Caracteristicile aparatelor de masurat

Caracteristicile aparatelor de masurat

1. Notiuni generale din tehnica aparatelor de masurat.

In cazul aparatelor de masurat dependenta marimii de iesire de marimea de intrare X se numeste caracteristica de transfer.

fig.1 Caracteristica unui aparat cu termorezistenta

In fig.1. se prezinta caracteristicile unui aparat pentru masurat temperaturi cu ajutorul unei rezistente din platina.

La alegerea sau achizitionarea unui aparat de masurat este necesara cunoasterea unor caracteristici relativ simple care in cazul de fata sunt :

- domeniul de masura : 200C.500C

- gama marimilor de iesire : 175,86Ω.280,94Ω

- limita de masurare : 750C

- limita de supra incarcare : 1000C

In cele ce urmeaza se detaliaza cateva din cele mai importante proprietati ale aparatelor de masurat.

Domeniul de masura al unui aparat este domeniul cuprins intre inceputul si sfarsitul scarii.

Nu in toate cazurile domeniul de masura trebuie sa inceapa cu zero ; de pilda un voltmetru poate avea domeniul de masura 20 . . . 100 V etc.

Limita de masurare este determinata de intervalul de valori in care aparatul de masurat este utilizabil, in cazul de mai sus acesta fiind de 0 . . . 750C.

Prin sensibilitatea aparatului de masurat S se intelege raportul dintre deplasarea lineara sau unghiulara a indicatorului si variatia valorii masurandului care determina aceasta deplasare.

unde A reprezinta marimea de anulare sau de inversare. In cazul aparatelor sau traductoarelor cu caracteristica lineara, sensibilitatea este chiar inclinarea dreptei ce reda caracteristica, numindu-se si coeficient de transfer si notandu-se cu K .

Pragul de sensibilitate este determinat de valoarea limita a masurandului la care raspunde ( este pus in functiune ) mijlocul de masurat , fig.2.

fig.2 Pragul de sensibilitate

Domeniul de insensibilitate sau de histereza este determinat de variatia minima a masurandului pentru care la schimbarea sensului de modificare al acestuia aparatul devine sensibil ( fig.3 ) .

fig.3 Domeniul de histereza

Marimea de readucere sau de anulare este variatia necesara a masurandului care produce o schimbare de indicatie impusa. Pentru aparatele cu histereza zero, aceasta marime este inversul sensibilitatii (fig.4)

fig.4 Marimea de readucere

Banda de toleranta pentru un aparat de masura cu erori statice de marime garantata.

In aceasta situatie eroarea absoluta totala I E I egala cu suma in valoare absoluta dintre eroarea intamplatoare si cea sistematica trebuie sa fie mai mica cel mult egala cu eroarea absoluta a aparatului .

( 1.1 )

fig.5 Banda de toleranta cu eroare constanta

Aparatele de masura pot avea urmatoarele tipuri de benzi de toleranta :

a) Banda de toleranta cu eroare constanta de variatie data in fig.5.

b) Banda de toleranta cu eroare relativa a aparatului constanta

vezi fig.6.

Este de mentionat ca in jurul punctului de nul, indicatiile aparatului devin nesigure, existand posibilitatea ca eroarea relativa a aparatului sa fie nedeterminata ( pentru si tinzand ambele spre zero ). Din acest motiv, pentru instrumentele de precizie cu banda de toleranta combinata.

fig.6 Banda de toleranta cu eroare relativ constanta

c) Banda de toleranta combinata presupune realizarea in domeniul A ( vezi fig.7 ) a unei benzi cu eroare constanta si in domeniul B a benzii de eroare relativa constanta.

fig.7 Banda de toleranta combinata

Clasa de precizie este data de eroarea statica in procente, ce se inregistreaza in cazul valorii maxime a indicatiei aparatului, pentru conditii normale ale perturbatiilor exterioare ( de pilda pentru temperaturi de mediu intre 19 . . .21C) .

Aparatele electrice de masurat au clasele de precizie si erorile relative din tabel :

Precizia unui aparat este caracterizata de dispersia valorilor masurate.

fig.8 Determinarea dispersiei standard

Cantitativ, precizia este sintetizata de eroarea sau dispersia standard .

Dispersia se determina printr-o serie de masurari efectuate pentru valoarea maxima a indicatiei aparatului ( vezi fig.8 ) .

