nvmntul profesional i tehnic n domeniul TIC

nvmntul profesional i tehnic n domeniul TICProiect cofinanat din Fondul Social European n cadrul POS DRU 2007-2013Beneficiar-Centrul Naional de Dezvoltare a nvmntului Profesional i TehnicStr.Spiru Haret nr.10-12, sector 1, Bucureti-010176, tel 021-3111162, fax. 021- 3125498, vet@tvet.ro

MSURRI ELECTRICEMaterial de predare partea I

Domeniul: Mecatronic i InformaticCalificarea: Tehnician infrastructur reele de telecomunicaiiNivel 3+coala postliceal

2009

AUTOR:LERESCU CONSTANTIN profesor grad didactic I - Colegiul Tehnic de Comunicaii Nicolae Vasilescu-Karpen Bacu

COORDONATOR:IORDACHE FLORIN inginer - Colegiul Tehnic de Comunicaii Nicolae Vasilescu-Karpen Bacu

CONSULTAN:IOANA CRSTEA expert CNDIPTZOICA VLDU expert CNDIPTANGELA POPESCU expert CNDIPTDANA STROIE expert CNDIPT

Acest material a fost elaborat n cadrul proiectului nvmntul profesional i tehnic n domeniul TIC, proiect cofinanat din Fondul Social European n cadrul POS DRU 20072013

I. Introducere5II. DOCUMENTE NECESARE PENTRU ACTIVITATEA DE PREDARE8III. RESURSE9TEMA 1 : MRIMI ELECTRICE / OPTICE I UNITI DE MSUR9FIA SUPORT 1.1 - Mrimi electrice, definirea lor, uniti de msur9FIA SUPORT 1.2. - Mrimi optice, definirea lor, uniti de msur.14TEMA 2 : ELEMENTELE COMPONENTE ALE UNUI PROCES DE MSURARE : MIJLOACE DE MSURARE, ETALOANE, METODE DE MSURARE20FIA SUPORT 2.1. - Mijloace de msurare. Etaloane20FIA SUPORT 2.2 - Metode de msurare23TEMA 3 : ERORI DE MSURARE, CLASE DE PRECIZIE ALE APARATELOR. EROAREA ABSOLUT, RELATIV, RAPORTAT, TOLERAT (CLASA DE PRECIZIE).25FIA SUPORT 3.1. - Erorile msurrilor, eroarea absolut, relativ, raportat, tolerat, clasa de precizie.25TEMA 1 : APARATE DE MSUR : VOLTMETRUL, AMPERMETRUL, FRECVENMETRUL, Q-METRUL, PUNI RLC, MEGOHMMETRUL, OSCILOSCOPUL, CALIBRAREA APARATELOR DE MSUR28FIA SUPORT 1.1. - Voltmetrul28FIA SUPORT 1.2 - Ampermetrul32FIA SUPORT 1.3 - Megommetrul35FIA SUPORT 1.4 - Puni R,L,C37FIA SUPORT 1.5 - Impedanmetrul (zetmetrul)39FIA SUPORT 1.6 - Q-metrul41FIA SUPORT 1.7. - Frecvenmetrul43FIA SUPORT 1.8. - Osciloscopul48FIA SUPORT 1.9. - Calibrarea aparatelor de msur50TEMA 2 : MSURAREA MRIMILOR SPECIFICE REELELOR DE COMUNICAII : AMPLITUDINEA, FRECVENA, PERIOADA, PUTEREA, REZISTENA DISTRIBUIT, CAPACITATEA DISTRIBUIT, INDUCTANA DISTRIBUIT (PENTRU PERECHI DE CONDUCTOARE), IMPEDANA56FIA SUPORT 2.1 - Msurarea amplitudinii, frecvenei, perioadei56FIA SUPORT 2.2. - Msurarea puterii electrice63FIA SUPORT 2.3 - Msurarea elementelor de circuit: R,L,C,Z69TEMA 1 : STRUCTURA OSCILOSCOPULUI: BLOCURI COMPONENTE, ROLUL BLOCURILOR COMPONENTE, SCHEMA BLOC A TUBULUI CATODIC, CONDIIA DE STABILITATE A IMAGINII PE ECRAN, PRINCIPIUL DE FUNCIONARE, REGLAJELE OSCILOSCOPULUI: CALIBRAREA PE ORIZONTAL, CALIBRAREA PE VERTICAL, SINCRONIZAREA.84FIA SUPORT 1.1. - Schema bloc a osciloscopului, blocuri componente, rolul blocurilor componente84FIA SUPORT 1.2 - Schema bloc a tubului catodic.87FIA SUPORT 1.3. - Condiia de stabilitate a imaginii pe ecran, principiul de funcionare90FIA SUPORT 1.4 - Reglajele osciloscopului, calibrarea pe orizontal, pe vertical, sincronizarea.94TEMA 2: MSURRI CU OSCILOSCOPUL97FIA SUPORT 2.1 - Msurarea tensiunii i intensitii curentului electric97FIA SUPORT 2.2 - Msurarea intervalelor de timp99FIA SUPORT 2.3. - Msurarea frecvenelor101FIA 2.4 - Msurarea defazajelor103BIBLIOGRAFIE104

I. IntroducereMaterialele de predare reprezint o resurs suport pentru activitatea de predare, instrumente auxiliare care includ un mesaj sau o informaie didactic. Prezentul material de predare, se adreseaz cadrelor didactice care predau elevilor din anul I al colii postliceale, calificarea Tehnician infrastructur reele de telecomunicaii, domeniul Mecatronic i informatic.Suplimentar, ghidul i propune s orienteze i s ajute cadrul didactic n activitatea de proiectare, desfurare i evaluare a procesului de nvare, pentru obinerea unor rezultate ct mai bune.Fiecare material, precum descrierea documentelor care stau la baza procesului de predare-nvare-evaluare n nvmntul profesional i tehnic, descrierea unor materiale de predare(planificri calendaristice, sugestii de organizare a leciilor, fie suport pentru profesori, fie de observare) i aduce o contribuie difereniat la realizarea competenelor tehnice specifice modulului Msurri electrice.Modulul Msurri electrice se desfoar pe durata anului colar astfel: modulul are alocate un numr de 120 ore/an, din care: teorie 60 ore laborator tehnologic 20 ore instruire practic 40 oreModulul Msurri electrice se adreseaz elevilor din anul I al colii postliceale, calificarea Tehnician infrastructur reele de comunicaii. Parcurgerea acestui modul familiarizeaz pe cei instruii cu noiuni de baz n procesul de msurare, mijloace de msurare, metode de msurare, msurarea parametrilor electrici n circuitele de curent continuu (intensitatea curentului, tensiunea i puterea electric), msurri n curent alternativ, msurri cu osciloscopul.

