Masurarea marimilor electrice in curent alternative

Procesul de masurare contine urmatoarele elemente principale: masurandul (marimea de masurat), metoda de masurare, aparatul de masurat si etalonul. In functie de natura, precizia si scopul masurari, aceste elemente au o importanta relativa diferita.

1. Masurandul -nu toate proprietatile unui obiect sau ale unui sistem sunt masurabile. O prima conditie de masurabilitate este ca marimea sa constituie o multime ordonabila, adica o multime in care sa se poata defini relatiile de egal, mai mic si mai mare intre elementele ei.

2. Metoda de masurare –prezenta marimii de referinta (a etalonului), chiar daca unori este mai putin evidenta, este indispensabila. Se pot deosebi masurari prin comparatie simultana si masurari prin comparatie succesiva.

3. Aparatul de masurat –in general, marimea de iesire depinde nu numai de marimea de intrare, ci si de alte marimi care influenteaza aparatul. Aceste marimi sunt numite marimi de influenta. Cele mai obisnuite sunt marimile caracteristice mediului in care se face masurarea: marimi perturbatoare electromagnetice si marimi proprii obiectului supus masurari.

4. Etalonul –unicitatea si conformitatea masurarilor, in orice loc si la orice moment, reclama un sistem de etaloane care sa asigure: generarea principilor unitati de masura, mentinere acestor unitati de masura si corelarea intre ele a unitatilor de masura. Aceste trei operatii fundamentale in activitatea metrologica se efectueaza in mod corespunzator cu urmatoarele trei categorii de etaloane: de definitie, de conservare si de transfer.

Voltmetrul

Voltmetrul este un mijloc de măsurare folosit pentru măsurarea tensiunii electrice. Voltmetrul poate fi analogic sau digital.

Schema unui voltmetru :

Conectarea voltmetrului in circuit:

Voltmetrul se conectează în paralel cu circuitul, sursa sau consumatorul. Prin introducerea voltmetrului în circuit se produc erori sistematice de metodă prin faptul că voltmetrul are o rezistenţă internă proprie notată Rv . Pentru ca erorile făcute în măsurători să fie cât mai mici trebuie ca Rv >> R rezistenţa circuitului.

În practică Rv ≥ kΩ ÷ sute kΩ .

În cazul conectărilor greşite, adică voltmetrul este montat în serie cu circuitul, curentul prin circuit scade foarte mult şi consumatorul poate să numai funcţioneze normal.

Observaţie : Este interzis a se conecta voltmetrul în serie în circuit.

V

In curent alternativ, sursa este un generator de semnal alternativ G iar consumatorul este o impedanţă Z (mărime complexă formată din rezistenţă, inductanţă şi capacitate).

În curent alternativ nu contează polaritatea bornelor. În curent alternativ se poate folosi un voltmetru magnetoelectric asociat cu un dispozitiv redresor care transformă curentul alternativă în curent continuu. Se poate folosi şi un dispozitiv feromagnetic pentru sute de volţi. Pentru valori mai mari ale tensiunii se va asocia o rezistenţă adiţională sau transformator de măsură de tensiune. Voltmetrul electrodinamic are cea mai bună clasă de precizie. Voltmetrele măsoară valoarea efectivă a tensiunii alternative sinusoidale.

Voltmetre cu mai multe domenii de masurare:

Sunt prevăzute cu un selector (comutator) sau cu mai multe borne cu ajutorul cărora se

alege domeniul în funcţie de valoarea tensiunii ce trebuie măsurată. Pentru fiecare scară şi

domeniu de măsurare, la voltmetrele analogice, se va calcula constanta scării :

CU=U n

αmax[ Vdiv ]  ; U = CU·α [V] , unde :

Un – valoarea tensiunii nominale pentru domeniul respectiv

αmax – numărul maxim de diviziuni ale scării gradate

α - numărul de diviziuni arătate de acul indicator

Ampermetrul

Ampermetrul este un mijloc de măsurare folosit pentru măsurarea intensităţii curentului electric. Ampermetrul poate fi analogic sau digital.

