ANALIZE FIZICO-MECANICE Metrologia este ştiinţa care are ca obiect studiul proceselor de măsurare cu elementele componente: mărimi şi unităţi de măsură; mijloace de măsurare: mijloace tehnice prin care se execută măsurarea; metode de măsurare; principii fundamentale de execuţie; rezultatul măsurării: redat într-o forma utilă, reprezentativă. Denumirea vine de la cuvintele greceşti: metron = măsurare; logos = vorbire. Procesul de măsurare constituie un ansamblu de operaţii care, prin intermediul unui mijloc tehnic şi al unei metode adecvate, permite obţinerea informaţiilor cantitative asupra mărimilor. Mărimea de măsurat M este proprietatea comună unor obiecte/fenomene, pe baza cărora acestea pot fi ordonate într-un şir. În procesul de măsurare se disting: mărimi fundamentale, independente, ce servesc definirii altor mărimi prin relaţii fizice; mărimi derivate, definite în funcţie de mărimile fundamentale. Unitatea de măsură [M] este o mărime de aceeaşi speţă cu mărimea de măsurat care serveşte ca element de comparaţie; unitatea de măsură poate fi aleasă în mod arbitrar unitate fundamentală sau definită prin relaţii fizice unitate derivată. Măsurarea se realizează prin compararea mărimii cu unitatea de măsură corespunzătoare şi se finalizează prin indicarea valorii numerice, sub forma unui raport în care valoarea numerică, măsura, depinde de unitatea aleasă: m = M [M] 1 (IX.1.1) Pentru: m = M [M] 1, şi utilizând [M 1 ], se obţine: m 1 = M [M 1 ] 1. Rezultă factorul de transformare: f = [m 1 ] [m] 1 = [M] [M 1 ] 1. (IX.1.2) Mijloacele de măsurare sunt mijloacele tehnice caracterizate prin diferite grade de complexitate, cu care se operează în sensul definiţiei anterioare; performanţele unui proces de măsurare converg cu complexitatea mijloacelor utilizate. Metodele de măsurare stabilesc procedeele tehnice de execuţie, care se referă la: principiul de execuţie; principiul de obţinere al rezultatului.
4 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Rezultatul măsurării este acreditat în limitele unor erori tolerate pentru mărimea investigată prin procesul de măsurare şi poate fi indicat intervalul în care se află valoarea adevărată, cu o anumită siguranţă statistică. Procesul de măsurare urmăreşte: asigurarea calităţii produselor; asigurarea calităţii proceselor tehnologice; supravegherea proceselor şi profilaxia defectelor prin semnalizare şi protecţie; optimizarea calităţii produselor şi proceselor. Diviziunile metrologiei metrologia este o ştiinţă cu caracter interdisciplinar şi aplicativ, având diviziunile: metrologie teoretică tratează aspectele teoretice fundamentale şi asigură unitatea ştiinţifică în domeniile de aplicaţie; metrologie aplicată tratează elementele referitoare la procesele de măsurare specifice unui anumit domeniu de activitate tehnică sau unei anumite categorii de măsurări; metrologie legală stabileşte cadrul legal al desfăşurării proceselor de măsurare vizând obiectivitatea şi compatibilitatea acestora; procesele de măsurare se desfăşoară sub incidenţa standardelor care se elaborează la nivelul Comisiei Naţionale pentru Standarde şi Metrologie, afiliată la structuri organizatorice internaţionale ca Organizaţia Internaţională de Standardizare, ISO, şi Organizaţia Internaţională de Metrologie Legală, O.I.M.L. IX.1.1. Mărimi şi unităţi de măsură Orice obiect /produs poate fi caracterizat sub aspect calitativ şi cantitativ. Calitativ, obiectele/produsele se diferenţiază prin proprietăţile pe care le conferă valoarea de întrebuinţare; obiectele/produsele cu aceleaşi proprietăţi se diferenţiază prin gradul de extindere al însuşirilor, deci prin aspectul cantitativ. Cele două aspecte ale proprietăţilor unui obiect /produs, calitativ şi cantitativ, se sintetizează în mărime. Procesul de măsurare are ca scop evaluarea cantitativă a mărimilor. IX.1.1.1. Clasificarea mărimilor fizice Mărimile fizice se clasifică conform următoarelor criterii: dimensionale: mărimi scalare, caracterizate prin valoare numerică; mărimi vectoriale, caracterizate prin modul, direcţie, sens; mărimi tensoriale, caracterizate prin componente scalare definite într-un spaţiu geometric, care se pot schimba în funcţie de sistemul de coordonate; prin relaţii definite pe mulţimea fenomenelor sau obiectelor pe care le reprezintă: reperabile /intensive, caracterizate prin relaţii de echivalenţă, ordine; măsurabile / extensive, caracterizate prin relaţii de echivalenţă, ordine, concatenare; prin criteriul energetic: active, asociate cu energie; pasive, nu se asociază cu energie.
Analize fizico-mecanice 5 IX.1.1.2. Relaţii între mărimi şi unităţi de măsură Valoarea unei mărimi extensive A se exprimă prin raportul dintre mărimea A şi unitatea [A] exprimată pe o scară de raport: A a =, (IX.1.3) [ A] unde: a depinde de valoarea adoptată pentru unitatea de măsură. Relaţiile dintre diferite mărimi se exprimă prin ecuaţii matematice (IX.1.4, IX.1.5, IX.1.6) sau fizice, conform exemplului de mai jos: F = m a (IX.1.4) F [ M] [ A] f = = m a = k m a (IX.1.5) [ F] [ F] M A [ M] [ A] unde: m = ; a = ; k =. (IX.1.6) [ M] [ A] [ F] Dacă unităţile de măsură au fost alese arbitrar, atunci k 1; dacă unităţile de măsură au fost alese astfel încât k = 1, ele se numesc coerente. IX.1.1.3. Sistemul SI de mărimi şi unităţi de măsură Pentru a obţine ecuaţiile fizice în cea mai simplă formă (k = 1), se recurge la alegerea convenabilă a unităţilor de măsură: fundamentale, prin reducerea numărului de unităţi de măsură arbitrare, respectiv derivate, unităţile de măsură rezultă din relaţiile existente între unităţile fundamentale. Totalitatea unităţilor de măsură fundamentale şi derivate, constituind un ansamblu coerent pentru un domeniu tehnic, defineşte un sistem de unităţi de măsură. Dacă pentru un domeniu există un număr l de legi fizice care leagă m mărimi, numărul de unităţi fundamentale necesare este: n = m l. Dacă în utilizare rezultă relaţii complicate, pentru definirea unităţilor de măsură derivate se poate mări numărul unităţilor fundamentale, conform următoarelor criterii: mărimile şi unităţile fundamentale descriu fenomene reprezentative pentru domeniu, invariante în timp şi spaţiu; unităţile fundamentale pot fi definite, realizate şi reproduse sub formă de etaloane; unităţile de măsură derivate se definesc în funcţie de cele fundamentale prin relaţii simple; valorile unităţilor fundamentale se adoptă pe baza unor considerente practice privind utilizarea şi posibilităţile de realizare a multiplilor şi submultiplilor. În virtutea acestor criterii au fost definite: MK f S, CGS, MKS, MTS. Existenţa unui număr mare de mărimi şi unităţi de măsură, definite pe principii diferite, a complicat relaţiile fizice k 1şi a impus adoptarea unui sistem practic, coerent, simplu, structurat raţional, cu aplicabilitate în toate domeniile ştiinţei şi tehnicii, numit sistem internaţional SI; acesta a fost adoptat în anul 1960, amendat în anul 1969 şi cuprinde şapte unităţi de măsură fundamentale (tabelul IX.1.1).
6 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale SI Mărimea Tabelul IX.1.1 Unitatea de măsură Denumire Dimensiunea Denumire Simbol Lungime L metru m Masă M kilogram kg Timp T secundă s Intensitatea curentului electric I amper A Temperatură termodinamică T kelvin K Cantitate de substanţă N mol mol Intensitate luminoasă J candelă cd Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând procesele tehnologice. Caracterizarea proceselor tehnologice din industria textilă se realizează prin: parametri cinematici; parametri tehnologici; parametri de reglaj, definiţi prin mărimi fizice fundamentale şi derivate SI, fiind încadrate în grupele de mărimi definite dimensional ca [L] α [T] β ; [L] α [M] γ [T] β şi în care se încadrează (tabelul IX.1.2): geometria traseelor tehnologice şi regimul de funcţionare: lungimi; ecartamente; viteze liniare /alimentare, debitare; viteze unghiulare /turaţii; acceleraţii; lungimi de undă; acţiuni şi interacţiuni în procesele tehnologice de prelucrare: forţe, momente, tensiuni, presiuni, energie mecanică; acţiuni fizico-chimice asupra materialului prelucrat: temperatură, flux termic; ph; concentraţii. Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate definite în funcţie de [L] α ; [T] β Mărimea Unitatea de măsură Tabelul IX.1.2 Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol Lungime L l metru m Timp T t secundă s Viteza L T 1 v metru/secundă m/s Acceleraţie L T 2 a metru/secundă la pătrat m/s 2 Viteză unghiulară T 1 ω radian/secundă rad/s Acceleraţie unghiulară T 2 radian/secundă la pătrat rad/s 2 Perioadă T T secundă s Frecvenţă T 1 f, n hertz Hz Frecvenţă de rotaţie/turaţie T 1 n unu/secundă 1/s Frecvenţă unghiulară, pulsaţie T 1 ω radian/secundă rad/s Lungime de undă L l metru m Număr de undă L 1 σ unu/metru 1/m
Analize fizico-mecanice 7 Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând parametrii mediului ambiant. Mărimile fizice fundamentale şi derivate definesc parametrii mediului ambiant / factorii de influenţă determină proprietăţile şi prelucrabilitatea produselor textile, calitatea produselor realizate din acestea şi calitatea proceselor tehnologice; din acest motiv, factorii de influenţă se menţin la valori standardizate (tabelul IX.1.3). Tabelul XI.1.3 β Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate definite în funcţie de [L] α [M] γ [T] Mărimea Unitatea de măsură Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol 1 Masă M m kilogram kg 2* Densitate(masă volumică) M L 3 ρ kilogram/metru cub kg/m 3 3* Volum masic L 3 M 1 v metru cub/kilogram m 3 /kg 4 Impuls(cantitate de mişcare) L M T 1 p kilogram metru pe secundă kg.m/s 5 Moment de inerţie L 2 M I, J kilogram metru pătrat kg.m 2 6* Forţă, greutate L M T 2 F, G newton N 7 Moment al forţei L 2 M T 2 M newton. metru N.m 8 Impuls al forţei L 2 M T 1 I, J newton secundă N.s 9 Presiune L 1 M T 2 p pascal Pa 10* Tensiune mecanică normală L 1 M T 2 σ, τ pascal Pa 11* Modul de elasticitate L 1 M T 2 p pascal Pa 12 Viscozitate cinematică L 2 T 1 η, µ pascal secunda Pa.s 13 Tensiune superficială M T 2 γ, σ newton/metru N/m 14* Lucru mecanic L 2 M T 2 W, A joule J 15* Energie mecanică L 2 M T 2 E, W joule J 16 Putere L 2 M T 3 P watt W Factorii de influenţă sunt apreciaţi prin: mărimi fundamentale / temperatură, în aprecierea căreia se permite utilizarea scării Celsius; mărimi adimensionale / aprecierea conţinutului de umiditate a aerului se realizează prin indici relativi / umiditate relativă, φ [%] ; grad de saturaţie/ Ψ [%]; mărimi derivate [L] α [M] γ [T] β / pentru aprecierea presiunii aerului (cap. IX.2.4). Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând materialele textile. Mărimile fizice fundamentale şi derivate care descriu proprietăţile materialelor textile şi comportarea acestora în procesul tehnologic de prelucrare sau pe durata utilizării sunt caracteristici de material şi se particularizează prin diversitate, determinată de complexitatea structurală; ansamblul proprietăţilor materialelor textile este format din: proprietăţi fizice, definind comportarea produselor la acţiunea factorilor fizici; proprietăţi mecanice, definind comportarea produselor la prelucrare şi utilizare; proprietăţi fizico-chimice, definind comportarea produselor în prelucrare şi utilizare. Ansamblul proprietăţilor materialelor textile se exprimă prin: mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate furnizate de SI: mărimile fizice fundamentale/derivate SI formează categorii metrologice/ fundamentale: lungime, masă, temperatură; derivate: densitate, volum masic, forţă, presiune, tensiune; aceeaşi categorie metrologică are mai mulţi corespondenţi în domeniul textil, ce exprimă diferite caracteristici de material sau diferiţi parametri de proces; astfel, mărimii fizice tensiune îi corespund următoarele caracteristici: forţă de întindere specifică, tensiune de prelucrare; categoriei metrologice lungime îi corespund lungime, diametru, grosime, scurtare, alungire absolută;
8 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ forma concretă de exprimare a proprietăţilor de material o reprezintă indicii şi parametrii; indicii exprimă în formă numerică o proprietate (mărimea fizică); parametrii exprimă rezultatul analizei statistice efectuate la nivelul valorilor experimentale corespunzătoare mărimii; mărimi şi unităţi de măsură fundamentale, impuse de specificul domeniului: unitatea de îmbrăcăminte, 1 clo, corespunde ansamblului vestimentar care, la temperatura de 21 o C, produce senzaţia de confort absolut unui adult sănătos / valoarea de 0,18 m 2 h oc/kcal; ohmul termic (1 tog, tω), exprimat în funcţie de unitatea de îmbrăcăminte: 1 tω = = 6,45 clo; mărimi şi unităţi de măsură derivate, definite în spiritul SI, specifice domeniului, care redau particularităţile materialelor textile; implică precizarea condiţiilor metrologice; se exprimă prin indici şi parametri /uneori, mai mulţi, pentru aceeaşi proprietate: pilozitate, pentru definirea căreia se folosesc mai mulţi indici de apreciere; neregularitate; lungime de aderenţă, mărime utilizată în aprecierea comportării la solicitarea de întindere a semifabricatelor/ filatură; tenacitate, care reprezintă o mărime echivalentă unei tensiuni; modul de elasticitate iniţial/ definit ca efort unitar raportat la densitatea de lungime; contracţie la tratamente termice C%, mărime adimensională, prin care se apreciază stabilitatea dimensională; mărimi şi unităţi de măsură derivate, definite în funcţie de unităţi de măsură tradiţionale, care impun folosirea relaţiilor, tabelelor, riglelor sau nomogramelor de conversie, pentru asimilarea rapidă a informaţiilor (unităţi tradiţionale pentru fineţe /densitate liniară; coeficient de torsiune). IX.1.1.4. Proprietăţile fizice ale materialelor textile Proprietăţile fizice ale materialelor textile sunt reprezentate prin caracteristici de compoziţie, caracteristici geometrice şi indici ce descriu comportarea la acţiunea agenţilor fizici sau a diferitelor forme de energie. Ansamblul proprietăţilor materialelor textile este determinat prin compoziţie şi geometrie, fiind influenţat prin tehnologia de realizare şi prelucrare şi de condiţiile de utilizare. IX.1.1.4.1. Caracteristici de compoziţie şi structură Aceste caracteristici definesc: compoziţia / natura componenţilor / cote de participare; structura textilă /geometrie produs /asamblarea componenţilor în fir, ţesătură, tricot, neţesut. Caracteristicile de compoziţie, cele geometrice şi parametrii de structură constituie obiective ale proceselor tehnologice şi criterii de verificare pentru calitatea acestora, fiind determinante/ reprezentative pentru ansamblul proprietăţilor materialelor textile (tabelul IX.1.4); Metrologia textilă asimilează/adoptă mărimi şi unităţi de măsură SI definind: geometria şi structura produselor; masa /volumul specific: densitate; voluminozitate.
Analize fizico-mecanice 9 Caracteristici de compoziţie 1. Compoziţia materialelor textile Natura componenţilor se stabileşte la nivelul filaturii; constituie sarcină de proiectare; Cote de participare se analizează pe parcursul procesului de filare; după masă se verifică la nivelul textilelor plane. după arie Compoziţia se determină: calitativ, prin metode de identificare/microscopie, reactivi, ardere; cantitativ, prin metode de solubilizare parţială şi gravimetrice Dimensiuni geometrice 2. Dimensiuni geometrice Lungime /lăţime/grosime particularizează categoriile tehnologice Diametru se determină prin metode şi mijloace de măsurare specifice Suprafaţă categoriilor tehnologice/ produse liniare, produse plane; secţiunea transversală determină destinaţia tehnologică, constituind criterii de recepţie; suprafaţă laterală determină proprietăţiledemasă: densitate; compactitate; Volum voluminozitate, care se regăsesc în consumuri specifice; se reflectă în caracteristicile fizice şi mecanice ale produselor. Parametri de structură Fineţe; grad de torsionare Desimi geometrice; tehnologice Grad de acoperire Grad de compactitate 3. Parametri de structură particularizează categoriile tehnologice; condiţionează domeniul de utilizare; determină transferul proprietăţilor în sensul component-produs; condiţionează comportarea la prelucrare/utilizare. Mărimi geometrice şi parametri de structură Tabelul IX.1.4 Mărimi geometrice şi unităţi de măsură Mărimea Unitatea de măsură Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol 1 2 3 4 5 Lungime /fibră; fir; ţesătură; tricot L l Metru, milimetru m Grosime/fibră; fir; ţesătură; tricot L δ Micron; milimetru µm; mm Diametru, rază/fibră; fir L d/f; R Micron; milimetru µm; mm Arie; suprafaţă; aria secţiunii L 2 A; S; A S Metru; centimetru; milimetru pătrat m 2 ; cm 2 ; mm 2 Volum: real; aparent L 3 V Metru; centimetru; milimetru cub m 3 ; cm 3 ; mm 3 Parametri de structură Ţesături Desime tehnnologică, ţesături Pu; Pb Fire/1cm; fire/10cm fire/1cm; fire/10cm Desime geometrică, ţesături l u = l/pu; l b =l/pb l u ; l b 10 mm/pu; 10 mm/pb 100 mm/pu; 100 mm/pb Grad de ondulare/ amplitudinea ondulării/ frecvenţa ondulării h u ; h b f u =Pb; f b =Pu mm Nr. de semiunde/cm; 10 cm mm fire/cm; 10 cm Grad de acoperire e U +e B -e U e B e ţes Adimensional; % % Coeficient de desime Ct=Cu+Cb Cu=Pu(Nu) 1/2 Cb=Pb(Nb) 1/2 Ct Cu Cb Desimea corespunzătoare unităţii de fineţe a firelor celor două sisteme Grad de compactitate Kţ=(Ku+Kb)/2 Kţ % %
10 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.1.4 (continuare) 1 2 3 4 5 Tricoturi Desime pe orizontală* 50/A Do Şiruri/50 mm ş/50 mm Desime pe verticală* 50/B Dv Rânduri/50 mm r/50 mm Desime de suprafaţă* 2500/AB Ds=Do Dv Ochiuri/2500 mm 2 o/2500 mm 2 Înălţimea ochiului K B.F B Milimetri mm Pasul ochiului K A.F A Milimetri mm Coeficientul desimilor Do/Dv C Lungimea firului dintr-un ochi aa+bb+cf l Milimetri mm Coeficient de umplere: liniar l / F δ l Adimensional de acoperire superficială S f / S 0 δ S Adimensional volumetric V f / V 0 δ V Adimensional * Determinarea se realizează pe distanţe de 10; 50; 100 mm/în funcţie de fineţea firelor. Neţesute Consolidare prin întreţesere (l) Densitate de întreţesere liniară L/a D l Adimensional Densitate de întreţesere de suprafaţă N l /S D s Împunsături/suprafaţa TN Consolidare prin coaseretricotare (C-Tr) *Desime de coasere L/P D c Paşi cusătură/100 mm **Desimea ochiurilor L/S D a Număr cusături paralele/100 mm Grosimea textilului neţesut d ST + F d C mm Masa/m 2 TN după C-Tr M mst + M mpl M mptn g/m 2 Densitatea aparentă a TN M mptn /d C γ a kg/m 3 IX.1.1.4.2. Densitatea şi voluminozitatea produselor textile (tabelul IX.1.5) Densitatea şi voluminozitatea produselor textile Tabelul IX.1.5 Nr. Mărimea Unitatea de măsură crt. Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol 1 Masă M m kilogram kg 2 Număr/lungime specifică/fineţe** L M 1 Nm metru/gram m/g 3 Titlu/densitate liniară** ML 1 T t gram/kilometru g/km 4* Masa /unitate de suprafaţă ML 2 M gram/metru pătrat g/m 2 5* Densitate/masa volumică: reală; aparentă ML 3 ρ kilogram/metru cub; gram/centimetru cub kg/m 3 ; g/cm 3 6* Indice de compactitate Ic=ρ a ρ r % % 7* Indice de porozitate Ip=1 Ic % % 8* Volum masic/specific L 3 M 1 v metru cub/kilogram; centimetru cub/gram m 3 /kg; cm 3 /g * Masa se utilizează pentru definirea compoziţiei/ cote de participare; frecvenţe, caracteristici geometrice, stare, conţinut de impurităţi, adaosuri şi pierderi tehnologice / prin indici adimensionali, %. **Mărimile se definesc identic pentru toate formele de prezentare a produselor textile: fire; ţesături; tricoturi.
Analize fizico-mecanice 11 Definiţiile indicilor de numerotare tradiţionali se prezintă în detaliu în tabelul IX.1.6. Indici de numerotare tradiţionali /unităţi de măsură fundamentale Indice de numerotare Simbol Dimensiune [M] [L] Număr metric Nm L M 1 g m Tabelul IX.1.6 Număr englez pentru bumbac Ne L M 1 840 yds = 768 m 1 lb = 453,6 g Număr englez pentru lână pieptănată Ne p L M 1 560 yds = 512 m 1 lb = 453,6 g Număr englez pentru liberiene Ne L L M 1 300 yds = 274 m 1 lb = 453,6 g Număr francez Nf L M 1 1 km 0,5 kg Titlu tex T t ML 1 1 km 1 g Titlul den T den ML 1 9 km 1 g Relaţiile de conversie între diferiţi indici de numerotare sunt prezentate în tabelul IX.1.7. Coeficienţi de conversie între indicii de numerotare Ttex Tdtex Tktex Td (Nm) 1 (Ne B ) 1 (Nf) 1 (Nc) 1 Tabelul IX.1.7 Ttex 1 10 1 10 3 1/9 10 3 590, 5 500 566 Ttex Tdtex 10 1 10 4 10/9 10 4 5905 5 5660 Tdtex Tktex 10 3 10 4 1 1/9.10 3 1 0,591 0,5 0,566 Tktex Td 9 0,9 9,1 1 9 10 3 5315 4,5 5094 Td (Ttex) 1 (Tdtex) 1 (Tktex) 1 (Td) 1 (Nm) Ne B Nf Nc Nm 10 3 104 1 9.10 1 1, 693 2 1/0,566 Nm Ne B 590,5 10 590,5 10 3 590, 5 5315 10 3 590, 5 1 1,181 1/0,9584 Ne B Nf 500 10 500 10 3 500 4,5 0,5 0, 847 1 1/1,132 Nf Nc 566 10 566 10 3 566 5904 0,566 0,958 1,132 1 Nc * Indicii de numerotare simbolizaţi conform tabelului. Modul de utilizare a relaţiilor cuprinse în tabel este: Ttex=10 1 Tdtex=10 3 Tktex=1/9 Td=1000/Nm=590, 5/Ne B =500/Nf=566/Nc; Nm= 10 3 /Ttex=10 4 /Tdtex =1/Tktex=9000/Td =1, 693Ne B =2 Nf=1/0, 566 Nc. IX.1.1.4.3. Caracteristicile fizice ale materialelor textile Caracteristicile fizice ale materialelor textile sunt determinate structural prin: compoziţie; geometrie; parametri de structură; caracterizează comportarea materialelor textile la acţiunea agenţilor fizici; determină percepţia materialului textil / prin caracteristici de structură şi aspect, în prelucrare şi în întrebuinţare; influenţează: proprietăţile mecanice ale materialelor textile şi prelucrabilitatea acestora.