Modulul are alocate un numr de dou credite transferabile.Lista unitilor de competen relevante pentru modul Executarea msurrilor specifice reelelor de comunicaiiTabel de corelare a competenelor i coninuturilorTab. 1Competene/rezultate ale nvriiTemeFie suport

123

C1. Identific mrimile electrice i unitile de msur

Tema 1: Mrimile electrice / optice i uniti de msur: rezistena electric, inductana, capacitatea, tensiunea electric, intensitatea curentului electric, puterea electric, frecvena, perioada, lungimea de und, atenuarea, dispersia.Fia 1.1 Cunoaterea mrimilor electrice, definirea lor, unitile de msurFia 1.2 Cunoaterea mrimilor optice, definirea lor, unitile de msur

Tema 2: Elementele componente ale unui proces de msurare; mijloace de msurare, etaloane, metode de msurare.Fia 2.1 Mijloace de msurare, etaloaneFia 2.2 Metode de msurare

Tema 3: Erori de msurare, clase de precizie ale aparatelor. Eroarea absolut, relativ, raportat, tolerat(clasa de precizie) Fia 3.1 Erorile msurrilor, eroarea absolut, relativ, raportat, tolerat, clasa de precizie

C3. Utilizeaz mijloace i metode de msurare a mrimilor specifice reelelor de comunicaii

Tema 1: Aparate de msur: voltmetrul, ampermetrul, frecvenmetrul, Q-metrul, punile RLC, megohmmetrul, osciloscopul (pentru perechi metalice), calibrarea aparatelor de msur. Fia 1.1 Voltmetrul Fia 1.2 AmpermetrulFia 1.3 MegohmmetrulFia 1.4 Puni R,L,CFia 1.5 Impedanmetrul (zetmetrul)Fia 1.6 Q-metrulFia 1.7 FrecvenmetrulFia 1.8 OsciloscopulFia 1.9 Calibrarea aparatelor de msur

123

Tema 2: Msurarea mrimilor specifice reelelor de comunicaii: amplitudinea, frecvena, perioada, puterea, rezistena distribuit, capacitatea distribuit, inductana distribuit(pentru perechi de conductoare), impedana.Fia 2.1 Msurarea amplitudinii, frecvenei, perioadeiFia 2.2 Msurarea puterii electriceFia 2.3 Msurarea elementelor de circuit R,L,C, Z

C4. Utilizeaz osciloscopul pentru interpretarea diferitelor semnale electriceTema 1: Structura osciloscopului: blocuri componente, rolul blocurilor componente, schema bloc a tubului catodic, condiia de stabilitate a imaginii pe ecran, principiul de funcionare, reglajele osciloscopului: calibrarea pe orizontal, calibrarea pe vertical, sincronizarea.Fia 1.1 Schema bloc a osciloscopului, blocuri componente, rolul blocurilor componenteFia 1.2 Schema bloc a tubului catodic.Fia 1.3 Condiia de stabilitate a imaginii pe ecran, principiul de funcionare Fia 1.4 Reglajele osciloscopului, calibrarea pe orizontal, pe vertical, sincronizarea.

Tema 2: Msurri cu osciloscopulFia 2.1 Msurarea tensiuniiFia 2.2 Msurarea intensitii curentului electricFia 2.3 Msurarea timpului, duratei i perioadei unui semnalFia 2.4 Msurarea frecveneiFia 2.5 Msurarea defazajului

II. DOCUMENTE NECESARE PENTRU ACTIVITATEA DE PREDAREPentru predarea coninuturilor abordate n cadrul materialului de predare, cadrul didactic are obligaia de a studia urmtoarele documente : Standardul de Pregtire Profesional, nivel 3+, www.tvet.ro seciunea SPP sau www.edu.ro seciunea nvmnt preuniversitar. Curriculum, nivelul 3+, www.tvet.ro seciunea Curriculum sau www.edu.ro seciunea nvmnt preuniversitar. Cri de specialitate Reviste de specialitate Ghiduri de utilizare a echipamentelor specifice calificrilor pentru care se elaboreaz materialele.

III. RESURSETEMA 1 : MRIMI ELECTRICE / OPTICE I UNITI DE MSURC1 Identific mrimile electrice i unitile de msurFIA SUPORT 1.1 - Mrimi electrice, definirea lor, uniti de msur Mrimea este un atribut al unui fenomen, corp sau al unei substane, care este susceptibil de a fi difereniat calitativ i determinat cantitativ. Mrimea fundamental este o mrime admis, prin convenie, ca fiind independent funcional de alte mrimi. Mrimea derivat este mrimea definit funcie de mrimile fundamentale dintr-un sistem de mrimi. Unitatea de msur este o mrime particular, definit i adoptat prin convenie, cu care sunt comparate alte mrimi de aceeasi natur, pentru exprimarea valorilor lor n raport cu acea mrime.Marea diversitate de uniti de msur i de materializri fizice ale acestora a condus la crearea unui sistem internaional de uniti de msur SI. Acesta a fost adoptat n anul 1960 la Paris, prin convenie internaional. Din anul 1961, SI este legal i obligatoriu n Romnia. SI are apte uniti fundamentale corespunztoare celor apte mrimi fundamentale, precum i dou uniti suplimentare corespunztoare celor dou mrimi suplimentare, tabelul 1.1. SI cuprinde mrimi i uniti derivate care sunt prezentate n tabelul 1.2.