In tabel sunt redate dispersiile standard procentuale ( erorile medii patratice ) pentru o serie de aparate frecvent utilizate in tehnica, bine inteles pentru cazul in care valoarea masurandului corespunde indicatiei maxime a aparatului.

Cerintele impuse unui aparat de masurat sunt determinate de destinatia acestuia, in tabelul de sinteza ce urmeaza fiind redate cateva din conditiile mai importante pe care acesta trebuie sa le satisfaca.

Domeniul de utilizare	Masurare			Reglaj
Caracteristici	Aparate industriale
	Pt. parametrii fara importanta deosebita	Pt. parametrii principali si cu grad de periculozitate	Aparat de laborator si mijloace de etalonare
Precizie	Cateva %	cca. 1%	1% sau mai putin
Erori dinamice	In general importante	In general neimportante	In general neimportante	Importante
Domeniul de insensibilitate ( histereza)	-- I I --	-- I I --	important	important
Tipul constructiv	Robust	robust	De regula mai putin robust	Robust
Fiabilitate	mare	f. mare	Eventual poate fi si mica	f. mare

Din cele de mai sus se constata o tendinta generala pentru asigurarea unei precizii si fiabilitati pentru aparatele de masurat, acest deziderat devine o conditie necesara mai ales in cazul in care aparatele respective supravegheaza procese complexe sau cu un grad ridicat de periculozitate.

2. Elementele componente ale aparatelor de masurat

Pornind de la schema bloc din fig.9 vor fi analizate in cele ce urmeaza cateva dintre principalele caracteristici ale elementelor componente ale aparatelor de masurat.

fig.9 Schema bloc a unui aparat de masurat

2.1. Traductorul primar

Traductorul primar receptioneaza marimea pe care o transforma intr-un semnal care trebuie sa poata fi prelucrat in continuare ( o forta, o deplasare, variatia unei rezistente ) . Relatia de interdependenta trebuie sa fie univoca fiind preferate ori de cate ori este posibil, dependentele liniare. Din punct de vedere constructiv, traductorul primar trebuie astfel realizat incat sa poata fi utilizat la cat mai multe tipuri de procese si montaje.

2.2. Dispozitivul de transformare si amplificare

Daca semnalul se dovedeste a fi necorespunzator pentru "comparare" sau "indicare" , atunci se practica transformarea sa. In acelasi timp, sunt situatii in care parametrul trebuie transmis la distanta fiind necesara si in acest caz transformarea si eventual amplificarea lui, ( de exemplu , presiunea T curent electric etc .) .

In fig. 10 se prezinta pentru exemplificare un dispozitiv de transformare in semipunte, cu drosele duble, pentru care traductorul asigura deplasarea "1", pe care dispozitivul o transforma intr-un semnal de presiune "" , cu aceasta ocazie realizandu-se si amplificarea semnalului.

In fig.11 se prezinta schema si caracteristica unui dispozitiv de transformare-amplificare de tip transformator diferential, in acest caz semnalul de intrare obtinut de la traductorul primar fiind o marime mecanica ( deplasarea "1" ) iar cel de iesire o marime electrica ( tensiunea "" ) .

Prin functia de amplificare pe care o au dispozitivele de transformare in semipunte asigura, dupa panta caracteristicii de transfer, ridicarea sensibilitatii aparatului respectiv.

fig.10 Dispozitiv cu drosele in semipunte

fig.11 Dispozitiv cu transformator diferential

fig.12 Punte pneumatica fig.13 Punte Wheatstone

Fig.12 si 13 prezinta schemele unor dispozitive de transformare - amplificare concepute sub forma unei punti diferentiale pneumatice respectiv electrice ( Wheatstone) Comparativ cu montajul in semipunte , schemele diferentiale in punte prezinta avantajul compensarii semnalului de referinta ( presiunea , respectiv tensiunea ) prin aceasta asigurandu-se o sensibilitate ridicata, indiferenta fiind valoarea semnalului de referinta.

In fig.14 se schiteaza caracteristica dispozitivelor de transformare-amplificare in punte. Ori de cate ori este posibil e de preferat functionarea acestora pe portiunea liniara a caracteristicii.

fig.14 Caracteristica unei punti diferentiale

2.3. Dispozitivul de comparare

Dispozitivul de comparare indeplineste de cele mai multe ori, pe langa functia propriu zisa de comparare si rolul de dispozitiv de calcul.