12 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Caracteristicile fizice definesc prin asociere: confortul fiziologic / echilibrul hidrotermic asigurat de îmbrăcăminte; confortul psihosenzorial / prin asociere cu proprietăţi mecanice; efectele fizico mecanice ale prelucrării / prin asociere cu proprietăţi mecanice. Caracteristicile fizice: particularizează şi reprezintă dominante pentru categoriile tehnologice de produse, la care se impune testarea prin metode standardizate şi menţionarea în buletine de analiză; permit dezvoltarea unor principii şi metode de măsurare indirectă a caracteristicilor de material cu care se corelează / fizice, mecanice, optice; cuantifică comportarea materialelor textile la acţiunea agenţilor fizici: flacără; apă; vapori; curenţi de aer (tabelul IX.1.8); acţiunea factorilor: câmp/electric magnetic, termic; radiaţii / radioactive, electromagnetice; vibraţii / mecanice, ultrasonore; flacără; apă; vapori; curenţi de aer (tabelul IX.1.9). Caracteristicile fizice definesc posibilitatea de aplicare a unor tratamente fizice şi limitele de aplicare ale acestora şi se denumesc în funcţie de acţiunea şi efectul agentului: conducţie / conductivitate; pătrundere / permeabilitate; opoziţie, consum de energie / rezistenţă; acumulare, disipare / capacitate de absorbţie; insensibilitate/ stabilitate dimensională; structurală. Indicii de apreciere se definesc în spiritul SI, cu particularităţi care depind de structura textilă/ forma de prezentare a materialului. Caracteristicile fizice ale materialelor textile/ comportarea la acţiunea agenţilor/factorilor Tabelul IX.1.8 Factor/agent fizic Manifestarea materialului textil/proprietatea Simbol U.M. Vapori de apă Capacitatea de a absorbi/ceda vapori de apă din /în mediul înconjurător Conţinut de umiditate: normală; legală; reală u n ; u l ; u % Apă Capacitatea de a absorbi apa/ prin fenomene de capilaritate Viteza de absorbţie v m/s Timpul de scufundare τ s Puterea de absorbţie P W Aer, apă, vapori Reacţia la depresiune/permite traversarea materialului de un jet de aer; lichid; vapori Permeabilitate la aer Pa P m 3 /s m 2 ; l/s m 2 Permeabilitate la vapori Pv mg/24 h Permeabilitatea la apă (capacitatea de absorbţie) Ca % Energie termică /flux Capacitatea de a asigura transportul energiei termice Conductivitate termică interioară λ W/m K Rezistenţa termică a stratului R=d/λ m 2 K/W Indice de termoizolare I=R/R 0 adimensional Coeficient de transfer termic, total K=1/Σδ/λ W/m 2 K Stabilitate structurală/dimensională sub acţiunea agenţilor termici Comportarea la flacără Contracţie la tratament termic % % Câmp electric Comportarea sub acţiunea unui câmp electric Rezistivitate electrică ρ v Ω cm Permitivitate dielectrică ε r =ε/ ε 0 adimensional Acumularea electricităţii statice σ C/cm 2
Analize fizico-mecanice 13 Tabelul IX.1.9 Proprietăţile fizice ale materialelor textile/comportarea la acţiunea agenţilor/factorilor Factor/agent fizic; Manifestarea materialului textil / proprietate 1. Radiaţii luminoase/comportarea la acţiunea radiaţiilor electromagnetice din spectrul vizibil Transparenţă/Indice de refracţie Opacitate Luciu /Indice de reflexie Culoare/Absorbţie selectivă a radiaţiei incidente Fluorescenţă /Emisie secundară Birefringenţă 2. Radiaţii /UV; IR; stabilitate la acţiunea radiaţiilor 3. Radiaţii radioactive Stabilitatea la acţiunea radiaţiilor radioactive Capacitatea de absorbţie a radiaţiilor radioactive 5. Ultrasunete Capacitatea de absorbţie a ultrasunetelor Mărimi electrice. Mărimile SI prezentate în tabel se utilizează ca mărimi tehnice generale (acţionarea maşinilor textile); în descrierea principiilor constructive ale mijloacelor de măsurare (tabelul IX.1.10). Mărimi şi unităţi de măsură electrice şi magnetice Tabelul IX.1.10 Mărimea Unitatea de măsură Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol 1 2 3 4 5 Sarcină electrică, cantitate de electricitate* T I Q, q coulomb C Densitate de volum a sarcinii electrice L 3 T I ρ, ρ V coulomb/metru cub C/m 3 Densitatea de suprafaţă a sarcinii electrice L 2 T I σ, ρ s coulomb/metru pătrat C/m 2 Tensiune electrică, potenţial electric L 2 M T 3 I 1 U, V, E volt V Intensitatea câmpului electric* L M T 3 I 1 E volt/metru V/m Flux electric T I Ψ coulomb C Inducţie electrică(deplasare electrică) L 2 T I D coulomb/metru pătrat C/m 2 Capacitate electrică* L 2 M 1 T 4 I 2 C farad F Permitivitate* L 3 M 1 T 4 I 2 ε farad/metru F/m Permitivitate relativă* 1 ε r unu 1 Rezistenţă electrică* L 2 M T 3 I 2 R ohm Ω Rezistivitate* L 3 M T 3 I 2 ρ ohm-metru Ω. m Conductivitate electrică* L 3 M 1 T 3 I 2 γ, σ siemens/metru S/m Energie electrică L 2 M T 2 W joule J Putere electrică L 2 M T 3 P watt W Putere activă L 2 M T 3 P watt W
14 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.1.10 (continuare) 1 2 3 4 5 Putere reactivă L 2 M T 3 Q var var Putere aparentă L 2 M T 3 S voltamper VA Tensiune magnetomotoare I Um, Umm amper A Intensitatea câmpului magnetic L 2 I H amper/metru A/m Inducţie magnetică M T 2 I 1 B tesla T Flux magnetic L 2 M T 2 I 1 Φ weber Wb Inductanţă L 2 M T 2 I 2 L henry H Permeabilitate* L M T 2 I 2 µ henry/metru H/m Mărimile electrice definite SI interesează domeniul textil pentru: caracterizarea sub aspect electric şi dielectric a materialelor textile: rezistivitatea pentru a defini durata de menţinere a sarcinilor statice acumulate în prelucrare şi întrebuinţare. permitivitatea, pentru a defini capacitatea de acumulare a sarcinilor statice; caracterizarea sub aspect dielectric/prin permitivitate şi pierderi dielectrice, pentru a defini capacitatea de a reacţiona la acţiunea câmpului electromagnetic/tratamente de finisare cu randamente superioare; Permitivitatea şi rezistivitatea sunt caracteristici de material foarte sensibile la variaţiile parametrilor de climat şi acest aspect este activ în principii fizice de măsurare off şi on line; mărimile electrice interesează în mod deosebit acţionarea, automatizarea, controlul şi reglarea proceselor din industria textilă, sub aspect energetic şi metrologic. Proprietăţile termice ale materialelor textile. Sunt proprietăţi care se apreciază prin indici specifici materialelor textile, ce definesc conductivitatea termică şi stabilitatea dimensională la acţiunea agentului termic; efectele acţiunii agenţilor termici se pot manifesta prin modificări structurale la nivel molecular (cap. IX.2.3). Mărimile specificate* se particularizează prin indici de apreciere tipici pentru formele de prezentare ale materialului textil/strat, pachet (vezi cap. IX.5). Caracterizarea stabilităţii materialelor textile la tratamente termice se realizează prin contracţie, indice adimensional [%], care se defineşte în raport cu variaţia dimensiunilor sub efectul agentului termic (tabelul IX.1.11). Proprietăţile termice ale materialelor textile Mărimea Unitatea de măsură Tabelul IX.1.11 Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol 1 2 3 4 5 Temperatură Celsius θ t grad Celsius Temperatură absolută T, t, θ kelvin grad Kelvin K Gradient de temperatură L 1 θ grad T kelvin/m K/m Cantitate de căldură L 2 M T 2 Q joule J Capacitate calorică L 2 M T 2 θ 1 C joule/kelvin J/K o C
Analize fizico-mecanice 15 Capacitate calorică masică Coeficient de dilatare liniară** Coeficient de dilatare volumică Tabelul IX.1.11 (continuare) 1 2 3 4 5 L 2 T 2 θ 1 c joule/kilogram-kelvin J/kg K θ 1 unu /kelvin 1/K θ 1 unu /kelvin 1/K Conductivitate termică* L M T 3 θ 1 λ, k watt/metru.kelvin W/m K Coeficient de transfer al căldurii /parţial Coeficient de transfer al căldurii /total* Căldură specifică la presiune constantă* Căldură specifică la volum constant Densitatea fluxului termic M T 3 θ 1 α watt/metru 2. kelvin W/m 2 K M T 3 θ 1 α watt/metru 2. kelvin W/m 2 K L 2 T 2 θ 1 c joule/kilogram-kelvin J/kg K L 2 T θ 1 θ 1 c joule/kilogram-kelvin J/kg K M T 3 Φ, q watt/metru 2 W/m 2 Entalpie L 2 M T 2 H, I joule J Entropie L 2 M T 2 θ 1 S joule/kelvin J/K Energie internă L 2 M T 2 U, E joule J Energie internă masică L 2 T 2 u, e joule/kilogram J/kg Rezistenţa termică* M 1 T 3 θ R=δ/λ metru 2 kelvin/watt m 2 K/W Proprietăţile optice ale materialelor textile. Se definesc în funcţie de mărimile şi unităţile de măsură* SI (tabelul IX.1.12); indicii de apreciere caracterizează comportarea materialului textil incidentat cu un flux radiant/reflexie şi transmisie; capacitatea de absorbţie selectivă a radiaţiilor / culoare; fluorescenţă; efectele acţiunii radiaţiilor luminoase asupra materialelor textile se pot concretiza prin transformări la nivel molecular. Proprietăţi optice ale materialelor textile Mărimea Unitatea de măsură Tabelul IX.1.12 Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol Energie radiantă L 2 M T 2 Q e, W joule J Flux energetic (radiant) L 2 M T 3 w watt W Flux energetic superficial M T 3 Φ a, Φ watt/metru pătrat W/m 2 Flux luminos J Φ e, Φ lumen lm Luminanţă (luminoasă) L 2 J Le, L candelă/metru pătrat cd/m 2 Emitanţă (luminoasă) L 2 J Me, M lumen/metru pătrat lm/m 2 Iluminare (luminoasă) L 2 J Ev, E lux lx
16 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ IX.1.1.5. Proprietăţi mecanice ale materialelor textile Aceste proprietăţi se definesc conform SI (tabelul IX.1.3); pentru caracterizare se vor utiliza mărimile* şi unităţile de măsură corespunzătoare; din acestea derivă indicatorii proprietăţilor mecanice ale materialelor textile, care particularizează fiecare categorie structurală şi tip de solicitare. Mărimile 6*; 10*; 11*; 14*; 15* (tabelul IX.1.3) se utilizează pentru caracterizarea generală a comportării produselor textile la solicitări mecanice. Comportarea la solicitarea de tracţiune. Forma de prezentare a produsului liniar / plan determină particularităţi de definiţie ale indicilor; în cazul textilelor plane se impune precizarea direcţiei de solicitare în raport cu sistemele principale de fire (tabelul IX.1.13,a; b; c). Indici pentru aprecierea comportării produselor liniare la solicitări de tracţiune statice Tabelul IX.1.13,a Denumire Relaţie analitică Produse Unităţi de măsură SI 1.1. Rezistenţa la tracţiune: forţa de rupere P r, forţa de aderenţă P a 1.2. Rezistenţa specifică, σ S σ S = 1. Indici pentru aprecierea rezistenţei Fibre Fire Semifabricate P AS 1.3. Tenacitatea, τ P τ= Tt 1.4. Lungimea de rupere, L R P Nm P LR = = 1000 Tt *Lungime de aderenţă P La = P Nm= T ktex Fibre Fire Fibre Fire Fibre, fire Semifabricate cn cn, N, dan N, dan cn/mm 2 N/mm 2; dan/mm 2 cn/tex N/tex, dann/tex 2. Indici pentru aprecierea deformabilităţii 2.1. Alungirea absolută la a r = I r I 0 Fibre, fire mm rupere, a r 2.2. Alungirea relativă la ar Fibre, fire % rupere, ε ε 100 r r = I0 3. Indicii transferului proprietăţilor tensionale Coeficientul de transfer, K K = τf / τ f Fir τ F adimensional Fibră τ f Indici pentru aprecierea comportării ţesăturilor la solicitarea de tracţiune unidirecţională km m Tabelul IX.1.13,b Denumire / simbol Relaţii analitice Particularităţi Unităţi SI 1 2 3 4 5 1.1. Rezistenţa la tracţiune P * P U pe direcţia urzelii; P b pe direcţia bătăturii 1. Indici pentru aprecierea rezistenţei * P U, P b Raportată la sistemele U, B dan
Analize fizico-mecanice 17 Tabelul IX.1.13,b (continuare) 1 2 3 4 5 1.2. Lungimea de rupere, L r * P L r r = M b 1.3. Rezistenţa specifică P P t St, = a ţesăturii, P s ţ * N T 2.1. Alungirea absolută la rupere, a r * 2.2. Alungirea relativă la rupere, ε r * Tex Raportată la sistemele U, B Raportată la sistemele U, B 2. Indici pentru aprecierea deformabilităţii a r = I r I 0 a ε r r = 100 I 0 Raportată la sistemele U, B Raportată la sistemele U, B km cn/tex 3. Indici pentru aprecierea transferului proprietăţilor tensionale în sensul fir ţesătură Coeficientul de utilizare al tenacităţii firului în rezistenţa specifică a ţesăturii, K* P K = s τ F Raportată la sistemele U, B Indici specifici pentru aprecierea proprietăţilor tensionale ale materialelor textile neţesute* mm % adimensional Tabelul IX.1.13,c Denumire / simbol Relaţii analitice Particularităţi Unităţi de măsură SI 1. Indici pentru aprecierea rezistenţei specifice 1.1 Rezistenţa specifică la PN *Orientarea solicitării după axele dan/mm 2 tracţiune, σ σ S S = A S tehnologice 2. Indici pentru aprecierea transferului în sensul fibră - produs textil neţesut Coeficientul de utilizare σnt *Orientarea Adimensional al tenacităţii fibrei în Knt = σ solicitării după t rezistenţa specifică a axele tehnologice epruvetei de material textil neţesut, K nt * Indicii proprietăţilor tensionale care se definesc identic pentru toate produsele plane/ ţesături; tricoturi; neţesute/ nu s-au reluat. Comportarea mecano-reologică a materialelor textile. Se defineşte în raport cu diagrama forţă-deformaţie, cu particularizarea indicilor în funcţie de forma de prezentare a produselor /liniare; plane (tabelul IX.1.14). Elasticitatea materialelor textile. Elasticitatea materialelor textile se defineşte prin raportul dintre capacitatea de a se deforma şi reveni în procesul de solicitare mecanică; se exprimă prin raportul dintre energia eliberată în procesul de revenire şi energia consumată în procesul de deformare/cunoscut ca rezilienţă. Rezilienţa defineşte elasticitatea materialelor, iar histereza marchează capacitatea materialelor de a se deforma plastic (tabelul IX.1.15). Comportarea vâscoelastică a materialelor textile. Comportarea vâscoelastică a materialelor textile se defineşte prin curbele mecano-reologice de tipul D(t) P=ct ; P(t) D=ct, cu indici ce exprimă capacitatea de revenire din deformare/ grad de elasticitate şi capacitatea materialelor textile de a se deforma permanent /grad de plasticitate (tabelul IX.1.16).
18 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Indici mecano-reologici definiţi din diagrama forţă-deformaţie pentru materiale textile Denumire/simbol Modulul de elasticitate iniţial Lucrul mecanic de deformare la rupere Relaţie analitică Produse caracterizate Tabelul IX.1.14 Unităţi de măsură SI σ Liniare; plane cn/tex; E = 100 ε cn/tex; dan/tex a W = P dl Lucrul mecanic specific de W W deformare la rupere sm = * M W WsV = V 0 W WaS = S Liniare; plane Liniare; plane* cn cm; Nm cn cm/cm tex Liniare; plane cn cm/cm 3 Plane** Nm/m 2 Factorul lucrului mecanic de rupere fw = W/P r a r Liniare; plane * Indicele W sm este denumit calitatea ţesăturii ; **Indicele W ss este cunoscut ca durabilitatea ţesăturii. Caracteristicile elastice ale materialelor textile Tabelul IX.1.15 Denumire/simbol Relaţie analitică Unităţi de măsură, SI Energia consumată în procesul de deformare Energia eliberată în procesul de revenire din deformare a W = P dl d 0 W r cn cm; Nm cn cm; Nm Rezilienţă R = W r /W d Histereza H = (W d W r )/W d Observaţie: Caracterizarea este identică pentru toate formele de structuri textile. Indicii comportării vâscoelastice a materialelor textile Tabelul IX.1.16 Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol Grad de elasticitate % Ge Mărime adimensională % Grad de plasticitate % Gp Mărime adimensională %
Analize fizico-mecanice 19 Comportarea materialelor textile la solicitarea de încovoiere. Se apreciază prin indici care reflectă comportarea epruvetelor în regim de încovoiere static/dinamic; sub acţiunea momentelor de încovoiere dezvoltate de acţiunea propriei greutăţi sau, sub acţiunea unor momente de încovoiere exterioare; metodele şi indicii de apreciere utilizaţi particularizează produsele liniare şi plane (tabelele IX.1.17; IX.1.18). Indici pentru aprecierea comportării produselor liniare la solicitarea de încovoiere /flexiune Tabelul IX.1.17 Nr. Mărimea fizică determinată U.M. Proprietatea reflectată 1. Indici pentru aprecierea rigidităţii la încovoiere în regim de solicitare statică 1.1. Deformaţie sub acţiunea unei încărcări statice/propria greutate; forţă exterioară 1.1.1 Săgeata cm; mm Flexibilitate / rigiditate 1.1.2. Deformaţia buclei cm, mm Flexibilitate / rigiditate 1.2. Măsurarea momentului; forţei interne rezultante/la aplicarea unui moment; forţă de încovoiere, exterioare 1.2.1. Mărimea momentului M cn cm Flexibilitate / rigiditate 1.2.2. Forţa dezvoltată prin îndoire sub unghi determinat cn Rigiditate la încovoiere 2. Indici pentru aprecierea rigidităţii la încovoiere în regim de solicitare dinamică 2.1 Forţa ce determină deformaţia f cn Rigiditate dinamică 2.2 Momentul dezvoltat prin formarea unei cn cm bucle de fir 2.3 Frecvenţa de vibraţie s 1 Rigiditate la încovoiere 2.4 Perioada de oscilaţie/vibraţii la torsionare T, s Rigiditate la încovoiere Tabelul IX.1.18 Indici pentru aprecierea comportării textilelor plane la solicitări de încovoiere Indici de apreciere U.M. Relaţii Observaţii 1. Momentul de încovoiere dezvoltat de greutatea proprie a epruvetei Săgeata (măsura cm (Rigiditate la încovoiere) flexibilităţii), f Lungime de încovoiere, ASTM D 1388 cm Lungimea aplecată liber, L C = BC/2 Rigiditatea la flexiune, R, mg cm 3 R=m L C m masa unităţii de STAS 8392-80, suprafaţă a epruvetei Flexibilitatea ţesăturii, % 100 1 Raportul: lucrul mecanic H = W ap /W flex H = fi Ii(%) 50 de aplecare al epruvetei Ii = 0 testate şi cel corespunzător epruvetei absolut flexibile Coeficient de drapaj % D Dx Diametrul epruvetei; CD = 100% s D Diametrul proiecţiei Coeficient de drapaj % CD = 1/ S0 ( S0 S ) 100% s p Aria epruvetei; proiecţiei general Indice de drapaj % L D 2 S Indice de drapaj general Rx ID = 100 s L D
20 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Comportarea materialelor textile la solicitarea de îndoire/şifonare. Comportarea materialelor textile la solicitarea de îndoire/şifonare este determinată de elasticitate şi de proprietăţile vâscoelastice; prin indici se apreciază capacitatea de revenire a materialului cât şi capacitatea de a păstra forma / dungi, pliuri (tabelul IX.1.19). Tabelul IX.1.19 Indici pentru aprecierea comportării materialelor textile la îndoire / şifonare Mărimea fizică Simbol Relaţie analitică U.M. Capacitatea de revenire din şifonare/unghi de revenire Coeficient de revenire, λ: λ λ = α/180 o % coeficient de revenire instantanee, λ λ 1 = α 1 /180 o % coeficient de revenire încetinită, λ 2 λ 2 = (α 2 α 1 )/180 o % Rezistenţa materialelor textile la şifonare Coeficient de şifonare/metoda armonicii S S = L 0 /L Adim. Coeficient de şifonare/metoda buclei S = (100/d 0 )(d d 0 ) % Efectele şifonării Grad de şifonare/uniformitatea reflexiei G s G s = k Φ Durabilitatea dungilor / pliurilor E E = (180 α K )/ (180 α R ) Adim. Comportarea materialelor textile la solicitarea de compresie. Comportarea materialelor textile la solicitarea de compresie este marcată de proprietăţile vâscoelastice. Aprecierea globală se realizează prin: indicii de duritate raport presiune-deformaţie şi compresibilitate /raport deformaţie-presiune; prin aprecierea lucrului mecanic de deformaţie /revenire, se poate determina rezilienţa la compresie / ca indice adimensional (tabelul IX.1.20). Indici pentru aprecierea materialelor textile la compresie Tabelul IX.1.20 Indice Simbol Relaţii U.M. Deformaţia totală (relativă) la compresie Revenirea elastică / deformaţia la compresie Deformaţia remanentă la compresie ε t C ε t = (d 3 d 2 ) /d 1 100 ε e ε e = (d 3 d 2 ) /d 1 100 % ε r ε r = (d 2 d 1 ) /d 1 100 % Duritatea materialului H H = (F 2 F 1 ) (V 1 V 2 ) = (p 2 p 1 ) (h 1 h 2 ) Pa/m Compresia materialului c c = (V 1 V 2 ) (F 2 F 1 ) = (h 1 h 2 ) (p 2 p 1 ) m/pa Comportarea materialelor textile la uzură abrazivă. Uzura abrazivă constituie un efect nedorit, în procesele de prelucrare şi de întrebuinţare a materialelor textile şi este generată de cuplele tehnologice de frecare omogene /mixte, caracterizate prin geometria, viteza relativă a elementelor, presiunea de contact şi prin natura componenţilor. Uzura constituie efectul acţiunii forţelor de frecare la suprafaţa materialului textil şi se produce treptat, prin modificări de aspect, structură, pierderi de masă, diminuarea proprietăţilor mecanice, finalizându-se prin destrucţia epruvetei. Mărimea forţelor de frecare este determinată cantitativ de: parametrii tehnologici: presiune de contact; viteza relativă între elementele cuplei; %
Analize fizico-mecanice 21 parametrii geometrici şi structurali: starea suprafeţei; compoziţia/ forma stratului superficial; parametrii fizici: temperatura; umiditatea relativă a materialului; umiditatea relativă a aerului. Uzura se apreciază calitativ şi cantitativ prin analiza efectelor la nivelul elementelor cuplei; deoarece apariţia şi dezvoltarea efectelor uzurii necesită intervale mari de timp, este motivată testarea comportării tribologice a textilelor pe maşini de încercat la uzură în condiţii metrologice care, prin majorarea valorilor parametrilor, amplifică efectele. Studiul sistematic al fenomenelor de uzură presupune utilizarea maşinilor de încercare şi a unui ansamblu de indici adecvaţi şi se finalizează prin raţionalizarea parametrilor tehnologici în cuplele de frecare sau prin îmbunătăţirea proprietăţilor materialelor textile cu diferite destinaţii. Cuantificarea efectelor uzurii se realizează prin indici definiţi identic pentru toate produsele textile (tabelul IX.1.21). Indici pentru aprecierea comportării materialelor textile la uzarea abrazivă Indicatorul / simbol 1. Abraziune până la rupere Relaţia analitică Semnificaţia termenilor Tabelul IX.1.21 Semnificaţia atribuită 1.1 Numărul de cicluri de solicitare până la rupere, N C Rezistenţa la uzură 1.2 Drumul de abraziune la rupere 1.3 Lucrul mecanic de abraziune la rupere 1.4 Lucrul mecanic specific de abraziune la rupere SN = 2aN C C =πanc Măsurare obiectivă La = µ N SN Măsurare C obiectivă L am µ N S = m NC Măsurare obiectivă 2. Abraziune la un număr limitat de cicluri, N n 2.1 Modificarea aspectului (apreciere) Apreciere: subiectivă/ etalon foto; obiectivă/ videoimagine 2.2 Pierderi de masă, M S M M S = S 2.3 Rezistenţa reziduală, P: la tracţiune; sfâşiere; străpungere P r P = 100% P 3. Indicatori de sinteză (din caracteristica de abraziune) M S pierderi de masă; S suprafaţa epruvetei uzate Rezistenţa epruvetei: după încercare, P a ; iniţială, P Identifică durata de utilizare Lucrul mecanic de destrucţie a epruvetei Curbe caracterisitice: M S (N); P(N) 3.1 Coeficient de durabilitate N C P D = P = M r P% P 3.2 Gradul de deteriorare P% N C numărul de cicluri de solicitare până d = N la rupere C
22 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Comportarea materialelor textile la oboseală. Comportarea la oboseală a materialelor textile se apreciază prin indici de evaluare a efectelor încercării, obiectivi şi subiectivi (tabelul IX.1.22). Produs textil Indicii comportării la oboseală a materialelor textile Indici Încercări individuale/n < 1 Hz/înregistrarea grafică a curbei Wöhler*; n > 1 Hz Fibre, fire, ţesături, tricoturi Tabelul IX.1.22 N c, numărul de cicluri de solicitare ce determină destrucţia epruvetei; Reducerea procentuală a indicilor proprietăţilor tensionale (%); Aspect: r Simultan pe grup de fire/n > 1 Hz Fire N t proporţia de fire rupte, la timpul t: R(t) = 1 N(t) IX.1.2. Metode de măsurare Metoda de măsurare constituie un ansamblu de principii şi procedee care fundamentează măsurarea prin utilizarea anumitor mijloace tehnice, conducând la rezultate reprezentative şi corecte pentru mărimea fizică studiată, la precizia impusă de cerinţele de utilizare. IX.1.2.1. Clasificarea metodelor de măsurare Clasificarea în funcţie de precizia şi rapiditatea determinărilor: metode de laborator: presupun utilizarea mijloacelor de măsurare precise şi sensibile, respectarea condiţiilor metrologice şi impun calculul erorilor; caracterizează procesele de măsurare cu precizie ridicată; se utilizează în cercetarea ştiinţifică, la etalonarea şi verificarea mijloacelor de măsurare; la transmiterea unităţii de măsură; metode tehnice: presupun utilizarea unor mijloace de măsurare robuste, ale căror erori limită sunt definite prin clasa de precizie; conduc la obţinerea rapidă a rezultatelor măsurării, care se pot desfăşura chiar în timpul procesului tehnologic; se aplică în controlul şi reglarea proceselor tehnologice, se caracterizează prin cadenţă ridicată şi prin încadrarea preciziei de măsurare în limitele impuse. Clasificarea în funcţie de poziţia mijlocului de măsurare faţă de mărimea de măsurat: metode de măsurare prin contact direct, în cadrul cărora instrumentul de măsură realizează un contact direct cu mărimea de măsurat (măsurarea lungimilor cu micrometrul); metode de măsurare fără contact direct, în cadrul cărora atingerea mecanică a măsurandului nu are loc (metode de măsurare bazate pe principii optice; pneumatice; capacitive; inductive).
Analize fizico-mecanice 23 Clasificarea în funcţie de numărul de mărimi măsurate: metode directe de măsurare, prin intermediul cărora se determină o singură mărime (cea de măsurat), reprezentate în metrologia textilă prin: metoda aprecierii directe, în care mărimea este comparată direct cu unitatea, materializată sub formă de măsură încorporată în mijlocul de măsurare (determinarea lungimii fibrelor cu ajutorul unei rigle gradate; cântărirea cu ajutorul balanţei, folosind etaloane de masă); metoda diferenţială, în care se măsoară diferenţa dintre mărimea căutată şi o mărime de referinţă cunoscută, de aceeaşi natură (determinarea rugozităţii suprafeţelor textilelor plane; determinarea neregularităţii firelor); metoda de zero (a echilibrului), în care efectul acţiunii mărimii care se măsoară se echilibrează manual sau automat prin efectul unei mărimi cunoscute (principiul de măsurare în punte); metoda coincidenţei, în care un şir de repere/semnale uniforme şi determinate se compară cu un alt şir de repere sau semnale, stabilindu-se poziţionarea reciprocă prin coincidenţa sau simetria vizuală sau obiectivă (măsurarea timpului, a dimensiunilor, prin intermediul interpolatorului); metoda substituirii, în care mărimea de măsurat este substituită printr-o mărime cunoscută, constituită de o măsură; metoda comparării, în care indicaţiile obţinute pentru mărimea de măsurat sunt comparate cu cele obţinute, când aceasta este înlocuită de o mărime cunoscută/ etalon; metoda deviaţiei, în care valoarea mărimii de măsurat se obţine prin deviaţia unui element indicator; numărarea, în care rezultatul măsurării se obţine printr-un proces de numărare (determinarea numărului de rotaţii; a numărului de defecte de o anumită formă sau dimensiune); metode indirecte de măsurare, prin intermediul cărora se determină două sau mai multe mărimi, cu ajutorul cărora (în virtutea unei legi/relaţii de definiţie) mărimea de măsurat este: x = f(x 1, x 2,...x n ). Precizia metodelor indirecte de măsurare este dependentă de precizia determinării mărimilor direct măsurabile şi, deoarece erorile se cumulează, este mai mică decât a metodelor directe. Clasificarea în funcţie de modul de indicaţie a mărimii măsurate: metode de măsurare analogică, ce se caracterizează prin faptul că fiecărei valori a mărimii de intrare cuprinse în domeniul de măsurare, îi corespunde o valoare a mărimii de ieşire; metode de măsurare numerică, în cadrul cărora domeniul de variaţie al mărimii de măsurat este cuantificat, astfel încât rezultatul măsurării poate fi afişat numeric sau codificat. Clasificarea în funcţie de originea sistemului de coordonate: metode de măsurare incrementală (relativă), care se efectuează cu mijloace care indică o mărime ce nu depinde de origine; metode de măsurare absolută, care se efectuează cu mijloace ce indică valoarea mărimii măsurate în raport cu originea, adică în raport cu cota zero. IX.1.2.2. Metode de măsurare aplicate în metrologia textilă Metodele de măsurare prin comparaţie sunt bazate pe utilizarea etaloanelor mărimi de comparaţie şi a aparatelor de măsură, în scopul sesizării egalităţii măsurand-etalon; rezultatul măsurării se exprimă în funcţie de mărimea de comparaţie. Lanţul de măsurare închis conferă precizie, dependentă de etalon şi de precizia mijlocului de măsurare; procesul de măsurare este lent, implicând intervenţia operatorului.
24 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Comparaţia simultană/ laborator metrologie: măsurandul este comparat cu una sau mai multe valori de referinţă ale mărimii de aceeaşi clasă, furnizate de etalon, participă direct la măsurare (fig. IX.1.1); fluxul informaţional este format din două semnale care circulă simultan în acelaşi sens, sub cadenţă redusă, cu precizie ridicată; impune ca mijloc de măsurare detectorul de nul (aparat de comparaţie) cu construcţie simplă şi funcţionare precisă. Comparaţia succesivă/laborator control: mărimea de referinţă participă la procesul de etalonare din care rezultă informaţii stocate în memoria mijlocului de măsurare, fiind retransmise cu ocazia fiecărei măsurări (fig. IX.1.2); procesul de măsurare este precis, cu cadenţă ridicată şi se pretează la automatizare. Fig. IX.1.1. Metoda de măsurare prin comparaţie simultană. Fig. IX.1.2. Metoda de măsurare prin comparaţie succesivă. Aplicaţii Comparaţia directă cu mărimea de măsurat: mărimea de măsurat, x, se compară cu o mărime de aceeaşi specie, y, cunoscută cu precizie determinată, iar în proces se urmăreşte îndeplinirea condiţiilor: x = y; x y = 0 (fig. IX.1.3); comparaţia se realizează prin acţiunea operatorului asupra mărimii y până când detectorul de nul DN indică x y = 0. X X-Y=0 Y Operator Fig. IX.1.3. Comparaţia directă. Comparaţia cu un semnal proporţional cu mărimea de măsurat: mărimea de măsurat, x, se compară cu mărimea de comparaţie, y, prin semnale proporţionale λx şi, respectiv, µy; măsurarea se realizează prin acţiunea operatorului (fig. IX.1.4) asupra mărimii y şi a parametrilor λ, µ la îndeplinirea relaţiei λx µy = 0.
