CARACTERISTICI GENERALE ALE MIJLOACELOR ELECTRONICE DE MĂSURARE

Transcript

1 CARACTERISTICI GENERALE ALE MIJLOACELOR ELECTRONICE DE MĂSURARE Subiecte 2.1. GeneralităŃi 2.2. Caracteristici metrologice 2.3. Caracteristici constructive Evaluare: 1. Răspunsuri la întrebările şi problemele finale 2. DiscuŃie pe tema: Criterii de alegere a mijloacelor de măsurare 2.1. GeneralităŃi Procesul de măsurare presupune un fenomen de preluare a informańiei de la măsurand sub forma unei energii/semnal, transmiterea acesteia la o unitate de prelucrare ce stabileşte valoarea mărimii măsurate prin comparańie cu un etalon sau cu o scară şi o aplică unui bloc de ieşire care poate avea şi rol de indicator. Mărimile pot fi active, dacă sunt purtătoare de energie (forńa, curentul electric etc.) sau pasive, dacă informańia este conńinută în structura măsurandului (masa, rezistivitatea etc). Preluarea informańiei de la măsurand se face de către un traductor, un dispozitiv care, pe baza unei legi fizice, realizează transformarea unei mărimi fizice în alta sau în aceeaşi mărime fizică, diferită de prima calitativ sau cantitativ. Traductorul care transformă mărimea de măsurat provenită de la măsurand într-o altă mărime, adecvată unei prelucrări ulterioare, se numeşte traductor de intrare sau senzor, iar traductorul care transformă semnalul prelucrat, purtător de informańie de măsurare, într-un semnal ce poate fi folosit la locul de utilizare, se numeşte traductor de ieşire sau actuator. Între traductorul de intrare şi cel de ieşire pot eista traductoare intermediare şi de asemenea, blocuri de prelucrare şi/sau modificare a semnalelor (blocuri de condińionare a semnalelor). EemplificaŃi cel puńin câte trei traductoare pentru fiecare dintre tipurile de traductoare prezentate în clasificare, pentru mărimi active cât şi pentru mărimi pasive. Cum pot fi puse în evidenńă mărimile pasive? 22

2 2.2. Caracteristici metrologice Mijloacele de măsurare trebuie să realizeze o corespondenńă biunivocă între mărimea de măsurat şi rezultatul măsurării y. Legea de corespondenńă este descrisă de o ecuańie integro-diferenńială care permite caracterizarea dependenńei pentru orice valoare a mărimii de intrare, în regim permanent, dar şi în regim tranzitoriu. Pentru un regim stańionar independent de timp, dependenńa celor două mărimi este descrisă de caracteristica de transfer statică (figura 2.1). Limitele de măsurare sunt valorile etreme care pot fi măsurate, intervalul dintre ele reprezentând intervalul de măsurare (domeniul de măsurare). Din caracteristica de transfer statică rezultă o serie de caracteristici metrologice: y y y ma y ma y min y min min a). ma a) RezoluŃia reprezintă cea mai mică variańie a măsurandului care poate fi apreciată la ieşirea unui mijloc de măsurare. Astfel, pentru mijloacele de măsurare analogice aceasta este o fracńiune dintro diviziune, în timp ce pentru cele numerice, este de un bit/o unitate. RezoluŃia se eprimă de obicei în unitatea de măsură a măsurandului. b) Sensibilitatea, S a unui mijloc de măsurare se defineşte ca raport al variańiei mărimii de ieşire, y şi variańia măsurandului, care o produce: S Fig.2.1. Caracteristici de transfer pentru: a) aparat analogic şi b) aparat numeric. D = y. (2.1) Dacă scara mijlocului de măsurare este liniară, sensibilitatea e constantă, inversul acesteia fiind constanta mijlocului de măsurare. c) Sensibilitatea relativă, S r se defineşte ca raport al variańiilor relative ale mărimilor de ieşire şi de intrare: min b). ma S r D y = / / y. (2.2) d) Pragul de sensibilitate este cea mai mică variańie a măsurandului care este pusă în evidenńă de către mijlocul de măsurare. 23

