PROCESUL DE MASURARE

PROCESUL DE MASURARE

Comunicarea si actiunea sunt doua laturi fundamentale ale oricarei activitati omenesti. Comunicarea vehiculeaza in principal informatie, iar actiunea vehiculeaza in principal energie.

Atat schimburile de informatie cat si schimburile de energie se fac cel mai frecvent pe suportul marimilor electromagnetice, a caror masurare precisa conditioneaza desfasurarea normala a proceselor implicate.

Se poate afirma, fara exagerare, ca amploarea masurarilor electrice este azi comparabila cu aceea a masurarii tuturor celorlalte marimi fizice la un loc. Masurarile electrice reprezinta domeniul de masurari in care precizia, pragul de sensibilitate si viteza de masurare ajung cel mai aproape de limitele teoretice, consecinte ale legilor fizicii.

Masurarea este una din componentele esentiale ale comunicarii. Scopul masurarii este obtinerea experimentala a unei informatii cantitative asupra anumitor proprietati ale unui obiect sau sistem si exprimarea ei sub forma adecvata pentru utilizare.

Ansamblul operatiilor experimentale care se executa in vederea obtinerii rezultatului masurarii constituie procesul de masurare. Orice proces de masurare contine urmatoarele elemente principale:

marimea de masurat sau masurandul;

aparatul de masurat;

metoda de masurare;

etalonul.

In functie de natura, precizia si scopul masurarii, aceste elemente au o importanta relativ diferita. Oricare din cele patru elemente ale procesului de masurare poate servi ca punct de plecare intr-o clasificare a masurarilor.

Proprietatile unui obiect sau ale unui sistem fizic pot fi sau nu masurabile. O proprietate masurabila este denumita marime fizica. O prima conditie de masurabilitate este ca marimea fizica sa constituie o multime ordonabila, adica multime in care sa se poata defini relatiile de egal (=), mai mic (<) si mai mare(>) intre elementele ei. In plus este necesar sa se poata stabili conventional o corespondenta biunivoca intre multimea valorilor marimii fizice si multimea numerelor reale. Aceasta este conventia de scara care defineste in acelasi timp si unitatea de masura.

Rezultatul final al oricarei masurari este un numar care, impreuna cu unitatea de masura, caracterizeaza marimea de masurat.

Procedeul de masurare este o operatie experimentala, reproductibila, prin care se asociaza marimii fizice o valoare matematica in raport cu o marime fizica de referinta numita unitate de masura.

Masurarea unei marimi X reprezinta compararea acesteia cu o alta marime U_m de aceeasi natura, considerata unitate de masura. Prin alegerea unei unitati si prin procedeul experimental de masurare, fiecarei marimi fizice i se asociaza o valoare numerica (X_m). Marimea fizica X se exprima prin produsul dintre unitatea de masura adoptata U_m si valoarea numerica obtinuta X_m:

X= X_m U_m (1)

Rezultatul masurarii X_m este un numar adimensional si variaza invers proportional cu unitatea de masura adoptata.

Pentru efectuarea unei masurari este necesar ca unitatea de masura sa poata fi realizata in mod concret. Realizarea materiala a unitatii de masura constituie "masura"; evident, numai pentru anumite unitati este posibila concretizarea sub forma de masuri.

Tara noastra a adoptat Sistemul International de Unitati (SI) in august 1961, singurul sistem de unitati de masura legal si obligatoriu.

Numeroase marimi fizice nu sunt accesibile direct simturilor omului, de aceea este necesar sa se recurga la o convertire, cu ajutorul unui dispozitiv, a marimii de masurat intr-o marime perceptibila.

Mesajul senzorial cel mai adecvat pentru operatorul-om il reprezinta deplasarea acului indicator in fata unei scari gradate sau afisarea numerica pe un panou a rezultatului masurarii.

Operatia de masurare se poate realiza prin intermediul unui dispozitiv care realizeaza conversia marimii de masurat intr-o marime perceptibila pentru operatorul-om sau apta de a fi prelucrata de o masina-operatoare, numit aparat de masurat. Prin asocierea unor aparate de masurat si masuri se obtin instalatiile de masurare. Masurile, aparatele de masurat si instalatiile de masurare formeaza mijloacele de masurare.

In functie de rolul lor in procesul de masurare, de precizia pe care o reprezinta, mijloacele de masurare se clasifica in:

mijloace de masurat de lucru, care participa in masurarile curente, necesare in practica;

mijloace de masurat model (comparative sau martor), destinate etalonarii sau verificarii masurilor si aparatelor de lucru;

mijloace de masurat etalon, care reproduc sau stabilesc unitatea de masura cu precizie maxima, o pastreaza si o transmit mijloacelor de masurare cu precizie inferioara.

1 Notiunile de aparat de masurat si de traductor

Operatia de masurare ca o comparatie direct perceptibila a marimii de masurat in unitatea de masura nu este posibila decat intr-un numar restrans de cazuri, in care unitatile pot fi realizate sub o forma ce permite utilizarea lor ca atare. Restrictiile apar pe de o parte prin faptul ca exista numeroase marimi fizice ce nu sunt accesibile simturilor umane, iar pe de alta parte chiar si in cazurile celor care poseda aceasta proprietate numai un domeniu limitat de valori poate fi sesizat.

De cele mai multe ori intre marimea de masurat si organul de perceptie este necesar sa se intercaleze anumite dispozitive care, actionate de marimea respectiva pe baza energiei asociate acesteia sau a unei energii auxiliare de activare, determina aparitia unor efecte susceptibile de a fi percepute. De exemplu, curentul electric ca un flux de electroni nu poate fi perceput, dar trecand acest curent printr-o bobina mobila asezata intr-un camp magnetic, aceasta va suferi o deplasare ce poate fi observata cu ajutorul ochiului. Daca se considera campul magnetic constant si nu exista alte influente perturbatoare, deplasarea bobinei mobile se afla intr-o corespondenta determinata cu valoarea curentului electric. Cunoscand prin calcul sau experimental modul cum se realizeaza aceasta corespondenta, deplasarea bobinei permite deducerea valorii curentului, ea putand constitui o masura a acestuia. Pe baza acestor considerente se poate defini notiunea de aparat de masurat:

Dispozitivul care stabileste o dependenta intre marimea de masurat si o alta ce poate fi perceputa in mod nemijlocit de organele de simt umane, astfel incat permite determinarea valorii marimii respective pe baza unei scari de masurare se numeste aparat de masurat.