Analize fizico-mecanice 25 Fig. IX.1.4. Comparaţia cu un semnal proporţional. Comparaţia cu un semnal în funcţie de mărimea de măsurat: se execută conform relaţiei: f(x) g(y) = 0, care, prin etalonare, poate fi adusă la forma x = φ(y) (fig. IX.1.5). Fig. IX.1.5. Comparaţia prin semnale funcţie. Comparaţia automată: intervenţia asupra mărimii de comparaţie se efectuează cu un servomecanism, S M, comandat de un circuit de reacţie (fig. IX.1.6). Fig. IX.1.6. Comparaţia automată. IX.1.2.3. Categorii de măsurări În funcţie de regimul de variaţie al mărimilor se disting: măsurări statice, caracterizate prin faptul că, în intervalul de timp t, în care se efectuează măsurarea, măsurandul ia valori constante; toate operaţiile impuse prin metodă pot fi efectuate; semnalul de ieşire, x e, este de asemenea static, poate fi perceput şi asimilat de către operator; viteza de măsurare este redusă, iar precizia, ridicată; măsurări cvasistatice, caracterizate prin variaţia lentă a măsurandului, în intervalul de timp t; măsurări dinamice, caracterizate prin variaţia rapidă a măsurandului pe tot parcursul procesului de măsurare, care se reflectă printr-o variaţie rapidă a semnalului de ieşire, X e ; rezultatul măsurării se obţine prin transformarea semnalului într-o imagine statică sau prin prelucrarea la formă cât mai convenabilă. În funcţie de obţinerea şi prezentarea rezultatelor măsurării se disting: măsurări analogice, caracterizate prin existenţa relaţiei funcţionale de forma: X e = f(t i ), unde variabila t i este independentă, continuă; pe toată durata procesului de măsurare există
26 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Fig. IX.1.7. Reprezentarea grafică a cuantificării unui semnal metrologic. analogia între X e şi X i ; măsurările analogice se particularizează prin precizia de redare a variaţiei valorilor măsurandului, dar şi prin faptul că rezultatul poate fi afectat de subiectivismul operatorului; măsurări numerice, care permit prezentarea rezultatului măsurării direct sub forma numerică, prin dispozitivele de afişare; acestea elimină dezavantajele intervenţiei subiective a operatorului şi conduc la creşterea preciziei şi a reproductibilităţii măsurării. Măsurarea numerică presupune: cuantificarea, operaţia de divizare a intervalului de variaţie al mărimii de măsurat într-un număr de subintervale, denumite cuante, care se exprimă în nivel sau în timp (fig. IX.1.7, a; b); valoarea instantanee a semnalului x(t) se exprimă în număr întreg de cuante; deoarece fracţiunile de cuante se neglijează, iar erorile de măsurare sunt cu atât mai mici cu cât valoarea cuantei este mai mică, alegerea cuantei este în funcţie de precizia impusă /eroarea maximă admisă în procesul de măsurare; codificarea, operaţia de atribuire a unor valori numerice mărimilor cuantificate şi exprimarea acestora într-un anumit sistem de numeraţie codul binar (fig. IX.1.7). IX.1.3. Structura mijloacelor de măsurare utilizate în metrologia textilă IX.1.3.1. Structuri tipice ale mijloacelor de măsurare Mijlocul de măsurare constituie un mijloc tehnic ce furnizează informaţii cantitative asupra mărimilor fizice; metrologia textilă utilizează toate formele de mijloace de măsurare: măsuri mijloace de măsurare care reproduc una sau mai multe valori cunoscute ale mărimilor fizice, conservă unitatea de măsură şi servesc măsurării asociate /sau nu cu un aparat; aparate de măsură mijloace de măsurare care transformă mărimea de măsurat X, într-o mărime perceptibilă Y; pot fi realizate sub formă de comparatoare sau indicatoare; instalaţii de măsură mijloace de măsurare compuse din mai multe măsuri şi aparate, amplasate în fluxul semnalului sau în afara acestuia, conectate la o sursă de energie necesară conversiilor; instalaţiile de măsură pot furniza informaţii asupra unei/ mai multor mărimi fizice; sisteme de măsurare un ansamblu de măsuri, aparate şi instalaţii, interconectate şi coordonate prin intermediul unui sistem de calcul, în cadrul căruia măsurarea, prelucrarea şi înregistrarea rezultatelor este automatizată. Mijloacele de măsurare utilizate în metrologia textilă pot fi: mecanice, optice şi electronice, cu performanţe de măsurare îmbunătăţite prin utilizarea structurilor combinate.
Analize fizico-mecanice 27 Structura mijloacelor de măsurare prezintă două forme tipice (fig. IX.1.8): măsurarea mărimilor active: mijlocul de măsurare preia energia necesară de la mărimea de măsurat, o dată cu informaţia de măsurare; măsurarea mărimilor pasive: mijlocul de măsurare preia energia necesară de la o sursă exterioară, care o transmite direct sau prin intermediul subansamblului de intrare. Fig. IX.1.8. Structura mijlocului de măsurare. Subansamblul de intrare (traductor) converteşte mărimea de măsurat în semnal (mărime fizică perceptibilă) care se aduce la forma cea mai convenabilă în subansamblul de prelucrare (adaptor); semnalul prelucrat este introdus în subansamblul de ieşire (emitor), care prezintă rezultatul măsurării, perceput la operatorul uman sau automat. Mijloacele de măsurare mecanice formează şi prelucrează semnale de măsurare mecanice, pneumatice sau hidraulice sub formă de deplasări, deformaţii sau variaţii de presiune. Aceste semnale rezultă prin conversia mărimilor mecanice (deplasări, viteze, forţe, cupluri), pneumatice sau hidraulice (presiuni, debite) şi termotehnice. În structura mijloacelor de măsurare mecanice sursa de energie exterioară poate servi, în unele situaţii, pentru iniţierea mărimii de măsurat. Mijloacele de măsurare optice servesc la măsurarea mărimilor geometrice (fig. IX.1.9, a; b); un mijloc de măsurare optic este format din cel puţin două subansambluri principale: de poziţionare a mărimii de măsurat (S PM) mijlocul de poziţionare (MP); subansamblul de poziţionare a măsurii (S P m) microscop cu mijloc de poziţionare măsurabilă (MM). Mijloacele MP şi MM sunt legate rigid şi se deplasează simultan în raport cu mărimea de măsurat şi măsura, care sunt fixate pe aceeaşi masă. Mijloacele de măsurare electronice asigură realizarea procesului de măsurare prin lanţuri metrologice compuse din elemente electronice de o mare diversitate, caracterizate printr-o structură generală similară (fig. IX.1.10). Procesul de măsurare se realizează în trei etape: formarea, prelucrarea semnalului electric (cu aducerea acestuia la forma cea mai convenabilă) şi prezentarea rezultatului măsurării în subansambluri destinate acestor operaţii. Formarea semnalului electric se realizează prin conversia mărimii fizice de măsurat în mărime electrică /tensiune, curent/ realizată prin intermediul traductorului electric. Conversia se obţine în două moduri: la măsurarea mărimilor active, prin transformarea energiei acestora în energie, apoi în semnal electric; traductoarele folosite în acest scop sunt denumite generatoare; la măsurarea mărimilor pasive, pe baza energiei de activare, furnizată de o sursă exterioară, care interacţionează cu obiectul măsurării; traductoarele folosite în acest scop sunt denumite traductoare parametrice.
Fig. IX.1.9. Mijloace de măsurare optice: a clasificarea subansamblurilor optice de măsurare; b structura mijloacelor de măsurare optice. Fig. IX.1.10. Structura mijloacelor de măsurare electronice: 1 sursă de energie; 2 măsurand; 3 traductor; 4 bloc de prelucrare; 5 indicator/înregistrator.
Analize fizico-mecanice 29 Traductoarele furnizează: semnale analogice (tensiune); curent a cărui variaţie continuă redă proporţional variaţia mărimii măsurate; semnale numerice (discontinue), sub forma unei succesiuni de impulsuri sau combinaţii de tensiuni, care redau printr-un cod valoarea numerică a mărimii măsurate. Prelucrarea semnalului electric urmăreşte prezentarea acestuia în forma cea mai adecvată la operator; constă din operaţii matematice, generare de funcţii, amplificare, conversii analog-numerice (A-N), numeric-analogice (N-A). Prezentarea rezultatului măsurării constă din valorificarea informaţiei conţinute de semnalul prelucrat prin: indicare, înregistrare, semnalizare sau utilizare în procesele de reglare automată; subansamblurile sunt denumite conform modului de valorificare (indicatoare, înregistratoare, semnalizatoare). Observaţii: semnalul electric (informaţia) se poate valorifica la locul măsurării şi la distanţă faţă de acesta, ceea ce determină includerea în instalaţia de măsură a unor elemente specifice transmiterii semnalelor: modulatoare şi demodulatoare de telemăsurare (în frecvenţă); în impulsuri (canale de telecomunicaţii) cu sau fără fir; componentele mijloacelor de măsură electronice se standardizează (emit semnale unificate) şi acest fapt se reflectă în compatibilitatea şi flexibilitatea acestora (posibilitatea de diversificare a măsurărilor efectuate); lanţul de măsurare se poate alcătui dintr-o succesiune de elemente tipizate cu cele mai diferite destinaţii în măsurare; domeniul de măsurare se limitează inferior la o valoare diferită de zero şi acest fapt micşorează impreciziile datorite instabilităţii punctului de zero; în acest fel nu apar probleme speciale pentru obţinerea unei bune liniarităţi în jurul valorii minime. Mijloacele de măsurare electronice prezintă avantajul că pot fi interconectate în cadrul sistemelor de măsurare, utilizate în controlul şi monitorizarea calităţii şi producţiei şi în reglarea proceselor tehnologice din industria textilă. Sistemul asigură automatizarea procesului de măsurare şi furnizează rezultatul măsurării în forma compatibilă cu operatorul/uman sau automat. Automatizarea procesului de măsurare şi prelucrare a rezultatelor, la nivel de laborator, se prezintă în figura IX.1.11. Fig. IX.1.11. Schema bloc a unui sistem de măsurare: 1 măsurand; 2 traductor; 3 adaptor; 4 convertor A/N; 5 unitate de calcul; 6 convertor N/A; 7* terminale analogice; 7 terminale numerice. Monitorizarea asigură informaţiile de producţie/calitate, fără a rezolva neconformităţile de proces care le-au generat; rezultatele procesului de măsurare sunt emise prin intermediul terminalelor sistemului de calcul (imprimantă şi monitor video); prin intermediul sistemului de calcul prezentarea rezultatelor se realizează într-o formă statistică şi grafică performantă şi adecvată utilizării imediate (control on line). Reglarea rezolvă neconformităţile procesului tehnologic în raport cu parametrii controlaţi/în timp real (fig. IX.1.12). Utilizarea traductoarelor electronice în procesul de control şi reglare automată permite redresarea perturbaţiilor de proces, fără intervenţia operatorului uman, pe care îl substituie. Sistemele automate se realizează prin reuniunea a două subsisteme: instalaţia tehnologică (procesul supus automatizării); dispozitivul de automatizare (DA), care stabileşte algoritmul de
30 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ conducere al procesului. Instalaţia tehnologică supusă perturbaţiilor p i este controlată prin intermediul mărimii de execuţie m, care determină încadrarea mărimii de ieşire în limitele impuse. Fig. IX.1.12. Schema bloc a unei instalaţii industriale de control şi reglare automată. Dispozitivul de automatizare are în componenţa sa elemente funcţionale cu intrări şi ieşiri independente, cu rol de măsurare /obţinere a informaţiei despre proces; de amplificare a acesteia şi de execuţie (fig. IX.1.12); schema bloc cuprinde: elementul de prescriere, EP, ce fixează programul sistemului automat, referinţa r(t) cu mărimea controlată prin intermediul traductorului Tr; elementul de amplificare EA; elementul de execuţie EE şi elementul de corecţie, EC, care asigură o funcţionare corespunzătoare a sistemului. IX.1.3.2. Subansambluri traductoare Traductoarele transformă mărimea fizică de măsurat în semnal (mărime fizică perceptibilă); în funcţie de poziţia faţă de mărimea de măsurat, acestea se clasifică în: traductoare primare realizează o singură conversie şi funcţionează în condiţiile specifice în care se găseşte mărimea de măsurat (prin contact direct sau fără contact cu aceasta); traductoare complexe formate dintr-un traductor primar şi un (sau mai multe) traductor secundar, care nu vine în contact direct cu mărimea de măsurat şi are rolul de a aduce semnalul la forma cea mai adecvată pentru procesul de măsurare. Mijloacele de măsurare utilizate în domeniul metrologiei textile conţin în structură traductoare primare mecanoelastice, optice şi electronice şi traductoare complexe formate din combinaţiile acestora (tabelul IX.1.23). Mărimi de intrare X Mărimi de ieşire Y Traductoare primare în structura mijloacelor de măsurare utilizate în metrologia textilă Traductoare mecanoelastice* Mărimi mecanice, termotehnice, hidraulice Mărimi mecanice: deplasare longitudinală; unghiulară; deformaţie Traductoare optice Mărimi mecanice: geometrice; compoziţie Mărimi mecanice/ geometrice (comparaţie directă) Tabelul IX.1.23 Traductoare electronice Orice categorie de mărimi fizice Tensiune; curent; impuls Traductoare mecanice. Traductoarele mecanice pot fi realizate sub formă de traductoare directe sau complexe, cu funcţionare în regim static, şi ca traductoare parametrice, în regim dinamic modifică un parametru al lanţului de măsurare (pneumatic sau hidraulic), în funcţie de variaţia mărimii de intrare.
Analize fizico-mecanice 31 Traductoarele mecanice se utilizează în procese de măsurare (reglare) pentru: mărimi de intrare mecanice: deplasări, viteze, mase, forţe, momente, tensiuni; mărimi de intrare termotehnice: presiuni, debite, temperaturi, umidităţi relative ale aerului. Mărimile de ieşire, furnizate ca deplasări liniare sau unghiulare, presiuni constante sau variabile se utilizează direct în sisteme de măsurare mecanice sau mecanohidraulice sau prin transformare în mărimi electrice, în cadrul unor traductoare complexe (cu componente secundare electronice). Traductoarele mecanice materializează principii din mecanică şi hidraulică şi se regăsesc în structura unor aparate şi instalaţii pentru: controlul calităţii produselor textile în regim de funcţionare static, cvasistatic, dinamic; controlul şi reglarea automată a parametrilor proceselor tehnologice de obţinere a acestora în regim de funcţionare dinamic. Clasificarea sistematică a traductoarelor mecanice (tabelul IX.1.24) se realizează după principii de funcţionare şi domenii de utilizare. Clasificarea sistematică a traductoarelor mecanice Tabelul IX.1.24 Tipul de traductor Principiul constructiv 1 2 1. Traductor de distanţă Cu acţiune directă/hidraulic 1 Xe= p 2 0 1 + kx i Xe presiunea măsurată la ieşire, cu A; Xi D(variaţia dimensiunii testate); k coeficient de proporţionalitate, dependent de: α coeficient de debit; D dimensiunea duzelor; µ coeficientul de contracţie al aerului; ε compresibilitatea aerului. Utilizare: în construcţia comparatoarelor, ca traductor de grosime/benzi, preparaţia filaturii 2. Traductoare mecanoelastice de forţă / cuplu Bare elastice 1 bara dublu rezemată 3 l Xe= f = F 48EI 2 bara încastrată 3 l Xe= f = F 3EI 3 bara dublu încastrată 3 l Xe= f = F 192EI f deplasarea barei în dreptul forţei; E modul de elasticitate transversal; I momentul de inerţie al barei. Utilizare: traductoare electronice de forţă, maşini de încercat la tracţiunie cu df/dt =const
32 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ 1 2 Tabelul IX.1.24 (continuare) 3. Traductoare mecanoelastice de forţă / cuplu 1 arc elicoidal; 2 arc spiral plan 3 8D n 1. Xe= f = F 4 Gd l 2. Xe=ϕ= M EI G, E modul de elasticitate longitudinal, respectiv, transversal; n numărul de spire; l lungimea arcului; φ săgeata unghiulară a extremităţii arcului; I moment de inerţie axial. Utilizare: în construcţia dinamometrelor cu arc; în construcţia balanţelor de torsiune 4. Traductor de presiune Cu coloană de lichid p1 p Xe = h 2 1+ h2 = γ p 1 presiunea de măsurat/ X e ; γ greutatea specifică a lichidului. Utilizare: manometre, aparate pentru determinarea permeabilităţii la aer; fineţii fibrelor 5. Traductoare mecanice de presiune cu membrană 1 membrană elastică plană: pentru săgeţi mici: Xe = (1/A) (XiR 4 /Eh 3 ) h grosimea membranei; E modulul de elasticitate al membranei; 2 membrană metalică cu centru rigid şi arc: Xe = F = πr 2 Xi Xi = p Utilizare: în construcţia barometrelor, a aparatelor pentru determinarea rezistenţei la plesnire 6. Traductoare mecanice de presiune Cu tub 1 cu tub elicoidal: Xe = K R Cp 2; 3 cu tub în formă de S, respectiv cu tub gofrat: Xe = Cp R raza medie a tubului; K variaţia relativă a unghiului la centru al tubului; C coeficient ce depinde de geometria tubului. Utilizare: în construcţia aparatelor pentru măsurarea presiunii
Analize fizico-mecanice 33 1 2 7. Traductor mecanic de temperatură Dilatometric, cu tijă Xe = l(α 1 α 2 ) t l lungimea tijei Tabelul IX.1.24 (continuare) Utilizare: în construcţia termometrelor destinate măsurării temperaturilor de proces 8. Traductor mecanic de temperatură Utilizare: în construcţia termohigrografelor 1 cu lamă bimetalică rectilinie; spirală: Xe = f = 3/4(α 1 α 2 ) I 2 /h t 2 cu lamă bimetalică spirală: Xe = 3/2(α 1 α 2 ) I/h t α coeficienţii de dilatare liniară ai componentelor lamei bimetalice; h 1,2 grosimile respective ale celor două lame; h = h 1 + h 2 Traductoare electronice. În construcţia mijloacelor de măsurare electronice, elementele sensibile (senzorii) sunt componentele cu cea mai diversificată structură, determinată atât de diversitatea mărimilor fizice asupra cărora se efectuează măsurările cât şi de a principiilor fizice ce pot fi utilizate în măsurare. Clasificarea mijloacelor de măsurare electronice se realizează în funcţie de: principiul de conversie al mărimii fizice aplicate la intrare: parametrice, generatoare; natura mărimii fizice de măsurat: denumirea domeniului de aplicaţie (deplasare, viteză, forţă), cunoaşterea acestora fiind importantă pentru constructor precum şi pentru utilizator/în realizarea şi adoptarea mijloacelor de măsurare cu performanţe adecvate. Traductoare parametrice. Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sunt destinate măsurării mărimilor pasive, care realizează conversia prin intermediul unei energii prelevate de la o sursă exterioară. Denumirea de elemente sensibile parametrice se justifică prin aceea că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia unui parametru electric de circuit (rezistenţă, inductanţă, capacitate). Variaţia parametrilor este evidenţiată prin modularea tensiunii (curentului) furnizate de sursa de energie exterioară, printr-un semnal electric care reproduce variaţiile mărimii de măsurat. Conversia mărimilor neelectrice în semnale electrice se bazează pe legi fizice, care exprimă dependenţa parametrilor faţă de mărimea fizică de măsurat; parametrii sunt: rezistenţa electrică R a unui conductor, inductanţa L a unei bobine şi capacitatea C a unui condensator, iar mărimea acestora poate fi influenţată de mărimi geometrice, mecanice şi fizice (tabelul IX.1.25): variaţia geometriei determină variaţia parametrilor principiu utilizat în determinarea mărimilor geometrice/a deplasărilor, nivelului, grosimii; control dimensional;
34 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ variaţia geometriei sub acţiunea mărimilor mecanice (forţe, momente, acceleraţii, vibraţii) determină variaţii ale parametrilor principiu utilizat în determinarea mărimilor mecanice prin asocierea componentelor electronice cu componente auxiliare: elemente elastice, amortizoare; variaţia parametrilor sub acţiunea agenţilor şi factorilor fizici externi principiu utilizat în determinarea temperaturii, umidităţii, concentraţiei, câmpurilor electrice şi magnetice. Elemente sensibile pentru traductoare parametrice Tabelul IX.1.25 Principiul fizic Semnificaţia termenilor din relaţie U.M. R = ρ l/s n 2 l L = N / k µ k 1 ks = k Rezistenţa electrică a unui conductor omogen ρ rezistivitatea conductorului; l lungimea acestuia; s secţiune conductorului. Inductanţa unei bobine W m; m; m 2 N numărul de spire; l k, s k lungimea; secţiunea elementelor m; m 2 ; H/m; circuitului magnetic; µ k permeabilitatea magnetică. C = ε S/d Capacitatea unui condensator ε permitivitatea dielectrică; S suprafaţa electrozilor; d distanţa dintre electrozi. F/m; m 2 ; m În procesul de măsurare, conversia (modularea) se realizează cu consum de energie de la sursa externă, ce trebuie menţinut la valori minime, pentru asigurarea sensibilităţii şi preciziei. În instalaţiile şi sistemele de măsurare specifice metrologiei textile se utilizează frecvent traductoarele parametrice (tabelele IX.1.26 şi IX.1.27). Clasificarea traductoarelor parametrice utilizate în determinarea mărimilor fizice (textile) Traductor parametric/principiul fizic de conversie Mărimi măsurate 1 2 Rezistiv R Variaţia lungimii conductorului, numărului de spire ale unui rezistor bobinat Variaţia cu temeperatura /termorezistenţe şi termistoare Variaţia rezistivităţii sub acţiunea câmpului magnetic/efect Gauss Variaţia rezistivităţii sub acţiunea radiaţiilor fotorezistenţe, fotoelemente Variaţia lungimii, secţiunii şi rezistivităţii / asociere cu elemente mecanoelastice (tensorezistenţe, piezorezistenţe) Variaţia rezistivităţii prin procese chimice Tabelul IX.1.26 Deplasări liniare/unghiulare; Grosimi; niveluri Temperatură; umiditate gaze; Concentraţie amestec gaze; Viteză / debit gaze Câmp magnetic; inducţie Intensitate; flux luminos; deplasări Forţă / presiune; deformaţie; Momente; cupluri Concentraţii; umiditate
Analize fizico-mecanice 35 1 2 Tabelul IX.1.26 (continuare) Inductiv (L) / *parametrul variabil poate fi şi inductivitatea mutuală între două bobine Variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii în circuitul magnetic prin deplasarea unei armături feromagnetice întrefier variabil, miez mobil Variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii unor porţiuni din circuitul magnetic prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase Variaţia permeabilităţii magnetice sub acţiunea unor forţe (magnetostricţiune) Capacitiv (C) Variaţia distanţei sau a suprafeţei comune a armăturilor prin: deplasare, deformare; *Idem, prin asociere cu un element elastic Variaţia permitivităţii dielectricului Traductoare parametrice I. Traductoare parametrice rezistive: R = f(s) 1 2 Deplasări liniare/unghiulare; Dimensiuni; grosimi; niveluri Viteză; acceleraţie; vibraţii Forţe/presiuni/deformaţii Deplasări liniare; unghiulare; presiune; altitudine Niveluri; grosimi; umiditate; densitate liniară Tabelul IX.1.27 1. Marca tensometrică R = f(s) Marca tensometrică de rezistenţă R = ρ 1/ A supusă deformaţiei relative 1/ l prezintă o variaţie relativă de rezistenţă: DR / R = K D l / l K = 1 2µ + c(1 2µ) denumit factor de marcă sau sensibilitate Utilizare: măsurare deformaţii, forţe, momente; în construcţia dinamometrelor şi tensometrelor 2. Marca piezorezistivă ρ = f(p) ρ = 1/neµ n numărul purtătorilor de sarcină; µ valoarea coeficientului Poisson; factorul de marcă este: G = (1/ε) ( ρ/ρ) Utilizare: determinarea presiunilor 3. Traductoare magnetorezistive efect Gauss: R = f(b) în banda semiconductoare Rezistenţa electrică longitudinală a benzii este R B = R 0 (1 + kb 2 ); utilizat pentru B > 0; Sensibil la variaţia de temperatură; se instalează în montaj diferenţial. Utilizare: senzori de distanţă; unghi; turaţie
36 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ 1 2 Tabelul IX.1.27 (continuare) 4. Traductoare fotorezistive 1 fotorezistenţe: joncţiune p-n Efect fotoelectric intern: R= f (Φ); Fotorezistenţa se realizează cu semiconductoare/joncţiuni p-n cu: Se; SPb; CdSe 2 fotodiodă: joncţiune p-n, polarizată invers Sub acţiunea unui flux luminos variabil, regim de fotoconducţie la bornele Rs, semnal electric: Us = kf 3 fototranzistoare Dispozitiv echivalent asocierii a două joncţiuni: colector, C; bază, B, polarizată invers; emitor, E; bază, B, polarizată direct; Iluminarea joncţiunii C-B deschide tranzistorul; creşterea curentului diodei amplifică semnalul din baza tranzistorului; semnalul de ieşire este un curent amplificat, fără amplificator. Utilizare: măsurarea radiaţiilor optice; reglaje în funcţie de iluminare; numărare Domeniul textil: componente în instalaţii de măsură, control şi reglare optoelectronice. 5.1. Termorezistenţă: conductor 5.2. Termistor: semiconductor R = R 0 (1 + αt + βt 2 ) unde: R 0 rezistenţa termistorului la temperatura 0 K; α, β constante de material; t temperatura mediului controlat [ o C] Utilizare: măsurare temperaturi: ( 200...1000 o C); ( 70...300 o C) Domeniul textil: controlul şi reglarea t o C ca parametru de proces R = a e b/t unde: a, b constante de material; T temperatura absolută Dimensiunile (F max = 5 mm) reduc inerţia termică
Analize fizico-mecanice 37 Tabelul IX.1.27 (continuare) 1 2 II. Traductoare parametrice capacitive: C = ε S/d 1. Cu variaţia distanţei dintre electrozi 2. Cu variaţia dielectricului / gradului de umplere Caracteristica statică liniară/montaj diferenţial: U 1 = (U 0 /2d)(d + δ) U 2 = (U 0 /2d)(d δ) U e = δ (U 0 /d) Utilizare: măsurarea forţelor, tensiunilor şi coeficientului de frecare Capacitatea condensatorului cu dielectric stratificat este: Co C0εε C 0 x = = λ 1 λ + ε0λ+ε(1 λ) ε ε0 Sensibilitatea traductorului este: C x λ 1 λ = C 1 λ ε1 λ 0 Utilizare: măsurarea neregularităţii structurale; sisteme de control şi reglare automată a titlului debitat Traductoare generatoare. Elementele sensibile de tip generator /energetice sunt utilizate în cazul mărimilor active, asociate cu putere; sursele de energie auxiliară nu mai sunt necesare, conversia fiind asigurată sub acţiunea mărimii de intrare; traductorul furnizează la ieşire: curent, tensiune, sarcină electrică, dependente de mărimea de intrare. Curentul, tensiunea sau sarcina electrică sunt semnale de ieşire asigurate prin transfer parţial de energie realizat prin conversie; pentru a reduce erorile de măsurare, se impune ca semnalele de ieşire să se realizeze cu un consum de putere cât mai redus. Traductoarele generatoare au o largă utilizare în sistemele de măsurare deoarece instalaţiile de măsură care le încorporează au o structură simplă şi robustă; construcţia traductoarelor generatoare se bazează pe fenomene ca inducţie electromagnetică, termoelectricitate, piezoelectricitate şi magnetostricţiune (tabelul IX.1.28). Clasificarea elementelor sensibile electrice de tip generator Traductor parametric/principiul fizic de conversie Tabelul IX.1.28 Mărimi măsurate 1 2 Electromagnetic(de inducţie) Tensiune electromotoare de inducţie Termoelectric Tensiune termoelectromotoare de contact între două metale diferite Viteză de rotaţie; debit de fluide; vibraţii Temperatura
38 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.1.28 (continuare) 1 2 Piezoelectric Polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe/presiuni Magnetostrictiv Tensiune electromotoare de inducţie/variaţia inducţiei remanente sub acţiunea unei forţe/presiuni asupra materialelor magnetice Electrochimic Tensiune electromotoare între electrozi/ soluţii cu concentraţii diferite Fotoelectric (fotovoltaic) Curent electric/prin efect fotoelectric extern, sub acţiunea radiaţiei luminoase Forţe /presiuni dinamice; statice Forţe /presiuni dinamice; statice Concentraţia ionilor de hidrogen; (ph) Deplasări liniare sau unghiulare; Dimensiuni; turaţii Pentru aceeaşi mărime există mai multe tipuri de traductoare; opţiunea pentru un anumit tip de traductor se face în funcţie de intervalul de variaţie al mărimii măsurate, de accesibilitatea faţă de proces, de factorii de mediu, de performanţele impuse măsurării şi de factorii economici; aceste principii au stat la baza selecţionării, pentru instalaţiile de măsurare utilizate în domeniul metrologiei textile, a traductoarelor prezentate în tabelul IX.1.29. Traductoare generatoare Tabelul IX.1.29 1. Traductoare transformatoare 1 2 1. Simplu Fluxul magnetic produs la alimentarea bobinei primare induce în bobina secundară tensiunea electromotoare: e = N 2 dφ/dt = (N 1 N 2 µ 0 Aδ 1 )di/dt = C Aδ 1 Caracteristica statică este neliniară; sensibilitate variabilă 2. Diferenţial Traductorul transformator diferenţial, compus din bobina primară şi două bobine secundare conectate în sens contrar, determină un semnal de ieşire, U s, proporţional cu deplasarea miezului faţă de axa de simetrie: U S = U 35 U 45 =2kx U p( N 2 /N 1 ) Caracteristica statică este liniară; sensibilitatea constantă 2. Tahogeneratoare 1. Tahogenerator monofazat *de tensiune alternativă Tensiunea electrică este generată prin inducţie magnetică (circuit magnet permanent mobil). Tahogeneratorul: o micromaşină electrică, de c.c. sau de c.a., caracterizată prin proporţionalitatea dintre tensiunea la borne (la mers în gol) şi turaţie: U = Xe = K n Amplitudinea tensiunii semnal se determină prin redresare în punte şi formarea valorii medii.