Mrimi fundamentale,suplimentare Tab. 1.1.Mrime fundamental

DenumireSimbolUnitate de msur

DenumireSimbol

Lungimelmetrum

Masmkilogramkg

Timptsecunds

Intensitatea curentului electricamperA

Temperatura termodinamicTkelvinK

Intensitatea luminoasJcandelcd

Cantitatea de substann; molmol

Mrime suplimentar

unghiul planradianrad

unghiul n spaiu (solid)steradiansr

Mrimi derivate Tab. 1.2.Mrime derivat

DenumireSimbolRelaia de definiieUnitate de msur

DenumireSimbol

Putere electricPP=UIwattw

Tensiune electricUU=L/qvoltV

Rezisten electricRR=U/Iohm

Lucru mecanic, energie, cantitate de cldurLWQW=PtjouleJ

Frecvenff=1/thertzHz

Cantitate de electricitate, sarcin electricQQ=ItCoulombC

Capacitate electricCC=Q/UfaradF

InductanLL=/IhenryH

Pentru exprimarea unor valori numerice de diferite ordine de mrime ale unitilor SI, se folosesc anumite prefixe, care se adaug la denumirile unitilor SI formnd multipli sau submultipli.Prefixe SITab. 1.3.Prefixe SI

Factor de multiplicareDenumireSimbol

1018exaEMULTIPLI

1015petaP

1012teraT

109gigaG

106megaM

103kilok

102hectoh

101decada

10-1decidSUBMULTIPLI

10-2centic

10-3milim

10-6micro

10-9nanon

10-12picop

10-15femtof

10-18attoa

Unitatea de msur din afara sistemului este o unitate de msur care nu aparine nici unui sistem de uniti. Exemplu : ziua, ora, minutul, luna, etc.

R- Rezistena electric este o mrime care const n proprietatea unui material de a se opune trecerii curentului electric. Rezistena electric este o mrime egal cu raportul ntre tensiunea electric aplicat ntre capetele unui conductor i intensitatea curentului produs de aceast tensiune n conductorul respectiv R= U/I. Unitatea de msur n SI este ohmul (). n circuitele electrice rezistena se simbolizeaz - Intensitatea curentului electric este o mrime fundamental n SI i reprezint cantitatea de sarcin electric ce trece prin seciunea transversal a unui conductor n unitatea de timp. Unitatea de msur a intensitii curentului electric este amperul(A)- Tensiune electric reprezint lucrul mecanic efectuat pentru transportul sarcinii electrice ntre dou puncte ale unui circuit electric. Unitatea de msur n SI este voltul (V).- Impedana este o mrime care caracterizeaz funcionarea elementelor de circuit n curent alternativ. Z=U/I. Unitatea de msur n SI este ohmul (). Fa de rezisten, impedana are un caracter mai complex deoarece n curent alternativ elementele de circuit prezint, pe lng proprietatea de rezisten, i proprietile de inductan (L) i capacitate (C).- Inductana este proprietatea elementelor de circuit de a se opune variaiilor de curent. Inductana se poate defini ca raportul ntre fluxul magnetic ce trece printr-un element de circuit i intensitatea curentului care a generat acel flux L=/I. Unitatea de msur pentru inductan este henry (H). Inductana este o proprietate specific bobinelor : inductana proprie a unei bobine sau inductana mutual ntre dou bobine, atunci cnd fluxul creat de o bobin trece i prin spirele celeilalte bobine.- Capacitatea este proprietatea elementelor de circuit de a acumula sarcini electrice. Capacitatea se poate defini ca raportul ntre cantitatea de electricitate ce se acumuleaz ntr-un element de circuit i tensiunea la care este alimentat elementul respectiv C= Q/U. Unitatea de msur pentru capacitate este faradul (F).

- Reactana. Valorile inductanelor i capacitilor depind de datele constructive ale elementelor de circuit (dimensiuni, materiale). n circuit ele se manifest prin reactanele corespunztoare care depind de frecven. In curent alternativ sinusoidal reactana inductiv este XL= L, iar reactana capacitiv este , unde = 2f reprezint pulsaia, iar f este frecvena. Unitatea de msur pentru reactan este ohmul.- Factorul de calitate. Elementele reactive de circuit (bobinele i condensatoarele) prezint pe lng reactan i o rezisten n care se consum energie. Cu ct pierderile de energie sunt mai mici cu att calitatea elementelor reactive este mai bun. Factorul de calitate, care se noteaz cu Q, se definete prin raportul ntre reactana i rezistena unui element de circuit sau unui circuit : Q=X/R. Factorul de calitate este o mrime adimensional, este un numr.- Puterea reprezint energia consumat n unitatea de timp : P = W / t .Unitatea de msur pentru puterea n SI este wattul (w). n curent alternativ se definesc urmtoarele puteri: puterea activ P = UI cos [ w ] puterea reactiv Q = UI sin [ VAR ] voltamper reactiv puterea aparent S = UI [ VA ]ntre cele trei puteri exist relaia S2 = P2 + Q2

UTtFig. 1.1.- Perioada T este timpul scurs ntre dou treceri consecutive ale valorii instantanee a semnalului alternativ prin aceleai valori i n acelai sens de variaie. Ca valoare de referin, se ia de obicei trecerea prin zero. Unitatea de msur pentru perioad este secunda (s). O perioad corespunde unei oscilaii complete, adic o alternan pozitiv i una negativ.

- Frecvena f a semnalului alternativ este inversul perioadei T i reprezint fizic numrul de oscilaii complete pe secund. f =1/ T Unitatea de msur pentru frecven se numete hertz ( Hz ).

- Lungimea de und reprezint drumul parcurs de semnalul alternativ pe durata unei perioade. Unitatea de msur pentru lungimea de und este metrul ( m ).

FIA SUPORT 1.2. - Mrimi optice, definirea lor, uniti de msur.

- Atenuarea fibrei optice Lumina care se propag ntr-o fibr optic, sufer o atenuare, adic are loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie s rmn mici, pentru a putea parcurge distane mari, fr regeneratori intermediari. Atenuarea fibrei optice se datoreaz, n principal, fenomenelor fizice: absorbie i difuzie.Importana acestor pierderi luminoase depinde, ntre altele, de lungimea de und a luminii injectate. Din aceast cauz este n general, util s se msoare atenuarea fibrei optice n funcie de und (msura spectral). Putem astfel determina gamele de und cu pierderi mici, deosebit de interesante pentru fibra optic. n timp ce fenomenul absorbiei nu se produce dect la lungimi de und precise, numite benzi de absorbie (de exemplu 1390 nm : absorbia OH ), pierderile luminoase prin difuzie exist pentru toate lungimile de und. Pentru c difuzia rezult din fluctuaiile densitii (lipsa de omogenitate) n fibra optic i cum aceasta are dimensiuni adesea mai mici dect lungimea de und a luminii, putem apela la legea de difuzie a lui Rayleigh. Aceasta spune : dac lungimea de und crete, pierderile prin difuzie scad cu puterea a 4-a lui .