Aceasta este o definitie generala care are in vedere intelesul clasic al notiunii de aparat de masurat, ce presupune utilizarea acestuia de catre un operator uman. In instalatiile automate, aparatul de masurat este denumit traductor si el stabileste o corespondenta intre marimea de masurat si o marime, etalonata conform unei scari de masurare, apta de a fi prelucrata de elementele de automatizare sau de echipamentele de calcul.

Pornind de la definitiile precedente se poate reprezenta schema generala a unei masurari. In fig. 2 este data o astfel de schema pentru cazul unui aparat de masurat care se adreseaza unui operator uman, iar in fig. 3 schema corespunzatoare utilizarii unui traductor, care realizeaza functia de masurare intr-un sistem de reglare automata.

Fig. 2 Schema generala a unei masurari efectuate de catre un operator uman

Fig. 3 Schema generala a unei masurari efectuata

in cadrul unui sistem de reglare automata

Intre cele doua scheme nu exista diferente principiale, intrucat ambele indeplinesc functiuni similare de determinare a valorii marimii de masurat in vederea unei anumite utilizari a acesteia. Scopul masurarii, in sistemele de reglare automata, este acela de a initia o actiune asupra instalatiei automatizate pentru a pastra marimea reglata la valoarea prescrisa. Masurarea serveste pentru a putea constata abateri de la aceasta valoare. Trebuie observat ca nici in cazul operatorului uman, masurarea nu reprezinta un scop in sine ci, de regula, se efectueaza tot in vederea exercitarii unei actiuni asupra obiectului masurarii.

Pentru a aduce marimea de masurat la o forma accesibila fie operatorului uman fie dispozitivului de automatizare, in cadrul unui aparat de masurat au loc o serie de transformari ale acesteia bazate pe energia pe care o are asociata sau pe energii furnizate de surse auxiliare. Privind din acest punct de vedere, orice aparat de masurat sau traductor are o structura ce cuprinde urmatoarele elemente tipice:

Elementul sensibil sau detectorul este elementul esential, specific pentru masurarea unei anumite marimi fizice. In conditiile de efectuare a masurarii, el trebuie sa aiba proprietatea de a fi sensibil numai la marimea de masurat si de a o detecta numai pe aceasta, eliminand sau reducand la un minim acceptabil influenta pe care o exercita toate celelalte marimi fizice existente in mediul in care se afla plasat. Elementul sensibil trebuie sa furnizeze la iesire un semnal, care, potrivit unei dependente consecinta a legilor fizice pe care se bazeaza functionarea sa, sa contina informatia necesara determinarii valorii marimii de masurat. Acest semnal trebuie totodata sa fie de asemenea natura, incat sa poata sa actioneze celelalte elemente ale aparatului de masurat. Pentru aceasta, semnalul trebuie sa posede o anumita energie pe care o poate prelua de la marimea de masurat sau de la o sursa auxiliara.

Adaptorul este al doilea element important din structura unui aparat de masurat. El primeste semnalul dat de elementul sensibil si il converteste intr-o marime perceptibila sau intr-un alt tip de semnal in cazul traductoarelor, de asa maniera incat sa existe posibilitatea sesizarii valorii marimii masurate de catre operatorul uman, respectiv de catre dispozitivul de reglare sau calcul.

La multe din aparatele de masurat obisnuite, marimea perceptibila se prezinta sub forma unei marimi mecanice (deplasarea unui ac indicator in fata unei scari gradate, sau la cele inregistratoare, trasarea unui grafic).

In cadrul adaptorului, semnalul dat de elementul sensibil sufera la randul sau o serie de transformari pentru a-l aduce la forma unei deplasari, care sa poata fi comod perceputa cu ajutorul simtului vizual, sau la forma semnalului unificat pe care sa-l poata receptiona un regulator tipizat.

Aceste transformari sunt rezultatul a diferite operatii de prelucrare, avand drept scop obtinerea cat mai corecta a valorii marimii masurate. Adaptorul este elementul in cadrul caruia se efectueaza operatia esentiala a procesului de masurare: comparatia cu unitatea. Modalitatile de efectuare a comparatiei pot fi variate, ele tinand de principiile metodelor de masurare si determinand diversificari structurale importante ale operatiilor de masurat.

Astfel, comparatia se poate face aplicand din exterior, simultan, atat marimea de masurat cat si cea de referinta. In cele mai multe cazuri insa comparatia este succesiva, in sensul ca printr-o operatie de calibrare valorile referintei sunt convertite si "memorate" de anumite elemente constructive ale aparatului, iar la efectuarea operatiei de masurare, marimea de masurat este singura care apare din exterior.

Datorita rolului lor, adaptoarele cuprind o serie de elemente comune care nu depind de marimea de masurat, spre deosebire de elementele sensibile, care sunt specifice si care difera de la un aparat la altul, in functie de marimea masurata.