Analize fizico-mecanice 39 1 2 Tabelul IX.1.29 (continuare) 2. Tahogenerator trifazat Tensiunea de ieşire redresată are doar o mică ondulaţie reziduală; inductorul este un rotor cu poli aparenţi, alternativi; statorul are un număr egal de poli, repartizaţi uniform pe circumferinţă. Utilizare: măsurarea turaţiilor în limitele: n max = 2000 rot/min (c.c.) sau 3000 rot/min (c.a.); componente în instalaţii de control şi reglare a parametrilor de proces în textile 3.1. Temocuplul 3. Traductoare termoelectrice şi piezoelectrice Tensiunea termoelectromotoare este generată prin efect Seebeck, între punctul de sudură a două metale (t) şi capetele libere (t 0 ) plasate în gradient de temperatură, fiind proporţională cu acesta: U T = K T (t t 0 ) unde: K T sensibilitatea termică (depinde de natura metalelor utilizate); K T = k/e ln (n b / na) k constanta lui Boltzmann; e sarcina elementară; na; nb concentraţia electronilor în cele două componente ale termocuplului. Utilizare: determinarea temperaturii ca parametru de proces ( 200...13000 o C) Domeniul textil: determinarea temperaturilor de proces; sensibil şi precis; în construcţia instalaţiilor pentru determinarea conductivităţii şi a capacităţii de izolare termică a materialelor textile 3.2. Senzori piezoelectrici Tensiunea mecanică aplicată pe direcţia axei electrice cauzează fenomene de polarizare şi apariţia de sarcini electrice pe suprafaţa cristalelor de cuarţ şi titanat de bariu: Q = k P F k P constanta piezoelectrică sau piezomodul, cu valori în limitele 2,10-12...2,10-10 A s/ N. Domeniu de utilizare: în construcţia accelerometrelor (acceleraţii, valori până la 106 m s 2 şi vibraţii sinusoidale cu f = 2-104 Hz); Domeniul textil: testarea elementelor constructive ale maşinilor textile (regim dinamic); utilizarea lor în regim static impune utilizarea amplificatoarelor de sarcină
40 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ 1 2 4. Traductoare magnetostrictive Tabelul IX.1.29 (continuare) Tensiunea indusă apare la modificarea caracteristicii de histereză, prin compresie/întindere. În circuitul magnetic format din material magnetostrictiv modificarea permeabilităţii magnetice, µ, sub acţiunea forţei/presiunii determină variaţia inducţiei B şi induce tensiune în bobina asociată. Variaţia inducţiei sub acţiunea forţei F induce tensiunea e. Amplificatorul operaţional cu reacţie capacitivă permite integrarea semnalului tensiune U e : e = n cdb r /dt = n c C B σ/dt Br Ue = 1/ RC e dt = 1/ RCncCBσ Br 0 5.1. Senzor Hall 5. Traductoare magnetoelastice Variaţia permeabilităţii magnetice în funcţie de starea de tensiune mecanică determină modificarea coeficientului de cuplaj între bobine (compresia determină scăderea permeabilităţii, pe direcţia de aplicare, şi fluxul creşte în plan transversal; astfel are loc creşterea tensiunii induse în secundar, U e ) Utilizare: în instalaţii de măsură pentru determinarea forţelor şi presiunilor variabile, în regim de frecvenţă ridicat (elementele magnetostrictive din ferită) Variaţiile câmpului de inducţie magnetică B sunt convertite de banda semiconductoare de grosime d, prin care trece curentul longitudinal, de comandă, I, în impulsuri de tensiune, transversale (tensiune Hall) U H = R H IB/d Valoarea tensiunii Hall este independentă de temperatură (la valori uzuale, semiconductor realizat cu GaAs). Utilizare: senzori pentru distanţe; unghiuri; turaţii/ monitorizarea frecvenţei ruperilor la maşinile de filat
6.1. Cu reluctanţă variabilă Analize fizico-mecanice 41 1 2 6. Traductoare de turaţie (în frecvenţă) Tabelul IX.1.29 (continuare) Elementul sensibil, compus dintr-un magnet permanent prelungit cu un miez de fier, pe care este înfăşurată o bobină, este plasat la periferia unui disc de material feromagnetic. Discul, prevăzut cu proeminenţe sau fante, este montat pe axul a cărui turaţie se determină. Reluctanţa este minimă când dintele se plasează în prelungirea miezului; reluctanţa este maximă când în prelungirea miezului se află un spaţiu liber (dinte, spaţiu liber = reper). Variaţia reluctanţei magnetice determină variaţia fluxului magnetic, care induce în bobină tensiunea U e (t); la o rotaţie a discului, se obţine un număr de impulsuri egal cu numărul de repere 6.2. De inducţie Discul D (material feromagnetic), fixat pe axul în mişcare de rotaţie, realizează, prin fantă, cuplajul magnetic între bobine, determinând funcţionarea oscilatorului magnetic. Tensiunea U 0 (frecvenţă înaltă), furnizată de acesta, este detectată/filtrată în blocul D+F, la ieşirea căruia semnalul variază în limitele U F = U max ; U L =U min. Distanţa dintre bobine este de ordinul milimetrilor, pentru deschiderea cuplajului. 6.3.Cu senzor magnetic comutator, SMC (efect Hall) Senzorul funcţionează cu ecranarea (concentrarea) câmpului magnetic. SMC şi magnetul permanent sunt aşezaţi de o parte şi de alta a discului (1) sau de aceeaşi parte (2), astfel distanţaţi încât să se poată atinge pragul de deschidere al senzorului. 1. Partea plină a discului ecranează câmpul magnetic şi blochează senzorul; decuparea deschide senzorul; 2. Partea plină a discului concentrează liniile de câmp în dreptul elementului Hall, determinând creşterea inducţiei magnetice (senzorul este plasat în câmp de joasă intensitate, insuficient pentru deschiderea sa). La ieşirea din adaptor se obţin semnalele U e, nivel logic 0/senzor deschis; U e, nivel logic 1/senzor blocat (3)
42 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ 7.1. Traductoare de radiaţii termice 7.2. Traductoare de radiaţii radioactive Detector cu semiconductor Camera de ionizare 1 2 7. Traductoare generatoare / de radiaţii Tabelul IX.1.29 (continuare) Temperatura unui corp se determină prin măsurarea radiaţiei emise, dacă se cunoaşte coeficientul total de emisie. Pirometrele de radiaţie totală sunt prevăzute cu termocuplu şi determină echilibrul dintre energia radiantă emisă E (corespunzătoare unei suprafeţe determinate a corpului radiant, la temperatura T) şi căldura evacuată. La echilibru se îndeplineşte condiţia: K d (T d T 0 ) = K S T 4 Termocuplul converteşte diferenţa de temperatură în semnal tensiune, proporţional cu T 4 Radiaţiile incidente ionizează mediul activ gazos, armăturile camerei de ionizare; curentul este proporţional cu numărul de perechi de ioni din unitatea de volum (intensitatea radiaţiei incidente). Camerele de ionizare funcţionează în regim de impulsuri; constanta de timp τ = RC este mai mică decât intervalul de timp dintre două particule. Radiaţia incidentă creează în plăcuţa de semiconductor un număr de purtători de sarcină proporţional cu intensitatea sa (energia de activare este mai mică decât în cazul precedent). Se utilizează semiconductoare cu ρ > 10 8 Ω cm Detector cu joncţiune p-n Detectorul este realizat asemănător unei fotodiode (joncţiune p-n polarizată invers), cu tensiunea de alimentare mai mică decât tensiunea de străpungere. Joncţiunea se caracterizează prin regiunea mai mare a sarcinii spaţiale, care este mai aproape de suprafaţă, iar fereastra detectorului are o grosime neglijabilă 8. Traductoare generatoare cu elemente fotovoltaice: efect fotoelectric extern, U = KF 8.1. Celule fotoelectrice Dispozitiv semiconductor (joncţiune p-n cu Si, Ge, Se) echivalent cu o sursă în paralel cu rezistenţa de sarcină R s.fotocurentul generat de purtătorii de sarcină depinde de aria fotosensibilă, iluminare şi rezistenţa de sarcină, R s.t.e.m. la borne este independentă de aria fotosensibilă şi variază logaritmic cu iluminarea
8.2. Fotomultiplicatoare Analize fizico-mecanice 43 1 2 Tabelul IX.1.29 (continuare) Tuburi fotoemisive cu mai mulţi electrozi / dinozi (din Ag-Mg; Be-Cu) alimentaţi pe o reţea divizoare de tensiune, care determină amplificarea în trepte a emisiei fotoelectronice/secundară/datorită potenţialului pozitiv, crescător. Amplificarea de curent rezultată este de 10 5-10 7, factorul de amplificare fiind: M=N g, unde: N numărul de dinozi; g factorul de emisie secundară determinat de natura electrodului şi de energia cinetică a electronilor incidenţi. Utilizare: traductoare de mărimi caracteristice radiaţiilor luminoase; traductoare de mărimi neelectrice, funcţionând pe principiul modulării unui flux luminos. 9. Traductoare în frecvenţă, cu elemente fotoelectrice (cu modulator de flux luminos) a. Prin întrerupere Sursa de radiaţii luminoase SR / spectru vizibil; IR şi elementul fotoelectric EF sunt plasate simetric faţă de discul opac cu perforaţii, fix pe axa în mişcare de rotaţie, la distanţă de ordinul milimetrilor. Alinierea SL cu fanta formează impulsuri luminoase care se convertesc la nivelul EF în impulsuri de tensiune, de frecvenţă egală cu produsul dintre turaţia axului şi numărul de orificii. b. Prin reflexie cu repere reflectorizante (plasate direct pe ax, când acesta o permite) Reperele sunt realizate cu vopsea / bandă reflectorizantă; sursa de lumină, SL, şi elementul fotosensensibil, EF, sunt plasate simetric faţă de reper, încât asigură încidenarea acesteia din urmă de spotul reflectat. Impulsurile luminoase de frecvenţă egală cu produsul dintre turaţia axului şi numărul de repere sunt convertite în EF în impulsuri de tensiune cu repere reflectorizante (plasate pe un disc, când axul nu permite) Reperele sunt porţiuni reflectorizante plasate pe circumferinţa unui disc fixat pe axul în mişcare de rotaţie; sursa de lumină, SL, lentilele de focalizare, L 1 şi L 2 şi elementul fotosensibil, EF, sunt capsulate în sonda sau capul de citire care se plasează la distanţă de ordinul centimetrilor faţă de piesa aflată în mişcare de rotaţie
44 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ 1 2 Tabelul IX.1.29 (continuare) Semnalul de ieşire, obţinut prin conversia impulsurilor luminoase, este o tensiune cvasidreptunghiulară, ce corespunde porţiunilor reflectorizante. Traductoarele de turaţie cu elemente fotoelectrice se pot cupla atât cu adaptoare analogice cât şi cu adaptoare numerice; sunt foarte răspândite Utilizare: măsurarea turaţiilor c. Interferometrul laser Lumina monocromatică produsă de un laser este scindată în raza de măsurat şi raza de comparaţie prin oglinda semitransparentă, în punctul A. Raza de măsurat 1 şi raza de comparaţie 2 sunt returnate în punctul B, unde formează benzile de interferenţă, analizate de fotodetectorii D. Deplasarea reflectorului de măsurare este percepută ca muliplu de λ/4 prin trecerea franjelor de la maxim la minim; în fotodetectorii D se formează semnale sinusoidale, a căror frecvenţă poate fi determinată cu ajutorul unui numărător electronic. Precizia determinărilor depinde de precizia sursei / lungimea de undă, l, şi de mediu. Variaţia de distanţă rezultă sub forma: 2d = λ 0 N(1 + K) unde: N numărul de franje; K factor de corecţie, în funcţie de parametrii de climat IX.1.3.3. Subansambluri de prelucrare a semnalului (adaptoare) Adaptoare mecanice. În construcţia mijloacelor de măsurare, subansamblurile mecanice de transmitere şi prelucrare a informaţiei de măsurare au rolul de a transmite şi de a realiza diferite operaţii matematice cu semnale de măsurare. Adaptoarele mecanice sunt utilizate în construcţia mijloacelor de măsurare datorită simplităţii construcţiei. Ele prezintă dezavantaje legate de precizia mare care se impune execuţiei pentru limitarea erorilor constructive. Subansamblurile mecanice pentru semnalele de măsurare pot fi asimilate unor traductoare cu mărimea de ieşire identică cu mărimea de intrare (ca natură); adaptoarele mecanice sunt caracterizate prin constanta denumită raport de multiplicare (inversul raportului de transmitere sensibilitate). Constructiv, sunt realizate ca: mecanisme cu pârghii; mecanisme cu roţi dinţate; mecanisme cu cremalieră şi pinion; mecanisme cu tije şi şurub; mecanisme cu pârghii şi roţi dinţate; mecanisme cu şurub; mecanisme cu arcuri plane (tabelul IX.1.30.)
Analize fizico-mecanice 45 Subansambluri mecanice pentru transmiterea şi prelucrarea informaţiilor de măsurare 1. Subansambluri mecanice pentru transmiterea semnalelor mecanice Tabelul IX.1.30 Xe =a/b Xi Xe = R 1 /R 2 Xi Xe = 2π/p z Xi 2. Subansambluri mecanice pentru prelucrarea semnalelor mecanice Xe = R 1 /α R 2 Xi Xe = πdi/p Xi Xe = 2π/p Xi Mecanismele cu pârghii pot fi utilizate fie ca atare, fie în combinaţie cu roţile dinţate; acestea îndeplinesc funcţii de multiplicare/demultiplicare, de comparare a deplasărilor/ forţelor. Mecanismele cu pârghii compensează parţial erorile constructive prin reglarea lungimii braţelor. Mecanismele cu roţi dinţate multiplică /demultiplică semnalele unghiulare de intrare, demultiplică deplasări pentru realizare de cupluri/viteze în subansamblurile înregistratoare, în instalaţiile de măsurare, conferă: compactitate, randament ridicat, raport de transmitere constant, siguranţa în funcţionare şi fiabilitate ridicată, dar nu permit variaţia continuă a raportului de transmitere, iar execuţia roţilor dinţate de precizie este dificilă şi necesită maşini- unelte specializate. Particularităţile angrenajelor utilizate în construcţia aparatelor de măsurare sunt: dimensiunile dinţilor nu se calculează la rezistenţă, ci se determină în funcţie de necesităţile constructive şi tehnologice, deoarece forţele care acţionează asupra angrenajelor sunt mici; transmiterea directă a semnalelor de măsurare impune condiţii legate de precizia de execuţie şi de absenţa mersului în gol, produs de prezenţa jocului la flanc; utilizarea rapoartelor de transmitere de valori ridicate impune folosirea pinioanelor cu un număr foarte mic de dinţi şi deci corijarea danturii; momentele de rotaţie ale mecanismelor din construcţia aparatelor depăşesc adesea, cu foarte puţin, momentul total de frecare; de aceea, este necesar să se evite prin diferite măsuri constructive şi tehnologice creşterea momentelor de frecare. Majoritatea angrenajelor utilizate în construcţia subansamblurilor de transmitere şi multiplicare din construcţia aparatelor sunt cilindrice, cu dantură dreaptă (profil cicloidal adecvat construcţiei pinioanelor cu număr mic de dinţi). Adaptoare electronice. Conversia şi adaptarea semnalului de ieşire la cerinţele impuse de instalaţia de măsurare implică circuite şi blocuri electronice, utilizate sub denumirea de adaptoare electronice. Adaptorul converteşte mărimea (semnalul) generată de traductor în semnal electric standardizat (tensiunea curentul semnal variază în anumite limite, indiferent de natura şi domeniul de variaţie al mărimii de intrare).
46 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Semnalul standardizat se utilizează în forma analogică sau numerică; forma numerică permite conectarea instalaţiei de măsurare cu un sistem de calcul, cu avantajul prelucrării automate în formele cele mai convenabile pentru utilizator. Rezultatul procesului de măsurare este urmărit continuu şi prezentat prin intermediul terminalelor sistemului de calcul, videomonitorul şi imprimanta, şi se redactează sub forma protocoalelor de analiză. Adaptoarele pentru traductoare parametrice se realizează ca punţi de curent continuu / alternativ, la dezechilibru; semnalul de dezechilibru este aplicat după o amplificare convenabilă etajului de ieşire, care îl converteşte în semnalul unificat al traductorului. Influenţa perturbaţiilor este eliminată printr-o reacţie negativă, care trebuie să cuprindă în buclă cât mai multe componente. Dacă elementul sensibil sau schema de măsurare prezintă neliniarităţi, se prevăd blocuri de liniarizare sub forma unor generatoare de funcţii, plasate fie pe legătura directă, fie pe calea de reacţie. Mijloacele de măsurare performante sunt prevăzute cu blocuri speciale de calcul, capabile să diminueze sau să elimine componentele parazite detectate o dată cu mărimea măsurată. Fig. IX.1.13. Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil parametric (R): SM schema de măsurare tip punte Wheatstone, în c.c.; BC bloc de comparaţie; Ud tensiunea de dezechilibru; Ur tensiune de reacţie; D variaţia tensiunii; A amplificator de tensiune continuă; CTC convertor tensiune-curent; B bloc de reacţie negativă; BL bloc de reacţie şi liniarizare; BL bloc de liniarizare. Observaţii: 1. Schemele de măsurare în punte permit compensarea influenţei unor factori externi şi asigură o precizie mai ridicată decât montajele de tip potenţiometric. 2. Pentru elemente sensibile inductive şi capacitive, structura adaptorului este similară; apar deosebiri în modul de realizare a elementelor componente (fig. IX.1.13). 3. Instalaţiile de măsurare sunt punţi de curent alternativ, funcţionând în regim dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sunt de tipul selectiv, acordate pe frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare. IX.1.3.4. Subansambluri indicatoare Rezultatul măsurării este indicat / înregistrat grafic prin preluarea directă a semnalului prelucrat forma de prezentare a rezultatului măsurării trebuie să fie compatibilă cu operatorul: uman, automat. Indicarea se realizează: în formă analogică / interpretare directă a valorilor, vitezei şi sensului de variaţie a mărimilor: mecanic prin deplasarea unui ac sau a unui alt element mobil, uşor vizibil, în faţa unei scări fixe, gradate direct în unităţile mărimii de măsurat, la clasa de precizie de 0, 2-2, 5%; electronic osciloscoape catodice, capabile să vizualizeze fenomene periodice, rapide, unice sau semnalele cu variaţie lentă şi să păstreze imaginea;
Analize fizico-mecanice 47 în formă numerică afişare periodică a unei succesiuni de cifre care exprimă numeric mărimea valorii mărimii măsurate; indicarea este periodică, cu precizie ridicată (0,1-0,01 %); în forme asociate numerică şi analogică. Indicatoare analogice. Acestea sunt mecanice şi electrice. Indicatoarele analogice mecanice lucrează prin deplasarea unui ac indicator în dreptul unei scări cu repere; deplasarea scării cu repere prin dreptul unui indicator fix (suportul scării): cadran; scările pot fi: liniare, unghiulare, circulare, spirale, elicoidale. Indicatorul mecanic presupune o percepţie optică subiectivă a rezultatului măsurării. Soluţiile constructive reduc erorile de paralaxă p, prin abaterea razei vizuale de la perpendiculara dusă pe planul cadranului în punctul de citire; eroarea de paralaxă este: b p = l, a b (IX.1.7) unde: b este distanţa dintre vârful acului indicator şi planul cadranului; l abaterea; a distanţa de la planul ochiului observatorului faţă de planul cadranului (fig. IX.1.14). Eliminarea erorilor de paralaxă este obţinută prin indicare optică, prin proiectarea pe o scară corespunzătoare a reperului sau indexului. Creşterea preciziei de citire a indicatoarelor se obţine prin ataşarea unui vernier care permite citirea fracţiunilor între două diviziuni; constructiv, vernierul este o scară auxiliară (fig. IX.1.15), la care citirea se face prin alăturare sau suprapunere. Numărul de diviziuni ale vernierului se calculează cu relaţia: n = t/i, în care: t este valoarea diviziunii pe scara principală; i precizia de citire a vernierului. Lungimea vernierului este: L = (g n l) d, unde: g este modulul vernierului, care poate lua numai valori întregi; d distanţa dintre două diviziuni pe scara principală. Fig. IX.1.14. Eroarea de paralaxă. Fig. IX.1.15. Principiul vernierului. Indicatoarele analogice electrice sunt destinate vizualizării variaţiei mărimilor în timp sau în funcţie de o mărime dată şi prezintă avantajul determinării parametrilor şi funcţiilor statistice. Osciloscopul (utilizat independent sau ca şi component al instalaţiilor de măsurare) vizualizează variaţia sau interdependenţa semnalelor electrice /sau a mărimilor redate prin intermediul acestora, pe ecranul tubului catodic, sub forma oscilogramei. Osciloscopul funcţionează cu consum extrem de mic de putere de la circuitul de măsurare, cu sensibilitate ridicată, în domeniul de frecvenţă de 10 2 MHz - 10 GHz, cu posibilitatea de amplificare / atenuare convenabilă, prezentând universalitate şi comoditate.
48 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Blocurile componente ale osciloscopului sunt: tubul catodic, în interiorul căruia este generat fasciculul de electroni care, deviat sub acţiunea câmpurilor produse de semnalele de studiat aplicate unui sistem de deflexie a fasciculului, ciocnesc ecranul, descriind pe acesta curbele dorite; amplificatoare de deflexie (pe verticală şi pe orizontală), care amplifică semnalele de studiat prea mici, înainte de a fi aplicate sistemului de deflexie; atenuatoarele care micşorează semnalele de studiat prea mari, înainte de a fi aplicate sistemului de deflexie; la osciloscoapele moderne, atenuatoarele sunt calibrate în V/cm sau mv/cm, cu observaţia că această calibrare este valabilă numai dacă reglajul amplificării amplificatorului respectiv este la maxim; generatorul bază de timp (de baleiaj), care generează o tensiune liniar-variabilă (în formă de dinţi de ferăstrău), ce constituie tensiunea bază de timp care se aplică sistemului de deflexie pentru a produce deviaţia pe orizontală cu o viteză uniformă a fasciculului de electorni; această tensiune se aplică în cazurile în care se urmăreşte vizualizarea variaţiei în timp a semnalului de studiat; pentru a putea vizualiza şi semnale neperiodice, la osciloscoapele moderne acest generator poate funcţiona fie continuu (relaxat), generând un semnal periodic chiar şi în absenţa semnalului de vizualizat, fie declanşat; circuitul de sincronizare (de declanşare), care are rolul de a sincroniza automat tensiunea bază de timp cu semnalul de studiat (sau un alt semnal exterior), astfel ca frecvenţa semnalului de vizualizat să fie un multiplu întreg al frecvenţei bazei de timp, pentru ca imaginea pe ecranul tubului să fie stabilă (imobilă); blocul de alimentare, prin intermediul căruia se alimentează de la reţeaua de curent alternativ celelalte blocuri şi care conţine surse stabilizate de înaltă şi joasă tensiune. În cazul funcţionării ca bază de timp declanşată, mai sunt necesare următoarele circuite: circuitul pentru controlul intensităţii spotului, care are rolul de a stinge spotul când la intrare nu se aplică semnal (baza de timp fiind astfel blocată); în acest fel, ecranul este protejat; circuitul de întârziere, care face ca semnalul să fie vizualizat corect, deoarece are rolul de a întârzia semnalul astfel încât acesta să se aplice plăcilor de deflexie verticale, după ce baza de timp a început să funcţioneze. În afara acestor blocuri componente, comune tuturor osciloscoapelor moderne, la unele osciloscoape se mai întâlnesc şi alte circuite, cu destinaţii diferite în funcţie de tipul şi complexitatea aparatului. Tubul catodic reprezintă partea principală a osciloscopului care este un traductor electronooptic care converteşte energia unui fascicul de electroni, focalizat, în energie luminoasă prin proiecţia pe ecranul fluorescent al tubului (fig. IX.1.16); fasciculul de electroni fiind practic lipsit de inerţie, se pot observa şi înregistra procese de durată foarte redusă; fenomene periodice cu frecvenţă mare şi fenomene aperiodice (se aplică în microscopia electronică, TV). Fig. IX.1.16. Structura funcţională a tubului catodic. 1 catod; 2 cilindru Wehnelt; 3 anod de focalizare; 4 anod de accelerare; 5 placa de fenomen / deflexie verticală; 6 plăci de deflexie orizontală; 7 ecran.