(nm)1800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000.70.151.31.92.523Fig. 2.1. Curba de atenuare a lui Rayleigh1.Atenuarea lui Rayleigh2.Atenuarea tipic fibrei optice3.Absoria OH

Atenuarea unei fibre optice de lungime L i cu un coeficient de atenuare este egal cu : ; unde = coeficientul de atenuare n dB/kmP(0) este egal cu puterea luminii injectate n fibra opticP(L) este puterea luminii care se calculeaz la lungimea LFibrele monomod au, la o lungime de und de 1550 nm, atenuri de 0.2 dB/km, adic doar 4,5% din puterea luminii se pierde pe kilometru.

(nm)1700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000.20.10.51.02.025.0Fig. 2.2. Curbele spectrale ale coeficientului de atenuare ale unei fibre optice mono i multimod : 1-fibr optic multimod 2-fibr optic monomod

- Banda de trecere B este un parametru important pentru definirea proprietilor de transmisie ale unei fibre optice. n practic, banda de trecere este produsul dintre largimea benzii i lungimea caracteristic. n timp ce atenuarea descrie pierderile optice de linie ale fibrei optice, banda de trecere reprezint o msur a fenomenului de dispersie. Un impuls care se propag n lungul unei fibre optice se mprtie n timp din cauza dispersiei. Din punct de vedere al frecvenei, acest efect implic faptul c fibra optic se comport ca un filtru trece jos. Aceasta nseamn c odat cu creterea frecvenei de modulaie fm se diminueaz amplitudinea undei luminoase n fibr pn la dispariia total. Fibra optic las s treac semnale de frecvene joase i atenueaz pe cele cu frecvene nalte. Dac se msoar, pentru fiecare frecven de modulaie fm , amplitudinile puterii optice la intrarea P1(fm) i la ieirea P2(fm) a fibrei optice i dac facem raportul lor, obinem modulul funciei de transfer H(fm) :

; H(fm) este o funcie de frecven de modulaie fm . Obinuit se normeaz modulul funciei de transfer mprindu-l cu H(0). H(0) este funcia de transfer pentru o frecven de modulaie fm = 0, adic fr modulaie.

1B00.5Fig. 2.3. Funcia de transfer a fibrei optice

Figura 2.3 este o curb tipic. Alura acestei curbe corespunde aproape cu cea a unui filtru trece jos gaussian. Frecvena de modulaie pentru care valoarea normat a modulului funciei de transfer este egal cu 0,5 este numit banda de trecere B a fibrei optice. Ea corespunde la Banda de trecere este egal cu intervalul de frecven n care amplitudinea (puterii optice) comparat cu valoarea sa la frecvena zero a sczut cu 50%, adic 3 dB.- Dispersia cromatic Impulsurile luminoase se propag n fibra optic, cu o vitez de grup de cg=c/ng ; ng fiind indicele de refracie de grup al sticlei miezului, care depinde de lungimea L, ntr-un timp de grup :

Deci, timpul de grup, care este o funcie de indicele de grup, depinde i de lungimea de und . Fiecare surs luminoas pentru fibr optic, emite lumina sa nu numai pe o lungime de und unic, ci i ntr-un spectru (lungime spectral ) distribuit n jurul acestei lungimi de und. Datorit acestui lucru, cantitile luminoase n se propag cu viteze diferite i aceasta implic diferii timpi de ntrziere. Dispersia materialului M0 este o msur a variaiei indicelui de grup ng pe diferite lungimi de und. Ea este egal cu derivata indicelui de grup n raport cu lungimea de und :

Unitatea de msur a dispersiei este ps/nm kmDeoarece indicele de refracie de grup ng al sticlei de cuar atinge un minim la o lungime de und de circa 1300 nm, derivata se anuleaz n acest punct i dispersia materialului M0() este infinit de mic la aceast lungime de und. Valoarea dispersiei materialului depinde de materialul utilizat. Se poate dopnd sticla de miez, s influeneze n anumite limite dispersia, i astfel , punctul zero. Aceast dispersie se produce n toate fibrele optice. La fibrele multimod n apropierea punctului zero, dispersia modal ntrece cu mult dispersia materialului.

rr12< 1Fig. 2.4 - Distribuia energiei modului fundamental n funcie de dou lungimi de und diferiteExist i un alt efect de dispersie : dispersia ghidului de und , cu o importan deosebit pentru fibrele optice monomod. Ea se datoreaz faptului c distribuia luminii modului fundamental pe sticla miezului i a nveliului este o funcie de lungime de und. Aceast dispersie este datorat diferenei relative de indice, care depinde de asemenea , de lungimea de und =(). Cu lungimi de und cresctoare, modul fundamental LP01 se ntinde din sticla miezului n sticla nveliului. Aceasta implic faptul c o cantitate cresctoare de lumin a modului fundamental este ghidat n nveliul care are un indice de refracie mai sczut dect cel al miezului i, astfel, n plaja lrgimii spectrale (), exist diferene n timpii de ntrziere. Viteza de propagare a undei luminoase este uniform n sticla miezului i nveliului, adic se formeaz o valoare medie ponderat a vitezelor n cele dou medii.

Suma celor dou tipuri de dispersie (dispersia materialului i dispersia ghidului de und) este numit dispersia cromatic M():M() = M0() + M1()

Dispersie(nm)11100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 180080162432240-40-32-16-24-83Fig. 2.5 Curbe de dispersie ale unei fibre optice monomod1-dispersia materialului M0()2-dispersia cromatic M()3-dispersia ghidului de und M1()Lungimea de und 0 la care dispersia cromatic dispare este numit lungime de und la dispersia nul.