Elementele auxiliare. Cea mai mare parte dintre aparatele de masurat sau traductoarele uzuale, indiferent de complexitate, de destinatie sau de forma constructiva pot fi reduse la o structura functionala simpla constituita din elementul sensibil si adaptor. Uneori insa, particularitati legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezenta in plus a unor elemente auxiliare. Astfel sunt cazuri, de exemplu la masurarea temperaturilor ridicate, etc., cand elementul sensibil nu poate fi plasat in aceeasi unitate constructiva cu adaptorul. In asemenea situatii apare necesitatea unor elemente de legatura pentru transmiterea semnalului furnizat de E.S. catre adaptor (A), cu o pondere si o insemnatate mai mari decat la un aparat obisnuit si care necesita evidentierea lor ca elemente componente. In general, elementele de transmisie realizeaza conexiuni electrice, mecanice sau de alta natura. Daca marimea data de elementul sensibil este nepotrivita pentru transmisie, aparatul de masurat va cuprinde in structura sa si componente de conversie a semnalului potrivit cerintelor impuse de canalele de transmisie. Tot in aceasta categorie de elemente auxiliare se incadreaza si sursele de energie folosite in aparatele de masurat si traductoare. Transformarile care au loc atat in E.S. cat si in adaptor, implica transferuri de energie. Chiar daca principial acestea s-ar putea face pe seama energiei asociate marimii de masurat, practic apar dificultati de obtinere corecta si sub o forma convenabila a valorii, astfel incat in mod frecvent se recurge la introducerea surselor de alimentare cu energie auxiliara. De cele mai multe ori transformarile care au loc se fac prin modularea de catre marimea de masurat a unui semnal "energetic" furnizat de aceste surse.

Fig. 4 Structura tipica a unui aparat de masurat sau a unui traductor:

X - marimea de masurat; Y - marimea perceptibila, respectiv semnalul de iesire din traductor; X₀ - marimea de referinta (etalon)

Structura si schema prezentata corespund aparatelor destinate masurarilor directe, cele mai frecvent utilizate. Ea are caracterul de model destinat evidentierii elementelor functionale tipice, prin intermediul carora se realizeaza procesul de masurare.

In functie de performantele care sunt impuse, de destinatia si conditiile de utilizare (in industrie sau laborator), masurari la distanta sau in zone cu grad inalt de periculozitate, de necesitatea prezentarii rezultatelor sub o forma accesibila prelucrarii pe calculatoare si dispozitive de automatizare, unele aparate de masurat actuale pot capata o mare complexitate care le face sa apara cu totul diferite fata de imaginea clasica a aparatelor cu ac indicator. In asemenea cazuri devine mai potrivita denumirea de instalatie (sistem, echipament, lant) de masurare.

Fig. 5 Schema unei instalatii de masurare:

X = marimea de masurat

Y = marimea reprezentand rezultatul masurarii

1 - elementul sensibil (E.S.)

2 - dispozitiv de comparatie

3 - amplificator

4 - formator de semnal (filtru)

5 - sursa de alimentare

6 - dispozitiv de generare a marimii de comparatie

7 - dispozitiv pentru calibrare

8 - dispozitiv indicator

9 - dispozitiv inregistrator

10 - codificator

11 - echipament pentru transmitere la distanta

2 Etaloane

Indiferent de modul in care se realizeaza procesul de masurare si oricare ar fi metoda sau aparatul utilizat, efectuarea operatiei de masurare reclama comparatia, directa sau mijlocita, cu unitatea de masura.

Apare astfel necesitatea de a se dispune de realizari concrete sub forma de dispozitive, aparate, instalatii, capabile sa genereze marimi reprezentand unitatile de masura, multipli sau submultiplilor si care sunt cunoscute sub numele generic de etaloane.

Etaloanele sunt menite sa asigure unitatea si conformitatea masurarilor, in orice loc si in orice moment, ceea ce impune conditii severe asupra realizarii lor, atat in privinta valorilor absolute, cat si referitor la stabilitatea in timp si spatiu a acestora. Ele prezinta o importanta deosebita pentru masurari, principalul indicator de performanta (precizia) depinzand intr-un inalt grad tocmai de existenta unor etaloane de calitate.

Necesitatile practice au determinat elaborarea de sisteme de etaloane corespunzatoare indeplinirii urmatoarelor functiuni:

- furnizarea principalelor unitati de masura in conformitate cu definitiile lor (unitatile fundamentale m, kg, s, A, mol, K, cd)

- conservarea acestor unitati de masura (a multiplilor sau submultiplilor) in cadrul laboratoarelor metrologice;

- utilizarea lor pentru corelarea intre ele a diverselor unitati, derivarea altora, efectuarea operatiilor denumite etalonari asupra aparaturii de masurare in faza de constructie si in exploatare.

Potrivit celor 3 destinatii sus-mentionate se disting trei categorii de etaloane:

1 - etaloane de definitie; [Etalon primar ~ national]

2 - etaloane de conservare; [etaloane secundare de ordinul I; etaloane secundare de ordinul II]

3 - etaloane de transfer; [etaloane de lucru]

3 Metode de masurare

Metoda de masurare este ansamblul de principii si mijloace pe care se bazeaza efectuarea unei masurari cu scopul ca rezultatul obtinut sa reprezinte cat mai corect valoarea masurii masurate si sa satisfaca cerintele de utilizare.

Metodele de masurare cuprind deci o problematica larga, legata de aspectele constructiv-functionale ale aparatelor de masurat si ale traductoarelor, de alegerea si folosirea etaloanelor, de asigurarea conditiilor de experimentare, adecvate obtinerii performantelor optime.

Varietatea marimilor de masurat, mijloacele si scopurile diverse in care sunt facute masurarile, au condus la elaborarea unei mari diversitati de metode de masurare, ce pot fi clasificate din diferite puncte de vedere si la randul lor constituie criterii de grupare ale diferitelor categorii de masurari.

Operatia de comparatie cu unitatea fiind esentiala in procesul de masurare, modalitatea de realizare a acestei operatii reprezinta principalul criteriu de clasificare a metodelor de masurare. Din acest punct de vedere o prima impartire este aceea in metode directe si metode indirecte.

3.1 Metode directe de masurare

Metodele directe se caracterizeaza prin aceea ca valoarea marimii masurate se exprima nemijlocit ca rezultat al comparatiei cu un etalon apartinand aceleiasi clase, fara a recurge la relatii in functie de marimi de alta natura fizica.   

Metodele directe se pot divide la randul lor in urmatoarele categorii:

- prin comparatie simultana;

- prin comparatie succesiva.