Analize fizico-mecanice 49 Tubul catodic este format dintr-un tub cu vid (10 8 mm Hg) la care se disting următoarele părţi: partea cilindrică, în interiorul căreia se află un tun electronic care emite, focalizează şi accelerează fasciculul de electroni, şi un sistem de deflexie pentru devierea acestui fascicul corespunzător semnalelor de studiat; partea tronconică, în interiorul tubului, corespunzător acestei părţi, este depus un strat bun conducător de electricitate, care are rolul de ecranare şi de colectare a electronilor, după ce aceştia au lovit ecranul; partea frontală, în care tubul catodic are un ecran acoperit în interior cu substanţe luminofore, fapt pentru care el devine luminos în punctul în care este lovit de fasciculul de electroni. Comanda, focalizarea şi deflexia fasciculului de electroni se pot face electrostatic sau electromagnetic, de obicei la osciloscoape fiind electrostatice. Tunul electronic (dispozitiv de emisie şi focalizare) este format din: catodul 1, emitor termoionic de electroni, realizat ca tub metalic cu suprafaţa frontală acoperită cu un strat de oxizi de bariu şi stronţiu, ( încălzit indirect de către un filament bifilar interior); electrodul de comandă 2 (cilindru Wehnelt), care controlează intensitatea fasciculului de electroni ce pleacă de la catod, deoarece el se află la un potenţial negativ faţă de acesta; este de formă cilindrică, înconjoară catodul, fiind prevăzut în partea frontală cu un mic orificiu prin care trec electronii; anodul de focalizare 3, concentrează şi focalizează fasciculul divergent de electroni care iese din electrodul de comandă, fiind realizat ca cilindru prevăzut în interior cu mai multe diafragme (pentru captarea electronilor marginali, la un potenţial pozitiv faţă de catod); anodul de accelerare 4 accelerează mişcarea electronilor concentraţi într-un fascicul subţire, determinând viteza cu care aceştia ajung pe ecran; este tot de formă cilindrică şi are un potenţial fix, pozitiv faţă de catod; de patru-cinci ori mai mare decât potenţialul anodului de focalizare. Electrodul de comandă şi cu cei doi anozi (de focalizare şi de accelerare) constituie o lentilă electrostatică. Tuburile catodice moderne au şi un al treilea anod de postaccelerare, aşezat după sistemul de deflexie şi conectat la un potenţial ridicat (4000 V), care măreşte intensitatea spotului. Potenţiometrele îndeplinesc funcţiile: potenţiometrul RG reglează luminozitatea imaginii pe ecran prin intensitatea fasciculului de electroni emişi de electrodul de comandă, astfel: cu cât electrodul de comandă este mai negativ faţă de catod, cu atât mai puţini electroni vor reuşi să treacă de el; potenţiometrul RA reglează potenţialul anodului de focalizare pentru a obţine focalizarea fasciculului de electroni pe ecran sub forma unui punct luminos; imaginea de pe ecran va avea astfel claritatea maximă. Sistem de focalizare (2-3-4) este compus din lentile electrostatice alcătuite din anozii A 2 de focalizare şi A 3 de astigmatizare, ce concentrează fasciculul de electroni; traiectoriile electronilor sunt reflectate pe suprafeţele echipotenţiale ale celor două lentile, confundându-se cu raza tubului catodic. Sistemul de deflexie (5-6) este format din: plăci de deflexie verticale PT, de fenomen, pe care se aplică semnalul urmărit, sub forma unei tensiuni compatibile cu caracteristicile tubului catodic; plăci de deflexie orizontale, PH, pe care se aplică o tensiune liniar variabilă, permiţând astfel reprezentarea semnalului studiat ca funcţie de timp. Deviaţia spotului de electroni proiectat pe ecran este direct proporţională cu tensiunea aplicată pe plăcile de fenomen, U y (pentru o anumită valoare a tensiunii de accelerare, U, la dimensiuni date ale tubului catodic). Sistemul de postaccelerare, utilizat la tuburile catodice perfecţionate, pentru mărirea luminozităţii spotului, constă din: aplicarea unei tensiuni la nivelul tubului catodic; utilizarea unei grile de câmp, după sistemul de deflexie; utilizarea unei lentile electrostatice de câmp.
50 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Sistemul de vizualizare este format din ecranul tubului catodic, acoperit pe suprafaţa interioară de o substanţă denumită luminofor, care devine luminescentă atunci când este bombardată cu electroni. Luminoforul absoarbe energia cinetică a electronilor incidenţi şi emite, în spectrul vizibil, energie luminoasă, de joasă frecvenţă. Radiaţia secundară este iniţiată într-un interval de timp de 10 8 s la utilizarea substanţelor fluorescente; de microsecunde / minute, dacă se utilizează substanţe fosforescente; luminoforii permit obţinerea unor ecrane de culori diferite, cu persistenţă variabilă a imaginii (vilemitul Zn 2 SiO 4 ; magnezitul; sulfatul de zinc sau alţi compuşi ai fosforului, zincului, cadmiului, calciului) Alegerea tubului catodic se face în funcţie de remanenţa/ persistenţa imaginii: persistenţa imaginii µs-ms, studiul fenomenelor de frecvenţe ridicate; remanenţa imaginii, secunde - zeci secunde, studiul fenomenelor de joasă frecvenţă. Vizualizarea şi studierea simultană a două sau mai multe semnale se realizează cu osciloscoape prevăzute cu comutator electronic, care divizează fasciculul în diviziuni comandate independent (placa de deflexie orizontală este comună dar plăcile de deflexie verticale sunt independente, pentru fiecare diviziune). Indicatoare numerice. Acestea sunt mecanice şi electrice. Indicatoarele numerice mecanice permit afişarea rezultatului măsurării sub forma unei succesiuni de cifre reprezentând exprimarea numerică a valorii mărimii măsurate. Avantajele indicatoarelor numerice sunt: mărirea preciziei de citire prin eliminarea erorilor subiective, lipsa erorilor de paralaxă, creşterea vitezei de citire şi scurtarea procesului de măsurare. Indicatoarele numerice mecanice transformă rotaţia unghiulară într-un semnal discret: la o rotaţie completă a elementului conducător, elementul condus se roteşte cu o diviziune (raport de transmitere, zece); elementul condus trece de la o poziţie la alta în salturi, în intervale mici de timp; între două treceri consecutive elementul condus este blocat, pentru a evita deplasări suplimentare prin şocuri mecanice. Indicatoarele numerice electrice sunt realizate în diverse variante: tuburile indicatoare numerice Nixie, tuburi cu gaz nobil, în care se află zece catozi confecţionaţi din sârmă subţire de crom -nichel, de forma cifrelor (0-9) şi un anod în formă de plasă ce înconjoară grupul de catozi. Dacă tensiunea dintre anod şi unul dintre catozi este egală cu tensiunea de aprindere, între aceşti doi electrozi se amorsează o descărcare luminescentă, a cărei culoare depinde de natura gazului, care vizualizează cifra corespunzătoare. afişarea cu diode luminescente, LED, prezintă avantajul unei fiabilităţi mari (timpul de funcţionare este de ordinul sutelor de mii de ore) şi al posibilităţii de introducere a reţelei integrate cu care se pot vizualiza cifre sau litere; reţelele se realizează pe baza a şapte segmente luminoase, fiecare segment fiind format din două diode fotoluminescente. Dioda alimentată în sens de conducţie răspunde nivelului logic al semnalelor de ieşire din decodor prin emisia radiaţiei luminoase de 6500 Å; diodele emit pe culorile roşu, galben, verde sau IR (la transmiterea informaţiei). afişarea cu cristal lichid, LCD, constituie cel mai nou sistem de afişare şi se bazează pe modificarea transparenţei optice în funcţie de starea de polarizare electrică indusă unui strat subţire, de grosime de 40-50 mm de lichid organic, anizotrop; cristalul lichid dobândeşte proprietatea de a dispersa lumina ambiantă, iar contrastul nu va fi dependent de intensitatea luminoasă din încăperea de lucru. Sistemul de afişare cu cristale lichide prezintă avantajele unui consum minim de putere şi ale posibilităţii de utilizare indepedentă faţă de lumina ambiantă. IX.1.3.5. Subansambluri înregistratoare Înregistrarea constituie un proces de automatizare a prezentării rezultatelor măsurării, cu următoarele avantaje: prezentarea rezultatelor măsurării fără erori de citire;
Analize fizico-mecanice 51 urmărirea continuă a variaţiei mărimii măsurate; urmărirea unor mărimi care se modifică lent în timp; urmărirea unor mărimi cu o desfăşurare rapidă în timp; urmărirea simultană a variaţiei mai multor mărimi. Mijloacele de măsurare dotate cu înregistratoare sunt denumite în funcţie de natura fizică a mărimii de intrare: higrografe, termografe, vibrografe. Înregistratoarele se clasifică astfel: constructiv: mecanice; optice; electrice; magnetice şi electronice; în funcţie de domeniul de utilizare: industriale; de laborator. Înregistratoarele se adoptă după caracteristicile de transfer în regim static sau dinamic; sunt utilizate ca unităţi independente sau cuplate constructiv, direct cu mijlocul de măsurare, formând un aparat sau o instalaţie de măsurare. Înregistratoare mecanice. Structura unui înregistrator mecanic constă din: inscriptor cu sistem de acţionare şi suportul de înregistrare cu sistemul său de transport. Procedeul de înregistrare memorează şi face vizibilă variaţia mărimii de măsurat. Fidelitatea înregistrării depinde de modul de realizare (tabelul IX.1.31), care poate fi: prin aport de material pe suportul de înregistrare utilizat industrial: suportul, hârtia de înregistrare, trebuie să aibă: o suprafaţă netedă (coeficient de frecare redus); să constituie un bun absorbant pentru lichidul (pasta) utilizat de inscriptor; să prezinte o bună stabilitate dimensională la variaţiile de umiditate; inscriptorul, peniţa de sticlă (metalică, din material plastic), uneori cu rezervor propriu, de masă (inerţie) redusă; înscrierea prin copiere se obţine cu etrier căzător (acţiune continuă, intermitentă). Procedee de înscriere utilizate în sistemele de înregistrare Tabelul IX.1.31 Procedeul Schema de înscriere Inscriptor/ Caracteristici tehnice Utilizare/Mt.T 1 2 3 4 Înscriere cu aport de material pe suport cu: 1 creion, cerneală, pastă, carioca 2 cu jet de cerneală 3 înscriere prin copiere: continuă; intermitentă Îndepărtare de material de pe suport prin: 1 vârf aşchietor / îndepărtare adaos; Creion de grafit, argint, plumb, peniţă cu cerneală, carioca; Fz = 1; 0,1 N; Fx = 0,4; 0,04 N; v = 1m/s Jet de cereneală electrizat, expulzat prin duză; Fz = Fx = 0; v = 1 m/s Tija metalică se deplasează şi apasă pe suport banda tuşată Fz = 1; 10 N; Fx = 0,4; 0 N v = 1 m/s; f = 10 Hz Inscriptor: vârf metalic Suport: hârtie cerată Fz = 0,1; 0.01N; Fx = 0,04; 0,004 N v = 1m/s Uster Conventional; Dinamometre (măsurări analogice) Imprimante cu jet Dinamometru pentru fire, Metrimpex (plan înclinat)
52 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.1.31 (continuare) 1 2 3 4 2 perforare mecanică; perforare cu scântei electrice 3 electrotermic v v Inscriptor: perforator, electrod Suport: hârtie Fz = 1-10 N; 0,02 N; Fx = 0; 0,01 N; f = 10; 1000 perforaţii / secundă Inscriptor: electrod, pe ambele feţe ale suportului de hârtie specială* Fz = 0,2 N; Fx = 0,1N; v = 1m/s; 10 000 puncte/s; U = 250V Modificarea locală a suportului de înscriere: 1 termic Inscriptor: Tijă metalică încălzită Suport: hârtie Fz = Fx = 0; v = 0,1m/s 2 scântei/ impulsuri electrice 3 înscriere magnetică Fz Fx Electrozi între care au loc descărcări care ard partea superioară a suportului de hârtie Fz = Fx = 0; v = 1 m/s; U = 250 V Inscriptor: cap magnetic de redare Suport: bandă magnetică Fz = 0,2 N; Fx = 0,1 N; v = 1 m/s Înregistratoare: Rotschild/ F-meter; Cohesion-meter 4 înscriere fotografică Inscriptor: fascicul mobil de raze de lumină; γ Suport: hârtie/placă fotografică; Fz = Fx = 0 Microscoapele electronice de tip TEM; SEM prin modificarea locală a proprietăţilor suportului: suportul / stratul de acoperire se modifică local, prin tratament termic; magnetic / sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete sau radioactive / fenomene / mărimi rapid variabile, v = 1 m/s; viteza de redare creşte la inscriptoarele cu electrozi; suportul din hârtie subţire este acoperit cu un strat subţire de sulfură de zinc, care arde prin căldura dezvoltată de electrod şi suportul hârtiei (o peliculă subţire de aluminiu); prin îndepărtare de material de pe suport: cu: vârf metalic aşchietor, tijă metalică încălzită, cu electrod care formează o cuplă de frecare.
Analize fizico-mecanice 53 Antrenarea suportului înregistrării se realizează cu: mecanisme de ceas: asigură funcţionare (2 ore - 32 zile); motoare sincrone sau asincrone, motoare pas cu pas şi motoare de curent continuu cu turaţie stabilizată; antrenarea suportului cu motoare electrice (c.a./ monofazat) îndeplineşte condiţii de autopornire; realizează turaţie constantă indiferent de sarcină sau de variaţiile de tensiune din reţea; lucrează silenţios, fără zgomote şi vibraţii şi nu produc degajări mari de căldură; aceste condiţii motivează utilizarea preferenţială în cadrul sistemelor de măsurare a motoarelor sincrone, cu reductanţă şi histerezis, şi a motoarelor asincrone; între arborele motorului şi antrenorul suportului se poate introduce un reductor cu variaţie continuă sau în trepte a turaţiei de ieşire. În metrologia textilă se utilizează categorii de înregistrări grafice directe ale semnalelor de măsurare (prezentate în tabelul IX.1.32): înregistrări grafice de forma y = f(t) (tabelul IX.1.32,a) se realizează cu mijloace de măsurare de laborator: urmărirea variaţiei parametrilor mediului ambiant (termohigrograf); mijloace de măsurare industriale: urmărirea parametrilor tehnologici cu variaţie lentă/ umiditatea materialului textil la ieşirea din uscător; înregistrări grafice de forma y = f(x) (tabelul IX.1.32,b) se realizează cu mijloace de măsurare de laborator: determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor textile (diagrama efort-deformaţie); înregistrări grafice de forma y = y max (tabelul IX.1.32,c) se realizează cu mijloace de măsurare de laborator: determinarea proprietăţilor mecanice, când interesează valorile maxime (diagrama Stroke). Procedee de înscriere utilizate în subansamblurile de înregistrare Tabelul IX.1.32 n =k.y 1 Schema înregistrării y x. Observaţii 1 2 Înregistrarea variaţiei mărimii măsurate ca funcţie de timp: Y = f(t); Inscriptorul are mişcare alternativă de amplitudine variabilă; Deplasarea suportului este continuă; Înregistratorul este compus din elemente de cl.1, conectate: în paralel: acţionare concomitentă; succesivă: comutarea semnalului, cu deplasarea inscriptorului Se înregistrează: Y = f(x); Inscriptorul se deplasează în funcţie de variaţia mărimii de măsurat X; Subansamblul de transport efectuează deplasarea inscriptorului sub comanda variaţiilor mărimii măsurate Y (înregistrarea diagramei F-D). n =k.x b
54 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.1.32 (continuare) 1 2 Înregistrare succesivă sau concomitentă a variaţiei mărimilor Y 1, Y 2, în funcţie de timp:; succesivă: prin comanda de comutare; concomitentă: prin utilizarea în paralel a mai multor inscriptoare (complementare pentru clasa 2c). Diagrama Stroke este foarte utilizată pentru descrierea proprietăţilor mecanice ale firelor. Inscriptoare. Performanţele înregistratoarelor sunt determinate de construcţia subansamblurilor inscriptoare, care sunt prezentate în tabelul IX.1.33. Tabelul IX.1.33 Performanţele înregistrării în funcţie de tipul subansamblului inscriptor Tipul subansamblului inscriptor Tipul înregistrării Eroarea, % Frecvenţa limită, Hz Mecanic sau electromecanic, cu înscriere Linie continuă ± 2,5 % 10 directă Cu etrier căzător Prin puncte ± 0,5 % 0,01 Potenţiometru electronic automat Linie continuă ± 0,2 % 2 Punte electronică cu echilibrare automată Linie continuă ± 0,2 % 2 Galvanometru cu buclă şi sistem optic Linie continuă 10000 Compensatorul (potenţiometrul electronic) şi puntea automată de tip integral, ce includ în bucla de reacţie un servomotor, permit indicarea şi înregistrarea variaţiei mărimii de măsurat prin comparaţia cu o mărime etalon de aceeaşi natură, variată automat până la satisfacerea condiţiei de echilibru a circuitului de măsurare (tabelul IX.1.34). Subansambluri inscriptoare /principiul compensării automate Tabelul IX.1.34 Compensator automat de tip integral Indicare / Înregistrare Servomotorul SM dezvoltă un cuplu de rotaţie, proporţional cu tensiunea de dezechilibru prin care deplasează cursorul potenţiometrului până la compensarea variaţiei de tensiune, U = Ux Uc = 0. În acest moment servomotorul se opreşte, iar cursorul şi indicatorul sunt blocate în poziţia corespunzătoare tensiunii de compensare, Uc = Ux.
Analize fizico-mecanice 55 Tabelul IX.1.34 (continuare) Punte cu echilibrare automată de tip integral Indicare / Înregistrare Tensiunea de dezechilibru determinată de variaţia rezistenţei (R + R) pune în funcţiune servomotorul SM care deplasează cursorul potenţiometrului restabilind echilibrul şi inscriptorul pentru înregistrare. În principiul de indicare (înregistrare) al compensatorului automat de tip integral, orice variaţie a mărimii de măsurat Ux determină un ciclu de echilibrare identic; deplasarea cursorului se transmite indicatorului (înregistratorului) I, care indică (înregistrează) pe scara (suportul) S, variaţia tensiunii de măsurat, Ux. Înregistratoare specifice sistemelor de măsurare. În procesul care utilizează ca mijloc tehnic un sistem de măsurare, vizualizarea şi înregistrarea rezultatelor se realizează cu două tipuri de terminale : video (monitor): îndeplineşte şi extinde funcţiile unui indicator; pe ecranul acestuia pot fi prezentate atât ansamblul datelor de măsurare cât şi rezultatele obţinute prin diferitele forme de prelucrare; monitorul video permite de asemenea verificarea comenzilor şi reglajelor lansate în procesul de măsurare; imprimanta: converteşte semnalele numerice corespunzătoare datelor experimentale în text tipărit şi grafică desenată pe hârtie şi cuprinde: cablu de conectare (de interfaţă); conexiunea interfaţa (serială; paralelă); controller; substanţe consumabile (toner; benzi tuşate; cerneală); suportul şi dispozitivul de antrenare al hârtiei de înregistrare; mecanismul de trasare (cap de imprimare mare; jet de cerneală; fuzibilul etc.); circuite şi butoane de comandă. Conform principiului constructiv, imprimantele se clasifică în următoarele categorii: imprimanta cu roată margaretă tipăreşte text; este formată ditr-o roată în formă de floare, ale cărei petale au în capăt o literă sau cifră; prin rotaţie, caracterele utile se poziţionează pe banda tuşată, fiind tipărite succesiv; imprimanta matriceală utilizează un cap mobil şi o panglică tuşată (maşina de scris); execuţia literelor, numerelor şi a semnelor grafice se obţine cu ajutorul unei matrice din puncte (9; 12; 24), iar claritatea şi rezoluţia sunt determinate de numărul acestora pe unitatea de suprafaţă; imprimanta cu jet de cerneală tipăreşte caractere şi semne grafice prin depunerea pe hârtie a unor mici jeturi de cerneală; imprimanta laser construieşte o imagine electronică pe care o transferă pe hârtie, câte o pagină (format), folosind un pigment pentru fotocopiere (toner); imprimanta cu transfer termic construieşte şi transferă pe hârtie lucioasă imaginea electronică în trei sau patru treceri de culoare. Componentele unei imprimante conectate într-un sistem de măsurare se prezintă în figura IX.1.17: interfaţa asigură conexiunea dintre calculator şi imprimantă; este conectorul imprimantei, al calculatorului cât şi cablul care leagă cele două conectoare; există două categorii de intefeţe: RS-232C (seriale) şi Centronix (paralele); controllerul este un microcip / un set de microcipuri, care furnizează instrucţiuni imprimantei, coordonând datele care sosesc şi transformarea lor în semnale tipărite;
56 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ corpurile de litere sunt constituite ca set de numere şi litere de o anumită formă şi mărime; dimensiunea caracterelor se apreciază în puncte (points) un punct are semnificaţia unei dimensiuni de 1/72 inch); driver-ele reprezintă mici programe utilitare care transformă cererea de imprimare de la o aplicaţie în instrucţiuni cu care imprimanta este compatibilă; fiecare aplicaţie are programe driver pentru diferite tipuri de imprimante. Alegerea tipului de imprimantă este determinată în primul rând de softul utilizat (tabelul IX.1.35). BUS IF SC Alegerea tipului de imprimantă Tabelul IX.1.35 Procesor A I D Fig. IX.1.17. Structura unei imprimante. Soft Programe de calcul Redactare de texte Baze de date Tipuri de imprimante cu utilizare optimă Matriceale cu 132 coloane; cu jet de cerneală laser Laser; cu jet de cerneală, cu o rezoluţie de 300 puncte/inch Laser, de mare viteză; matriceale cu viteze mai mari de 400 caractere/ s IX.1.4. Caracteristicile funcţionale ale mijloacelor de măsurare Caracteristicile funcţionale ale mijloacelor de măsurare sunt determinate de caracteristicile funcţionale ale traductoarelor, reprezentând forma teoretică şi reală a legăturii dintre mărimea de intrare şi mărimea de ieşire, în cadrul proceselor de măsurare. Performanţele tehnice ale sistemelor de măsurare se evaluează prin indici care reflectă interdependenţa dintre caracteristicile reale şi ideale în regim static şi dinamic. IX.1.4.1. Caracteristici şi performanţe de regim staţionar Caracteristica statică de transfer exprimă analitic / grafic principiul fizic pe baza căruia se realizează conversia, forma reală în cadrul operaţiei de etalonare/ trasare a curbei caracteristice, divizarea scalei aparatului de măsură. Dependenţa funcţională a semnalului de ieşire, Y, de mărimea de intrare, X, la regim de echilibru / staţionar se exprimă prin relaţia: Y = f (X) (IX.1.9) care poartă denumirea de caracteristică statică / caracteristică statică de transfer. Caracteristica statică ideală face abstracţie de influenţa mărimilor perturbatoare interne sau externe, reglaje sau comenzi: mărimile perturbatoare conduc la efecte nedorite, în sensul abaterii caracteristicilor reale faţă de cele ideale; mărimile perturbatoare externe sunt factorii mediului ambiant: temperatură, presiune, umiditate, intensitate de câmp electric sau magnetic, mărimile perturbatoare interne sunt zgomote (rezistoare; semiconductoare), frecări în lagăre, îmbătrânirea
Analize fizico-mecanice 57 componentelor, variaţii ale parametrilor surselor de alimentare. Mărimile perturbatoare determină abaterea de la relaţia teoretică şi constituie sursele erorilor de influenţă; caracteristica reală a traductorului se descrie prin funcţia: y = f (X; ξ i ) (IX.1.10) Erorile sunt generate de variaţiile mărimilor perturbatoare, şi nu de valoarea acestora. reglajele şi comenzile asigură realizarea caracteristicii la performanţele impuse/ stabilirea domeniului de măsură, alegerea sensibilităţii, calibrarea internă, reglajul de zero. Regimul staţionar de măsurare se caracterizează prin faptul că purtătorii de informaţie sunt invarianţi; matematic, se reflectă în condiţia ca derivatele mărimilor de intrare / ieşire, în raport cu timpul, să fie nule pe un interval de timp concludent. Măsurarea statică şi caracteristicile statice se diferenţiază prin utilizarea invarianţei, determinarea rezultatului, aprecierea performanţei, reglajelor şi eficienţei acestora. Traductoarele utilizate în construcţia sistemelor de măsurare prezintă caracteristici statice liniare / neliniare, în funcţie de principiul constructiv; se preferă traductoarele cu caracteristici statice liniare (tabelul IX.1.36). Caracteristici statice Tabelul IX.1.36 Y Yo Caracteristică liniară unidirecţională 0 Xo α Xmax X X min Caracteristică liniară bidirecţională Y 0 α X max X Caracteristică liniară cu prag de sensibilitate Y +Ys -X 2 0 +X 1 α α -X 1 -Ys +X 2 X Y = k (X X 0 ) + Y 0 0 < X< X max X min < X < X max Y = k X X 1 < X < + X 1 Y = 0 X X 0 k = tgα X 2 X X 1 Y = k (X + X 1 ) k = tgα + X 1 X + X 2 Caracteristică parabolică Caracteristica hiperbolică Y 0 < X < X max Y = k X 2 Y k 1 0 1 X 0 < X< X max Y = Y 0 (kx + 1) (Y0-1)/k X Domeniul de măsurare corespunde mărimii de măsurat şi se exprimă prin diferenţa dintre valorile extreme, X max X min, în limitele căreia elementul funcţionează conform caracteristicii statice de transfer. Domeniul de măsurare se adoptă pe porţiunea liniară sau asimilată ca liniară a caracteristicii statice în care caracteristica reală este în conformitate cu cea teoretică: limita inferioară a domeniului de măsurare este zero la intrare/ieşire, în cazul măsurărilor prin metode de evaluare directă/deviaţie sau diferită de zero; limita minimă este egală şi de semn opus limitei maxime (când reperul zero se află la mijlocul scării) la aparatele indicatoare, care se folosesc ca detectoare de nul;
58 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ când limita inferioară de măsurare este zero, valoarea minimă este determinată de pragul de sensibilitate, rezultatul fiind afectat de eroare foarte mare; domeniul de măsurare se defineşte ca intervalul în care eroarea de măsurare se menţine în limitele erorii tolerate; zona de insensibilitate se manifestă prin faptul că variaţiile mărimii de intrare încadrate în acest domeniu nu produc semnal de ieşire. În cazul standardizării componentelor, limitele semnalului de ieşire se menţin indiferent de limitele de variaţie ale mărimii de intrare. Sensibilitatea defineşte calitatea unui element de a determina o variaţie mare a semnalului la ieşire, la apariţia unei variaţii reduse a mărimii de intrare: pentru un element a cărui caracteristica statică este liniară, sensibilitatea este panta dreptei: S = Y/X = K = tgα (IX.1.11) care se poate scrie şi în funcţie de domeniul de măsurare: S = (Y max Y min ) / (X max X min ) (IX.1.12) pentru un element a carui caracteristică statică este neliniară, se defineşte sensibilitatea diferenţială: S = dy/dx X = Xnom = Y/ X X = Xnom (IX.1.13) unde mărimea de intrare are valoarea nominală. Compararea traductoarelor de acelaşi tip, caracterizate prin domenii de măsurare diferite, se realizează prin sensibilitatea relativă, definită prin raportul dintre variaţia relativă a semnalului de ieşire şi a semnalului de intrare corespunzător: Sr = ( y/y) / ( x/x) (IX.1.14) Observaţii: 1. Sensibilitatea are dimensiuni care depind de cele ale mărimilor de intrare şi de ieşire, iar valoarea sa este în funcţie de unităţile de măsură adoptate. 2. Dacă mărimile de intrare şi de ieşire sunt de aceeaşi natură, sensibilitatea devine factor de amplificare / câştig şi este exprimată printr-un număr adimensional. 3. Factorul de amplificare se exprimă prin logaritmul raportului dintre mărimea de ieşire şi mărimea de intrare, când mărimea de intrare variază în limite foarte largi: K = 20 log Y/X [db] (IX.1.15) 4. Sensibilitatea relativă se exprimă printr-un număr adimensional. 5. Constanta aparatului / inversa sensibilităţii reprezintă valoarea corespunzătoare unei diviziuni pe scala gradată. 6. Sensibilitatea unui lanţ metrologic este determinată de sensibilităţile elementelor componente şi de modul de asamblare al acestora în schema bloc (tabelul IX.1.37). Pragul de sensibilitate este valoarea minimă a variaţiei mărimii de intrare, pe care traductorul o poate sesiza cu anumită certitudine şi se defineşte prin limita inferioară a variaţiei mărimii de intrare, care determină o variaţie a mărimii de ieşire, cel puţin egală cu eroarea maximă admisibilă a elementului. Este determinat de: fluctuaţiile datorate perturbaţiilor interne şi externe/ zgomotele din circuitele electrice; frecările statice; jocurile din angrenaje, în cazul dispozitivelor mecanice de măsurare şi trebuie să fie cât mai mic. Pragul de sensibilitate nu poate fi coborât sub o anumită limită, impusă de zgomotul de agitaţie termică, denumit zgomot propriu; la acesta se mai adaugă, în condiţii normale de funcţionare, zgomotul produs de fluctuaţiile menţionate, denumit zgomot instrumental.
