INSTRUMENTE ANALOGICE DE MASURARE

Msurri electrice i electronice

4. Msurarea tensiunilor electrice4.1. Voltmetre analogice

4.1.1. Voltmetre magnetoelectriceAu la baza un instrument magnetoelectric avnd rezistena intern Rv, conectat n serie cu o rezisten adiional Rad n scopul extinderii limitei de msurare de la tensiunea , la tensiunea (Fig. 17).

Din relaiile:

se determin rezistena adiional:

unde R0 este rezistena intern a voltmetrului iar este un coeficient care indic de cte ori se extinde limita de msurare a voltmetrului n raport cu Fig. 17. Voltmetru magnetoelectricaceea a instrumentului de baz. Rezistenele adiionale se realizeaz din conductor de manganin sau constantan (a cror rezisten este constant cu temperatura).

Voltmetrele magnetoelectrice nu sunt influenate de variaiile de temperatur deoarece rezistena lor adiional, este mult mai mare dect rezistena bobinei mobile (R0) a instrumentului astfel nct variaia rezistenei totale Rad + R0 este neglijabil.

Voltmetrele cu mai multe game de msurare sunt prevzute cu rezistene adiionale formate din trepte corespunztoare fiecrei game de msurare care poate fi selectat cu ajutorul unui comutator (Fig. 18).

Fig. 18. Voltmetru trei game de msurare

Pentru voltmetrul magnetoelectric din Fig. 18, tensiunile msurate i rezistenele adiionale corespunztoare vor fi:

Voltmetrele magnetoelectrice de uz industrial, de tablou, se construiesc cu un singur domeniu de msurare n timp ce voltmetrele de laborator se construiesc cu domeniu multiplu de msurare.Pentru msurarea tensiunilor alternative, voltmetrele magnetoelectrice se conecteaz ntr-o schem de redresare ce ndeplinete funcia de convertor c.a.-c.c., n serie cu o rezisten adiional corespunztoare tensiunii nominale (Fig. 19).

Dac tensiunea de msurat este o tensiune alternativ, sinusoidal, instrumentul va fi parcurs de un curent redresat avnd valoarea:

iar asupra dispozitivului mobil al acestuia acioneaz cuplul activ instantaneu. Deviaia instrumentului este determinat de valoarea medie a cuplului activ instantaneu i va fi:

; unde reprezint valoarea medie a curentului sinusoidal (calculat pe o jumtate de perioad).

Fig. 19. Voltmetru magnetoelectric cu redresorLa echilibru () i rezult

unde este sensibilitatea n curent a instrumentului.

Deoarece , , unde Rv este rezistena total a circuitului de msur, Rred rezistena schemei de redresare i Rad rezistena adiional, Rv - rezistena instrumentului magnetoelectric, ecuaia de funcionare devine:

unde SU este sensibilitatea n tensiune a instrumentului.

Dei deviaia voltmetrului cu redresor este proporional cu valoarea medie a tensiunii de msurat, scara sa se etaloneaz n valori efective ale unei tensiuni de form sinusoidal pentru care factorul de form este:

Prin urmare, deviaia voltmetrului va fi:

i deci voltmetrul cu redresor msoar corect valoarea efectiv a tensiunii de form sinusoidal. n cazul unor tensiuni nesinusoidale, valoarea indicat este afectat de o eroare cu att mai mare cu ct tensiunea de msurat este mai deformat (Kf este mai diferit de 1,11).

Indicaiile voltmetrului cu redresor sunt afectate de erori de temperatur i de frecven. Creterea temperaturii determin scderea rezistenei n sens direct a diodelor i totodat creterea rezistenei bobinei instrumentului, cele dou efecte compensndu-se parial.

La creterea frecvenei, reactana bobinei instrumentului crete i curentul prin instrumentul de msurare scade, ceea ce determin apariia erorii de frecven. Aceast eroare se compenseaz cu ajutorul unui condensator C conectat n paralel cu o fraciune din rezistena adiional. La creterea frecvenei, impedana poriunii de circuit RC scade, compensnd astfel creterea reactanei instrumentului.

n cazul msurrii unor tensiuni mari (zeci sau sute de voli) rezistena adiional poate atinge valori mari, apropiate ca ordin de mrime de rezistena invers a diodelor (Ri), ceea ce poate determina anularea proprietilor de redresare. Din aceast cauz rezistena adiional este nseriat cu un unt de rezisten Rs (Fig. 20), la bornele cruia se conecteaz un voltmetru pentru tensiuni mici, astfel nct rezistena total a acestuia s rmn mult mai mic dect Ri.