3 ObservaŃie: RezoluŃia este o mărime ce caracterizează ieşirea, pragul de sensibilitate - intrarea, iar sensibilitatea reprezintă o caracteristică de transfer a mijlocului de măsurare. EemplificaŃi câteva mijloace de măsurare cu scara liniară. Care este diferenńa dintre rezoluńie şi pragul de sensibilitate? Se poate stabili o corelańie între ele? Dacă un mijloc de măsurare are scara liniară, cât este sensibilitatea relativă? O altă categorie de caracteristici metrologice evidenńiază efectul erorilor/incertitudinilor care intervin în procesul de măsurare: Prin eactitate sau acurateńe a unui mijloc de măsurare se înńelege proprietatea acestuia de a da rezultate cât mai apropiate de valoarea măsurandului. Eactitatea este caracterizată prin incertitudinea instrumentală egală cu abaterea indicańiei mijlocului de măsurare fańă de valoarea măsurandului; deoarece aceasta este necunoscută atât ca valoare cât şi ca semn, în practică se consideră intervalul în care se găseşte, cu o anumită probabilitate. Eroarea tolerată este incertitudinea instrumentală maimă permisă pentru un mijloc de măsurare ce funcńionează corect. Eactitatea unui mijloc de măsurare se garantează numai pentru anumite valori impuse condińiilor eterioare care pot influenńa procesul de măsurare numite condińii de referinńă (temperatură, presiune, umiditate, tensiune de alimentare etc). În acest caz apar erorile de bază ale mijlocului de măsurare. Nerespectarea condińiilor de referinńă conduce la aparińia unor erori suplimentare. Clasa de eactitate/acurateńe reprezintă simbolic, prin indicii de clasă, anumite caracteristici metrologice ce trebuie să le îndeplinească mijlocul de măsurare. Trebuie remarcat faptul că prin clasa de eactitate nu se indică direct incertitudinea de măsurare. De regulă, prin clasa de eactitate se eprimă eroarea tolerată fie prin eroarea raportată, fie prin eroarea relativă sau o combinańie a acestora. De eemplu, la instrumentele electrice indicatoare este normată eroarea raportată, la măsuri - eroarea relativă, iar la aparatele electronice numerice o combinańie a acestora. Indicii de clasă sunt standardizańi pentru tipuri de mijloace de măsurare; de eemplu, pentru aparatele electrice indicatoare, clasele de eactitate standardizate sunt: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5; 10 - clasa de eactitate fiind definită ca eroare raportată maimă în procente, raportarea făcându-se la intervalul de măsurare (cl=[ ma /(X ma - X min )] 100). Pentru mijloacele de măsurare numerică, acurateńea se determină în funcńie de valoarea măsurată şi domeniul de măsurare - de eemplu: ±(0.005% din citire % din domeniu): 24

4 y = a + b (2.3) ceea ce conduce la o caracteristică a incertitudinii de măsurare ca în figura 2.2. Eroare y=a+b - ma + ma Fig Eplicativă pentru acurateńea mijloacelor de măsurare numerică AplicaŃie Un voltmetru numeric cu digińi (poate indica în intervalul ±19999), Prin are repetabilitate domeniul de (fidelitate) 2 V şi se măsoară înńelege 1,2340 calitatea V. unui Ştiind mijloc că de acurateńea măsurare este de ±(50 a da ppm valori din apropiate citire + 10 între ppm ele din la domeniu), repetarea să unor se măsurări determine eroarea asupra de aceluiaşi măsurare. măsurand, în condińii identice. Reproductibilitatea SoluŃie: Conform definińiei este calitatea acurateńei unui pentru mijloc mijloacele de măsurare de măsurare de a da valori numerică, apropiate rezultă între că eroarea ele la repetarea comisă de unor voltmetru măsurări este: asupra aceluiaşi măsurand, în 6locuri diferite. Aceste 6 proprietăńi admite eistenńa erorilor δ [%] = 50 sistematice, 10 1,2340 dar 100 nivelul + 10 erorilor întâmplătoare = 0,00817% este redus şi reprezintă Prin urmare, precizia rezultatul mijlocului măsurării de măsurare. este 1,2340 V± 0,1 mv. ObservaŃie: Cifra zero din valoarea măsurată este semnificativă! JusteŃea reprezintă caracteristica unui mijloc de măsurare de a da valori apropiate de valoarea adevărată a măsurandului la repetarea măsurărilor şi presupune un nivel redus al erorilor sistematice, dar admińând prezenńa erorilor întâmplătoare. Din cele două definińii rezultă că acurateńea este rezultatul însumării celor două proprietăńi (figura 2.3). + = Repetabilitate JusteŃe AcurateŃe Fig.2.3. Eemplificativă pentru repetabilitate, justeńe şi precizie. O altă caracteristică metrologică este fineńea, caracterizată prin calitatea mijlocului de măsurare de a perturba cât mai puńin măsurandul. Strâns legată de aceasta este puterea consumată, adică puterea absorbită de mijlocul de măsurare de la măsurand. Fără a fi epuizate toate caracteristicile metrologice ale mijloacelor de măsurare, mai trebuie amintită fiabilitatea metrologică 25