Tabelul IX.1.37 Determinarea sensibilităţii totale pentru conexiuni tipice 1. Conexiune în serie 2. Conexiune în paralel 3. Conexiune cu buclă de reacţie n S = S i (IX.1.16) 1 n S = S i (IX.1.17) 1 S1 S = 1 + S S (IX.1.18) 1 2
60 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Rezoluţia reprezintă intervalul maxim de variaţie al mărimii de intrare necesar pentru a determina apariţia unui salt la semnalul de ieşire; este un indicator utilizat atât pentru caracterizarea elementelor constructive ale mijloacelor de măsurare analogice cât şi a celor numerice. Rezoluţia corespunde: diviziunii scalei aparatului de măsură în cazul instrumentelor de măsură analogice; intervalului de cuantificare al mărimii de intrare, în cazul mijloacelor de măsurare numerice. IX.1.4.2. Caracteristici şi performanţe de regim dinamic Regimul dinamic corespunde funcţionării mijloacelor de măsurare, în situaţia în care, mărimea de măsurat şi, ca urmare, şi semnalul de ieşire variază în timp. Variaţiile mărimii de intrare se transmit cu întârziere şi uneori cu deformaţii faţă de caracteristica statică, nu sunt simultane şi identice cu ale mărimii de ieşire datorită inerţiei mecanice, termice sau electromagetice, amortizărilor cauzate de viteza de variaţie a mărimii de intrare (tabelul IX.1.38). Caracteristicile energetice ale componentelor unui lanţ de măsurare Tabelul IX.1.38 Mărime fizică Primară x Secundară y Dimensiunea produsului xy 1. Sistem mecanic Elemente / relaţii analitice caracteristice funcţionării Element acumulator cinetică Element acumulator de energie potenţială Element disipator de energie Inerţie, m Elasticitate, k Viscozitate, η Forţa F Viteza, w Putere dω F = m d t F = k ω dt F = aω Forţa F Deplasare, x Energie 2 d x dx F = m F = kx F = a 2 d t d t Deplasare, x Forţa, F Energie 1 2 1 1 x = F(d t) m x = F x = Ft d k a 2. Sistem electric Bobină, L Condensator, C Rezistenţa, R Tensiune, u Curent, i Putere, P di u = L d t Curent, i Tensiune, u Putere, P 1 i = udt L Tensiune, u Sarcină, q Energie, W 2 d q u = L 2 d t 1 u = idt C i du = C d t 1 u = q C u = Ri 1 i = u R u dq = R d t Comportarea dinamică a mijlocului de măsurare se defineşte printr-o ecuaţie de legătură între semnalul de intrare, exprimat prin mărimea principală, şi semnalul de ieşire, exprimat prin mărimea secundară care exprimă o lege fizică generală / sisteme mecanice,
Analize fizico-mecanice 61 ecuaţie de echilibru dinamic; sisteme electrice, legile lui Kirchhoff; relaţiile dintre mărimile principale şi secundare se exprimă prin ecuaţii diferenţiale de tipul: n m k q akyt = bqxt k= 0 q= 0 ; (IX.1.19) q k unde xt şi y t sunt derivatele de ordin q respectiv k în raport cu timpul ale mărimilor de intrare x t şi respectiv de ieşire, y t iar coeficienţii a k şi b k sunt invarianţi. Ordinul ecuaţiei diferenţiale clasifică sistemele de măsurare, în funcţie de tipul componentelor adoptate : sisteme de ordinul zero : caracterizate prin ecuaţii algebrice; aceste sisteme prezintă o comportare dinamică ideală deoarece semnalul de ieşire Xe reproduce fără întârziere sau distorsiuni semnalul de intrare X; sistemele de ordinul întâi, al doilea, superior : sisteme de măsurare al căror comportament este caracterizat prin ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi; al doilea; de ordin superior. Dacă structura nu cuprinde elemente acumulatoare de energie / cinetică, potenţială şi elemente disipatoare de energie, expresia legăturii dintre mărimea de intrare şi ieşire este o ecuaţie algebrică. Dacă structura cuprinde elemente acumulatoare de energie / cinetică, potenţială şi elemente disipatoare de energie, ecuaţia diferenţială liniară este de ordinul I, II sau, mai rar, de ordin superior. Rezolvarea riguroasă a ecuaţiilor diferenţiale conduce la operaţii relativ complicate şi, din acest motiv se recurge la definirea practică a unor indicatori de performanţă prin intermediul funcţiei indiciale; funcţia indicială este importantă atât în condiţii statice, la producerea regimului tranzitoriu(trecerea de la starea iniţială, de repaus, la o nouă stare de echilibru static, ca urmare a aplicării la intrare a mărimii de măsurat) cât şi în condiţii dinamice; graficul funcţiei indiciale se realizează experimental şi furnizează indicatori de performanţă în timp şi în frecvenţă (tabelul IX.1.39). Indicatorii de performanţă în timp sunt: 1. Eroarea sau abaterea dinamică, ε D, exprimată ca diferenţa dintre valoarea curentă a ieşirii, y t şi valoarea la care aceasta se stabilizează, y s : eroarea dinamică scade în valoare absolută cu timpul şi tinde să se anuleze; în practică, eroarea dinamică este neglijabilă când se exprimă printr-un anumit procent din y S, admis ca eroare tolerată. 2. Timpul tranzitoriu (timpul de răspuns), t t, definit ca timp de încadrare în limitele erorii dinamice tolerate, constituie o măsură a vitezei de răspuns (cu cât t t este mai mic, cu atât traductorul respectiv este mai rapid) şi a cadenţei de măsurare. 3. Timpul de creştere, t c, reprezintă timpul în care valoarea indicată trece de la 10% la 90% din y S ( în cursul primei perioade din regimul oscilatoriu amortizat). 4. Pulsaţia oscilaţiilor, definită prin intervalul dintre două maxime succesive, ω, care caracterizează regimul oscilatoriu amortizat, care depinde de pulsaţia naturală ω n şi de factorul de amortizare δ. 5. Supracreşterea σ, care reprezintă abaterea maximă a semnalului de ieşire faţă de valoarea stabilizată şi evaluează efectele variaţiilor bruşte ale mărimilor de intrare (eroarea dinamică corespunzătoare primului maxim al ieşirii, exprimată în procente din y S ). Indicatori de performanţă în frecvenţă, definiţi prin intermediul caracteristicilor amplitudine -frecvenţă şi fază-frecvenţă a componentelor instalaţiilor de măsurare, care sunt în general de tip filtru trece-jos : lasă să treacă şi eventual amplifică frecvenţele joase, atenuându-le pe cele înalte, iar defazajele, respectiv întârzierile cresc cu frecvenţa; din acest motiv se stabileşte: 6. Lăţimea de bandă de trecere, H ωb, pentru care modulul semnalului de ieşire nu scade la o valoare mai mică de 2l din valoarea corespunzătoare pulsaţiei ω = 0, delimitând astfel domeniul de frecvenţă utilizabil; lăţimea de bandă se alege suficient de mare în raport cu
62 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ frecvenţa maximă a mărimii de măsurat/ fără creşteri exagerate care ar putea conduce la amplificarea efectelor perturbatoare ale frecvenţelor excesive. Tabelul IX.1.39 Reprezentarea grafică a funcţiei indiciale a unui mijloc de măsurare; definirea indicatorilor de performanţă Indicatori de performanţă în timp 1. Eroare /abatere dinamică: ε () t = y() t y, unde y S = K 2. Pulsaţia oscilaţiilor: ω =ω 1 δ 5. Supracreşterea: σ r = (1/ ys)( ymax ys) 100 Indicatori de performanţă în frecvenţă 6. Lăţimea de bandă: H(ω B ) = 2/2 H (0) n D 2 Observaţii: forma logaritmică a lăţimii de bandă de trecere este : H B 20lg ω 3dB H = ; (IX.1.20) pentru elementele de întârziere de ordinul I : ω B = 1/T ; pentru elementele de întârziere de ordinul II: 0 s 2 2 4 (IX.1.21) ω =ω 1 2δ + 2 4δ + 4δ. (IX.1.22) B n IX.1.4.3. Caracteristici metrologice şi de exploatare Impedanţa metrologică Zm caracterizează fineţea unui component al sistemului de măsurare / calitatea sa de a influenţa cât mai puţin mărimea de determinat. Impedanţa metrologică trebuie să fie cât mai mare, iar consumul propriu cât mai redus, astfel încât conectarea elementului în circuitul de măsurare să nu influenţeze valoarea mărimii de determinat sau regimul de lucru al circuitului. Consumul energetic se menţine în limitele admise prin adaptarea impedanţei metrologice Zm la impedanţa sursei de alimentare Zs.
Analize fizico-mecanice 63 Consumul propriu reprezintă energia necesară pentru funcţionarea corectă a componentului în conformitate cu caracteristicile sale statice şi dinamice. Robusteţea reprezintă calitatea unui element de a rezista, fără a se deteriora sau a introduce erori suplimentare, la şocuri, vibraţii, variaţii de temperatură şi umiditate. Capacitatea de supraîncărcare reprezintă calitatea unui element al sistemului de măsurare de a suporta fără deteriorări sau erori suplimentare valori ale mărimii de măsurat care depăşesc limita superioară a domeniului de măsurare. Capacitatea de supraîncărcare se exprimă prin raportul dintre valoarea maximă nedestructibilă (limită a mărimii de măsurat, care nu afectează funcţionarea ulterioară a elementului) şi limita superioară a domeniului. Siguranţa în funcţionare reprezintă capacitatea de lucru conform caracteristicilor statice şi dinamice nominale, fără defecţiuni, în decursul unui interval de timp, în condiţii de efectuare normală a măsurărilor. IX.1.5. Analiza erorilor de măsurare IX.1.5.1. Condiţii metrologice şi caracteristici generale ale procesului de măsurare Condiţiile metrologice de măsurare constituie totalitatea elementelor care definesc şi intervin în procesul de măsurare (obiect, regim, metode) şi factorii de eroare, influenţând rezultatele şi caracteristicile generale ale procesului de măsurare: repetabilitatea / fidelitatea; reproductibilitatea / justeţea, denumite, sintetic, prin precizia măsurării. Precizia măsurării defineşte probabilitatea de a obţine rezultate de măsurare apropiate de valoarea adevărată, X 0 ; diferenţa dintre valoarea măsurată şi cea adevărată defineşte eroarea totală de măsurare: e = X X 0 = ε + δ (IX.1.23) unde: ε este eroarea sistematică / constantă, independentă de ordinea de efectuare a determinărilor; δ eroarea aleatoare / variabilă, dependentă de ordinea de prelevare. Componentele erorii totale pot fi evaluate în cadrul unui proces de măsurări repetate, executate asupra aceleiaşi mărimi, în condiţii de: repetabilitate: măsurările se efectuează asupra aceleiaşi mărimi, într-un mod de operare definit, cu acelaşi echipament, în aceleaşi condiţii, în interval scurt de timp, evidenţiind fidelitatea mijlocului de măsurare, caracterizat prin rezultate apropiate, erori de măsurare mici; reproductibilitate: măsurările se efectuează asupra aceleiaşi mărimi, prin mod de operare diferit, în condiţii diferite mijloace de măsurare / loc / timp evidenţiind justeţea mijlocului de măsurare, caracterizat prin capacitatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevărată a mărimii de măsurat. Eroarea de măsurare este inevitabilă şi se datorează imperfecţiunii mijloacelor şi metodelor de măsurare, variaţiei condiţiilor de mediu, perturbaţiilor exterioare, subiectivităţii operatorului şi variaţiilor măsurandului. Modul de exprimare este prezentat în tabelul IX.1.40. Eroarea relativă caracterizează concludent sistemul de măsurare; eroarea raportată are caracterul de variaţie a erorii absolute, fiind utilizată pentru caracterizarea comparativă a unei serii, categorii de mijloace de măsurare sau a instrumentelor cu scări multiple. Eroarea globală caracterizează procesul de măsurare pentru surse de erori identificate: e = ε + δ T j ij j j
64 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ şi, în raport cu metoda şi mijlocul de măsurare utilizate, aceasta se exprimă: e T = δij pentru ε j = 0, condiţie asigurată constructiv; e = ε + δ + σ T j ij j j j j j pentru ε j 0 j, unde δij j j este eroarea oblică. Evaluarea şi exprimarea preciziei de măsurare impun identificarea naturii şi surselor erorilor de măsurare şi utilizarea procedeelor statistice pentru caracterizarea efectului global. Modalităţi de exprimare a erorilor de măsurare Tabelul IX.1.40 Forma de exprimare Expresia analitică Semnificaţia termenilor din relaţia de definiţie Unitatea de măsură Eroare absolută e = X X 0 X valoarea măsurată Aceeaşi cu a mărimii X 0 valoarea adevărată a mărimii măsurate Eroare relativă e X X e 0 r X 0 X0 Conform definiţiei de mai sus % Eroare raportată e X X e 0 R X X de scală % c c IX.1.5.2. Modelarea matematică a erorilor de măsurare Modelarea matematică a erorilor de măsurare se realizează într-un ansamblu de măsurări repetate, iar interpretarea statistică a erorilor de măsurare este similară interpretării statistice a rezultatelor măsurărilor efectuate asupra unui eşantion reprezentativ; acceptând similitudinea, s-a realizat o sinteză în tabelul IX.1.41. Incertitudinea măsurării, U, determinată de erorile de măsurare, defineşte intervalul în care se plasează, cu o anumită probabilitate, valoarea adevărată a măsurandului; aceasta se estimează obiectiv şi se specifică împreună cu rezultatele măsurării reprezentând eroarea de măsurare probabilă. Observaţii: 1. Rezultatul măsurării se exprimă în funcţie de valoarea probabilă V, iar incertitudinea măsurării, U (± U defineşte intervalul de încredere), ca V ± U. 2. Probabilitatea cu care se afirmă plasarea valorii adevărate în limitele intervalului ± U se numeşte nivel de încredere sau siguranţă statistică, S. 3. Evaluarea şi exprimarea incertitudinii de măsurare impune identificarea naturii şi surselor erorilor de măsurare, utilizarea procedeelor statistice de caracterizare a efectului global al incertitudinilor parţiale. Modelarea matematică a erorilor de măsurare Tabelul IX.1.41 Valori de măsurare Erori de măsurare 1 2 1.Valorii de măsurare x / erorii de măsurare, δx i se asociază funcţia de frecvenţă f(x) f(δx)
Analize fizico-mecanice 65 1 2 Tabelul IX.1.41 (continuare) 2. Valorii de măsurare x / erorii de măsurare δx i se asociază funcţia de repartiţie u u F( x) = f( x)dx F( x) = f( δx)dx F(x), F(δx) reprezintă probabilitatea ca x < u; δx < u 3. Pentru n foarte mare, funcţia de repartiţie a valorilor de măsurare / a erorilor devine: + + F( x) = f( x)dx= 1 F( x) = f( δ x)dx = 1 4. Graficul funcţiei de frecvenţă a valorilor de măsurare / a erorilor Abaterile faţă de valoarea medie / erorile individuale satisfac condiţiile: Σ(δx i ) = 0; Σ(δx i ) 2 = minim *Funcţia de frecvenţă a variabilei aleatoare / a erorilor de măsurare este: 1 1/2( x / ) p( δ x) = e δ σ σ 2π Funcţia de frecvenţă / densitate de probabilitate îndeplineşte condiţia: p( δ x)d( x) = 1 Se defineşte probabilitatea ca erorile de măsurare să fie cuprinse în limitele: δ2 P( δ 1 < δx < +δ 2 ) = p( δx)dx Prin schimbarea de variabilă δx = zσ probabilitatea P devine: 1 P( q < δx < + q) = e dz σ 2π Variabila normată, z = dx/σ, adimensională, permite tabelarea valorilor funcţiei f(z) Probabilitatea de încadrare a z în limitele erorilor tolerate, exprimată procentual, reprezintă nivelul de încredere sau siguranţă statistică, S [%]; În intervalele definite se încadrează procente determinate din valorile de măsurare ± σ ±2σ ± 2,58σ ± 3σ 68, 3% 95% 99% 99, 73% Abaterea medie pătratică caracterizează integral incertitudinea. Probabilitatea de depăşire a limitelor erorilor tolerate se numeşte risc, R: R [%] = 100 S [%]. Creşterea nivelului de încredere impune creşterea valorii erorii tolerate; nivelul de încredere se fixează în raport cu efectele tehnologice ale erorii tolerate (S = 95%). δ1 2 z 2 σ
66 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ IX.1.5.3.Clasificarea erorilor de măsurare Erorile de măsurare sunt determinate şi se clasifică în funcţie de componentele procesului de măsurare (tabelul IX.1.42). Caracterul erorilor este determinat de modul de manifestare al erorilor în procesul măsurărilor repetate şi constituie un criteriu de evaluare al incertitudinii măsurării (fig. IX.1.18): erori sistematice, se repetă ca valoare absolută şi ca semn; variază pe baza unor legi definite, la schimbarea condiţiilor de lucru; erori aleatoare / întâmplătoare, a căror variaţie este imprevizibilă, se caracterizează prin simetrie şi concentrare, sunt greu de determinat şi nu pot fi eliminate; erori singulare / grosolane, ce depăşesc considerabil erorile cele mai probabile şi nu se justifică în condiţiile normale ale unui proces de măsurare; rezultatul unei măsurări afectat de eroare singulară constituie o valoare aberantă care se identifică şi se elimină din şirul de măsuri, prin teste statistice. Surse de erori în procesul de măsurare Tabelul IX.1.42 Sursa Cauza 1. Obiectul măsurării Erori de model, la asocierea cu un model simplificat, ce nu corespunde integral realităţii Parametri neinformativi ce influenţează mijlocul de măsurare utilizat 2. Mijlocul de măsurare Erori instrumentale statice: de reglaj, de proporţionalitate, de liniaritate, de histereză Erori instrumentale dinamice: se manifestă în timp în frecvenţă 3. Metoda Imperfecţiunile metodelor / tehnologiilor de măsurare 4. Operator Apreciere subiectivă a efectelor: coincidenţe, intensităţi, nuanţe, mărimi fizice sesizabile 5. Erori de interacţiune* Interdependenţa măsurand /mijloc de măsurare / operator 6. Erori de influenţă* Factori ce acţionează asupra măsurandului şi asupra mijlocului de măsurare *Specificate/documentaţie. Fig. IX.1.18. Reprezentarea grafică a categoriilor de erori, după manifestarea în măsurări repetate.
Analize fizico-mecanice 67 IX.1.5.4. Caracterizarea proceselor de măsurare. Precizie, fidelitate şi justeţe Precizia proceselor de măsurare se apreciază prin calitatea de a da rezultate cât mai apropiate de valoarea adevărată a măsurandului şi se evidenţiază în contextul unor măsurări repetate. Măsurarea de precizie se caracterizează prin valori mici ale erorilor de măsurare aleatoare / de fidelitate şi sistematice / erori de justeţe. Fidelitatea / repetabilitatea se evidenţiază în cadrul unui proces de măsurări repetate, executat asupra aceluiaşi măsurand, cu acelaşi mijloc de măsurare şi în aceleaşi condiţii de execuţie prin erori aleatoare mici /grupate în jurul mediei. Justeţea / reproductibilitatea se evidenţiză în cadrul unui proces de măsurări repetate, executat asupra aceluiaşi măsurand, cu mijloace de măsurare/metode diferite, în condiţii diferite de execuţie, prin apropierea de valoarea adevărată a măsurandului, dată prin etalon / erori sistematice mici. Observaţii: Precizia, fidelitatea şi justeţea sunt atribute generale ale oricărui proces de măsurare. Precizia include fidelitatea şi justeţea ca două componente distincte, complementare. IX.1.5.4.1. Calculul erorilor de măsurare Metodologia de calcul a erorilor de măsurare Tabelul IX.1.43 1. Calculul erorilor de justeţe: se determină la măsurare pe etalon, pentru n = 1 1. Măsurare directă: a. sistematică, se determină ca mărime şi semn: ε = c Xn / Xc, unde: Xc indice de clasă; Xn limita superioară de măsură; b. maximală, se determină ca valoare limită superioară; 2. Măsurare indirectă: se calculează ca valori maximale / erori propagate, determinate pentru n = 1 Fie X = f(a, b, c), unde: a; b; c mărimi independente, măsurate direct; a; b; c erorile absolute comise la măsurare directă; a. metoda diferenţialei logaritmice: logaritmarea expresiei f(a, b, c); diferenţierea expresiei f(a, b, c); determinarea erorii, considerând semn pozitiv la toate componentele; b. metoda compunerii pătratice: X se determină din dezvoltarea în serii Taylor, neglijând termenii de grad superior: 1/2 2 2 2 X a X a b X b c X c = + + X X a a X b b X c c 2. Calculul erorilor de fidelitate: se determină în cadrul unui proces de măsurări repetate 1. Măsurare directă Repartiţia erorilor se asimilează modelului probabilistic Gauss-Laplace: n > 30 măsurări: a. eroarea comisă asupra valorii individuale: X max = ± qσ, unde: q = f(s); S siguranţa statistică impusă; b. eroarea comisă asupra valorii medii: X max = ± qσ/ n, unde: q = f(s); S siguranţa statistică impusă. Observaţii: rezultatul măsurării individuale : X = X + q σ rezultatul determinării valorii medii: µ= X + q σ / n
68 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ la precizie mare de măsurare: relevant pentru neuniformitatea produsului. Repartiţia erorilor se asimilează modelului Student: n < 30 măsurări: a. eroarea comisă asupra valorii individuale: X max = ± t s, unde: q = f(ν, S), iar S este siguranţa statistică impusă; b. eroarea comisă asupra valorii medii: X max = ± t s/ n, unde: q = f(ν, S), iar v = grade de libertate. Observaţii: rezultatul măsurării individuale: X = X + t s ; rezultatul determinării valorii medii: µ= X + t s/ n 2. Măsurare indirectă: X = f (a ; b) media aritmetică, µ = f(µ a ; µ b ) unde µ a ; µ b mediile obţinute prin măsurare directă; abaterea standard, σ = [( X/ a) 2 2 σ a + ( X/ b) 2 2 σ b + 2ρ X/ a X/ b σ a σ b] unde: σ a, σ b abaterile standard ale mărimilor a, b direct măsurabile; ρ valoarea coeficientului de corelaţie; σ = [( X/ a) 2 2 σ a + ( X/ b) 2 2 σ b ] 1/2, pentru ρ = 0 σ = ( X/ a) 2 σ a + ( X/ b) 2 σ b, pentru ρ = 1 Tabelul IX.1.43 (continuare) Observaţii: 1. Calculul erorilor de fidelitate (model Gauss) prezintă importanţă pentru: măsurarea precisă a constantelor de material; verificarea şi etalonarea mijloacelor de măsurare de precizie ridicată; măsurarea caracteristicilor de material cu valori fluctuante. 2. Eroarea de fidelitate se determină ca valoare maximă, prin interpretarea statistică a unui ansamblu de măsurări repetate (măsurări directe cât şi măsurări indirecte) în cadrul căruia media aritmetică, constituie valoarea de referinţă pentru erorile individuale. 3. Abaterea standard (s), informează asupra gradului de împrăştiere a rezultatelor măsurărilor efectuate asupra unui eşantion, constituind parametrul principal de calcul al erorilor de fidelitate; caracterizează rezultatul procesului de măsurare şi nu depinde de volumul acestuia; abaterea medie pătratică a mediei caracterizează rezultatul prelucrat al măsurării şi scade la creşterea volumului eşantionului. 4. Media aritmetică se supune unei legi de repartiţie normală cu o abatere medie pătratică mai mică decât cea a valorilor individuale. 5. Caracterizarea mijloacelor sau metodelor de măsurare se poate obţine prin intermediul acestor parametri statistici, în cadrul unui proces de măsurare aplicat pe etalon. Tabelul IX.1.44 Siguranţa statistică şi riscul în funcţie de nivelul erorii tolerate z 2/3 1 2 3 4 f (z) 0,249 0,3413 0,4772 0,4896 0,4999 S [%] 50 68,3 95, 5 99,73 99,98 R [%] 50 31,7 4,5 0,27 0,02 În conformitate cu aceste observaţii, calculul erorii maxime a unei măsurări individuale (δx max ) şi calculul erorii asupra mediei (δµ) se realizează conform relaţiilor din tabelul IX.1.43.
Analize fizico-mecanice 69 IX.1.5.4.2. Calculul erorilor de fidelitate cu repartiţia Student Modelul Student este utilizat pentru analiza rezultatelor măsurărilor efectuate pe eşantioane de volum redus (n < 30), pentru care parametrii statistici µ şi σ sunt estimaţi prin m şi s. Repartiţia Student, denumită şi repartiţia t, reprezintă o adaptare a repartiţiei normale la un număr mic de măsurări şi se caracterizează prin: densitatea de probabilitate, definită de relaţia: ϕ( n /2) pt () = 2 n 1 t π ( n 1) ϕ 1 2 + n 1 cu o reprezentare grafică similară cu clopotul Gauss; probabilitatea de încadrare a variabilei normate t, în limitele impuse: + a P( a < t < + a) = p()d t t = 2 Φ() t a Valorile funcţiei Φ(t) sunt tabelate şi permit determinarea valorilor variabilei normate: t = f (ν, S). Valorile variabilei normate t = f (ν, S) Tabelul IX.1.45 S, % 4 5 6 7 8 9 10 20 50 100 68,3 1,2 1,14 1,11 1,09 1,08 1,07 1,06 1,03 1,01 1 95,5 3,31 2,87 2,65 2,52 2,38 2,38 2,33 2,2 2,01 2 99,73 9,22 6,62 5,11 4,9 4,53 4,09 4,09 3,64 3,16 3,03 Calculul erorilor comise la efectuarea unei măsurări individuale sau asupra mediei se realizează în conformitate cu relaţiile din tabelul IX.1.43. Determinarea numărului minim de măsurări necesar pentru o valoare prescrisă a erorii tolerate se realizează conform relaţiei: 2 s t n δ m (IX.1.24) IX.1.5.4.3. Calculul erorilor de justeţe (sistematice) Erorile sistematice (de justeţe) se manifestă ca: 1. erori sistematice determinate, variabile sau constante, generate de tehnica experimentală, care se evaluează prin măsurări repetate pe etalon; acestea pot fi diminuate prin îmbunătăţirea tehnicii de măsurare sau reduse prin corecţii; 2. erori sistematice nedeterminate, care se caracterizează prin indicatori probabilistici; nu pot fi determinate prin măsurări repetate şi se evaluează prin experiment sistematic, prin care se evidenţiază individual factorii ce influenţează rezultatele procesului de măsurare, sub forma sintetică de eroare maximală: ± a, în intervalul de variaţie erorile au o repartiţie echiprobabilă, rectangulară (orice eroare sistematică este cuprinsă în intervalul ± a şi are aceeaşi probabilitate); valoarea abaterii medii pătratice este s = a / 3 ; eroare medie pătratică (provine de la fiecare sursă).