Operatiile de calcul sunt necesare nu numai pentru compararea parametrului masurat cu valoarea normala si pentru prelucrarea rezultatelor unor masuri partiale. Frecvent dispozitivele de comparare trebuie sa efectueze operatii cum sunt : etc.

In fig.15 se prezinta , pentru exemplificare, dispozitivul de insumare, multiplicative si de integrare.

fig.15 Dispozitive ce efectueaza operatii

3. Alegerea aparatelor de masurat

Date fiind implicatiile complexe pe care le presupune alegerea aparatelor de masurat in general, problema va fi tratata pentru exemplificare cu referiri speciale la anumite tipuri de masuratori si anume masuratorile de vibratii. Sigur ca criteriile de baza care determina alegerea unui tip sau a altuia de aparataj de masura pot fi aplicate cu discernamant pentru toate masuratorile tehnice.

In alegerea aparatelor de masurare criteriul fundamental il constituie obiectul de masurat si marimile de masurat .Se vor avea in vedere urmatoarele considerente:

a) Dupa marimea obiectului supus masurarii se va avea in vedere daca aceasta se face cu sau fara atingerea sa. Daca masurarea se face prin atingere, se vor stabili influentele in sensul denaturarii, pe care le suporta masurarea.

b) In cazul masurarii vibratiilor mecanice se va preciza daca se face cu aparat cu punct fix sau cu aparat seismic. In unele cazuri, de pilda la studiul vibratiilor unui strung, se poate realiza punctul fix putandu-se utiliza ori ce tip de aparat, pe cand in cazul masurarilor de vibratii ale unei cladiri trebuiesc neaparat utilizate aparate seismice.

c) Se va evalua frecventa fenomenului masurat, pentru ca ea sa fie in scara de masurare a aparatului. Frecventa de masurat se poate apropia de frecventa proprie a aparatului numai in limitele permise de distorsiuni. In cazul studierii sistemelor cu frecventa foarte inalta de oscilatie se va renunta la sistemele de inregistrare clasice

( penita de tamburi ) urmand a se utiliza procedee optice sau electrice.

d) In alegerea aparatului de masurat intereseaza valoarea absoluta a parametrilor masurati ; pentru fenomene caracterizate de parametri cu valori ridicate fata de valoarea de referinta se pot utiliza aparate de constructie mecanica ; pentru valori mici se utilizeaza in general aparate cu amplificare puternica, electrice sau optice. Aceasta alegere trebuie sa aiba in vedere si viteza de desfasurare a fenomenului, stiut fiind ca aparatul de conceptie mecanica are o inertie ridicata.

e) Numarul componentelor parametrului studiat, daca acesta are caracter vectorial sau tensorial, determina alegerea aparaturii. Pentru masurari cu mai multe componente se vor folosi aparate adecvate sau daca fenomenul si aparatul permit se va masura succesiv cu acelasi aparat.

f) Numarul locurilor de masurare decide de asemenea asupra aparaturii folosite. Pentru un numar mai mare de locuri de masurare se prefera folosirea de aparate cu mai multe canale sau in lipsa lor folosirea mai multor aparate identice . Este indicat ca la folosirea aparatelor multi - canale sa nu se ocupe dintr-un inceput toate intrarile, parte trebuind a ramane disponibila pentru masurarea anumitor marimi neprevazute.

Pentru fenomene periodice se poate folosi un singur aparat care sa se mute succesiv prin punctele de masurare. Fenomenele nestationare aperiodice necesita insa neaparat aparate multi - canale.

g) Daca se urmareste punerea in evidenta a limitelor maxime pe care le ating anumiti parametri, se pot folosi aparatele limitatoare, de obicei mai simple decat aparatele de masurat obisnuite.

h) Pentru fenomene complexe, cu mai multe puncte de masurare, este necesara utilizarea unei aparaturi de inregistrare. Aceasta permite evitarea unor eventuale erori introdu-se de subiectivitatea mai multor observatori la posturile de masurare si de neanregistrarea simultana a rezultatelor. Ca dispozitive de inregistrare se recomanda dispozitivele fotografice, simple dar relativ greu de analizat si inregistratoarele cu banda magnetica asociate cu analizoare automate de mare viteza.

i) In sfarsit la alegerea aparatului de masurat mai trebuie avut in vedere ca :

- Aparatul sa nu fie mai complicat decat este necesar

- Sa masoare atat de exact cat este necesar

- Sa fie sigur in exploatare si sa aiba comportare tranzitorie cat mai buna.