Un impuls luminos injectat ntr-o fibr optic monomod de o surs de lrgime spectral (lrgimea la jumtatea nlimii maximului) care corespunde unei lrgimi spectrale efective ef :

Pentru un spectru gaussian, ntr-o fibr optic monomod variaz n timp datorit dispersiei cromatice M(). Pentru o durat efectiv a impulsului T1 la intrarea unei fibre optice i T2 dup o lungime L, lungimea efectiv a impulsului Tef se calculeaz:

Tef = = Lungimea impulsului este proporional cu lungimea L a fibrei optice i cu lrgimea spectral a sursei. Valorile tipice pentru dioda laser () sunt : = 3 5 nm i pentru o diod electroluminescent = 40 70 nm (la 850nm)Banda de trecere B a unei fibre monomod se poate calcula n funcie de lungimea de und pentru un spectru de emisie gaussian i o lungime efectiv a impulsurilor Tef :

Fig. 2.6. Produsul lrgime de band lungime caracteristic a unei fibre optice monomod, n funcie de lrgimea spectral a sursei. (nm)1000 1100 1200 1300 1400 1500 160010.1101001000 10000GHzkmProdusul lrgime de bandLungime caracteristic=2nm=10nm=5nm

TEMA 2 : ELEMENTELE COMPONENTE ALE UNUI PROCES DE MSURARE : MIJLOACE DE MSURARE, ETALOANE, METODE DE MSURAREFIA SUPORT 2.1. - Mijloace de msurare. EtaloaneProcesul de msurareMsurarea este ansamblu de operaii avnd ca scop determinarea unei valori a unei mrimi. Pentru msurarea unei mrimi fizice x, aceasta se compar cu unitatea de msur Um , rezultatul fiind valoarea numeric a mrimii msurate Xm. Ecuaia fundamental a msurrii se poate scrie:x = XmUm Exemplu: timp = 3 ore tensiune = 40 kV mas =60 kgMrimea de msurat x se mai numete i msurand. Din punct de vedere practic, msurarea poate fi o operaie, atunci cnd operatorul execut manevrele necesare (msurarea lungimii cu ublerul) Proces de msurareMetode de msurareMijloace de msurareMsurand (mrimea de msurat) Ce ?Cum ?Cu ce ?Fig1.1. Schema procesului de msurare.proces, atunci cnd odat realizate anumite condiii, msurarea se efectueaz pe baza energiei proprii a sistemului (msurarea tensiunii electrice cu voltmetrul)

Principalele elemente ale procesului de msurare sunt:- Mrimea de msurat (msurandul) care reprezint un atribut al unui fenomen, corp sau substan, care este susceptibil de a fi difereniat calitativ i determinat cantitativ.- Mijloacele de msurare care reprezint mijloacele tehnice utilizate pentru obinerea, prelucrarea, transmiterea i stocarea unor informaii.- Metode de msurare care reprezint succesiunea logic a operaiilor utilizat n efectuarea msurrilor. Mijloace de msurareMijloacele de msurare sunt acele mijloace tehnice cu ajutorul crora se determin cantitativ mrimile de msurat. Clasificarea mijloacelor de msurarea) n funcie de complexitate : msura reprezint mijlocul de msurare ce materializez una sau mai multe valori ale unei mrimi fizice. Exemple: rigl gradat, msur de volum, de mas etc. aparatul de msurat este un dispozitiv destinat a fi utilizat pentru a efectua msurri, singur sau asociat cu unul sau mai multe dispozitive suplimentare. Exemple : voltmetru, termometru, ceas, micrometrul, etc. sistemul de msurare este un ansamblu complet de mijloace de msurare i alte echipamente reunite pentru efectuarea unor msurri specificate. Exemple: tomograful, electrocardiograful, etc.b) n funcie de destinaie: mijloace de msurare etalon care servesc la materializarea, conservarea legal i transmiterea unitilor de msur altor mijloace de msurare. mijloace de msurare de lucru care sunt utilizate n toate domeniile de activitate pentru efectuarea msurrilor.c) Dup forma prezentrii rezultatului: mijloace de msurare analogice la care rezultatul msurrii este o funcie continu. Valorea msurat este obinut prin aprecierea poziiei unui indice n raport cu reperele unei scri gradate. mijloace de msurare digitale (numerice) la care rezultatul msurrii este prezentat direct sub form numeric.

EtaloaneEtalonul este o msur, aparat de msurat sau sitem de msurare, destinat a defini, realiza, conserva, sau reproduce o unitate sau una sau mai multe valori ale unei mrimi pentru a servi ca referin.Dup rolul lor exist urmtoarele categorii de etaloane: Etaloane de definiie care materializeaz definiia unei anumite uniti de msur printr-un obiect sau experiment. Exemplu: generarea unitii de msur pentru mas kilogramul etalon. Etaloanele de conservare sunt caracterizate de un parametru fizic foarte stabil n timp i fa de influenele exterioare. Etalonul de transfer este utilizat ca intermediar pentru a compara ntre ele etaloane. Etalonul de lucru este utilizat n mod curent pentru a etalona sau verifica mijloace de msurare.n funcie de exactitate etaloanele pot fi: Etaloane primare care sunt recunoscute ca avnd cele mai nalte caliti metrologice i a cror valoare este atribuit fr raportare la alte etaloane ale aceleiai mrimi. Sunt cunoscute sub forma etaloanelor internaionale i naionale. Etaloane secundare , a cror valoare este atribuit prin comparare cu etalonul primar al aceleiai mrimi. Etaloane de referin , care sunt disponibile ntr-un loc dat i de la care deriv msurrile care sunt efectuate n acel loc. Etaloane de lucru , care sunt utilizate ca intermediar pentru a compara ntre ele alte etaloane.

FIA SUPORT 2.2 - Metode de msurare Metoda de msurare cuprinde ansamblu de relaii teoretice i operaii practice folosite la efectuarea msurrii pe baza unui principiu dat. Clasificarea metodelor de msurarea) dup exactitatea obinut metode de msurare de laborator: metode utilizate n mod repetat, cu mijloace de exactitate ridicat, asupra rezultatului efectundu-se calculul erorilor. metode de msurare industriale: metode utilizate cu aparate mai puin sensibile, dar robuste, integrate procesului tehnologic, urmrindu-se meninerea sub control a mrimii msurate. b) modul de prezentare a rezultatului msurrii:- metode de msurare analogice la care mrimea de ieire (rezultatul msurrii) variaz n mod continuu.- metode de msurare digitale la care mrimea de ieire variaz n mod discontinuu sub form de cifre. c) modul de obinere a valorii msurate:- metode directe la care se obine nemijlocit valoarea msurat. Exemplu msurarea lungimii cu ublerul, msurarea tensiunii cu voltmetrul.- metode indirecte: valoarea mrimii de msurat rezult prin calculul n funcie de alte mrimi efectiv msurate. Exemplu msurarea rezistenei electrice cu ampermetrul i voltmetrul, msurarea volumului folosind rigla. -metode de comparaie: mrimea de msurat este comparat cu o mrime de referin. Exemplu msurarea rezistenei electrice cu puntea Wheatstone. d) modul de sesizare a valorii msurandului: - cu contact: suprafeele de msurare ale aparatului vin n contact direct cu suprafaa piesei.-fr contact: mijlocul de msurare nu este prevzut cu sistem de palpare, transmitere i amplificare.

