Noţiunile de aparat de măsurat şi de traductor Operaţia de măsurare ca o comparaţie direct perceptibilă a mărimii de măsurat cu unitatea de măsură nu este posibilă decât într-un număr restrâns de cazuri, în care unităţile pot fi realizate sub o formă ce permite utilizarea lor ca atare. Restricţiile apar deoarece: - există numeroase mărimi fizice ce nu sunt accesibile simţurilor umane, - chiar şi în cazurile celor care posedă această proprietate numai un domeniu limitat de valori poate fi sesizat. De cele mai multe ori între mărimea de măsurat şi organele de percepţie este necesar să se intercaleze anumite dispozitive care, acţionate de mărimea respectivă determină apariţia unor efecte susceptibile de a fi percepute.
Exemplu: Curentul electric ca un flux de electroni nu poate fi perceput; Trecând acest curent printr-o bobină mobilă aşezată într-un câmp magnetic bobina va suferi o deplasare ce poate fi observată cu ajutorul organelor simţului vizual; Dacă se consideră câmpul magnetic constant şi nu există alte influenţe perturbatoare, deplasarea bobinei mobile se află într-o corespondenţă (determinată) cu valoarea curentului electric; Cunoscând prin calcul sau experimental modul în care se realizează această corespondenţă, deplasarea bobinei permite deducerea valorii curentului, ea putând constitui o măsură a acestuia. Pe baza acestor considerente se poate defini noţiunea de aparat de măsurat:
Un aparat de măsurat este acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o mărime ce poate fi percepută în mod nemijlocit de organele de simţ umane, astfel încât permite determinarea valorii mărimii respective pe baza unei scări de măsurare. Aceasta este o definiţie generală care are în vedere înţelesul clasic al noţiunii de aparat de măsurat, ce presupune utilizarea acestuia de către un operator uman. Sistem de reglare automată - intervenţia omului este eliminată. Într-un sistem de reglare automată echipamentul de măsurat este denumit traductor. Traductorul stabileşte o corespondenţă între mărimea de măsurat şi o mărime de ieşire cu un domeniu de variaţie calibrat, aptă de a fi recepţionată şi prelucrată de echipamente de automatizare.
Obiectul măsurării Mărimea de măsurat Aparat de măsurat Mărimea perceptibilă Operator uman (percepţie, calcul, decizie, acţiune) Mărimea de acţionare Comenzi, reglaje Fig. 1 Schema generală a unei măsurări efectuate de către un operator uman
Instalaţia tehnologică Mărimea reglată (parametru tehnologic) Traductor Mărimea de reacţie (măsura) Dispozitiv de automatizare (calcul, comandă, execuţie) Mărimea de execuţie Comenzi, reglaje (operator uman) Fig. 2 Schema generală a unei măsurări efectuată în cadrul unui sistem de reglare automată Traductorul reprezintă un element tipic pentru structura oricărui sistem automat.
Măsurarea parametrilor tehnologici în sistemele de reglare Fig. 3 Partea fixată a unui sistem de reglare Partea fixată a unui sistem de reglare PF Ansamblul format din procesul industrial, elementul de execuţie şi traductorul mărimii de ieşire (reglate). 1. Procesul industrial (instalaţie tehnologică) - mărimea de intrare (execuţie) x m, - mărimea de ieşire (parametru tehnologic; reglată) y, - mărimea de perturbaţie x p. Exemple de procese industriale: - Cuptor electric cu rezistenţe; - Cuptor cu gaz natural; - Cuptor cu combustibil lichid (păcură, etc.); - Rezervor cu lichid (rezervor deschis, rezervor închis); - Conductă cu fluid (gazos, lichid, vâscos); - etc.
