertizare 4. Deconectarea automată în cadrul apariţiei unei tensiuni de atingere periculoase sau a unor scrugeri de curent periculoase. 5. Separarea de protecţie se realizează cu ajutorul unui transformator de separaţie.Prin aceasta se urmăreşte crearea unui circuit izolat faţă de pământ pentru alimentarea echipamentelor electrice la care trebuie înlăturat pericolul de electrocutare. În cazul unei defecţiuni intensitatea curentului electric care se închide prin om este foarte mică deoarece trebuie să treacă prin izolaţia care are o rezistenţă foarte mare. 6. Izolarea suplimentară de protecţie . Se poate realiza prin: aplicarea unei izolări suplimentare între izolaţia obişnuită de lucru şi elemente bune conducătoare de electricitate ale utilajului; aplicarea unei izolaţii exterioare pe carcasă utilajului electric; izolarea amplasamentului muncitorului faţă de pământ. 7. Protecţia prin legătura la pământ.Este folosită pentru asigurarea personalului contra electrocutării prin atingerea echipamentului şi instalaţiilor care nu fac pare din circuite de lucru dar care pot intra accidental sub tensiune din cauza unui defect de izolaţie. Sistemul de priză (legat la pământ) separat pentru fiecare utilaj prezintă următoarele dezavantaje: este costisitor (cantităţi mari de materiale şi manoperă), unele utilaje (transformatoare de sudură , benzi , etc.) se mută frecvent dintr-un loc în altul; legătura este de multe ori incorectă, executată datorită caracterului de provizorat al instalaţiei.

23

8. Protecţia prin legarea la nul. Se realizează reţele generatoare de protecţie care însoţesc în permanentă reţeaua de alimentare cu energie electrică a utilajului. 9. Protecţia prin egalizarea potenţialelor.Este un mijloc secundar de protecţie şi constă în toate părţile metalice ale diverselor instalaţiilor şi construcţiilor care în mod accidental ar putea intra sub tensiune şi ar putea fi atinse de către un muncitor ce lucrează sau de către o persoană care trece prin acel loc. III.2 Paza şi stingerea incendiilor 1. Înlăturarea eventualelor cauze de provocare a incendiilor prin proiectarea procesului tehnologic 2. Evitarea formării în halele de producţie a amestecurilor explozive 3. Mărirea umidităţii relative a aerului, acolo unde produsele permit 4. Proiectarea instalaţiilor electrice ţinând seama de gradul pericolului de incendiu pe care îl prezintă construcţia 5. Asigurarea unei bune evacuări în caz de incendiu 6. Instalarea de scări de incendiu, guri de apă, ingnifugarea materialelor combustibile folosite în construcţie Materialele care se pot folosi la stingerea incendiilor sunt dependente de materialul combustibil, de instalaţiile şi de procesul tehnologic care se desfăşoară: nisipul, apa sub formă de jeturi, diverse substanţe chimice , prafuri, zăpadă carbonică. La stingerea incendiilor care au loc în instalaţiile electrice de înalta tensiune se interzice folosirea lichidelor spumante şi se foloseşte nisip, tetraclorura de carbon.

24

BIBLIOGRAFIE

1.

Eugen Isac - Măsurări electrice şi electronice,Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1997

2.

Ciocârlea-Vasilescu, Aurel ; Mariana, Constantin ; Neagu, Ion. (2007). Tehnici de măsurare în domeniu, Bucureşti : Editura CD PRESS

3.

Stan Julian, Cănescu Traian - Aparate, echipamente şi instalaţii de electronică industrială- Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1995

4.

Theodor Dănilă, Monica Ionescu Vaida - Componente şi circuite electronice, Editura Didactică şi Pedagogică 1993

5.

Alimpie , Ignea; Măsurări Electrice şi Electronice, Curs; Universitatea “Politehnica” Din Timişoara, Facultatea De Electronică şi Telecomunicaţii

25