Fig. 20. Voltmetru magnetoelectric cu redresor si trei game de msurare

De regul, voltmetrele cu redresor se construiesc ca parte component a multimetrelor iar domeniile multiple de msurare se realizeaz identic voltmetrelor magnetoelectrice fr redresor (Fig. 20).4.1.2. Voltmetre termoelectriceVoltmetrul termoelectric este constituit dintr-un milivoltmetru magnetoelectric conectat la bornele de ieire ale unui termoelement al crui fir nclzitor este nseriat cu o rezisten adiional Rad corespunztoare tensiunii nominale (Fig. 21). La trecerea unui curent I (continuu sau alternativ) prin firul nclzitor de rezisten R, cldura dezvoltat prin efect Joule Lenz nclzete termocuplul i ntre capetele reci ale acestuia apare o tensiune continu (Et) proporional cu diferena de temperatur ((() dintre punctul nclzit i capetele reci. Deoarece nclzirea depinde de puterea disipat n firul Fig. 21. Voltmetru termoelectricnclzitor (RI2), tensiunea termoelectromotoare este:

unde K1, K2, i K sunt constante.Tensiunea termoelectromotoare Et determin un curent continuu It care trece prin instrumentul magnetoelectric:

Curentul I este determinat de tensiunea de msurat U, adic unde R este rezistena firului nclzitor, iar deviaia instrumentului magnetoelectric va fi:

unde KU este constanta voltrmetrului termoelectric.Rezult c deviaia voltmetrului este proporional cu ptratul tensiunii continue sau cu ptratul valorii efective a tensiunii alternative de msurat.

Voltmetrele termoelectrice msoar valoarea efectiv a tensiunii alternative indiferent de forma acesteia ntr-un domeniu relativ larg de frecvene (pn la sute de kHz). Ele prezint ns i o serie de dezavantaje: precizie redus (clasa 1,5; 2,5), consum propriu ridicat, capacitate de suprasarcin redus.

4.1.3. Voltmetre feromagnetice

Voltmetrul feromagnetic este constituit dintr-un instrument feromagnetic nseriat cu una sau mai multe rezistene adiionale corespunztoare intervalului de msurare (Fig. 22).

Fig. 22. Voltmetru feromagnetic

Dac tensiunea de msurat este continu, atunci i deviaia acului indicator va fi (a se vedea instrumentul feromagnetic):

n cazul msurrii unei tensiuni alternative, ecuaia de funcionare va fi:

Voltmetrele electromagnetice msoar att tensiuni continue ct i tensiuni alternative, n acest ultim caz msurnd valoarea efectiv a tensiunii.Din ecuaiile de mai sus se observ c deviaia ( pentru aceeai valoare efectiv a tensiunii alternative i continue, va fi mai mic la funcionarea n c.a.

Diferena de indicaii va fi cu att mai mic cu ct reactana este mai mic dect rezistena :

Indicaiile acestor voltmetre sunt afectate de erori de temperatur i frecven .

Rezistena adiional, confecionat din manganin, are un rol multiplu la voltmetrul feromagnetic:

( limiteaz curentul prin bobina instrumentului la valoarea admisibil;

( compenseaz erorile de temperatur, deoarece rezistena adiional invariabil cu temperatura este mult mai mare dect rezistena bobinei instrumentului (Rad >> Rv) ;

( compenseaz erorile de frecven deoarece face s fie ndeplinit, ntr-un domeniu de frecven relativ mic, relaia

Pentru un domeniu mai larg de frecven (12kHz), compensarea erorii de frecven se face cu ajutorul unui condensator conectat n paralel cu o fraciune din rezistena adiional. Capacitatea C a condensatorului se determin din condiia ca impedana echivalent la bornele voltmetrului s aib caracter pur rezistiv.

Voltmetrele feromagnetice se construiesc pentru tensiuni nominale de la 15V la 600V. Ele au o rezisten proprie mic (R0