TEMA 3 : ERORI DE MSURARE, CLASE DE PRECIZIE ALE APARATELOR. EROAREA ABSOLUT, RELATIV, RAPORTAT, TOLERAT (CLASA DE PRECIZIE). FIA SUPORT 3.1. - Erorile msurrilor, eroarea absolut, relativ, raportat, tolerat, clasa de precizie. Erori de msurareDin cauza imperfeciunii aparatului de msurat i operatorului, precum i datorit prezenei unor factori perturbatori (temperatur, umiditate, cmpuri electrice etc) rezultatul msurrii este ntotdeauna afectat de o eroare. Cu ct eroarea este mai mic, exactitatea msurrii este mai bun.

axa numerelor realex - valoarea adevratxm - valoarea msurateroarea de msurare0Fig. 3.1. Valorile msurandului

- Exactitatea msurrii este gradul de concordan ntre rezultatul msurrii i valoarea adevrat a mrimii. Deoarece valoarea adevrat nu poate fi cunoscut, pentru aprecierea calitii unei msurri se compar valoarea msurat cu o valoare de referin x0 obinut prin msurri efectuate cu mijloace de msurare etalon. Eroare absolut x = xm - x0 ; Eroare absolut este diferena dintre valoarea msurat i valoarea de referin. Ea se exprim n aceleai uniti de msur ca i mrimea de msurat. Poate fi pozitiv, negativ sau zero. Arat cu ct difer valoarea msurat fa de valoarea de referin.

Eroarea relativ

Eroarea relativ este raportul dintre eroarea absolut i valoarea de referin. Fiind un raport ntre dou mrimi fizice de aceeai natur, eroarea relativ este un numr i se exprim n procente. Eroarea relativ arat precizia cu care se efectueaz msurarea.Exemplu : Se msoar tensiunea unei baterii de 5V i se obine valoarea de 6V. x = xm - x0 = 6 5 = 1V

Se msoara tensiunea de 220V i se obine valoarea de 219V.x = xm - x0 = 219 220 = 1V

Dei eroarea absolut este aceeai ca valoare, a doua msurare este mai precis.Erorile aparatelor de msurat- Eroarea instrumental este diferena ntre indicaia n momentul msurrii i indicaia exact (de referin) a aparatului (instrumentului) de msurat.a = am aEroarea instrumental se exprim n aceleai uniti de msur ca i mrimea de msurat i poate avea diferite valori.- Eroarea instrumental tolerat reprezint valoarea maxim admisibil a erorii instrumentale. Aceast eroare caracterizez fiecare aparat i este stabilit prin construcie de productorul de aparate de msurat. Exemplu : Un miliampermetru de 100 mA poate avea o eroare instrumental de 1 mA.

Eroarea absolut cu semn schimbat se numete corecie c : c = x . Corecia este adugat la rezultatul msurrii pentru a obine valoarea mrimii de msurat. x = xm + c- Eroarea raportat tolerat este raportul ntre eroarea instrumental tolerat i valoarea maxim pe care o indic aparatul respectiv, exprimat de obicei n procente :

.unde amax este indicaia (valoarea de la captul scrii)Eroarea raportat tolerat este o mrime specific fiecrui aparat de msurat i, n funcie de ea, se stabilete clasa de precizie.Clasa de precizie (exactitate) a aparatelor- Clasa de precizie a unui aparat de msurat electric este un numr egal cu eroarea raportat tolerat (maxim admis) exprimat n procente. Clasa de precizie este indicat pe cadranul fiecarui aparat de msurat.Pentru aparatele de msurat electrice fabricate n Romnia, se folosesc urmtoarele clase de precizie : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5. Clasa de precizie caracterizeaz aparatul i nu msurarea. Pentru a obine o precizie ct mai bun a msurrii se recomand s se foloseasc aparatul de msurat astfel nct s se obin o indicaie ct mai mare (n cea de-a doua jumtate a scrii gradate )

TEMA 1 : APARATE DE MSUR : VOLTMETRUL, AMPERMETRUL, FRECVENMETRUL, Q-METRUL, PUNI RLC, MEGOHMMETRUL, OSCILOSCOPUL, CALIBRAREA APARATELOR DE MSURC3. Utilizeaz mijloace i metode de msurare a mrimilor specifice reelelor de comunicaiiFIA SUPORT 1.1. - Voltmetrul Voltmetrul este un mijloc de msurare folosit pentru msurarea tensiunii electrice. Voltmetrul poate fi analogic sau digital.

VSchema unui voltmetru

Conectarea voltmetrului n circuit

SURS CONSUMATORVRVFig. 1.1. Conectarea corect a voltmetrului n circuit

Voltmetrul se conecteaz n paralel cu circuitul, sursa sau consumatorul. Prin introducerea voltmetrului n circuit se produc erori sistematice de metod prin faptul c voltmetrul are o rezisten intern proprie notat Rv . Pentru ca erorile fcute n msurtori s fie ct mai mici trebuie ca Rv >> R rezistena circuitului. n practic Rv k sute k .n cazul conectrilor greite, adic voltmetrul este montat n serie cu circuitul, curentul prin circuit scade foarte mult i consumatorul poate s numai funcioneze normal.

SURS CONSUMATORVFig. 1.2. Conectarea greit a voltmetruluiObservaie: Este interzis a se conecta voltmetrul n serie n circuit.

Voltmetre de curent continuu

Fig. 1.3. Voltmetru de curent continuuV +E - + -RVoltmetrul se conecteaz n paralel cu circuitul. Sursa este de curent continuu (baterie) iar consumatorul este un rezistor R.

- Se va respecta polaritatea curentului continuu adic plusul sursei se va conecta la plusul voltmetrului i minusul sursei se va la minusul voltmetrului. n caz de nerespectare a polaritii, acul indicator se va deplasa spre zero i se va putea rupe.- Ca aparat indicator n curent continuu se va folosi, de regul, un voltmetru magnetoelectric. Voltmetre de curent alternativ Voltmetrul se conecteaz n paralel cu circuitul. Sursa este un generator de semnal alternativ G iar consumatorul este o impedan Z (mrime complex format din rezisten, inductan i capacitate).