Metodele prin comparatie simultana se disting prin aceea ca in procesul de masurare intervine in acelasi timp cu marimea de masurat si marimea de comparatie (etalonul) apartinand aceleiasi clase.

Masurandul poate fi comparat fie cu un etalon de valoare egala sau apropiata, fie cu un etalon de valoare diferita. Rezulta astfel subdiviziunile denumite comparatie 1:1, respectiv comparatie 1:n.

Comparatia 1:1 se poate efectua direct sau prin intermediul unui aparat de tip comparator. Comparatia 1:1 directa se realizeaza prin metoda diferentiala si prin metoda de zero:

- metoda diferentiala consta in masurarea directa, cu un aparat de masurat adecvat, a diferentei ∆ dintre masurandul X si o marime de referinta X₀ de valoare apropiata. Rezultatul este de forma X=X₀+∆. Daca diferenta ∆ este mica, eroarea dependenta de aparat devine practic neglijabila si incertitudinea rezultatului este egala cu cea a referintei;

- metoda de zero reprezinta cazul particular al metodei diferentiale, in care se dispune de un etalon de valoare egala cu marimea de masurat. In acest caz, aparatul utilizat are rolul unui indicator de nul.

Metoda diferentiala si metoda de zero se inscriu printre cele mai precise metode de masurare, deoarece la aceste metode influenta aparatelor de masurat este minima, precizia rezultatului depinzand numai de cea a etaloanelor. Ele au insa dezavantajul ca necesita etaloane de valoare apropiata sau egala cu marimea de masurat, respectiv etaloane variabile prin care sa se poata obtine asemenea conditii. Aceste metode se aplica in cazurile in care combinarea diferentiata a celor doua marimi X si X₀ este posibila nemijlocit prin insasi natura lor, ele implicand un aparat de masurat numai pentru indicarea (sau uneori sesizarea) diferentei, ca si cum aceasta ar reprezenta o singura marime de sine statatoare. Date fiind valorile ∆ mici care trebuie masurate prin metoda diferentiala, precum si necesitatea detectarii anularii acestor diferente in cazul metodei de nul, aparatele utilizate sunt de mare sensibilitate.

Trebuie observat ca o combinare diferentiala in sensul mentionat o permit numai marimile care au polaritate (pot fi atat pozitive cat si negative), cum sunt de exemplu: forta, presiunea, tensiunea electrica etc. In schimb, nu se pot masura prin metoda diferentiala marimi care sunt numai pozitive, de exemplu masa, rezistenta electrica etc. Pentru a masura diferential astfel de marimi sunt necesare dispozitive suplimentare care sa faca posibila (sa mijloceasca) comparatia diferentiala, respectiv un aparat numit comparator.

Comparatia 1:n este masurarea in raport cu un etalon de valoare diferita. Se poate face prin metoda de aditionare sau prin metoda de raport. Metoda de aditionare se bazeaza pe utilizarea de etaloane care au proprietatea de concatenare aditiva astfel ca suma valorilor lor sa fie egala cu aceea a marimii de masurat. In acest mod masurarea se reduce la o comparatie 1:1. Metoda de raport implica existenta unui "dispozitiv de raport" care permite compararea marimii de masurat cu o fractiune din cea etalon (sau invers). Exemplele cunoscute sunt: balanta cu brate neegale, divizorul de tensiune rezistiv, inductiv sau capacitiv.

Relatia de baza pentru aceasta metoda este X=K'X₀, unde K' este factorul de raport al dispozitivului de comparatie, care este, in acest caz diferit de unitate si poate varia in limite largi. Valorile factorului K' trebuie cunoscute cu precizie egala sau apropiata de cea a etalonului, pentru a asigura precizia ridicata a metodei.

Avantajul esential al acestei metode, care consta in posibilitatea efectuarii de masurari intr-un domeniu extins, utilizand un singur etalon de valoare fixa are o mare aplicabilitate. Indeplinirea conditiei de echilibru, exprimata de relatiile caracteristice, este sesizata asemanator ca la comparatia 1:1 cu un aparat detector de nul.

Metodele de comparatie succesiva sunt cele specifice aparatelor de masurat uzuale (indicatoare) in care au loc una sau mai multe transformari ale marimii de masurat, conform unor relatii de dependenta explicite si complet determinate. Pe baza acestor relatii si a unitatii adoptate, care impreuna definesc scara de masurare, se pot atribui numere diverselor valori ale marimii perceptibile, care astfel reprezinta direct rezultatul masurarii.

Spre deosebire de metodele prin comparatie simultana, la cele prin comparatie succesiva etalonul, de aceeasi natura cu masurandul, nu apare ca o marime exterioara aplicata aparatului concomitent cu marimea de masurat. Marimea de referinta a fost aplicata anterior operatiei de masurare (la constructia si gradarea scarii aparatului) si informatia cu privire la efectele ei este retinuta (memorata) de catre anumite elemente componente ale aparatului. Aceasta operatie este denumita calibrare sau etalonare.

Odata stocata informatia de calibrare, ea este utilizata pentru efectuarea comparatiei cu marimea de masurat ori de cate ori aceasta este aplicata aparatului. Astfel, in metoda comparatiei succesive comparatia directa intre masurand si marimea de referinta este inlocuita cu o comparatie simultana intre doua marimi de alta natura, una in relatie cu marimea de masurat si alta cu etalonul (prin memorarea acestuia ca urmare a operatiei de calibrare).

Metoda comparatiei succesive prezinta avantaje importante in ceea ce priveste simplificarea operatiei de masurare. Intrucat comparatia se efectueaza automat, operatorul nu trebuie sa intervina in procesul masurarii, activitatea sa rezumandu-se la citirea corecta a aparatului si asigurarea conditiilor necesare de functionare. Interventia operatorului este insa necesara si efectiva in operatia de calibrare. Pe de alta parte, calitatea masurarilor prin metoda comparatiei succesive este conditionata de aparatul de masurat intr-un grad mult mai ridicat decat la comparatia simultana si, in general, precizia corespunzatoare acestei metode este inferioara celor anterioare. Totodata, aparatul de masurat calibrat pentru un anumit domeniu are o utilizare limitata numai la valori ale masurandului in domeniul respectiv. Datorita avantajelor de operativitate, metoda comparatiei succesive este aplicata pe scara larga si cele mai multe aparate de masurat indicatoare functioneaza conform acestei metode.