2. Elementul de execuţie - mărimea de intrare (comandă) x c ; comandă manuală comandă automată - mărimea de ieşire (de execuţie), x m 3. Traductorul mărimii de ieşire (reglate) (element sensibil) - mărimea de intrare (parametru tehnologic) y, - mărimea de ieşire (reacţie; măsura) x r,
Reglarea manuală a proceselor industriale: Fig. 4 Scopul reglării manuale: Menţinerea parametrului tehnologic y la o valoare impusă y * numită mărime de prescriere y = y * Mărimea de prescriere y * = const. se numeşte mărime de referinţă. Operatorul uman se informează asupra valorii parametrului tehnologic y prin măsurarea acestuia cu un aparat de măsurat. Compară valoarea măsurată y cu mărimea de referinţă y * prin calcul mental al mărimii de eroare ε ε = y * - y Când constată apariţia unei erori ε > 0, sau ε < 0, în funcţie de amplitudinea şi semnul erorii, acţionează manual (prin comandă manuală) elementul de execuţie (EE) pentru a creşte, sau pentru a micşora, valoarea mărimii de execuţie x m de la intrarea procesului industrial în scopul realizării condiţiei impuse y = y *.
Reglarea automată a proceselor industriale: Fig. 5 Scopul reglării automate: Menţinerea parametrului tehnologic y la o valoare impusă y * numită mărime de prescriere y = y * Mărimea de prescriere y * = const. se numeşte mărime de referinţă. Operatorul uman este înlocuit de un echipament de automatizare numit regulator. Valorea parametrului tehnologic y este măsurată de traductorul T y prin mărimea de reacţie x r. Elementul de comparaţie EC calculează mărimea de eroare ε ε = y * - x r
Când apare o eroare ε > 0, sau ε < 0, în funcţie de amplitudinea şi semnul erorii, regulatorul, pe baza legii de reglare x c (t)=f(ε,t) furnizează elementului de execuţie (EE) (prin comandă automată) mărimea de comandă x c pentru a creşte, sau pentru a micşora, valoarea mărimii de execuţie x m de la intrarea procesului industrial în scopul realizării condiţiei impuse y = y *. Se poate evidenţia asemănarea între funcţiile realizate de traductoare şi de aparatele de măsurat. Există deosebiri generate de atributul de element component al unui sistem automat pe care îl are traductorul. Aceste deosebiri se manifestă mai ales în ceea ce priveşte caracteristicile statice şi dinamice ale traductoarelor, dar ele sunt legate şi de unele funcţiuni suplimentare, cu implicaţii asupra ansamblului aparaturii de automatizare.
Din punctul de vedere al caracteristicilor statice şi dinamice, principalele cerinţe impuse traductoarelor sunt: - relaţie liniară de dependenţă intrare ieşire; - dinamică proprie care să nu influienţeze în mod esenţial comportarea sistemului automat. Aceste ipoteze reprezintă restricţii severe în ceea ce priveşte construcţia traductoarelor. Astfel dacă pentru un aparat de măsurat analogic relaţia de dependenţă între mărimea aplicată şi deviaţia acului indicator este neliniară, aceasta nu constituie un impediment deoarece se poate grada neliniar scara aparatului. În cazul traductoarelor dependenţa trebuie să fie strict liniară (erorea de neliniaritate admisă este foarte redusă), toate calculele de sistem bazându-se pe acestă proprietate de liniaritate.
Dinamica proprie a traductorului, trebuie să fie foarte rapidă, neglijabilă în comparaţie cu dinamica procesului propriuzis. O astfel de caracteristică este absolut necesară deoarece informaţiile trebuie furnizate cu promtitudine (fără întârzieri) pentru ca intervenţiile de conducere să fie oportune. Se deduce că şi din acest punct de vedere caracteristicile dinamice ale traductoarelor sunt, în mod frecvent, mult mai pretenţioase decât ale aparatelor de măsurat destinate să indice valori staţionare sau lent variabile, în limitele vitezei de percepţie vizuală a operatorului uman. Traductoarele trebuie să imbine cerinţele semnalate de liniaritate şi viteză de răspuns ridicată cu performanţe metrologice privind precizia similare cu cele ale aparatelor de măsurat sau chiar mai ridicate tinând cont de posibilităţile superioare de discriminare ale sistemelor de conducere automată faţă de cele ale unui operator.