VFig. 1.4. Voltmetru de curent alternativ ~ZG

n curent alternativ nu conteaz polaritatea bornelor. n curent alternativ se poate folosi un voltmetru magnetoelectric asociat cu un dispozitiv redresor care transform curentul alternativ n curent continuu. Se poate folosi i un dispozitiv feromagnetic pentru sute de voli. Pentru valori mai mari ale tensiunii se va asocia o rezisten adiional sau transformator de msur de tensiune. Voltmetrul electrodinamic are cea mai bun clas de precizie. Voltmetrele msoar valoarea efectiv a tensiunii alternative sinusoidale. Voltmetre cu mai multe domenii de msurareSunt prevzute cu un selector (comutator) sau cu mai multe borne cu ajutorul crora se alege domeniul n funcie de valoarea tensiunii ce trebuie msurat. Pentru fiecare scar i domeniu de msurare, la voltmetrele analogice, se va calcula constanta scrii:

; U = CU [V] , unde :Un valoarea tensiunii nominale pentru domeniul respectivmax numrul maxim de diviziuni ale scrii gradate - numrul de diviziuni artate de acul indicatorAplicaie : Un voltmetru cu Un = 2,5V n curent continuu are scara max = 50 diviziuni.Acul indic 30 diviziuni. Ce tensiune se msoar ?

.

Extinderea domeniului de msurare al voltmetrului cu rezisten adiional Rad Rezistena adiional este o rezisten de valoare mare, care se monteaz n serie cu voltmetrul i pe care cade o parte din tensiunea de msurat. Deoarece voltmetrul i rezistena adiional Rad sunt conectate n serie, ele sunt strbtute de acelai curent I = IV

VR adRVU adIV IUVU

Conform legii lui Ohm scriem: ;

; Se face notaia numit coeficient de multiplicare al tensiunii, care arat de cte ori tensiunea de msurat este mai mare dect tensiunea nominal a voltmetrului.

Rezult: ; R ad = RV(n-1) Aplicaie: Pentru un voltmetru cu RV = 1k i UV = 10mV , se cere rezistena adiional necesar pentru a msura U = 1V.

; R ad = RV(n-1) = 1103(100-1) = 99000 = 99kRezistena n ohmi pe volt

Rezistena n ohmi pe volt ce caracterizeaz un aparat este inversul curentului su nominal. . Aplicaie: Un voltmetru avnd Ia = 1mA are 1000 /V.FIA SUPORT 1.2 - Ampermetrul

AAmpermetrul este un mijloc de msurare folosit pentru msurarea intensitii curentului electric. Ampermetrul poate fi analogic sau digital. Schema unui ampermetru

SURS CONSUMATORArAFig. 2.1. Conectarea corect a ampermetrului n circuitConectarea ampermetrului n circuit

Ampermetrul se conecteaz n serie cu circuitul. Prin introducerea ampermetrului n circuit se produc erori sistematice de metod prin faptul c ampermetrul are o rezisten intern proprie notat cu rA . Pentru ca erorile fcute n msurri s fie ct mai mici, trebuie ca rA ). n momentul t2 , tensiunea aplicat este mai mare dect tensiunea uC de pe condensator, dioda este polarizat direct i conduce, se ncarc rapid condensatorul C pn n momentul t3 . Apoi fenomenul se repet.

Pentru o constant de timp foarte mare RC >>Tmax (Tmax fiind perioada corespunztoare celor mai joase frecvene la care se folosete voltmetrul), ntre dou alternane pozitive condensatorul se descarc foarte puin i tensiunea la bornele lui rmne aproximativ egal cu valoarea maxim a tensiunii de msurat.

n practic se folosesc voltmetre de valori medii sau de valori maxime, care se gradeaz n valori efective. Aceast gradare nu este valabil dect n cazul tensiunilor sinusoidale. Msurarea frecvenei Metoda heterodinriiMetoda heterodinrii este o metod de comparaie folosit att n joas ct i n nalt frecven. Msurarea frecvenelor cu metoda heterodinrii se bazeaz pe principiul heterodinrii, conform cruia dac la intrarea, unui element de circuit neliniar se aplic simultan dou semnale de frecvene diferite f1 i f2 , la ieirea lui, pe lng semnalele aplicate la intrare, datorit neliniaritii, apar i semnale care au frecvene egale cu suma frecvenelor de la intrare (f1 + f2) sau cu diferena lor (f1 - f2). Semnalul frecvena egal cu f1 - f2 se poate separa cu un filtru trece jos i msura.

fx-f0 VGxG0MFTJfx+f0f0fxfx-f0fx,f0TFig. 1.5. Msurarea frecvenelor prin metoda heterodinrii

Montajul folosit la msurarea frecvenelor prin metoda heterodinrii conine: Gx este generatorul frecvenei fx ce urmeaz s se msoare, iar G0 este un generator de frecven f0 variabil i cunoscut. Semnalele date de cele dou generatoare se aplic elementului neliniar M. La ieirea acestuia apar i semnale avnd frecvene fx + f0 i fx - f0 . Semnalul cu frecven f1 - f0 se selecteaz cu filtrul trece jos (FTJ) i se urmrete ntr-o casc telefonic, conectat n paralel cu un voltmetru de curent alternativ.Modul de lucru. Se realizeaz montajul din figura 1.5 i se variaz frecvena f0 a generatorului G0 , urmrind ca n casc s se aud tonuri din ce n ce mai joase. Cnd n casc nu se mai aude nimic, se continu variaia frecvenei f0 n acelai sens, pn cnd voltmetrul V indic zero. n acest caz nu mai exist componente de curent alternativ, deci fx - f0 = 0. Se obine fx = f0 ceea ce nseamn c n momentul n care voltmetrul indic zero, frecvena de msurat este egal cu frecvena generatorului G0 . Metode de rezonan

Se bazeaz pe proprietile selective ale circuitelor LC. Aceste circuite prezint fenomenul de rezonan pentru o frecven dependent de valorile inductanei L i capacitii C: .Pentru frecvena de rezonan la circuitul LC serie intensitatea curentului este maxim, iar la circuitul LC derivaie tensiunea este maxim.