Schema unui ampermetru :

Conectarea ampermetrului în circuit :

Ampermetrul se conectează în serie cu circuitul. Prin introducerea ampermetrului în circuit se produc erori sistematice de metodă prin faptul că ampermetrul are o rezistenţă internă proprie notată cu rA . Pentru ca erorile făcute în măsurări să fie cât mai mici, trebuie ca rA << R, rezistenţa circuitului.

În practică rA ≤ Ω sau zeci Ω.

În cazul conectării greşite a ampermetrului

în circuit, adică în paralel cu circuitul,

curentul prin ampermetru creşte foarte

mult ceea ce poate duce la deteriorarea

sau chiar distrugerea aparatului.

Observaţie : Este interzis a se conecta ampermetrul în paralel în circuit.

A

rA

A

CONSUMATOR SURSĂ

A CONSUMATOR SURSĂ

Ampermetre de curent alternativ

Ampermetrul se conectează în serie cu circuitul. Sursa este un generator de semnal alternativ G iar consumatorul este o impedanţă Z (mărime complexă formată din rezistenţă, inductanţă şi capacitate).

În curent alternativ nu contează polaritatea bornelor. Ampermetrul măsoară valoarea efectivă a intensităţii curentului alternativ.

În curent alternativ se poate folosi un ampermetru magnetoelectric asociat cu un dispozitiv redresor care transformă curentul alternativ în curent continuu. Se poate folosi un dispozitiv feromagnetic pentru aparate de tablou, pentru curenţi de 1sau 5A. Pentru valori mari ale curentului alternativ de sute de amperi, se asociază cu şunturi sau transformatoare de măsură de curent. Ampermetrul electrodinamic are cea mai bună clasă de precizie.

Ampermetre cu mai multe domenii de măsurare:

Sunt prevăzute cu un selector (comutator) sau cu mai multe borne cu ajutorul cărora se alege domeniul în funcţie de valoarea curentului ce trebuie măsurat. Pentru fiecare scară şi domeniu de măsurare, la ampermetrele analogice, se va calcula constanta scării :

C I=I nαmax

[ Adiv ] ; I = CI·α [A] , unde :

I n – valoarea tensiunii nominale pentru domeniul respectiv

αmax – numărul maxim de diviziuni ale scării gradate

α - numărul de diviziuni arătate de acul indicator

I

G Z ~

A

Punţi R,L,C

În practică se întâlnesc frecvent punţi care permit măsurarea rezistenţelor, inductanţelor şi capacităţilor cunoscute sub numele de punţi universale sau punţi RLC. Schema punţilor universale permite realizarea, printr-o simplă manevrare a unui comutator, fie a unui montaj de punte de curent continuu (puntea Wheatstone), fie a unor montaje de punţi de curent alternativ (punţi Maxwell, Wien, Sauty, Nernst)

Punţile universale RLC sunt alcătuite, în general, din : un generator stabilizat (de obicei de 1000 Hz în joasă frecvenţă şi 1 MHz la înaltă frecvenţă), un redresor pentru alimentarea în curent continuu, rezistenţe de raport, elemente etalon de comparaţie (rezistenţe, inductanţe, condensatoare), un aparat indicator de zero(de obicei un voltmetru electronic). Elementele reglabile sunt etalonate direct în unităţile mărimilor de măsurat.

cba

Impedanţmetrul (zetmetrul)

Măsurarea exactă a impedanţei este importantă pentru cunoaşterea comportării elementelor de circuit, precum şi a subansamblurilor funcţionale, a liniilor de transmisie aeriene sau în cablu, a antenelor etc.

Impedanţa Z este o mărime vectorială exprimată prin modulul |Z| şi argument φ sau prin componenta reală (rezistivă) R şi componenta imaginară (reactivă) X.

Z=|Z|⋅e jϕ=R+ j⋅X .