70 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Eroarea sistematică rezultantă se determină prin compunerea erorilor parţiale: m m m 2 sum i rij i j i i j (IX.1.25) σ = σ + 2 σ σ, unde: r ij este coeficientul de corelaţie dintre variabilele caracterizate prin σ i ; σ j ; r ij = 0, când variabilele caracterizate prin σ 1, σ 2 sunt independente; regula de compunere este pătratică, fiind justificat calculul dacă sursele de erori sunt constituite de incertitudinea etaloanelor de referinţă, incertitudinea aparatului de comparaţie, factori de mediu, erori de metodă sau de operator, între care, coeficienţii de corelaţie pot fi consideraţi neglijabili; r ij = 1, când variabilele caracterizate prin σ 1, σ 2 sunt dependente; regula de compunere este sumarea liniară, ceea ce conduce la valoarea maximă, de probabilitate minimă a erorii rezultante; în practică, asemenea cazuri există când aceeaşi mărime de influenţă acţionează asupra a două surse de erori distincte (utilizarea aceluiaşi aparat de etalonare, caracterizat prin aceeaşi incertitudine pentru determinarea a două mărimi ce intervin în acelaşi proces de măsurare). Evaluarea incertitudinii globale: estimarea erorilor aleatoare prin măsurări repetate permite evaluarea incertitudinii de măsurare de tip A, σ A denumită incertitudine experimentală; erorile estimate pe baza unor informaţii suplimentare, ce provin din exteriorul procesului de măsurare curentă, generează incertitudinea apreciată, de tip B, şi se sintetizează prin σ B ; incertitudinea globală se obţine prin compunerea pătratică a acestor două componente: 2 2 A B σ = σ +σ (IX.1.26) acceptându-se ipoteza unei corelaţii neglijabile între cele două componente. Valorile parametrului V n, α Tabelul IX.1.46 n 3 5 7 9 10 15 20 30 50 100 α= 0,01 1,155 1,749 2,097 2,323 2,410 2,705 2,884 3,103 3,336 3,600 α = 0,05 1,153 1,672 1,938 2,110 2,176 2,409 2,557 2,745 2,956 3,207 α = 0,10 1,148 1,602 1,828 1,977 2,036 2,247 2,385 2,563 2,768 3,011 Erorile care depăşesc considerabil erorile probabile, specifice unui proces de măsurare, sunt erori singulare (tabelul IX.1.46); măsurările afectate de acestea sunt considerate aberante, iar prezenţa lor afectează estimarea parametrilor statistici; prin urmare, valorile aberante sunt detaşate din şirul de măsurări. Eliminarea valorilor aberante din şirul de măsurări se efectuează pe baza unor teste X n X statistice (de exemplu: criteriul Grubbs-Smirnov: comparaţia statisticii x = cu valoarea S tabelată V n,α, pentru R = 0,05; 0,01). IX.1.6. Prelucrarea statistică a datelor experimentale Proprietăţile caracteristice ale materialelor textile se determină în cadrul proceselor de măsurare aplicate pe eşantioane reprezentative, extrase din populaţia statistică testată, prin metode standardizate de sondaj aleatoriu.
Analize fizico-mecanice 71 Modul de aplicare a proceselor de măsurare defineşte mărimile textile ca variabile aleatoare X, caracterizate printr-o anumită probabilitate de apariţie p i. Variabilele aleatoare pot fi: de tip discret: care pot lua o mulţime finită de valori x i sau o mulţime infinită de valori x i (i N); exemple: numărul de imperfecţiuni sau defecte de fir /lungime de referinţă; numărul de ruperi de fir la unul/mai multe posturi de filare; numărul de defecte/unitatea de masă la vălul detaşat la cardă; numărul de defecte de ţesătură, tricot etc. Variabilele aleatoare de tip discret sunt caracterizate prin: funcţia de probabilitate (frecvenţă) definită ca: f(x) = f(x i) = P (x = x i) pentru x = x i şi 0 în rest, îndeplinind condiţia: f( x i ) = 1 (IX.1.27) i funcţia de repartiţie, probabilitatea ca valorile pe care le ia variabila aleatoare să fie mai mici sau egale cu valoarea x: F(x) = P(X x) = f( xi ) (IX.1.28) de tip continuu: care pot lua toate valorile dintr-un interval dat, mărginit sau nemărginit, în mulţimea numerelor reale; exemplu: studiul caracteristicilor de material. Variabilele aleatoare de tip continuu prezintă o infinitate de posibilităţi de realizare pe un anumit interval, în cadrul căruia unei valori x i se poate asocia o probabilitate P(X = x) nulă, iar valorilor X x + x li se poate asocia o probabilitate nenulă. Variabilele aleatoare de tip continuu sunt caracterizate prin: funcţia de repartiţie care, în intervalul < x <+, admite derivata df/dx = f(x) 0, continuă, cu excepţia unui număr finit de puncte; funcţia densitate de probabilitate (frecvenţă), f(x), definită ca derivata funcţiei de repartiţie. Observaţii: 1. Repartiţiile de probabilitate se caracterizează prin parametrii de stare şi prin parametrii de dispersie: parametrii de stare: a. media (valoarea aşteptată) este definită cu relaţiile: µ= x f( x ), în cazul repartiţiei discrete; (IX.1.29) i + i i xi x µ= xf( x)dx, în cazul repartiţiei continue; (IX.1.30) Semnificaţia mediei (µ; M(X)) este: cantitativă: nivelul total al v.a. X reprezentat prin totalul nivelurilor individuale x 1, x 2, x 3,...x n, care nu se schimbă dacă valorile individuale sunt înlocuite cu media; calitativă: reprezentativitatea eşantionului care se asigură prin substituirea valorilor individuale cu media. b. mediana reprezintă cuantila de 0,5, adică valoarea x a a variabilei aleatoare X, care îndeplineşte simultan condiţiile: P(X x a) ; P(X x a ) 1 0,5. (IX.1.31)
72 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Semnificaţia medianei: valoarea pentru care aria de sub graficul de probabilităţi se împarte în două părţi egale în cazul repartiţiilor continue; în cazul repartiţiilor discrete, mediana reprezintă cea mai mică dintre toate realizările x i, pentru care F(x i ) 0,5. Ca valoare centrală a seriei ordonate crescător sau descrescător, afectează gradul de semnificaţie al mediei; astfel, cu cât diferenţa dintre medie şi mediană este mai mică, cu atât semnificaţia mediei este mai bună. c. modulul x mod reprezintă valoarea cu cea mai mare probabilitate, în cazul repartiţiilor discrete şi respectiv, valoarea cu densitatea de probabilitate maximă, în cazul repartiţiilor continue. parametrii de variaţie: a. varianţa (dispersia) σ 2 constituie media pătratului abaterilor de la valoarea medie m: i ( i) i ( i), repartiţie discretă (IX.1.32) σ 2 = Var(X) = ( ) 2 2 2 x µ f x = x f x µ i σ 2 = Var(X) = ( ) 2 2 2 µ = µ i + + x f( x)d x x f( x)d x, repartiţie continuă (IX.1.33) Semnificaţia dispersiei de sondaj: variaţia caracteristicii dependente la acţiunea factorilor întâmplători, pentru nivelul eşantionului. b. abaterea standard: σ= Var( X ), (IX.1.34) reflectă influenţa factorilor întâmplători, deoarece abaterile extreme (prin ridicare la pătrat) au influenţă mai mare decât abaterile intermediare. c. coeficientul de variaţie: CV = σ/m(x) (IX.1.35) este expresia relativă a abaterii standard; nivelul mic al CV indică variaţia redusă a caracteristicii testate, omogenitatea eşantionului şi reprezentativitatea mediei. 2. Relaţiile dintre variabilele aleatoare pot reflecta: independenţa variabilelor aleatoare, dacă v.a. X i sunt stohastic independente: funcţia de repartiţie comună: F(x 1, x 2,,...) = P(X 1 x 1, X 2 x 2,...) = F 1 (x 1 ) F 2 (x 2 )...F n (x n ) (IX.1.36) densitatea de probabilitate comună: f(x 1, x 2, x 3,...x n) = f 1 (x 1 ) f 2 (x 2 ) f 3 (x 3 )...f n (x n ) (IX.1.37) gradul de conexiune liniară între două v.a. X, Y care se apreciază prin: funcţia de covarianţă normată sau coeficientul de corelaţie: ρ(x, Y) = Cov(X, Y) Var( X ) Var( Y ) =σ / σ σ, (IX.1.38) unde, covarianţa Cov(X, Y) = S XY este: XY X Y σ XY = M[X M(X)][Y M(Y)] (IX.1.39) Coeficientul de corelaţie îndeplineşte condiţia: 1 ρ(x, Y) +1 (IX.1.40) (pentru r = 0, variabilele se numesc necorelate). 3. Repartiţiile de probabilitate constituie modele pentru repartiţiile empirice obţinute la măsurări asupra mărimilor textile (tabelul IX.1.47).
Tabelul IX.1.47 Denumirea repartiţiei 1. Repartiţia normală (Gauss-Laplace), N(m, σ) 2. Repartiţia normală standard, N (0, 1) 3. Repartiţia binomială B i (n, p) Tipul de variabilă aleatoare Utilitatea repartiţiei Modele matematice pentru caracteristicile de calitate Parametrii caracteristici (medie M, dispersie D 2 ) Densitatea de probabilitate Funcţia de repartiţie Reprezentarea grafică a densităţii de probabilitate 1 2 3 4 5 V.a. X continuă Modelare procese tehnologice; estimare erori de măsurare şi caracteristici de material V.a. Z continuă Caz particular al repartiţiei normale, obţinută prin transformarea: z = (x m)/σ valori tabelate ale funcţiei de distribuţie pentru siguranţa statistică S α [%] V.a. X discretă; Stabilirea frecvenţei unei caracteristici alternative la controlul prin sondaj, cu: n (nr. de determinări independente); p (probabilitatea unui termen al alternativei); q (probabilitatea celuilalt termen al alternativei) M(X) = m; M(X) = µ D 2 (x) = σ 2 M(z) = 0 D 2 (z) = 1 M(X) = n p D 2 (x) = n p q unde: p [0, 1]; q = 1 p pentru n p q 10; B (n, p) N(m, σ 2 ) 1 f( x) = e σ 2 π x, m R; σ > 0 2 1 x m 2 σ x 1 F( x) = f( t)dt σ 2 π 1 f( z) = 2 π 2 1 e 2 z 1 F( z) = f( t)dt 2 π x x n x f(x) = P(n, x) = Cn p q ; x = 0,1,... n F( x) = P( x n) = n = Pnx (, ); 0 F(x) = 0, pentru x < 0; F(x) = 1, pentru x n ;
1 2 3 4 5 4. Repartiţia Poisson V.a. X discretă M(X) = D 2 (x) = λ f(x) = P(λ, x) = P 0 (λ) Este repartiţia evenimentelor rare n p = λ = const x λ λ np 10; n 30; p 0,1; pentru n p 10 = λ, = e, x = 0,1,2,... n x! B(n, p) P 0 (λ) P 0 (λ, x) N(λ, λ) F( x) = P( x n) = n = P( λ, x); 0 Tabelul IX.1.47 (continuare) 5. Repartiţia exponenţială E(x, λ) V.a.X discretă Pentru intervalul de timp dintre evenimente repartizate Poisson M(X) = D 2 (x) = 1 λ f(x) = λ e λx, pentru λ > 0; x 0 f(x) = 0, pentru x < 0 F(x) = 1 e λx, pentru λ > 0; x 0 6. Repartiţia Weibull V.a. X discretă ; Descrie durata de viaţă a materialelor supuse unui proces de îmbătrânire (oboseala materialelor; durata de viaţă a instrumentelor etc.) Parametri: α, β, γ R α starea β > 0 măsura γ >0 configuraţia γ γ 1 x α γ x α β f( x) = e, β β x α f(x) = 0, x < α t x α β F( x) = 1 e, x α F(x) = 0, x < a
7. Repartiţia χ 2 (ν) 1 2 3 4 5 ν 2 i V.a. Y = X, unde: i= 1 X 1...ν sunt v.a. independente N(0, 1) ν = 1, 2,... grade de libertate Utilizată ca repartiţie auxiliară la teste de verificare ale ipotezelor statistice M(Y) = ν D 2 (Y) = 2 ν Proprietăţi: ν 100, χ 2 (ν) N(ν, 2 ν) ν 30, χ 2 (ν) N(0, 1) Quantilele χ sunt tabelate 2 ν,1 α Tabelul IX.1.47 (continuare) 8. Repartiţia Student t (ν) V.a. continuă Z T = ; Z N(0,1); Y ν 2 Y X ( ν) Utilizată la verificarea ipotezelor statistice la eşantioane de volum redus Repartiţia S(t) nu depinde de dispersia variabilei aleatoare M(t) = 0 ν D 2 (t) = ν 2 ; unde: ν = n 1 ν > 30, D 2 (t) 1; S(t) N(0, 1) Proprietăţi: ν 30, t(ν) N(0, 1) P( t > ) =α t αν, P( t ) = 1 α t αν, Există valori tabelate pentru t α, ν
9. Repartiţia Fischer- Snedecor ( F ν, ν ) 1 2 1 2 3 4 5 V.a. continuă ν M(X) = 2 Y1 ν2 2, Proprietăţi: ν 1 = 1; ν 2 = ν; ν X = 1 pentru ν ; Y1; Y2; v.a. 2 3 X t( ν ) Y2 2 ν D 2 2 ν (x) = 2 ( ν 1+ν2 2) ν 1 = ν; ν 2 200; χ 2 (ν), 2 2 ν independente χ 2 (ν 1 ); χ 2 1 ν ( 2 2) ( ν2 4) (ν 2 ) pentru ν Utilizată la compararea dispersiilor 2 5 a două eşantioane independente ν 1 ; ν 2 = 1,2,... (analiză dispersională) Tabelul IX.1.47 (continuare)
CONDIŢII METROLOGICE SPECIFICE ÎNCERCĂRILOR DE MATERIALE ÎN INDUSTRIA TEXTILĂ. PARAMETRI DE CLIMAT. METODE ŞI APARATE PENTRU DETERMINAREA ACESTORA Indiferent de forma de prezentare, produsele textile se caracterizează prin higroscopicitate sau proprietatea de a absorbi şi de a ceda vapori de apă în mediul ambiant. Higroscopicitatea produselor textile este determinată structural la nivelul formaţiunilor constituente (moleculare, supramoleculare, histomorfologice si textile) şi se manifestă fizic prin conţinutul de umiditate la un moment dat. Conţinutul de umiditate prezent în materialul textil este dependent de parametrii de climat ce caracterizează mediul ambiant şi de variaţia acestora; conţinutul de umiditate constituie o mărime cu caracter dinamic, a cărei variaţie implică atât modificări ale caracteristicilor dimensionale, fizice şi mecanice ale produselor textile cât şi de prelucrabilitate. Interdependenţa dintre parametrii de climat, umiditatea produselor textile şi caracteristicile acestora impune: un control riguros asupra parametrilor de climat (umiditatea relativă a aerului, temperatura, viteza de deplasare a curenţilor de aer); menţinerea parametrilor de climat în limite impuse, pentru prelucrări/încercări de laborator; determinarea riguroasă a conţinutului de umiditate absorbit de produsele textile. IX.2.1. Umiditatea relativă a aerului Umiditatea relativă a aerului se defineşte prin raportul dintre presiunea vaporilor de apă (p) prezenţi efectiv în aerul atmosferic şi presiunea vaporilor necesari pentru a satura atmosfera (p s ) în aceleaşi condiţii de temperatură şi presiune: φ = 100 p/p s [%] (IX.2.1) Valoarea numerică a umidităţii relative a aerului, φ, este aproximativ egală cu gradul de saturaţie (Ψ), definit prin raportul dintre cantitatea de vapori de apă existenţi în unitatea de volum de aer atmosferic, în anumite condiţii de temperatură şi presiune (x), şi corespondenţa acesteia, la saturaţie, x s : Ψ = 100x/x' [%];
78 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ la valori mici ale conţinutului de vapori: φ = Ψ Deoarece materialele textile sunt caracterizate prin higroscopicitate, parametrul umiditate relativă a aerului constituie un factor determinant pentru: recepţia cantitativă a materialelor textile; recepţia calitativă a materialelor textile şi prelucrabilitatea materialelor textile. IX.2.1.1. Metode şi aparate pentru determinarea umidităţii relative a aerului Metodele folosite pentru controlul umidităţii relative a aerului se caracterizează prin utilizarea unei mari diversităţi de principii fizice cel mai important criteriu de clasificare (tabelul IX.2.1). Clasificarea metodelor de determinare a umidităţii relative a aerului Tabelul IX.2.1 Fenomenul fizic de bază, denumire Absorbţia apei din atmosferă/gravimetrice Determinarea punctului de rouă/higrometre de condensare pe suprafaţă Determinarea diferenţei psihrometrice / psihrometre de aspiraţie Modificarea caracteristicilor fizice ca efect al sorbţiei / higrometre Particularităţi ale metodei Măsurare gravimetrică Cu celule fotoelectrice Cu rezistenţă electrică de suprafaţă variabilă Măsurarea directă cu aspiraţie (rotativ) Modificarea dimensiunii longitudinale Modificarea conductibilităţii electrice/termice Principiul metodei Se utilizează substanţe de mare higroscopicitate /organice sau anorganice. Observarea momentului condensării pe suprafeţe metalice răcite şi determinarea temperaturii corespunzătoare; la nivelul suprafeţei răcite are loc condensarea cu variaţia rezistenţei electrice de suprafaţă. Diferenţa psihrometrică (Dt) este dată de intensitatea fenomenului de evaporare la nivelul termometrului umed, în mediul ambiant Lungimea unei şuviţe de păr (L) variază în urma sorbţiei; conductibilitatea electrică a unor substanţe higrospopice este funcţie de umiditate; conductibilitatea termică a unor substanţe este funcţie de umiditate Aplicabilitate, precizie Metoda etalon foarte exactă; Metoda exactă; se utilizează in laboratoarele de fizică Precizie 1%; necesită atenţie în deservire. Etalonare cu psihrometre; manevre atente; se pot utiliza industrial; rar întrebuinţate Mijloacele de măsurare utilizate în măsurarea umidităţii relative a aerului sunt: Higrometre pentru determinarea punctului de rouă. Orice variantă constructivă permite determinarea temperaturii la care se produce condensarea vaporilor de apă pe o suprafaţă metalică răcită prin intermediul unui curent de aer (punctul de rouă, temperatura T r ). Această temperatură corespunde saturaţiei la nivelul de umiditate existent şi, deci: φ = 100 x Tr / x T [%] (IX.2.2) cu valorile x Tr şi x T tabelate.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 79 Metodele bazate pe acest principiu se diversifică constructiv prin modul de determinare a temperaturii T. Higrometrul Daniell: măsurarea temperaturii T r se realizează prin intermediul termometrului de dilatare introdus în recipientul metalic de formă cilindrică, pe suprafaţa căruia se urmăreşte producerea fenomenului de condensare; rezultatele determinărilor efectuate prin această metodă pot fi afectate de erori subiective, comise prin aprecierea vizuală a momentului condensării. Higrometrul cu celule fotoelectrice: permite determinarea obiectivă a T r realizată prin detectarea precisă, cu ajutorul fotocelulelor 4 a momentului condensării (fig. IX.2.1). Vaporii de apă din mediul analizat 7 condensează pe placa metalică lucioasă 1, răcită cu bateria 3. Funcţionarea bateriei este reglată prin intermediul sistemului cu celule fotoelectrice 4, care furnizează tensiunea de alimentare în funcţie de starea suprafeţei 1. În momentul condensării, capacitatea de reflexie a plăcii este minimă, răcirea se întrerupe, iar termometrul 2 indică temperatura T r. Temperatura T r se determină prin metode rezistive, utilizându-se termometre al căror element sensibil este un termistor sau o rezistenţă de platină, fixată în bateria de răcire. Psihrometre. Se determină diferenţa psihrometrică, între valorile de temperatură a aerului (indicată de termometrul uscat, t) şi de temperatura la care vaporii de apă din aer ating saturaţia (indicată de termometrul umed, t u). Diferenţa psihrometrică, t, este determinată de fenomenul de evaporare a apei pe suprafaţa rezervorului termometrului umed, iar valoarea acesteia depinde de umiditatea relativă a aerului, t, în mediul analizat. Intensitatea fenomenului de evaporare este determinată de umiditatea relativă a aerului care condiţionează deci diferenţa psihrometrică. Psihrometrele sunt realizate în trei variante constructive. Psihrometrul simplu (August) (fig. IX.2.2,a): diferenţa psihrometrică este rezultatul unui fenomen de evaporare liberă, condiţionat numai de viteza de circulaţie a aerului din încăpere; un asemenea instrument indică în permanenţă valoarea t. Psihrometrul de aspiraţie (fig. IX.2.2,b) se compune, în principiu, din aceleaşi elemente: termometrul uscat şi umed ale căror rezervoare (traductoare) se află în tuburile ce comunică cu aspiratorul. În cazul psihrometrului de aspiraţie, fenomenul de evaporare este întreţinut de funcţionarea ventilatorului timp de 8-10 minute. Psihrometrul de rotaţie (fig. IX.2.2,c), mai rar folosit, condiţionează fenomenul de evaporare de curenţii de aer creaţi prin mişcarea circulară a termometrelor. Principiul de funcţionare. Cantitatea de căldură consumată în procesul de evaporare a apei la nivelul termometrului umed Q este egală cu cantitatea de căldură preluată de la nivelul rezervorului termometrului umed: Q = m Λ (IX.2.3) unde: m este masa apei evaporate; Λ căldura latentă de vaporizare. Cantitatea de apă evaporată la baza termometrului umed este: m = k 1 (p u p) (IX.2.4) unde: p u este presiunea vaporilor de apă în incinta termometrului umed; p presiunea vaporilor de apă în mediul înconjurător. 4 7 7 1 2 3 5 S Fig. IX.2.1. Principiul higrometrului cu celule fotoelectrice. 4 6
80 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ a b c Fig. IX.2.2. Tipuri de psihrometre. a psihrometrul simplu: 1 placă de lemn; 2 termometru uscat; 3 termometru umed; 4 rezervor; 5 arcuri; 6 ţesătură. b psihrometrul de aspiraţie: 1 termometru uscat; 2 termometru umed; 3, 4, 5 tuburi; 6 paletă; 7 tambur; 8 orificii de refulare abur; 8 cheie; 9 orificii de refulare. c psihrometrul de rotaţie: 1 termometru uscat; 2 termometru umed; 3 placă; 4 mâner. Consumul de căldură, la nivelul rezervorului termometrului umed, determină scăderea temperaturii: Q = k 2 (t t u ) (IX.2.5) Dar, Λ K 1 (p u p) = K 2 (t t u), deci, rezultă relaţia finală de calcul a umidităţii relative a aerului prin metoda psihrometrică: t t u = K Λ (p u p) (IX.2.6) unde: Λ, K, p u reprezintă termeni tabelaţi (în funcţie de t); t, t u determinaţi experimental; p se calculează. Determinarea umidităţii relative a aerului prin metoda psihrometrică se realizează efectiv: prin calcul; prin intermediul nomogramelor (fig. IX.2.3,a,şi b); utilizând tabelele psihrometrice. Precizia determinărilor de umiditate relativă a aerului efectuate prin metoda psihrometrică este de 1% şi justifică utilizarea sa în operaţiile de etalonare a altor mijloace de măsurare. Higrometre şi higrografe cu fir de păr. Principiile de funcţionare şi caracteristicile se prezintă în cele ce urmează. Higrometrul cu fir de păr (fig. IX.2.4) sesizează şi indică umiditatea relativă a aerului datorită variaţiei lungimii firului de păr degresat, care este proporţională cu variaţia în limite restrânse a acesteia.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 81 a b Fig. IX.2.3. Nomograma pentru determinarea umiditatăţii relative a aerului: a cu ajutorul psihrometrului simplu; v = 0,2 m/s; b cu psihrometrul de aspiraţie. Higrograful (fig. IX.2.5) este construit pe acelaşi principiu cu higrometrul şi permite înregistrarea grafică a variaţiei umidităţii relative a aerului. Higrograful este prevăzut cu un înregistrator, al cărui suport este acţionat prin intermediul unui mecanism de ceas, realizat pe principiu mecanic; suportul înregistrării poate fi din hârtie cerată sau simplă, iar inscriptorul poate fi realizat sub forma unei tije metalice ascuţite sau sub forma unei peniţe.
82 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Fig. IX.2.4. Higrometrul: 1 cadru metalic; 2 şurub de reglaj; 3 suviţa de păr; 4 contragreutate; 5 ac indicator; 6 scara gradată, %. Fig. IX.2.5. Higrograful cu fir de păr: 1 şuviţa de păr degresat; 2 cleme; 3 pârghii; 4 inscriptor; 5 suportul înregistrării; 6 tambur acţionat prin mecanism de ceas. Observaţii: 1. În ambele cazuri, lanţul de măsurare conţine un sistem de pârghii, care preiau deformaţia, determinată de variaţia umidităţii şuviţei de păr degresat, şi o transmit acului indicator/ înregistrator. 2. Higrometrele şi higrografele sunt sensibile la praf, lumină şi căldură şi la umiditate relativă a aerului foarte mare, scăzută sau foarte scăzută; se impune manevrare atentă şi o reglare frecventă. 3. Funcţionarea higrometrelor şi higrografelor este simplă şi precisă într-un domeniu relativ îngust de variaţie a umidităţii relative a aerului; în cazul unei instabilităţi mai pronunţate a valorii acesteia, erorile de măsurare pot fi de 5%; etalonarea se realizează cu ajutorul psihrometrelor. Instalaţii electronice pentru măsurarea umidităţii relative a aerului. Acestea sunt prezentate în detaliu în continuare. Psihrometre cu indicarea directă a umidităţii relative a aerului. Folosirea acestor instalaţii de măsură permite o citire directă a valorii umidităţii relative a aerului (fără utilizarea tabelelor sau nomogramelor psihrometrice). Considerând curbele psihrometrice concurente, Lieneweg a stabilit relaţia: 1 φ = d (t t u ) / (a + b t c t 2 u ) (IX.2.7) în care: a, b, c, d sunt constante; t, t u cu semnificaţiile cunoscute. Valoarea (1 φ) poate fi obţinută prin intermediul unei instalaţii de măsurare în punte (fig. IX.2.6), în cadrul căreia sunt conectate termometrele rezistive pentru determinarea valorilor t şi t u. În puntea 1-2-3-4 sunt instalate termometrele rezistive t u şi t; curentul I 1 obţinut în diagonala 2-4 a punţii este direct proporţional cu căderea de tensiune 2-4, deci cu
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 83 diferenţa rezistenţelor instalate pe braţele 2-3; 3-4 (IX.2.8): I 1 = k t (IX.2.8) În puntea 1*- 2*- 3* -4* este instalat t, iar curentul obţinut în diagonala 2*-4* este dependent de rezistenţa termometrului t: I 2 = a + b t c t 2 (IX.2.9) Indicaţia logometrului, I (aparat de măsură electrodinamic, a cărui indicaţie este proporţională cu raportul curenţilor alimentaţi la bornele sale), este de forma: I = K (I 1 / I 2 ) = 1 φ (IX.2.10) şi permite determinarea directă a valorii umidităţii relative a aerului. Domeniul de măsură pentru umiditatea relativă a aerului este: 10-100 %, iar măsurările pot fi efectuate în intervalul de temperatură de: 5...+ 120 o C ±3%. Traductoare rezistive pentru determinarea umidităţii relative a aerului. Realizate sub forma unor rezistenţe variabile (fig. IX.2.7 şi IX.2.8) sub influenţa umidităţii relative a aerului, în variante constructive bazate pe tehnici de înfăşurare sau imprimare, filamentul sau pelicula, depuse pe un suport izolator impregnat cu substanţă higroscopică, sunt conectate la un circuit de alimentare care se închide prin intermediul acesteia; rezistenţa traductorului depinde de cantitatea de apă absorbită de substanţa higroscopică, iar aceasta depinde de umiditatea relativă a aerului. În circuitul de măsurare rezistenţa variabilă este convertită în semnal tensiune, dependent de umiditatea relativă a aerului. Traductoarele rezistive sunt alcătuite din: suport izolant, 1; electrod (pelicular, filamentar), 2; peliculă de material higroscopic, 3; fire şi borne de conexiune, 4. 1 2 t 4 tu 3 1* I 1 I 2 L t 2* 4* Fig. IX.2.6.. Schema de principiu a psihrometrului rezistiv. 3* Fig. IX.2.7. Traductoare rezistive obişnuite prin tehnici de imprimare. Fig. IX.2.8. Traductoare rezistive obişnuite prin tehnici de înfăşurare. Pentru valori determinate ale umidităţii relative a aerului R x = f (j) şi ale temperaturii se trasează curbele de etalonare de forma U = f (R). Variaţia umidităţii relative a aerului în limitele 0-100% determină o variaţie a rezistenţei electrice a traductorului R = 10-10 4 [Ω]. Pentru R x = f(j), prin curbele de etalonare (fig. IX.2.9) se determină valoarea parametrului urmărit (%). Fig. IX.2.9. Variaţia rezistenţei R în funcţie de umiditatea relativă a aerului.
