Masurari. Mijloace de masurat - METROLOGIE GENERALA

METROLOGIE GENERALA

Cap.1. Masurari. Mijloace de masurat

1.1.Generalitati

Masurarile au o deosebita importanta in domeniul tehnic ele fiind indispensabile pentru cercetarea, realizarea la nivel de model experimental si prototip respectiv la nivel de produs de serie a oricarei masini sau instalatii.

Necesitatea masurarilor este determinata si de aceea ca pentru unele marimi organele de simt umane nu sunt sensibile ( de ex. camp magnetic, raze X ), sau chiar in domeniul de sensibilitate umana nu se pot face evaluari cantitative ( de ex. pentru temperatura, intensitatea luminii, culoare, greutate ) decat cu mult subiectivism. In alte situatii modificarile rapide sau prea lente ale parametrului investigat respectiv impedimentele legate de inaccesibilitatea observatorului nu permit determinarea cantitativa a subiectului cercetat.

Avand in vedere ca in domeniul mijloacelor de masurat in ultimul timp se recurge frecvent la mijloace electrice sau electronice s-ar parea, la o analiza superficiala, ca tehnica de masurat trebuie sa preocupe numai inginerul electronist. In realitate insa inginerul trebuie sa stapaneasca tehnicile de masurat specifice domeniului sau de activitate cu atat mai mult cu cat o masuratoare corecta nu se poate realiza decat in masura in care operatorul cunoaste atat mijlocul de investigare utilizat cat si fenomenul sau instalatia luata in studiu, intimitatea sa. Tot odata, nu de putine ori traductorul sau chiar aparatul in sine este de constructie mecanica ( ca de ex. la masurari de lungimi, presiuni etc. ) .

Cele mai bune rezultate, in cazul cercetarii unor fenomene complexe cu mijloace de investigatie de mare finete se obtin printr-o colaborare stransa intre inginerul electronist si cel mecanic.

Tehnica de masurat cunoaste astazi o dezvoltare extrem de rapida favorizata de succesele obtinute in domeniul electronicii si automaticii.

Un mijloc de masurat cu performante ridicate trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii principale:

- sa aiba o sensibilitate ridicata si sa fie sigur in functionare

- sa redea sau sa inregistreze pe cat posibil instantaneu si fidel, fara distorsiuni, parametrul investigat

- sa permita prelucrarea automata a rezultatelor masuratorilor, fara interventia subiectiva a observatorului.

Teoria tehnicii de masurat este inspirata din teoria proceselor automate cu atat mai mult cu cat elementele componente ale unui aparat de masurat sunt similare functional cu elementele unui sistem automat.

Lucrarea de fata isi propune trecerea in revista a principiilor de baza ale metrologiei generale, precum si prezentarea aparaturii si a tehnicilor de lucru proprii investigarii fenomenelor din domeniul mecanic in general si al m.a.i. in special.

1.2. Notiunea de masurare

Prin masurare se intelege determinarea cantitativa a unei marimi fizice cu ajutorul unei unitati de masura pentru aceasta fiind necesar sa fie definita univoc marimea masurata si sa se adopte conventional unitatea de masura. De multe ori, pentru marimi complexe cum ar fi de pilda `` macinabilitatea `` unei substante este extrem de dificila definirea parametrului in sine neexistand nici unitati de masura, in acest caz recurgandu-se la masurarea unor indici caracteristici consacrati care redau mai complet sau mai putin complet proprietatea respectiva.

1.3. Schema bloc a unui sistem de masurat idealizat

Idealizarea procesului de masurare presupune ca procesul de masurare este determinat numai de de masurare este determinat numai de marimea investigata, fara influente perturbatoare exterioare sau interioare.

fig.1.1 Schema bloc a unui sistem de masurat idealizat

Schema bloc ( fig. 1.1 ) structureaza sistemul de transmitere si prelucrare a semnalului ( sistem de masurat ). La realizarea aparaturii de masurat si a sistemelor de masurat se pot inregistra abateri de la schema de mai sus dupa cum urmeaza:

a)           Frecvent un anumit element al schemei poate indeplini mai multe functiuni

b)          Succesiunea functiunilor in schema poate fi schimbata, uneori una dintre functii poate fi intalnita de mai multe ori ( vezi si fig. 1.2 ).

c)           Alteori in schema se intalnesc functiuni suplimentare (ex. amplificare, reglare, corectare etc.).

fig. 1.2 Exemplu manometru cu indicare directa

Prin instalatie de masurat se intelege ansamblul de elemente reunite intr-o schema sau metoda comuna care permit realizarea procesului de masurare ( de la traductor la organul de iesire ) (STAS 2810-69 ).

