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