Pentru ilustrarea grafica a principiilor metodelor directe prin comparatie simultana si succesiva in figurile 1.6 a si b sunt prezentate schemele celor doua tipuri de masurari.

Fig. 6 Reprezentarea schematica a metodelor directe de masurare

a) - prin comparatie simultana; b - prin comparatie succesiva

Metodele prin comparatie simultana implica un proces de masurare mai laborios, dar care conduce la rezultate mai precise decat metodele prin comparatie succesive, mai simplu de aplicat dar afectate de erori mai mari. In raport cu aceste caracteristici, metodele prin comparatie simultana sunt specifice masurarilor de laborator, iar cele din a doua categorie masurarilor din industrie.

3.2 Metode indirecte de masurare

Metodele indirecte de masurare se aplica acelor marimi pentru care nu este posibila, sau nu este realizabila prin procedee practice avantajoase, comparatia directa cu o marime de referinta apartinand aceleiasi clase. Ca urmare, pornind de la o relatie de dependenta, consecinta a unor legi fizice intre o astfel de marime si alte marimi direct masurabile, masurarea indirecta consta dintr-o serie de masurari directe, urmate de operatiile de calcul corespunzatoare acestei relatii.

Daca masurarile directe se efectueaza independent si dupa aceea rezultatele se introduc in calcule pe care operatorul le face manual, este evident ca, in fond, masurarea indirecta isi pierde calitatea, reducandu-se la mai multe masurari directe. Exista insa posibilitatea combinarii operatiilor de masurare directa si a celor de calcul, astfel incat sa se realizeze concomitent (fara interventia omului), de o maniera similara ca la metodele directe prin comparatie succesiva. In acest mod, problema metodelor indirecte de masurare are sens si ele pot fi considerate ca o categorie distincta pentru care sunt elaborate scari de masurare corespunzatoare. Caracteristicile metodelor indirecte de masurare sunt conditionate in primul rand de forma relatiei de dependenta pe care se bazeaza si care determina separarea lor in doua grupe:

- metode indirecte bazate pe relatii explicite;

- metode indirecte bazate pe relatii implicite.

Metodele indirecte bazate pe relatii explicite sunt cele mai simple si mai usor de aplicat datorita posibilitatilor realizarii de aparate dotate cu elemente sensibile la marimile ce se masoara direct si cu elemente de calcul ce executa automat operatiile corespunzatoare relatiei care expliciteaza marimea de masurat in functie de cele direct masurabile. Un exemplu in acest sens il constituie masurarea puterii electrice cu wattmetrul, conform relatiei P=UI. Wattmetrul este un aparat care cuprinde doua elemente sensibile, unul pentru tensiunea U, altul pentru curentul I, un dispozitiv electrodinamic care determina un cuplu activ proportional cu produsul UI si apoi adaptorul, care permite citirea directa a valorii puterii.

Structura mentionata are un caracter functional, din punct de vedere constructiv elementele respective nefiind neaparat distincte. Exista insa wattmetre electronice in cadrul carora blocul de calcul are si o individualitate constructiva.

Comparatia se face in cadrul adaptorului, dupa ce s-a efectuat operatia de calcul, deci intre o marime reprezentand rezultatul acesteia din urma si o referinta memorata ca urmare a calibrarii efectuate in raport cu ambele marimi U si I.

Precizia unei masurari indirecte explicite depinde de precizia masurarilor directe pe care le include, precum si de aceea a elementului de calcul. Datorita posibilitatilor de cumulare a erorilor, precizia masurarilor indirecte este uneori mai redusa decat a celor directe.

Fig. 7 Schema functionala a unui aparat sau traductor pentru masurari indirecte, bazate pe relatii explicite de forma: Y=f(x₁,x₂,,x_n)x₁,,x_n - marimi direct masurabile;

Y - marimea care reprezinta rezultatul masurarii

Metodele indirecte bazate pe relatii implicite difera de cele precedente prin aceea ca valoarea marimii masurandului nu poate fi exprimata direct in raport de cate o singura valoare a marimilor direct masurabile, ci de mai multe valori ale marimilor. Un exemplu il poate constitui evaluarea coeficientilor de variatie cu temperatura unei rezistente electrice, conform relatiei:

(2)

Problema care se pune este aceea a determinarii coeficientilor α,β, care intervin sub o forma implicita in relatia rezistentei R_θ. Etapele necesare pentru obtinerea rezultatului ar putea parea similare ca la metodele indirecte bazate pe relatii explicite: masurarea directa a temperaturii si rezistentei, introducerea in relatie si deducerea coeficientilor. Diferentele constau insa, in faptul ca sunt necesare mai multe valori ale marimilor direct masurabile deci o succesiune de masurari directe ale caror rezultate sunt utilizate in operatiile de calcul care urmeaza. Efectuarea unui set de masurari, memorarea unui numar de valori si, mai ales, prelucrarea lor prin metode laborioase de calcul nu mai este posibil sa se realizeze concomitent, cu aparate relativ simple, ca la metodele indirecte anterioare. Pentru determinarea coeficientilor in exemplul considerat s-ar parea ca sunt necesare trei masurari ale rezistentei R_θ la trei temperaturi diferite, cu care sa se realizeze un sistem de trei ecuatii prin rezolvarea caruia rezulta α, β si o astfel de tratare a problemei ar conduce la solutii valabile numai pentru cele trei temperaturi, sau intr-o gama restransa, ori intereseaza ca relatia sa fie adevarata pentru o gama larga de variatii ale lui θ. Obtinerea unor solutii corecte implica efectuarea unui numar mare de masurari in intreg domeniul pentru care se urmareste valabilitatea relatiei, astfel incat sa se inglobeze o cantitate cat mai mare de informatie privind caracterul dependentei R(θ). Aceasta conduce la formarea unui sistem cu un numar de ecuatii mai mare (cu mult) decat numarul de necunoscute, care este incompatibil. Se recurge atunci la o rezolvare aproximativa, una din metodele folosite in acest scop fiind aceea a celor mai mici patrate. Solutiile aproximative astfel obtinute verifica cu o anumita eroare relatia de dependenta, dar in orice punct al domeniului pe care au fost calculati coeficientii. Daca structura relatiei este adecvata si daca se utilizeaza un numar suficient de mare de valori se poate obtine ca eroarea maxima ce apare sa nu depaseasca o limita acceptabila. Astfel, precizia metodelor indirecte bazate pe relatii implicite depinde de precizia masurarilor directe, dar si de partea de calcul unde intervin adesea aproximatii. De asemenea asigurarea constantei conditiilor in care se fac masurarile constituie o problema ce trebuie tratata cu atentie.