bfUf0afIf0Fig. 1.6. Curbele de rezonan ale circuitelor LC:a circuitul LC serie b circuitul LC derivaie

Frecvenmetrul de rezonanMontajul. Frecvenmetrul de rezonan se folosete la msurarea frecvenelor nalte (radiofrecvene). El este format dintr-un circuit LC alctuit dintr-o bobin fix L i un condensator variabil C i un aparat cu care se poate pune n eviden fenomenul de rezonan. n acest scop se poate folosi n serie cu circuitul un ampermetru cu termocuplu (fig. 1.7.a), sau n paralel pe circuit un voltmetru electronic (fig. 1.7.b)

AaM ~LgC G fx fxbM ~LgC G VELFig. 1.7. Msurarea frecvenei cu frecvenmetrul de rezonan a cu ampermetru cu termocuplu b cu voltmetru electronic

Modul de lucru. Pentru msurarea frecvenei fx a unui semnal, se apropie frecvenmetrul la civa centimetri de sursa de semnal, realizndu-se n acest mod un cuplaj inductiv. Se variaz condensatorul C pn cnd ampermetrul A sau voltmetrul VE indic un maxim. n acest moment, frecvenmetrul este la rezonan pe frecvena sursei: . Deoarece inductana L are o valoare constant, se poate scrie . Pe baza acestei relaii, se poate transcrie scara gradat a condensatorului C n valori ale frecvenei, obinndu-se un aparat cu citire direct. Frecvenmetrele de rezonan se pot etalona i n lungimi de und corespunztoare frecvenelor ce se msoar pe baza relaiei: = cT, unde este lungimea de und, c viteza de propagare a undelor electromagnetice, egal cu viteza luminii (31010 cm/s) iar T perioada semnalului ce se msoar. Deoarece T=1/f, rezult =c/f. Aceast relaie permite transcrierea n lungimi de und, obinndu-se aparate ce poart numele de undametre. Undametrele sunt foarte mult utilizate n radiocomunicaii.

Msurarea perioadei O metod indirect de msurare a perioadei este realizat prin msurarea frecvenei i apoi pe baza formulei T=1/f (s) se obine prin calcul perioada.Metoda uzual pentru msurarea perioadei T a unui semnal alternativ este prin folosirea oscilosopului catodic.

TTFig. 1.8. Msurarea perioadei unui semnal variabil n timp

Msurarea intervalelor de timp se poate realiza cunoscnd viteza de deplasare a spotului i msurnd pe ecran lungimea segmentului care corespunde intervalului de timp considerat. Osciloscoapele moderne au baza de timp calibrate n ms/cm sau s/cm , adic se indic pentru fiecare poziie a comutatorului ce regleaz n trepte frecvena bazei de timp, timpul necesar pentru ca spotul s se deplaseze pe direcia orizontal cu un centimetru.Pentru msurarea perioadei este necesar ca baza de timp s fie astfel reglat nct oscilograma s conin cel puin dou perioade succesive ale semnalului. n acest caz, dac reglajul fin al bazei de timp este la maxim, se msoar pe ecran n centimetri distana ntre dou treceri succesive ale semnalului prin aceeiai valoare i cu indicaia reglajului n trepte al bazei de timp. n acest fel, se obine direct perioada semnalului.Exemplu: n cazul oscilogramei din figura 1.8. , dac reglajul n trepte al bazei de timp este pe poziia 1 ms/cm, iar limea semnalului (perioada) este de 3 cm, durata (perioada) semnalului va fi T = 31 = 3 ms.

FIA SUPORT 2.2. - Msurarea puterii electriceNoiuni generalePuterea reprezint energia consumat n unitatea de timp.Unitatea de msur pentru putere n SI este wattul (w). n curent continuu ntreaga energie absorbit de un consumator de la o surs se consum, n sensul c se transform n alte forme de energie : caloric, mecanic, luminoas etc.

, unde U este tensiunea la bornele receptorului,I este curentul prin receptor, R este rezistena receptorului.n curent alternativ nu ntotdeauna ntreaga energie absorbit de la surs se consum. n cazul circuitelor ce conin componente reactive (bobine sau condensatoare), o parte din energie se nmagazineaz sub form de energie reactiv. n curent alternativ se definesc urmtoarele tipuri de puteri electrice: puterea activ P= UIcos [w] puterea reactiv P= UIcos [var] - voltamperreactiv puterea aparent S= UI [VA]ntre cele trei puteri exist relaia S2 = P2 + Q2 . Puterea n audiofrecven i radiofrecvenMsurarea puterii absorbite de o sarcin specific (difuzorul n audiofrecven i antena de emisie n radiofrecven) i produs de un generator i sistem de transmitere a puterii, se face n urmtoarele scopuri: determinarea puterii maxime Pmax n sursa de putere unde E este tensiunea electromotoare a generatorului echivalent , Ri este rezistena intern a generatorului echivalent determinarea puterii maxime n anumite condiii, n audiofrecven, pentru un coeficient de distorsiune dat.

n audiofrecven se definesc puterile urmtoare : puterea de ieire este puterea electric aplicat difuzorului i caracterizeaz intensitatea sonor perceput n audiie (pentru radioreceptoare) puterea nominal Pn este puterea de ieire maxim. (Exemplu : pentru radioreceptoare pentru care distorsiunile de neliniaritate nu depesc o anumit limit admisibil , 10% ) puterea de ieire standard Ps reprezint puterea la care se efectueaz msurrile ntr-un radioreceptor i corespunde puterii nominale a radioreceptorului Pn .Msurarea puterii n curent continuu Metoda ampermetrului i voltmetrului

aVK1AURUabRUIIRFig. 2.1. Msurarea puterii n curent continuu cu ampermetrul i voltmetruln curent continuu puterea se poate calcula cu relaia P = UI. Pornind de la aceast relaie se poate deduce faptul c puterea consumat n curent continuu de un receptor avnd rezistena electric R se poate msura cu un ampermetru i voltmetru folosind un montaj ca n figura 2.1.

Pot fi realizate dou montaje : amonte (comutatorul K pe poziia a) sau aval (comutatorul K pe poziia b) n funcie de mrimea rezistenei R. Cnd R >> ra (ra fiind rezistena ampermetrului) se va folosi varianta amonte. Cnd R