Este de remarcat faptul că analiza preciziei sistemelor de reglare automată vizează în mod curent aspecte referitoare la valoarea erorii staţionare şi la dependenţa acesteia de dinamica sistemului în cazul anumitor forme standard de variaţie a mărimii de referinţă: treaptă, rampă, impuls etc. Toate consideraţiile şi relaţiile stabilite pentru analiza şi sinteza sistemelor de reglare pornesc de la premiza că erorile pe care le-ar putea introduce traductorul sunt neglijabile. În cosecinţă devine evidentă importanţa preciziei traductorului pentru problema reglării şi pentru conducerea automată în general. Traductoarele implică şi necesitatea unei fiabilităţi sporite în raport cu aparatele de măsurat datorită faptului că o indicaţie greşită a acestora din urmă ar putea fi sesizată şi interpretată ca atare de către un operator, pe când detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificilă în cazul sistemelor de conducere automată.
Structura generală a unui aparat de măsurat sau a unui traductor X a X Intrare Element sensibil Elemente de legătură şi transmisie Adaptor Y Ieşire Surse auxiliare de energie Fig. 6 X mărimea de măsurat; Y mărimea perceptibilă, respectiv semnalul de ieşire din traductor; X a mărimea de referinţă (etalon).
Orice aparat de măsură sau traductor au în structura lor următoarele elemente componente: Elementul sensibil sau detectorul, care este elementul esenţial, specific pentru măsurarea unei anumite mărimi fizice. În condiţiile de efectuare a măsurării, detectorul trebuie să aibă proprietatea de a fi sensibil numai la mărimea de măsurat şi de a o detecta numai pe aceasta, eliminând sau reducând la un minim acceptabil influenţa pe care o exercită toate celelalte mărimi fizice existente în mediul în care se află plasat. Elementul sensibil trebuie să furnizeze la ieşire un semnal, care, potrivit unei dependenţe consecinţă a legilor fizice pe care se bazează funcţionarea sa, să conţină informaţia necesară determinării valorii mărimi de măsurat. Acest semnal trebuie totodată să fie de asemenea natură, încât să poată să acţioneze celelalte elemente ale aparatului de măsurat.
Pentru aceasta, semnalul trebuie să posede o anumită energie pe care o poate prelua de la mărimea de măsurat sau de la o sursă auxiliară. Adaptorul este al doilea element important din structura unui aparat de măsurat. Adaptorul primeşte semnalul dat de elementul sensibil şi îl converteşte într-o mărime perceptibilă, sau într-un alt tip de semnal în cazul traductoarelor, de aşa manieră încât să existe posibilitatea sesizării valorii mărimii măsurate de către operatorul uman, respectiv de către dispozitivele de reglare sau calcul. La aparatele de măsurat analogice, mărimea perceptibilă se prezintă sub forma unei mărimi mecanice (deplasarea unui ac indicator în faţa unei scări gradate, sau la cele înregistratoare trasarea unui grafic). La aparatele de măsurat numerice mărimea perceptibilă se prezintă sub forma valorii numerice afişate pe un display.
Pentru traductoare, adaptorul îndeplineşte, în cele mai multe cazuri, funcţia de a da la ieşire o mărime sub forma unui semnal unificat. Semnalele analogice unificate sunt standardizate pe plan mondial. Semnalele unificate sunt mărimi de natură electrică sau pneumatică care se încadrează într-o anumită gamă de variaţie oricare ar fi mărimea măsurată şi limitele de valori ale acesteia. Semnalele unificate utilizate în sistemele de reglare sunt: - curent continuu în gama [2... 10] ma sau în gama [4...20] ma; - tensiune de curent continuu în gama [-10... 0... +10] V sau în gama [-5... 0... +5] V; - aer cu presiunea în gama [20... 100] kpa sau [0,2... 1] bar.