Dupa cum se vede, in cadrul acestor metode intervin operatii complicate de calcul care fac apel la domenii de varf ale matematicilor aplicate, cum sunt teoria estimatiei, teoria metodelor, teoria calculelor aproximative, etc., partea de calcul ocupand un loc mult mai important decat procesul experimental de masurare asa cum a fost prezentat la masurarile directe.

In ultimii ani, prin dezvoltarea atat a unor aspecte teoretice privind modelele matematice cat si prin procesele tehnologice in domeniul calculatoarelor, metodele indirecte implicite au inceput sa capete o utilizare tot mai larga si au aparut si echipamente si instalatii complexe de masurare si calcul care faciliteaza aplicarea lor.

3.3 Categorii de masurari

Metodele de masurare constituie ele insele criterii care definesc categorii de masurari. Exista insa multe alte elemente ce diversifica masurarile si care pot fi legate de marimile masurate, de particularitatile procesului de masurare, de obtinerea rezultatului masurarii, de performantele care se obtin, de domeniile de aplicatie, etc. Dintre acestea mai importante pentru o clasificare principala a masurarilor apar urmatoarele trei:

regimul de variatie al marimilor de masurat

modul in care este obtinut si prezentat rezultatul masurarii

specificul unor domenii largi de aplicare, determinat de conditiile pe care le ofera si performantele care le solicita

3.4 Masurari statice

Masurarile statice se refera la determinarea valorilor unor marimi in regimul in care acestea au o valoare constant in intervalul de timp in care se efectueaza masurarea.

Matematic, aceasta se exprima prin conditia ca toate derivatele marimii de masurat in raport cu timpul sa fie nule in intervalul considerat.

Pentru ca o astfel de masurare sa fie posibila, regimul static trebuie sa se mentina un timp suficient de lung, astfel ca toate etapele impuse de operatia de masurare sa se poata realiza si marimea perceptibila sa se afle de asemenea in regim static pentru a reda valoarea constanta a marimii de masurat. In cazul unei marimi bazate pe utilizarea unui aparat indicator, aceste intervale trebuie sa fie superioare duratei regimului tranzitoriu, adica timpului necesar trecerii din starea de echilibru existenta in absenta masurandului in noua stare de echilibru determinata de actiunea acestuia. In plus, marimea perceptibila trebuie mentinuta constanta inca un timp necesar asimilarii valorii de catre operator.

Rezulta deci ca masurarile statice se intalnesc in toate situatiile in care valoarea trebuie obtinuta de operator in momentul in care se efectueaza masurarea, in mod nemijlocit in functie de indicatia aparatului utilizat, fara a recurge la elemente de memorie.

Masurarile statice sunt cele mai frecvente intrucat, desi nu se poate vorbi de marimi invariabile in timp in mod absolut (pe timp indelungat), un numar mare de marimi fizice sunt caracterizate de regimuri stationare in limite de timp care permit aprecierea valorii corespunzatoare acestui regim de catre un operator uman. Aceste regimuri prezinta si interes practic, intrucat se are in vedere adesea stabilirea si mentinerea unor valori constante adecvate unui anumit criteriu tehnic, economic, biologic, etc.

Datorita conditiilor in care se efectueaza, metodele utilizate pentru masurari statice se caracterizeaza indeosebi prin obtinerea unei precizii ridicate si mai putin prin viteza cu care se desfasoara procesul de masurare.

3.5 Masurari dinamice

Masurarile dinamice sunt acelea care trebuie efectuate asupra unor marimi care prezinta variatii rapide in timp, astfel incat nu este posibila deducerea valorii pe baza unei marimi, in sine perceptibila, dar care ar varia tot atat de rapid ca marimea de masurat. Ca urmare, masurarile dinamice se realizeaza cu ajutorul unor elemente de memorare capabile sa retina valorile marimii rapid variabile intr-un interval de timp dat si sa le redea prin imagini statice. Metodele aplicate in masurarile dinamice depind de modul si de viteza de variatie a marimilor respective. Dupa forma de variatie, marimile se pot divide in deterministe si aleatoare.

O marime determinista este aceea a carei evolutie in timp este previzibila. Ea se poate exprima printr-o functie de timp, continua sau discontinua, care permite cunoasterea respectivei evolutii in orice moment. Aceasta functie de timp uneori poate fi cunoscuta principial din anumite legi fizice, dar determinarea completa se face prin masurari asupra marimii considerate. Reprezentarea evolutiei marimilor deterministe prin astfel de functii include aproximatii pe baza unor criterii de eroare satisfacatoare pentru scopurile urmarite.

Spre deosebire de marimile deterministe, marimile aleatoare prezinta variatii neprevizibile si valorile pe care le iau in realizarile la diverse momente de timp sunt intamplatoare. Aceste marimi nu pot fi caracterizate decat in sens probabilistic cu ajutorul metodelor statistice.