Componentele impedanţei variază de obicei cu frecvenţa deci trebuie specificată frecvenţa de măsură, aleasă de obicei în domeniul de frecvenţe în care este folosită acea impedanţă

Impedanţmetrul (zetmetrul) foloseşte o măsurare indirectă de curent : Un generator cu rezistenţa internă şi tensiunea cunoscută V alimentează un circuit serie format din impedanţa ZX

al cărui modul se măsoară şi o rezistenţă etalon r de valoare comparativ mică. r << |ZX|. Curentul prin circuit este :

I= UZ X+r

≃ U|Z X| Intensitatea curentului prin circuit este invers proporţională cu modulul

impedanţei ZX . Se măsoară indirect curentul prin căderea de tensiune ce apare la bornele

rezistenţei r : u=r⋅I=r⋅ U

|Z X|

Indicaţia voltmetrului electronic este invers proporţională cu modulul impedanţei ZX , deci scara sa se poate grada direct în valoari de modul ale impedanţei ZX .

u

ri=0

f

IZX

rU=constant

V ~

Puterea electrica:

1. Metoda directa de masurare a puterii active. Wattmetrul electrodinamic:

Wattmetrul electrodinamic are la baza un dispozitiv electrodinamic cu camp radial, la care sectiunile bobinei fixe sunt inseriate si astfel dimensionate incat sa permita trecerea curentului I, iar bobina mobila este montata in serie cu o rezistenta aditionala, la bornele ansamblului aplicandu-se tensiunea U.

La dispozitivul electrodinamic cu camp radial valoarea momentana a cuplului activ este:

                                                                                                                     

Dar:       - curentul din bobina de curent;

 - curentul din bobina de tensiune.

Deci putem scrie:

                                                                

2. Metoda indirecta de masurare a puterii active:

Metoda celor trei aparate (ampermetre sau voltmetre) pentru masurarea puterii intr-un circuit monofazat de curent alternativ. Aceasta metoda utilizeaza relatia cunoscuta dintre laturile unui

triunghi oarecare:  .

In cazul metodei celor trei voltmetre triunghiul este format din: tensiunea la bornele unei rezistente R, produsa de curentul I din  receptor UR=RI (latura a), tensiunea Uz la bornele receptorului (latura b) si tensiunea totala U (latura c). In acest montaj rezulta:

                                                

de unde se obtine:

                           (3.255)

In mod analog, in cazul metodei celor trei ampermetre se obtine:

                                                

si

                              (3.256)

Masurarea are precizia maxima cand   si  , desi, de fapt, ambele montaje ofera o precizie modesta, datorita neglijarii consumurilor aparatelor de masurat si formulei de calcul care contine diferente.

Poate fi utilizata la frecvente care depasesc cateva sute de Hz, unde utilizarea wattmetrelor electrodinamice este afectata de erori.

3. Masurarea puterii active monofazate cu wattmetrul montat pe transformatoare de masura

Atunci cand tensiunile si curentii din circuitele in care trebuie masurata puterea depasesc valorile nominale ale wattmetrului, se utilizeaza transformatoare de masura de curent si de tensiune. Transformatoarele de masura de curent si de tensiune au valorile nominale ale marimilor 5 A(1 A) si respectiv 100V. Dupa cum se utilizeaza un singur transformator de masura (de curent sau de tensiune) sau ambele transformatoare, se disting montaje semiindirecte si respectiv indirecte, reprezentate in figura 3.78.

In aceste scheme, pentru ca wattmetrul sa dea indicatii in sensul normal al scarii, se urmareste ca bornele polarizate ale wattmetrului sa revina montate la acelasi conductor al circuitului (prin intermediul bornelor corespunzatoare ale transformatoarelor de masura).

In scopul egalizarii potentialelor intre bobinele wattmetrului, se executa conexiunile desenate punctat in figura

In cazul montajului indirect aceasta legatura se pune la pamant ca masura de protectie impotriva patrunderii accidentale a tensiunii inalte in circuitele de masurare.

Determinarea puterii masurate in schemele semiindirecte si indirecte se face de obicei neglijand

erorile transformatoarelor. In diagrama fazoriala idealizata, se considera curentul secundar   in

faza cu curentul primar  , iar tensiunea secundara   in faza cu tensiunea primara  . De

asemenea, rapoartele nominale de transformare   si   ale transformatoarelor de masura de tensiune si de curent se conserva pentru valori ale parametrilor U si I diferite de cele nominale. Puterea consumata de receptor este:

                                                      

iar puterea indicata de wattmetru:

                                                  

Prin raportarea celor doua relatii rezulta:

                          (3.259)