În cadrul adaptorului, semnalul dat de elementul sensibil suferă la rândul său o serie de transformări pentru a-l aduce la forma unei deplasări, care să poată fi comod percepută cu ajutorul simţului vizual, sau la forma semnalului unificat pe care să-l poată recepţiona un regulator tipizat. Aceste transformări sunt rezultatul a diferite operaţii de prelucrare, având drept scop obţinerea cât mai corectă a valorii mărimii măsurate. Adaptorul este elementul în cadrul căruia se efectuează operaţia esenţială a procesului de măsurare: comparaţia cu unitatea (etalonul X a ). Modalităţile de efectuare a comparaţiei pot fi variate, ele ţinând de înseşi principiile metodelor de măsurare şi determinând diversificări structurale importante ale aparatelor de măsurat şi traductoarelor. Comparaţia se poate face aplicând din exterior, simultan, atât mărimea de măsurat cât şi mărimea de referinţă X a.
În cele mai multe cazuri însă comparaţia este succesivă, în sensul că printr-o operaţie de calibrare iniţială valorile referinţei sunt convertite şi memorate de anumite elemente constructive ale aparatului, iar la efectuarea operaţiei de măsurare, mărimea de măsurat este singura care apare din exterior. Elemente auxiliare. Cea mai mare parte dintre aparatele de măsurat sau traductoarele uzuale, indiferent de complexitate, de destinaţie sau de forma constructivă pot fi reduse la această structură funcţională simplă, constituită din elementul sensibil şi adaptorul. Uneori însă, particularităţi legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezenţa în plus a unor elemente auxiliare. Astfel sunt cazuri, de exemplu la măsurarea temperaturilor ridicate etc., când elementul sensibil nu poate fi plasat în aceeaşi unitate constructivă cu adaptorul.
În asemenea situaţii, apare necesitate unor elemente de legătură pentru transmiterea semnalului furnizat de elementul sensibil către adaptor, cu o pondere şi o însemnătate mai mari decât la un aparat obişnuit şi care necesită evidenţierea lor ca elemente componente. În general, elementele de transmisie realizează conexiuni electrice, mecanice sau de altă natură. Dacă mărimea dată de elementul sensibil este nepotrivită pentru transmisie, aparatul de măsurat va cuprinde în structura sa şi componente de conversie a semnalului potrivit cerinţelor impuse de canalele de transmisie. Tot în această categorie de elemente auxiliare se încadrează sursele de energie folosite în aparatele de măsurat şi în traductoare. Transformările care au loc în elementul sensibil, cât şi în adaptor, implică transferuri de energie.
Etaloane Indiferent de modul în care se realizează procesul de măsurare şi oricare ar fi metoda sau aparatul utilizat, efectuarea operaţiei de măsurare necesită comparaţia, directă sau mijlocită, cu unitatea de măsură. Pentru aplicaţiile practice trebuie să existe dispozitive, aparate, instalaţii, capabile să genereze mărimi reprezentând unităţile de măsură, multiplii sau submultiplii acestora şi care sunt cunoscute sub numele generic de etaloane. Etaloanele sunt menite totodată să asigure unitatea şi conformitatea măsurilor, la orice loc şi orice moment, ceea ce impune condiţii severe asupra realizării lor, atât în privinţa valorilor absolute, cât şi referitor la stabilitatea în timp şi spaţiu a acestora. Ele prezintă o importanţă deosebită pentru măsurări, principalul indicator de performanţă (precizia) depinzând într-un înalt grad tocmai de existenţa unor etaloane de calitate.
Necesităţile practice au determinat elaborarea de sisteme de etaloane corespunzătoare îndeplinirii următoarelor funcţiuni: - furnizarea principalelor unităţi de măsură în conformitate cu definiţiile lor; - conservarea acestor unităţi de măsură (a multiplilor sau submultiplilor), în cadrul laboratoarelor metrologice; - utilizarea lor pentru corelarea între ele a diverselor unităţi, derivarea altora, efectuarea operaţiilor denumite etalonări asupra aparaturii de măsurare în faza de construcţie şi în exploatare. Potrivit celor trei destinaţii sus-menţionate se disting trei categorii de etaloane: - etaloane de definiţie; - etaloane de conservare; - etaloane de transfer.