Sistemul de masurat contine pe langa instalatia de masurat si procesul sau subiectul care urmeaza a fi investigat respectiv observatorul sau inregistratorul de date.

Aparatul de masurat este o unitate care contine o parte sau in totalitate instalatia de masurat; dupa STAS 2810-69 aparatul de masurat este un mijloc constituit in general pe baza asocierii unui traductor primar (traductor de masurat a carui marime de intrare este marimea masurata), a unor dispozitive intermediare (dispozitive cu functii de adaptare si prelucrare a semnalului provenit de la traductorul primar ) si a unui instrument de masurat conform schemei de principiu si a schemei tehnologice ce urmeaza :

Aparatele de masurat pot fi clasificate in urmatoarele categorii :

aparate indicatoare

aparate cu memorie ( care stocheaza datele )

aparate cu inregistrare ( care inregistreaza datele de regula sub forma unei functii de o variabila )

aparate integratoare

aparate analogice ( pentru care semnalul purtator al informatiei este utilizat intr-o forma continua)

aparate digitale ( semnalul purtator al informatiei este discretizat - cuantat - iar instrumentul de masurat are iesire directa sub forma numerica )

aparate de control ( evidentiaza incadrarea sau neancadrarea unei marimi intr-un interval prestabilit )

aparate de control activ ( care-si realizeaza functiile fara intreruperea procesului tehnologic caruia ii este supus subiectul )

aparate de telemasurat ( cu transmiterea semnalului la distanta ).

Instrumentul de masurat este un mijloc de masurat in cadrul caruia semnalul de intrare ( marimea masurata ) este raportat la o scara de repere, obtinandu-se un semnal de iesire corespunzator cu rezultatul acestei operatii.

1.4. Notiuni privind masurarea electrica a marimilor neelectrice

Masurarea electrica a marimilor neelectrice presupune realizarea unor scheme complexe formate din elementele de mai jos :

Marimea neelectrica este preluata de catre un traductor sau captor care dupa un principiu bine stabilit o transforma intr-un semnal electric, de exemplu o tensiune, un curent sau variatia chimica, inductiva sau capacitiva a unei rezistente care este la randul ei transformata intr-o variatie de tensiune prin intermediul unei scheme electrice.

Traductorul se cupleaza la un bloc pentru prelucrarea semnalului unde spre exemplu variatia unei rezistente ia forma unei variatii de tensiune cu ajutorul unei scheme speciale, blocul putand indeplini si functiuni de calculator.

Dupa prelucrare, semnalul este redat asa dar ca semnal de iesire sub forma unei tensiuni sau a unui curent de o anumita valoare care urmeaza apoi sa puna in miscare un ac indicator, un spot luminos sau sa fie afisat la un instrument digital in ideea evitarii subiectivitatii observatorului.

Prelucrarea ulterioara, pana la trasarea curbei de variatie a parametrului investigat poate fi facuta prin introducerea semnalului direct intr-un calculator prevazut cu "plotter" sau prin captarea semnalului de catre un perforator de banda, ulterior banda fiind "citita" si prelucrata de catre calculator.

Indiferent fiind mijlocul de masurat, in cazul in care captorul preia nemijlocit marimea inregistrata si o reda la aparatul de indicare sau inregistrare, masurarea are caracter de masurare directa ( ex. : masurarea presiunii cu ajutorul manometrului cu element elastic ).

Daca se apeleaza la marimi ajutatoare, evaluate direct, cu ajutorul carora se determina apoi prin calcul parametrul ce prezinta interes, masurarea are caracter de masurare indirecta ( ex. determinarea debitului cu ajutorul diafragmei cand se masoara direct presiuni si temperaturi, pe baza carora se determina apoi prin calcul debitul ) .

In categoria masurarilor combinate intra masurarile compuse dintr-o serie de masurari directe ala uneia sau mai multor marimi de acelasi fel. In acest caz o operatie de masurare difera de cealalta prin aceea ca se schimba fie conditiile de masurare, fie combinatia marimilor de masurat. Valorile numerice ale marimilor de masurat se determina din sistemul de ecuatii:

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

unde : - valorile marimilor de masurat

- valorile marimilor masurate prin procedee directe.