3.6 Masurari statistice

Masurarile statistice se aplica marimilor aleatoare. Marimile aleatoare se caracterizeaza prin aceea ca valorile obtinute pe baza mai multor realizari experimentale sunt intamplatoare si nu permit stabilirea unor relatii prin intermediul carora sa rezulte o reproductibilitate in raport de conditiile de experimentare. Functiile ale caror valori corespund unei marimi aleatoare pentru orice variatie a variabilei independente se numesc functii aleatoare. In cazul in care variabila independenta este timpul, functia respectiva x(t) reprezinta ceea ce se numeste un proces aleator (sau proces stochastic). Prin repetarea experimentarilor rezulta un ansamblu de realizari sau esantioane x_n(t) care descriu procesul aleator considerat. Pentru un anumit moment t=t_k, procesul aleator x(t) este caracterizat de un ansamblu de valori x_n(t_k), n=1,2,. Aceasta arata ca un proces aleator apare ca o functie de doua variabile: t care ia valori in domeniul timpului si n care ia valori in multimea esantioanelor (intre care nu se pot stabili relatii de interdependenta).

Datorita acestei particularitati nu se pot scrie relatii matematice care sa exprime evolutia in timp a proceselor aleatoare de o maniera similara celei pentru marimile deterministe. Exprimarea unor caracteristici generale ale proceselor aleatoare se poate face deci numai in sens probabilistic, cu referire la toate valorile cuprinse in ansamblul de esantioane aferent procesului considerat. Pentru un proces aleator real, evaluarea acestor caracteristici este posibila numai cu ajutorul masurarilor statistice, al caror specific este tocmai de a integra un numar cat mai mare de valori ale realizarilor procesului.

Masurarile statistice implica realizarea unui numar mare de masurari ale aceleiasi marimi, esalonate in timp sau pe experimente, ale caror rezultate sunt memorate si prelucrate. Operatiile de calcul, atat prin natura relatiilor matematice cat si prin volumul mare de date sunt foarte laborioase.

Masurarile statistice au capatat o utilizare din ce in ce mai mare in ultimii ani. Aceasta se datoreaza dezvoltarii mijloacelor de calcul automat, capabile sa rezolve problemele complexe de prelucrare pe care le impun aceste masurari. S-a conturat astfel o tehnica de investigatie si de analiza bazata pe masurarile statistice, denumita tehnica corelatiei. Au aparut aparate specializate, corelatoare automate si analizoare statistice, care pot fi utilizate pentru obtinerea directa a mediilor, functiilor de corelatie, dispersiilor, sau chiar a functiilor de repartitie de probabilitate. Ele isi gasesc aplicatii in numeroase ramuri ale stiintei si tehnicii (vibratii, acustica, radio si telecomunicatii, identificarea proceselor, in calculul sistemelor automate). In masurari, ele sunt frecvent utilizate, de exemplu in influenta zgomotelor (procese aleatoare tipice) asupra functionarii aparatelor de masurat si in calculul erorilor de masurare.

3.7 Masurari analogice

Masurarile analogice se caracterizeaza prin aceea ca utilizeaza aparate sau traductoare la care relatia de dependenta intre marimea de masurat X aplicata la intrare si marimea obtinuta la iesire Y se exprima sub forma Y=f(X), unde f(x) este o functie continua. Aceasta functie poate fi liniara sau neliniara in cazul aparatelor de masurat si, de regula, liniara pentru traductoare. Reprezentarile grafice ale unor astfel de relatii pot fi de tipul celor din figura 1.9 a si b.

Fig. 9 Reprezentari grafice ale relatiei Y=f(x)

a) - pentru aparate analogice cu caracteristica neliniara; Y=KX²;

b) - pentru traductoare analogice cu caracteristica liniara; Y=KX+Y₀

Din cele mentionate rezulta ca pentru variatii continue ale masurandului marimea de iesire variaza de asemenea in mod continuu existand deci o analogie intre variatiile celor doua marimi, analogie care este evidenta mai ales in cazul unei legi de dependenta liniara. Datorita acestei caracteristici aparatele respective se numesc aparate analogice si trebuie observat faptul ca toate componentele lor, care determina diversele transformari intermediare, sunt denumite elemente analogice.

Masurarile analogice au fost primele utilizate si ele continua sa detina o pondere importanta si in prezent. Ele se intalnesc in cazul aparatelor curente de masurat, la care marimea de iesire este deplasarea unui ac indicator in fata unei scari gradate, deplasare care urmareste in mod fidel si continuu variatiile marimii de masurat. Transformarea deplasarii acului intr-un numar care sa reprezinte valoarea marimii masurate se obtine numai ca urmare a operatiei de "citire" efectuata de operator prin compararea pozitiei acestuia fata de gradatiile de pe scara. Datorita deplasarii continue a acului, indicatia poate reda orice valoare in domeniul de functionare a aparatului. Teoretic, se pot efectua masurari oricat de fine, trecerea de la o valoare la alta facandu-se in mod continuu, ceea ce ar insemna posibilitatea exprimarii rezultatului cu un numar de cifre oricat de mare.

In realitate insa rezultatele se exprima utilizand un numar finit de cifre semnificative, ceea ce inseamna, de fapt, discretizarea valorilor marimii de masurat (chiar daca atat intrarea cat si iesirea din aparat sunt marimi fizice ce variaza in mod continuu).

Operatia de discretizare in cazul masurarilor analogice o face operatorul in procesul de citire al indicatiilor aparatului si ea trebuie astfel efectuata incat sa se elimine sau sa se reduca la un minim acceptabil efectele subiectivitatii, ale capacitatii limitate a simturilor umane si ale incertitudinilor generate de diversele surse de erori.

Rezulta deci ca la masurarile analogice obtinerea rezultatului sub forma numerica este posibila numai ca o consecinta a interventiei directe a operatorului.