Etaloane de definiţie Materializează practic de regulă printr-un experiment definiţia unei anumite unităţi de măsură. Experimentul trebuie conceput astfel încât unitatea respectivă să rezulte numai în raport de acele mărimi care intervin în relaţia de definiţie. Iniţial, etaloanele în cadrul Sistemului Metric au fost realizate sub formă de prototipuri din materiale care să asigure o cât mai bună stabilitate. Descoperirile ulterioare din fizică, în special din fizica atomică, au relevat posibilităţi de utilizare a unor fenomene microscopice, care conduc la valori ce pot fi determinate cu mare fineţe şi sunt foarte stabile şi reproductibile. Ele permit atât definirea mult mai precisă a unităţilor de lungime şi timp, precum şi realizarea etaloanelor de definiţie corespunzătoare.
Pentru obţinerea etalonului de lungime definit pe baza lungimii de undă a radiaţiei atomului de kripton 86 se utilizează lămpi cu descărcare cu catod cald, conţinând kripton 86 cu puritate 99%. Pentru etalonul de timp exprimat în raport de perioada radiaţiei atomului de cesiu 133 sunt folosite aparate cu jet atomic de cesiu în vid, cu cavităţi rezonante. În mod asemănător şi pentru celelalte unităţi fundamentale, în afara celei de masă (kg), singura care a rămas cu etalonul reprezentat sub formă de prototip, etaloanele de definiţie se realizează prin raportarea la anumite fenomene fizice sau proprietăţi ale materiei reproductibile cu mare precizie. Prin proceduri similare sunt dezvoltate experimente pentru obţinerea de etaloane de definiţie şi pentru unităţi derivate.
Etaloane de conservare Sunt obţinute prin intermediul unor obiecte sau fenomene caracterizate printr-un parametru fizic foarte stabil în timp şi faţă de influenţele exterioare. Ele nu trebuie, în mod obligatoriu, să se afle în legătură directă cu definiţia unităţii de măsură corespunzătoare şi pot să exprime multipli sau submultipli ai acesteia. Parametrul fizic utilizat poate fi rezultatul unor proprietăţi macroscopice, dar poate fi determinat ca la etaloanele de definiţie şi dintr-un fenomen de natură microscopică. Exemple de etaloane de conservare pentru domeniul electric: - etaloane de tensiune; - etaloane de rezistenţă; - etaloane de capacitate; - etaloane de inductivitate.
Etaloane de transfer Servesc la etalonarea diverselor tipuri de aparate de măsurat sau traductoare pentru domenii largi de variaţie ale mărimilor de măsurat. Etaloanele de transfer sunt de obicei aparate de măsurat de tipuri şi execuţii speciale şi care asigură o bună calitate a măsurării. Categorii de etaloane de transfer: - pentru un acelaşi tip de mărime, în scopul trecerii de la un domeniu de valori la altul, pentru care se dispune de etaloane de conservare (transfer adimensional); - pentru transfer de la un anumit tip de mărime la alt tip, cu acelaşi scop al disponibilităţii de etaloane de conservare (transfer dimensional).
Ca exemplu din prima categorie pot fi menţionate dispozitivele rezistive de raport, de mare precizie, utilizate în cadrul compensatoarelor de c.c. pentru măsurarea tensiunilor electrice continui. Cele din cea de a doua categorie sunt dispozitive sau aparate, mai mult sau mai puţin complexe, care permit măsurarea indirectă a unei mărimi în raport de altele, măsurate direct sau având valori fixe cunoscute (de exemplu şuntul, care permite determinarea unui curent electric prin măsurarea tensiunii la borne şi a rezistenţei).