Masurarile combinate sunt in general complexe, utilizate fiind numai in tehnici de laborator.

Schema bloc formata din trei elemente si prezentata anterior este modelul simplificat al unei instalatii de masurat pentru instalatii complexe, cand se efectueaza de pilda masuratori la distanta, semnalul se suprapune prin modelare pe o frecventa purtatoare inalta care la locul de instalare al aparatului indicator sau inregistrator se demoduleaza si se transforma intr-o tensiune sau curent continuu, proportional cu valoarea parametrului investigat.

De multe ori schema bloc contine ramificatii pentru cuplarea unor subansamble speciale cum ar fi limitatoare de valori maximale, regulatoare etc. Daca este necesara asigurarea unei sigurante si precizii ridicate in functionare,cum este cazul aparaturii utilizate in centralele nuclearo-electrice, schema se realizeaza cu elemente paralele care la o eventuala defectiune se suplinesc unele pe altele.

fig. 1.3. Schema unei instalatii complexe de masurat

Fig.1.3 indica schema unei instalatii complexe de masurare ; in spatiul investigat ( "camera fizica" ) sunt incluse etajele purtatoare de semnal precum si etajele de informare.

1.5. Clasificarea procedeelor de masurare

Clasificarea procedeelor de masurare poate fi facuta din mai multe puncte de vedere, in cele ce urmeaza acestea fiind clasificate dupa caracterul lor.

1.5.1. Procedeul de indicare respectiv de compensare (procedeul de nul ).

In cazul procedeului de indicare, prin compararea marimii masurate cu o marime normalizata, aparatul va indica pe cadran valoarea cautata a parametrului respectiv.

Procedeul de nul sau de compensare presupune compararea parametrului ce se masoara cu o marime normalizata care compenseaza actiunea acestui parametru asupra aparatului, aducandu-l la zero.

fig.1.4. Masurarea prin indicare respectiv compensare ( procedeul de nul )

Procedeul de indicare se bazeaza in general pe utilizarea de resoarte, fara ca precizia de masurare sa fie deosebita. Sensibilitatea este relativ modesta in cazul incarcarilor partiale iar proprietatile dinamice relativ bune.

Procedeul de compensare poate asigura o precizie corespunzatoare, sensibilitatea este ridicata chiar si la valori modeste ale parametrului masurat fara insa ca proprietatile dinamice sa fie deosebite prin aceea ca stabilizarea sistemului la zero este inceata.

1.5.2. Masurarea prin analogie respectiv masurarea digitala

Cele doua procedee enuntate se disting dupa caracterul semnalului de iesire.

Masurarea prin analogie presupune ca semnalul de iesire variaza continuu ( vezi fig. 1.5 ) valoarea citita fiind obtinuta de pilda prin descrierea de catre acul indicator a unei lungimi, deplasarea spotului luminos la oscilograf sau a capului de inregistrare al inregistratorului. De regula la sistemele de masurare prin analogie citirea este subiectiva. Daca semnalul urmeaza sa se prelucreze in continuare intr-un calculator este necesara cuantificarea acestuia pentru prelucrarea la ordinator.

fig.1.5. Masurare prin analogie Masurare in sistem digital

Procedeul digital de masurare are in vedere ca variatia marimii de iesire sa se faca pas cu pas, cu valori constante pe interval ca in fig.1.5. Un asemenea sistem foloseste de pilda voltmetrele digitale, perforatoarele de banda etc. Citirea in acest caz este obiectiva, rezultatele masurarii putand fi introduse direct in calculatorul electronic numeric pentru o eventuala prelucrare ulterioara.

1.5.3. Masurarea continua si discontinua in raport cu timpul

In cazul masurarilor continui toate elementele schemei de masurare trebuie sa lucreze continuu in raport cu timpul, ca in cazul masurarii temperaturii unui proces, in timp ce la masurarea discontinua cel putin un element lucreaza discontinuu, marimile de iesire realizand un sir de valori discontinue in raport cu timpul (fig.1.6) , ca in cazul determinarii concentratiei la o serie de probe.

fig.1.6. Masurarea in regim continuu respectiv discontinuu