Aceleasi observatii sunt valabile si pentru traductoarele analogice, la care semnalul de iesire este un curent sau o tensiune electrica continua. Echipamentele de automatizare sau de calcul care le receptioneaza sunt de asemenea de tip analogic, ele fiind capabile de a prelucra semnale cu variatii continue. Totusi, si in acest caz, la interpretarea semnalelor in sensul reprezentarii valorilor marimii masurate se recurge la operarea tot cu valori discrete, tinandu-se seama de pragurile de sensibilitate si de erori.

3.8 Masurari numerice

Masurarile numerica au fost introduse in tehnica masurarii in anii 1960 si tind sa se dezvolte foarte mult. Ele se caracterizeaza prin aceea ca permit prezentarea rezultatului masurarii direct sub forma numerica cu ajutorul unor dispozitive de afisare cu cifre. In acest fel, scopul masurarii (obtinerea valorii sub forma unui numar) este satisfacut complet de catre aparatele de masurat numerice, fara a mai fi necesara interventia activa a operatorului. Prin aceasta cale unele dezavantaje legate de subiectivitatea citirii indicatiilor aparatelor analogice sunt eliminate, sporind precizia si reproductibilitatea.

Masurarile numerice prezinta avantaje care sunt determinate, pe de o parte de particularitatile afisarii numerice a rezultatului iar, pe de alta parte, de proprietatile elementelor caracterizate prin generarea de semnale discrete.

Afisarea numerica este lipsita de ambiguitati, eliminand subiectivitatea operatorului care are numai un rol pasiv (de citire a unui numar ce apare intr-o forma explicita, adesea insotita si de unitatea de masura).

Semnalele discrete pot fi transmise, modificate, prelucrate si inregistrate cu o precizie si o siguranta in functionare mult mai mare decat semnalele continue, au o imunitate ridicata fata de perturbatii si sunt compatibile direct cu accesul in echipamentele numerice de calcul. De asemenea automatizarea procesului de masurare se poate realiza mai usor, prin mijloace mai simple in cazul aparatelor numerice, in comparatie cu cele analogice.

Aceasta nu inseamna ca aparatele numerice sunt superioare din toate punctele de vedere si in orice situatie celor analogice. Aparatele analogice sunt preferabile in operatii de supraveghere, cand este necesara o evaluare aproximativa, dar rapida, a valorii masurate si a tendintei de variatie a acesteia. Pozitia acului indicator in raport cu scara asigura mult mai direct aceasta posibilitate, fata de un singur numar pe care il ofera aparatele numerice si care nu poate fi corelat nici cu limitele domeniului, nici cu valorile anterioare decat cu un efort mult mai mare din partea operatorului. In plus, aparatele numerice, cu toate progresele microelectronicii, sunt inca mai scumpe decat cele analogice.

Optiunea catre masurari analogice sau numerice trebuie sa se faca printr-o analiza atenta a factorilor tehnico-economici ce le conditioneaza.

3.9 Masurari de laborator

Masurarile de laborator se disting prin aceea ca se efectueaza in conditii si cu mijloace special pregatite, pentru a asigura realizarea lor cu o precizie ridicata. Conditiile care se creeaza masurarilor de laborator se refera la mentinerea unui mediu adecvat de temperatura, umiditate, noxe, vibratii, campuri electrice, magnetice, radiatii sau alti factori care pot perturba rezultatele masurarilor. In acest scop se prevad instalatii de protejare, de exemplu camere climatizate, ecranari electrostatice, magnetice, etc. In aceste conditii se pot utiliza aparate de mare sensibilitate, cu amplificari foarte mari, fara riscul de a amplifica si perturbatiile.

Pentru masurarile de laborator se aplica in mod frecvent metodele de comparatie simultana, care sunt dintre cele mai precise. Ca marimi de comparatie se folosesc etaloane realizate cu foarte mare exactitate si pastrate in conditii deosebite. Utilizarea metodelor de comparatie simultana cu toate neajunsurile de manipulare este indicata, intrucat ele sunt aplicate de personal specializat si, de cele mai multe ori, corectitudinea rezultatelor prevaleaza in raport cu promptitudinea obtinerii lor.

O alta caracteristica importanta a metodelor de laborator o constituie faptul ca se procedeaza la prelucrari ale rezultatelor, ulterioare masurarii, cum sunt de exemplu corectiile bazate pe calculul erorilor. In acest scop, se efectueaza serii de masurari, cu aceleasi mijloace sau cu mijloace diferite si se face o estimare a erorilor cu care se evalueaza apoi valoarea cea mai corecta a marimii de masurat. Masurarile de laborator se fac adesea cu scopuri de cercetare stiintifica experimentala. Alte aspecte sunt cele cu caracter metrologic de realizare si transmitere a unor unitati de masura, de etalonare si verificare a aparatelor de masurat.

3.10 Masurari industriale

Masurarile industriale au ca obiect determinarea valorilor unor marimi care intervin intr-un proces tehnologic, cu scopul de a controla mentinerea lor in anumite limite si de a actiona asupra lor cand aceste limite au fost depasite. Masurarile din instalatiile automate intra in aceasta categorie a masurarilor industriale. Spre deosebire de masurarile de laborator, cele industriale se realizeaza in conditiile pe care le ofera mediul de desfasurare a procesului tehnologic. Datorita acestor conditii si avand in vedere aspectele economice, se admite pentru masurarile industriale utilizarea unor aparate mai putin sensibile, dar fiabile, robuste si protejate astfel ca sa poata functiona corect in mediul industrial cu variatii mari de temperatura, presiune, umiditate, agenti corosivi, vibratii, etc. Metodele aplicate in masurarile industriale au in vedere obtinerea prompta sub o forma usor inteligibila a valorilor masurate. De aceea sunt preferate metodele prin comparatie succesiva bazate pe aparatele analogice sau numerice, care afiseaza direct rezultatele. In general in masurarile industriale nu se efectueaza corectii ulterioare ale rezultatelor pe baza calcului erorilor. Asemenea corectii se fac cel mult de aparatele insesi daca sunt dotate cu astfel de dispozitive.