Măsurarea tensiunii electrice

Voltmetrele sunt aparate de măsură destinate măsurării tensiunii electrice. Tensiunea aplicată la bornele unui voltmetru va da naștere unui curent electric, curent ce va străbate echipamentul mobil al dispozitivului de măsurat (conform legii lui Ohm). Cum rezistenta bobinei aparatului de măsurat (voltmetru) este constantă, putem concluziona că intensitatea curentului care străbate voltmetrul depinde numai de tensiune: \(I=f(U)\). Ca atare, curentul electric care trece prin voltmetru, la fel ca în cazul ampermetrului, provoacă deplasarea echipamentului mobil cu un unghi a. În concluzie, pentru fiecare valoare a tensiunii aplicate la bornele voltmetrului, avem o valoare bine definită a curentului, respectiv a unghiului de deviație \(\alpha\). Obligatoriu, rezistența interioară a voltmetrului trebuie să fie mai mare decât rezistenta receptorului, respectiv a generatorului de energie. Determinarea tensiunii cu ajutorul unui voltmetru se face numai dacă acesta este conectat la bornele receptorului sau ale generatorului de tensiune (conectarea făcându-se în paralel). Dacă dispozitivul de măsură are o rezistență interioară mare, atunci acesta poate fi folosit ca voltmetru. Dacă, în schimb, rezistența interioară este mică, acesta poate fi folosit numai ca ampermetru. Din punct de vedere constructiv, atât ampermetrul, cât și voltmetrul au același mecanism de măsurare, diferind numai parametrii aparatului. Ca și ampermetrul, voltmetrul poate fi realizat ca microvoltmetru, milivoltmetru, voltmetru, kilovoltmetru.

Dispozitivele de măsurat utilizate în construcția voltmetrului, la fel ca la ampermetre, sunt de tip: magnetoelectric, feromagnetic, electrodinamic și ferodinamic. O gamă largă de aparate de măsură utilizează același dispozitiv de măsurat pentru valori diferite ale tensiunii. Domeniile de măsurare pot fi modificate cu ajutorul unor comutatoare speciale. Pe cadranul acestor aparate sunt inscripționate, conform standardului în vigoare, domeniul de măsurare, rezistența internă, clasa de exactitate, poziția de funcționare, tipul dispozitivului de măsurat. În cazul în care aparatul are mai multe domenii de măsurare, ca la ampermetru, este necesar de determinat constanta aparatului, \(\mathrm{K}_{\mathrm{V}}\). Aceasta se determină cu relația: \(\mathrm{U}=\mathrm{U}_{\max } / \mathrm{N},[\mathrm{V} / \operatorname{div}].\)

Măsurarea tensiunii electrice se face cu ajutorul unui voltmetru, care se montează în paralel în circuit. Rezistența proprie a voltmetrului trebuie să fie mult mai mare decât rezistența circuitului \(\left(R_V >> R\right)\). Extinderea domeniului de măsurare a voltmetrelor se face cu rezistențe adiționale, respectiv cu transformatoare de măsură de tensiune. Rezistența adițională este o rezistență electrică de valoare mare, care se montează în serie cu aparatul de măsurat magnetoelectric (sau feromagnetic, electrodinamic, ferodinamic – în cazul curentului alternativ), pe care cade o parte din curentul de măsurat. Rezistența adițională se determină cu ajutorul relației: \(R_{a d}=R_V \cdot(n-1)\), unde n se numește coeficient de multiplicare.

Rezistența în ohm/V, care caracterizează un aparat de măsură, este rezistența necesară pentru a extinde domeniul de măsurare cu un volt și este egală cu inversul curentului nominal. În practica de laborator sunt folosite voltmetre cu mai multe domenii de măsurare:

• cu rezistență adițională pentru fiecare interval;
• cu rezistențe în serie.

Rezistențele adiționale se confecționează din manganină și se montează în interiorul aparatului în cazul aparatelor cu limitele 750-1000 V; la depășirea acestor domenii, montarea rezistențelor adiționale se face în exteriorul aparatului. Limita de măsurare poate fi extinsă și cu ajutorul divizorului de tensiune rezistiv, tensiunile repartizându-se proporțional cu rezistențele divizorului.

Transformatoarele de tensiune se utilizează pentru măsurarea tensiunilor alternative mai mari de 100 V și până la 400 kV. Ele reduc tensiunea înaltă la valoarea standard a secundarului, de 100 V, care se măsoară cu ajutorul voltmetrelor obișnuite.

Întrucât în secundarul transformatorului este conectată o impedanță mare (cea a voltmetrului), regimul de funcționare este apropiat de regimul de funcționare în gol al transformatoarelor de forță.

În acest caz:

\(K_{U_n}=U_{1 n} / U_{2 n}\) – raportul nominal determinat prin construcție, care este marcat pe carcasa aparatului și depinde de valorile nominale ale tensiunilor;

\(\mathrm{K}_{\mathrm{U}}=\mathrm{U}_1 / \mathrm{U}_2\) – raportul real de transformare, care depinde de valorile reale ale tensiunilor.

Indiferent dacă voltmetrul este utilizat în curent continuu sau alternativ, tensiunea măsurată poate avea valori de ordinul microvolților, milivolților sau volților până la sute și mii de volți. În componența acestor aparate intră dispozitive magnetoelectrice, feromagnetice, electrodinamice sau ferodinamice.

Prin efectuarea unei măsurări, oricât de precise ar fi mijloacele și metodele de măsurare, nu se poate obține niciodată valoarea adevărată a mărimii de măsurat. Între valoarea obținută prin măsurare și valoarea adevărată a mărimii există o diferență, care se numește eroare de măsurare. Aparatele de măsurat sunt supuse etalonării în vederea determinării clasei de precizie.

Măsurarea tensiunii cu multimetre digitale și analogice. Pentru măsurarea tensiunilor, multimetrul se conectează în circuit în paralel cu sursa de tensiune, valoarea afișată reprezentând diferența de potențial dintre cele două puncte de test. Măsurarea tensiunii electrice cu ajutorul multimetrelor analogice este asemănătoare cu cea utilizată de voltmetrele magnetoelectrice, iar pentru măsurarea tensiunii alternative se apelează la tehnica redresării.

Măsurarea tensiunii continue. Pentru a măsura o tensiune continuă, se comută selectorul de game în zona tensiunii continue, în dreptul unei valori mai mari decât tensiunea care se dorește a fi măsurată (valoarea din dreptul selectorului inscripționată pe aparat reprezintă valoarea maximă care poate măsurată în acea poziție), și se poziționează cele două sonde (roșie și neagră) între punctele în care se dorește măsurarea diferenței de potențial. Dacă valoarea afișată pe ecran este cu minus înseamnă că polaritatea tensiunii măsurate este inversă.

Măsurători de tensiune alternativă. Pentru măsurarea tensiunii alternative se comută selectorul de game pe una dintre pozițiile pentru măsurarea tensiunii alternative și se conectează sondele în punctele de măsurare. Valoarea afișată pe ecran reprezintă valoarea efectivă a tensiunii alternative măsurate. La multimetrul analogic, distingem 9 domenii de măsurare în curent continuu (75 mV; 1; 2,5; 10; 25; 100; 250; 500 și 1000 V) și 6 domenii de măsurare în curent alternativ (2,5; 10; 50; 250; 1000 V).