5 - care reprezintă probabilitatea ca mijlocul de măsurare să funcńioneze corect, fără depăşirea erorilor garantate prin clasa de eactitate, un interval de timp determinat, cu respectarea condińiilor tehnice impuse de constructor. Din punctul de vedere al fiabilităńii, mijloacele de măsurare sunt sisteme reparabile. Ce corelańie eistă între acurateńe şi nivelul erorilor, respectiv cu incertitudinea de măsurare? Din ce cauză trebuie precizate condińiile de referinńă? EemplificaŃi câteva erori de bază şi erori suplimentare pentru mijloacele de măsurare. În ce măsură clasa de precizie ne permite să stabilim eroarea de măsurare? Cum poate fi interpretată imaginea din figura 2.2? Ce corelańie eistă între fineńe şi puterea consumată? 2.3. Caracteristici constructive CondiŃiile efective de utilizare a mijloacelor de măsurare impun o anumită realizare constructivă care să Ńină seama de problemele legate de montare, eploatare, întreńinere şi reparare. Asigurarea acestor cerinńe pentru mijloacele de măsurare electrice este impusă prin normele Comisiei InternaŃionale de Electrotehnică (CEI). MenŃinerea performanńelor statice şi dinamice ale unui mijloc de măsurare în condińii de variańie a factorilor de mediu, a parametrilor surselor de alimentare, a măsurandului etc. se numeşte robusteńe. Dintre caracteristicile constructive ale mijloacelor de măsurare se pot menńiona: a) Capacitatea de suprasarcină (suparaîncărcare), care este proprietatea unui mijloc de măsurare de a suporta valori ale măsurandului care depăşesc intervalul de măsurare fără ca prin aceasta să se modifice performanńele funcńionale sau să sufere deteriorări de natură constructivă; se eprimă ca raport între valoarea maimă nedistructivă şi limita superioară a domeniului de măsurare. După intervalul de timp în care se aplică suprasarcina se deosebesc suprasarcini de scurtă durată (şocuri) şi suprasarcini de lungă durată; după încetarea acńiunii acestora, mijlocul de măsurare trebuie să revină la caracteristicile inińiale. b) ProtecŃia climatică caracterizează comportarea mijlocului de măsurare la acńiunea agenńilor climatici. Deoarece pentru orice zonă se determină anumite limite de variańie a factorilor climatici, s-au stabilit zone caracterizate prin macroclime (foarte rece, rece, temperată, tropical-umedă, tropical-uscată, putând fi şi cu caracter marin). În cadrul acestor zone sunt indicate limitele de variańie a temperaturii, a umidităńii relative a aerului, a nivelului de radiańii etc. 26

6 c) InfluenŃa perturbańiilor de natură electromagnetică, care pot fi eterioare, dar şi produse de mijlocul electric de măsurat, se manifestă atât asupra mijlocului de măsurare, cât şi asupra măsurandului şi informańiilor care se propagă pe liniile de transmisiune dintre subansamble. Capacitatea mijloacelor de măsurare de a nu produce un nivel al perturbańiilor care să deranjeze funcńionarea altor aparate, precum şi de a nu răspunde imprevizibil la perturbańiile din mediul ambiant în care lucrează, Ńine de domeniul compatibilităńii electromagnetice. Semnalele pot fi transmise în formă analogică sau numerică; de obicei, semnalele analogice se transmit ca semnale unificate de tensiune (0-10 V) până la maim 30 m sau semnale unificate de curent (4 ma - 20 ma) - până la maim 3000 m. În practică se preferă utilizarea semnalelor unificate de curent, deoarece: - asigură o bună imunitate la perturbańii şi nu sunt afectate de căderile de tensiune de pe linie; - permite distincńia între 0 echivalent cu 4 ma şi lipsa informańiei cauzată de o defecńiune; - necesită doar două conductoare prin care se poate face şi alimentarea unor subansamble (de eemplu, traductorul), permińând totodată şi conectarea în serie a mai multor sarcini. Semnalele numerice pot fi transmise teoretic la orice distanńă, prezentând erori de interferenńă reduse şi pot fi folosite direct în procesul de prelucrare numerică. Pentru transmiterea acestor semnale eistă o serie de interfeńe standardizate cu protocoalele aferente. De ce elemente constructive depinde capacitatea de suprasarcină a instrumentelor electrice de măsurat? Cum poate fi asigurată protecńia climatică pentru mijloacele electronice de măsurare? De ce este necesar să eiste şi caracteristici referitoare la: efectul vibrańiilor şi şocurilor, protecńia împotriva coroziunii, a eploziilor, a pătrunderii corpurilor străine etc.? Din ce cauză s-au standardizat semnalele electrice folosite la telemăsurări şi cum se eplică diferenńele în ceea ce priveşte distanńa maimă transmisă? 27

7 AplicaŃie Un ampermetru are intervalul de măsurare 0-5 A şi clasa de acurateńe 1. Să se reprezinte grafic variańia erorii relative (eroarea tolerată) în funcńie de valoarea măsurată. SoluŃie: Conform definińiei clasei de acurateńe rezultă că eroarea absolută maimă în modul, pe care poate să o comită ampermetrul, este: X ma X min ma = c, 100 de unde rezultă că eroarea relativă de măsurare a mărimii va avea un caracter de eroare limită maimă: δ ma lim ma = ± 100 X = ± c ma X min [%]; ObservaŃie: Deoarece clasa de precizie este definită pe baza erorii absolute maime, în modul, care poate să apară în oricare punct al intervalului de măsurare, rezultă că eroarea relativă limită maimă are un caracter de incertitudine de măsurare şi reprezintă practic un interval în interiorul căruia se găseşte, cu o anumită probabilitate, eroarea relativă de măsurare (figura 2.4). δ I[A] Fig.2.4. Graficul erorilor relative limită 28

8 REZUMAT Din punct de vedere energetic mărimile pot fi active sau pasive. Principalele caracteristici metrologice care rezultă pe baza caracteristicii de transfer statice sunt: rezoluńia, sensibilitatea (inclusiv sensibilitatea relativă) şi pragul de sensibilitate. EvidenŃierea efectului erorilor ce apar în procesul de măsurare se realizează prin caracteristicile: repetabilitate şi justeńe, caracteristici care împreună reprezintă acurateńea. Clasa de eactitate este o caracteristică metrologică ale mijloacelor de măsurare care reprezintă, de regulă simbolic, eroarea tolerată (incertitudinea instrumentală). Dintre caracteristicile constructive se pot menńiona: capacitatea de suprasarcină, protecńia climatică, influenńa perturbańiilor de natură electrică (compatibilitatea electromagnetică). ÎNTREBĂRI ŞI PROBLEME 1. Care sunt mărimile active şi respectiv, pasive din electrotehnică? 2. Din ce cauză la măsurarea mărimilor pasive este necesară o sursă suplimentară de energie? 3. EplicaŃi cum poate fi crescută rezoluńia unui mijloc de măsurare cu ac indicator; dar pragul de sensibilitate? 4. Din ce cauză se recomandă ca măsurarea cu aparatele electrice indicatoare să se facă astfel încât indicańia să fie în ultima treime a scării gradate? 5. Un multimetru are domeniile de tensiune de 1, 3 şi 10 V; să se reprezinte grafic dependenńa erorii relative în funcńie de valoarea măsurată în cazul cel mai favorabil, 6. Ce importanńă practică are capacitatea de suprasarcină? 7. Cum se justifică faptul că semnalele numerice pot fi transmise la distanńe oricât de mari fără a fi afectate de perturbańii? 8. La măsurarea stofei cu ajutorul unei rigle gradate apar erori de fidelitate sau de justeńe? 9. Ce criterii trebuie să avem în vedere la alegerea clasei de eactitate a mijlocului de măsurare? 10. Care este unitatea de măsură a constantei unui mijloc de măsurare şi la ce poate fi folosită? TEMĂ: Criterii de alegere a mijloacelor de măsurare - Criterii tehnice - Criterii metrologice - Criterii economice 29