84 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ IX.2.2. Higroscopicitatea materialelor textile Higroscopicitatea materialelor textile este proprietatea de a absorbi şi de a ceda vapori de apă dintr-un mediu cu o anumită umiditate relativă şi este determinată de: structura moleculară a fibrelor componente: prezenţa în structură a unor grupări cu caracter polar, cu afinitate pentru moleculele de apă: oxidrilică ( OH), aminică, ( NH 2 ), acidă ( COOH); structura supramoleculară a fibrelor: dualitatea structurală cristalin-amorf, determinată de posibilitatea formării legăturilor intermoleculare; prezenţa zonelor amorfe în cadrul cărora grupările polare fixează apa de hidratare în materialele textile; structura histomorfologică a fibrelor: prezenţa unor capilare sau pori, care explică efectul de creştere a umidităţii prin fenomene de capilaritate; structura textilă: compactitatea şi porozitatea determinate prin tehnologia de prelucrare, modelul structural şi parametrii de structură, tehnologia de finisare. prezenţa substanţelor însoţitoare /adausurilor tehnologice. Mecanismele de fixare a moleculelor de apă şi de îmbibare cu vapori definesc: higroscopicitatea: se manifestă prin capacitatea de a absorbi şi a ceda vapori de apă din / în mediul înconjurător, determinată de structura moleculară şi supramoleculară (grad de cristalinitate şi orientare) a fibrelor componente; hidrofilia (capacitatea de udare): determinată de însoţitori naturali; adausuri tehnologice şi de formele de organizare structurală, de la nivel histomorfologic până la nivel textil. Observaţii: 1. Variaţia parametrilor atmosferei ambiante determină dezechilibrul sorbţie- desorbţie la nivelul materialului textil; restabilirea acestuia se realizează treptat, în timp, determinat de structura şi forma de prezentare a materialului şi de parametrii de climă (φ [%], t [ o C]) figura IX.2.10. 2. Timpul de stabilire al echilibrului sorbţie-desorbţie, t c (cantităţile de vapori absorbiţi şi cedaţi devin egale şi constante) justifică necesitatea perioadelor de climatizare în procesele tehnologice de prelucrare (fig. IX.2.11) şi depinde de natura materialului, de structura textilă şi de modul de prezentare a acestuia. 3. Histereza caracterizează fenomenele de sorbţie/desorbţie de la nivelul materialelor textile şi se concretizează prin faptul că, la echilibru, acestea conţin mai multă apă dacă au ajuns în această stare prin desorbţie (fig. IX.2.12); fibrele de lână prezintă cea mai mare valoare a histerezei la sorbţie (2, 5%). 4. Structura textilă constituie un factor determinant asupra timpului de stabilire al echilibrului sorbţie-desorbţie, t e. Dinamica procesului de sorbţie este determinată de structura chimică a materialului, de umiditatea relativă a aerului şi de temperatura mediului ambiant; la temperatură determinată, fiecare material se caracterizează prin izoterma de sorbţie care descrie evoluţia stărilor de echilibru în raport cu umiditatea relativă a aerului (fig. IX.2.12). IX.2.2.1. Influenţa umidităţii asupra proprietăţilor fizico-mecanice ale materialelor textile Modificarea conţinutului de umiditate a materialelor textile implică variaţii ale caracteristicilor fizice şi mecanice ale acestora: dimensiuni, masă, densitate, proprietăţi electrice şi dielectrice, proprietăţi mecanice, care se reflectă în prelucrabilitate; din acest motiv, de conţinutul de umiditate se ţine seama atât în recepţia cantitativă cât şi în recepţia calitativă.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 85 Fig. IX.2.10. Echilibrul sorbţie-desorbţie la materialul textil uscat. Fig. IX.2.11. Histereza în fenomenele de sorbţie - desorbţie. Fig. IX.2.12. Izoterme de sorbţie pentru diferite materiale textile: 1 celofibră; 2 lână; 3 mătase; 4 in; 5 bumbac; 6 acetat; 7 fibre poliamidice; 8 fibre poliacrilice). Dependenţa caracteristicilor fizice şi mecanice de conţinutul de umiditate se manifestă diferenţiat, în funcţie de higroscopicitatea fibrelor componente şi de gradul de complexitate al produsului textil; influenţa sa este mai mare în cazul înşiruirilor de fibre cu grad de afânare mai accentuat şi descreşte la creşterea compactităţii. Interdependenţa proprietăţi - umiditate este determinată de compoziţia fibroasă prin mecanismul de absorbţie, iar consecinţele imediate sunt: creştere de masă şi fenomene de gonflare, care produc modificări superficiale sau de profunzime. Observaţii: 1. Gonflarea constituie: efect de suprafaţă, determinând modificări ale proprietăţilor de stare (netezime, luciu, comportare tribologică; proprietăţi electrice şi dielectrice); efect intern, reflectat prin modificarea proprietăţilor mecanice, comportarea la solicitări de tracţiune, încovoiere, compresie, torsiune sau comportarea la acţiunea agenţilor fizici. 2. Efectul de gonflare se dezvoltă fără restricţii în structurile deschise (fibre, semifabricate) şi mai limitat de bariere structurale, de contextură, în cazul textilelor plane, prin
86 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ consecinţe diferite ca sens şi formă a variaţiei caracteristicilor; modificarea proprietăţilor fizico-mecanice se reflectă în variaţia prelucrabilităţii produselor textile în cadrul proceselor tehnologice. 3. Existenţa unor relaţii de determinare între proprietăţile, prelucrabilitatea materialelor textile şi conţinutul de umiditate al acestora motivează importanţa acordată în domeniul tehnologiei textile acestei mărimi şi impune desfăşurarea următoarelor activităţi într-un cadru legislativ adecvat: definirea atmosferei de referinţă, clima standard, pentru condiţionare, prelucrare sau încercare; condiţionarea materialelor şi a probelor (la parametrii climei standard, înainte de efectuarea încercărilor şi analizelor; la parametrii climatului de prelucrare, în vederea introducerii în procesul de prelucrare); efectuarea analizelor şi încercărilor de materiale textile în condiţii standard de climă; efectuarea unor corecţii pentru încercările şi analizele de materiale textile care nu au avut loc în condiţii standard; determinarea riguroasă a conţinutului de umiditate. IX.2.2.2. Atmosfera standard de condiţionare Atmosfera standard de condiţionare şi încercare este definită prin SR EN 20139:1999, care prescrie parametrii de climat pentru laboratoarele de încercări fizico-mecanice precum şi procedurile de condiţionare a materialelor textile. Standardul prescrie umiditatea relativă şi temperatura aerului la valori apropiate atmosferei ambiante: pentru climat temperat, temperatura prescrisă este t = 20±2 o C; umiditatea relativă a aerului este φ = 65±2 %; pentru climat tropical, temperatura prescrisă este t = 27±2 o C; umiditatea relativă a aerului este φ = 65±2 %; Deoarece este necesar ca materialul să ajungă la starea de echilibru prin absorbţie, şi nu prin desorbţie, se recomandă precondiţionarea materialelor a căror umiditate depăşeşte repriza (uscare la T = 50 o C şi φ = 7-20 %). Condiţionarea se obţine prin expunerea materialelor textile în atmosfera standard timp de 24-72 h, prin ventilaţie liberă, pentru stabilirea echilibrului sorbţie-desorbţie şi are ca efect omogenizarea conţinutului de umiditate, reflectându-se pozitiv în prelucrare şi măsurare. Se folosesc incinte prevăzute cu sisteme de control şi reglare a temperaturii şi umidităţii aerului (camere de climatizare, termohigrostate) şi exicatoare care permit realizarea unei valori controlabile a umidităţii acestuia. Observaţii: 1. Materialul se află în echilibru cu atmosfera standard dacă, la două cântăriri succesive efectuate la interval de o oră, nu prezintă o diferenţă de masă mai mare de 0,1% din masa iniţială. 2. Atmosfera de încercare trebuie să fie la fel cu atmosfera de condiţionare; dacă această condiţie nu este îndeplinită, parametrii (φ [%] şi T [ o C]) vor fi menţionaţi în protocolul de analiză. 3. Climatizarea probelor se execută diferenţiat, cu exicatoare (probe mici) şi cu termohigrostate (probe mari): exicatoarele permit obţinerea unui regim determinat de umiditate relativă, la temperatura T = 20 0 C (tabelul IX.2.2), prin utilizarea unor soluţii de concentraţie determinată ale unor substanţe chimice ca acizi, baze sau săruri;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 87 termohigrostatele automate constituie instalaţii complexe care permit stabilirea şi menţinerea parametrilor de climat în limitele dorite, fără să necesite o supraveghere specială. 4. Umiditatea aerului este produsă prin pulverizarea apei reglată cu relee prin intermediul unui higrometru, iar temperatura obţinută prin intermediul unor baterii de încălzire este menţinută la valoare constantă prin intermediul instalaţiilor de răcire. Valori de umiditate relativă a aerului menţinute cu soluţiile unor săruri la T = 20 0 C Tabelul IX.2.2 Substanţa Clorura de magneziu Clorura de calciu Hidroxid de sodiu Hidroxid de potasiu Clorura de zinc Clorura de litiu* Clorura de calciu* Azotat de zinc* Formula chimică MgCl 2 CaCl 2 NaOH KOH ZnCl 2 LiCl 2 H 2 O CaCl 2 6H 2 O Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O φ, % Substanţa 0,5 2.5 3 7 10 15 32 48 Sulfat acid de sodiu* Azotat de amoniu Clorit de sodiu Clorura de amoniu Bromura de potasiu Sulfat zinc, hidrat* Azotat de plumb Sulfat de potasiu Formula chimică NaHSO 4 H 2 O NO 2 (NH 4 ) NaClO 3 NH 4 Cl KBr ZnSO 4.7H 2 O Pb(NO 3 ) 2 K 2 SO 4 φ, % 52 65 75 80 84 91 98 99 * hidratat. IX.2.2.3. Indici pentru aprecierea umidităţii materialelor textile Recepţia cantitativă şi calitativă a materialelor textile impune determinarea umidităţii reale a materialelor textile şi cunoaşterea umidităţii legale (repriza). Umiditatea reală a unui produs textil (u) reprezintă cantitatea de apă conţinută de acesta la un moment dat şi se exprimă în procente din masa produsului uscat. Conform definiţiei, umiditatea reală a unui produs textil este: u = 100 (m i m u ) / m u [%] (IX.2.11) unde: m i este masa iniţială a materialului textil [g]; m u masa materialului după uscare [g]. Umiditatea normală a unui produs textil este exprimată în acelaşi mod ca şi umiditatea reală, dar se determină după climatizare timp de 24-72 h, în condiţii de climă standard. Umiditatea legală (comercială) a unui produs textil (repriza, u l ) reprezintă procentul de umiditate admis convenţional în tranzacţiile comerciale. Valoarea reprizei este apropiată de valoarea umidităţii normale şi este reglementată prin SR ISO / TR 6741-4: 1999; a fost introdusă denumirea de indici comerciali de condiţionare şi de repriză (tabelul IX.2.3). Umiditatea legală a amestecului de diferite materii prime se stabileşte pe baza mediei ponderate a reprizelor componentelor: u a = a i u li / 100 (IX.2.12) unde: u a este repriza amestecului; a i cotele de participare a componenţilor i în amestec; u li repriza componenţilor, %.
88 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Tabelul IX.2.3 Indici comerciali de repriză Categorie produse Fibre proteice Fibre celulozice naturale Fibre minerale Tipul de fibră; modul de prelucrare Reprize Categorie produse Tipul de fibră; modul de prelucrare Reprize Lână şi păruri Acetat 9 pieptănate 18,25 Triacetat 7 cardate 17 Fibre Cupro 13 Păruri artificiale Proteice 17 pieptănate 18,25 Triacetat 7 cardate 17 Viscoza 13 Mătase naturală 11 Acrilice 2 Bumbac 8,5 Poliamidice, filamente 5,75 Bumbac, fibre 10,5 Poliamidice, fibre 6,25 mercerizate Capoc 10,9 Poliamida 11, filamente, 3,5 fibre In 12 Fibre Poliester, filamente, fibre 1,5 sintetice Cânepă 12 Polietilena 2 Iută 17 Polipropilena 2 Ramie albită 8,5 Poliuretanice, filamente 3 Sisal 14 Poliuretanice, fibre 3,5 Metalice 2 Elastan 1,5 Azbest 2 Sticlă, d > 55 2 IX.2.2.4. Masa comercială a unui produs textil Deoarece materialele textile sunt higroscopice, în tranzacţiile comerciale trebuie să se ţină seama de faptul că fluctuaţiile de umiditate pot influenţa negativ posibilitatea de a controla sub aspect cantitativ producţia realizată. Masa comercială, M c, reprezintă masa corectată la conţinutul legal de umiditate şi asigură un criteriu unic de abordare a aspectului cantitativ, între furnizor şi beneficiar. Standardul SR ISO 6741-1: 1998 prevede determinarea masei comerciale pentru loturi omogene de fibre şi fire textile, plecând de la masa netă sau masa facturată: M c = M U F 1 (IX.2.13) unde: M U este masa netă a lotului; F 1 valoarea medie ponderată a factorului de corecţie: F1 = Moi fi / M oi n n (IX.2.14) unde: M oi este masa netă a coletului; coletul este definit ca unitate de ambalare într-un lot (cutie de carton, ladă, balot); n numărul de colete din eşantionul lotului; f i factor de corecţie pentru coletul i, pentru fiecare eşantion de laborator separat;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 89 msi 100 + Rc fi =, 1 i n, (IX.2.15) m 100 oi unde: m Si este masa deshidratată (curăţată şi deshidratată) a eşantionului prelevat pentru laborator, din coletul i; m 0i masa netă a eşantionului prelevat din coletul i; R c indice comercial de condiţionare sau indice comercial de repriză adecvat. Masa comercială necorectată, M C, trebuie corectată pentru un conţinut stabilit de materii extractibile nevolatile: 100 + Rc 100 + RX C = ( A B), (IX.2.16) 100 100 unde: C este masa comercială corectată; A masa deshidratată a lotului; 100 A = M C, (IX.2.17) 100 + Rc unde: B este masa materialelor extractibile din lot; B i masa materialelor extractibile din eşantion: MU Bi B = (IX.2.18) m R X conţinut de materiale extractibile acceptat, în %. Pentru anumite categorii de produse există prescripţii de neincludere în masa comercială a conţinutului de avivaj, ulei, grăsimi, impurităţi, apret. Si IX.2.2.5. Metode pentru determinarea umidităţii materialelor textile Determinarea umidităţii materialelor textile se efectuează prin metode de măsurare: directe /gravimetrice conţinutul de umiditate este stabilit prin diferenţa dintre masa probei înainte şi după uscare; laborioase, metodele directe furnizează cele mai precise informaţii asupra umidităţii produselor textile; indirecte-conţinutul de umiditate din material este apreciat prin influenţa sa asupra unor mărimi fizice caracteristice ca permitivitatea dielectrică, conductibilitatea electrică; acestea permit aprecieri operative ale conţinutului de umiditate şi prezintă avantajul utilizării aparatelor portabile, deci, se poate efectua control on line şi sunt aplicabile la orice formă de prezentare a materialului textil. Aparate pentru determinarea gravimetrică a umidităţii produselor textile. Determinarea umidităţii produselor textile se realizează cu aparatul pentru determinarea umidităţii (fig. IX.2.13), cu termoregulator (în limitele de temperatură de 90...110 o C, eroarea tolerată fiind de 1 o C). Determinarea se efectuează pe probe prelevate în conformitate cu standardele în vigoare; una dintre cele 3 părţi ale probei este supusă uscării, în condiţii metrologice impuse: temperatura curentului de aer, T, de 105...110 C; debitul curentului de aer care trece prin probă, W, de 1,5 2 m 3 / min; cântăriri succesive, la intervale egale de timp.
90 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Fig. IX.2.13. Aparat pentru determinarea umidităţii materialelor textile: 1 camera de preuscare; 2 camera de uscare; 3 sursa de aer cald (baterie de rezistenţe, ventilator); 4 balanţa tehnică cu precizie de cântărire de 0,02 g; 5 suport sită pentru probă. Determinarea se încheie la masă constantă, când diferenţa dintre două cântăriri succesive este mai mică de 0,05% din masa iniţială, pentru probe de 200 g, 0,1% din masa iniţială, pentru probe de 100 g. Pentru determinările efectuate în spaţii necondiţionate, rezultatele se corectează cu relaţia: 622 ϕ p1 C = k 9,5 (IX.2.19) 760 ϕ p2 în care: p s este presiunea vaporilor la saturaţie (torr) la temperatura t o C, din laborator; j umiditatea relativă a aerului, %; k constantă de material Aparate pentru determinarea indirectă a umidităţii materialelor textile. Sunt construite pe principii rezistive sau capacitive; se bazează pe dependenţa caracterisicilor: electrice: R = f(u)/măsurare rezistivă şi respectiv dielectrice: ε = f(u) / măsurare capacitivă a materialelor textile, a conţinutului de umiditate. Metoda capacitivă are întrebuinţare mai largă, măsurarea fiind posibilă în domeniul frecvenţelor joase şi înalte, deoarece alimentarea instalaţiilor de măsură în curent alternativ elimină/ reduce erorile generate prin fenomene de polarizare (fig. IX.2.14). Principiul fizic: variaţia umidităţii materialului textil determină variaţia permitivităţii dielectrice (ε mt = 2-6; ε a = 80,1; ε mt < ε* < ε a ) şi a capacităţii condensatorului de măsură: C x = ε* S/d (IX.2.20) Traductorul (celula de măsură), prezentat în figura IX.2.15, este adaptat necesităţilor determinării fiind realizat în diferite variante constructive; astfel, celulele sunt utile în controlul umidităţii materialului fibros prelucrat sau brut (a), în controlul direct al baloţilor de material fibros (b) sau în controlul formatelor de fir sau al ţesăturilor (c); metoda nu impune contact ferm între electrozi şi dielectric, iar sensibilitatea traductorului este mare. Curba de etalonare se trasează pentru fiecare material analizat şi, cu ajutorul ei, se divizează şi gradează scala instrumentului indicator. Domeniul de măsură pentru traductorul capacitiv este u = 3-30 %.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 91 Fig. IX.2.14. Traductoare capacitive pentru umiditatea materialelor textile: 1 electrod; 2 suport izolator; 3 fire de conexiune. Instalaţia de măsură (fig. IX.33): o punte de impedanţe, pe braţele căreia se instalează celula de măsură capacitivă, condensatorul C 1, condensatorul etalon C 2 şi rezistenţele R 3 ; R 4. Puntea echipată cu detector de nul serveşte măsurării prin compensare; echilibrul iniţial se stabileşte cu ajutorul rezistenţei variabile R 3, iar în procesul de măsurare, cu ajutorul condensatorului etalon C 2, care compensează variaţia capacităţii condensatorului de măsură C x. (Efectele rezistenţei electrice a materialului testat se minimizează prin frecvenţa semnalului de alimentare provenit de la generatorul de semnal GS). Din condiţia de echilibru: rezultă: Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 X 1 R 3 = X 2 R 4 sau R 3 /C 1 = R 4 /C 2. În absenţa materialului, DN indică zero. În prezenţa materialului, C 1 devine C x, iar variaţia capacităţii condensatorului de măsură se compensează prin cea a condensatorului etalon, a cărui scală este Fig. IX.2.15. Instalaţia de măsură. gradată direct în unităţi de umiditate (citirea umidităţii materialului testat se face direct). Metoda rezistivă este bazată pe faptul că fenomenele de conducţie în materialele textile sunt determinate de mobilitatea purtătorilor de sarcini electrice / dependentă de conţinutul de umiditate. Principiul fizic (fig. IX.2.16): rezistenţa electrică a unei probe de material textil (pentru domeniul u = 2-20 %) este: R = a u b (IX.2.21) unde: a este constanta constructivă a traductorului; b constantă de material. Ue= R/(Rx + R)Ua Ue= R/(Rx + R)Ua Ue = k Ua/liniarizare a b c Fig. IX.2.16. Principiul instalaţiei rezistive pentru măsurarea umidităţii materialelor textile: a pentru umiditatea straturilor de material textil (la ieşirea din uscător); b pentru Ua < 60 V, rezistenţa electrică a materialului textil este dependentă de tensiune; c prin introducerea rezistenţei Rn, ca element neliniar se obţine liniarizarea Ua = k u.
92 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Metoda se aplică în regim de măsurare static (laborator) şi dinamic (proces productiv); traductorul format din doi electrozi metalici închide un circuit prin materialul testat; la conectarea cu sursa, la bornele acestuia se produce căderea de tensiune Ue, care permite evaluarea Rx şi u [%]. Observaţii: 1. Precizia metodelor conductometrice poate fi afectată de: conţinut foarte redus de umiditate / mai mic de 2%, contraindicaţie; materiale din fibre naturale, cu conţinut foarte mare de umiditate /mai mare de 20%; variaţia temperaturii în mediul ambiant; variaţia ph-ului materialului testat; distribuţia neuniformă a umidităţii în materialul testat; astfel, media aritmetică a valorilor individuale nu corespunde valorii medii reale a u % şi se recurge la media geometrică. 2. Instalaţia de măsură se bazează pe faptul că fenomenele de conducţie în materialele textile sunt date de mobilitatea purtătorilor de sarcini electrice şi sunt în funcţie atât de conţinutul de umiditate cât şi de temperatură. 3. Pentru măsurile efective, materialul textil este introdus în celule de măsură conductometrice care constituie, împreună cu acestea, rezistenţa electrică supusă măsurării; circuitul echivalent al celulei conductometrice implică necesitatea reducerii efectelor capacităţilor determinate de alimentarea instalaţiilor de măsură potenţiometrice sau în punte în c.a. de joasă frecvenţă. 4. Instalaţiile de măsurare se realizează în prezent pe baza amplificatoarelor operaţionale. IX.2.3. Temperatura mediului ambiant. Metode şi aparate pentru determinare Temperatura influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale materialelor textile şi prelucrabilitatea acestora; din acest motiv, măsurarea şi menţinerea ei în limite strict determinate prezintă o deosebită importanţă pentru industria textilă. Temperatura este mărimea fizică fundamentală definită în fenomenele de transfer termic de: conducţie: în interiorul mediilor lipsite de mişcări aparente, în corpuri solide şi straturi fluide foarte subţiri; convecţie: în fluide care se deplasează de-a lungul unei suprafeţe; radiaţie termică: emisă de corpuri incandescente sau calde. Măsurarea temperaturii se realizează în baza principiului două medii în echilibru termic cu un al treilea sunt în echilibru şi între ele, din care rezultă posibilitatea comparării temperaturii a două medii prin intermediul scărilor de temperatură, ale căror limite sunt valori reproductibile, specifice pentru diferite fenomene fizice. Scara termodinamică absolută este definită cu ajutorul punctului triplu al apei; unitatea de măsură, Kelvin [K], iar simbolul temperaturii este T. Scara termodinamică Celsius are originea în punctul de topire al gheţii; unitatea de temperatură este gradul Celsius [ o C], iar simbolul temperaturii este t sau θ. Observaţii: 1. Unitatea de măsură, Kelvin [K] reprezintă fracţiunea de 1/273,16 din temperatura termodinamică a punctului triplu al apei. 2. Gradul Celsius este egal cu 1/100 din intervalul de temperatură dintre punctul de topire al gheţii şi punctul de fierbere al apei pure, la presiunea p de 101325 Pa.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 93 3. O scară de temperatură se defineşte în raport cu şase puncte fixe fundamentale şi primare: t = T 273,16 (IX.2.22) 4. Între scările Celsius, Réaumur (R) şi Fahrenheit (F) există relaţia: C / 5 = R / 4 = (F 32) / 9 (IX.2.23) 5. Scările de temperatură sunt produse cu ajutorul mijloacelor de măsurare denumite termometre, construite ca aparate sau instalaţii de măsurare de contact sau de telemăsurare, pe baza următoarelor fenomene de transfer de energie termică: dilatare concomitentă variaţiilor de temperatură, în corpuri solide, lichide sau gaze; schimbări de stare: topire, termocromie; variaţia rezistenţei electrice în funcţie de temperatură la conductor / semiconductor; emisie termoelectrică (Seebeck); absorbţie şi emisie de radiaţii calorice. 6. În funcţie de precizie, termometrele se împart în două categorii: de verificare sau etalon; de lucru (de laborator şi tehnice). IX.2.3.1. Mijloace de măsurare pentru temperatură Termometre mecanice de contact. Temperatura se determină pe baza efectului de dilatare diferenţiat aplicat în următoarele variante constructive (tabelul IX.2.4). Termometre mecanice de contact Tabelul IX.2.4 Variante constructive/relaţii analitice a. Temometre de sticlă cu lichid l = Vα(t 2 t 1 )/A Diferenţa de dilatare: lichid capilar Lichide utilizate: mercur; alcool; pentan; toluen Utilizare: termometre de cameră, precizie 1 diviziune b. Termometru cu metal; lamă bimetalică l = l 1 l 2 = l(α 1 α 2 )(t 2 t 1 ) Diferenţa de dilatare: tijă-suport; metal-metal; Utilizare: termometru industrial, precizie 1 % termograf, precizie 2% c. Termometre cu element elastic şi lichid Diferenţa de dilatare: lichid-vas de umplere Utilizare: termometru industrial, precizie 1 % A ϑ1 ϑ2 l Principii constructive: l α 1> α 2 α 2. a. b. c. Termometre electrice de contact. Utilizează elemente sensibile: traductoare rezistive de temperatură: termorezistenţe şi termistoare; termoelemente: termocuplu (tabelul IX.2.5). Termorezistenţele. Sunt sensibile la variaţia temperaturii: Rt = R 0 (1 + α t + β t 2 ). (IX.2.24) Sunt construite ca bobine bifilare din filamente de Cu; Ni; Pt cu diametrul de (0,1-0,2) mm, caracterizate prin valori semnificative ale coeficienţilor α şi β (exemplu: α Pt = 0,385 10 2 grd 1 ; α Ni = 0,617 10 2 grd 1 );
94 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ Măsurarea temperaturii presupune determinarea rezistenţei variabile Rt cu ajutorul unui circuit de măsurare potenţiometric sau în punte; semnalul de ieşire / tensiune variabilă / este dependent de variaţia rezistenţei sub influenţa temperaturii de măsurat; indicarea se realizează cu ajutorul unui voltmetru a cărui scară gradată este divizată în unităţi de temperatură, la etalonare; înregistrarea presupune utilizarea unei punţi cu echilibrare automată. Se utilizează în domeniul de variaţie al temperaturii ( 200... + 1600 o C), cu subdomenii dependente de natura traductorului Rt cu precizie de măsurare de 1%. Termistoarele sunt traductoare a căror rezistenţă variază în funcţie de valoarea temperaturii: R θ = ae b/θ (IX.2.25) unde: θ este temperatura supusă procesului de măsurare; a, b constante de material. Coeficientul de variaţie al rezistenţei în raport cu temperatura este cu un ordin de mărime mai mare decât al termorezistenţelor: α = (1/R) dr/dt = b / t (IX.2.26) Se obţin prin sinterizarea pulberilor unor oxizi metalici (oxizi de Ni, Mn, Co, Fe, Ti), la temperaturi ridicate. Se utilizează în limitele ( 70...+ 200 o C); precizia la măsurare este 0,5%. Instalaţiile de măsură sunt structurate identic cu cele echipate cu termorezistenţe. Utilizarea semiconductoarelor în construcţia termometrelor se justifică prin rezistivitate şi coeficienţii de temperatură mai mari, care permit reducerea dimensiunilor (1...5 mm) şi a inerţiei traductorului de temperatură / termistoare. Termoelementele permit generarea unei tensiuni electromotoare între punctele de sudură ale unui cuplu format din două metale plasate pe un gradient de temperatură; cuplul poate fi folosit ca traductor de temperatură, fiind cunoscut sub denumirea de termocuplu. Prezintă avantajul simplităţii instalaţiei de măsură, la bornele căreia se obţine un semnal tensiune, măsurat direct cu un milivoltmetru magnetoelectric sau cu un compensator de tensiune continuă (tabelul IX.2.5). Tensiunea termoelectromotoare depinde de structura termocuplului şi este determinată de diferenţa de temperatură, conform relaţiei: E t = a t + b t 2 + c t 3 +. (IX.2.27) în care: a, b, c sunt constante de material. Termocuplul standardizat corespunde următoarelor domenii de temperatură: Co-constantan, t = 200...+ 600 o C; Ni Cr-Ni, t = 200...+ 1200 o C; Pt Rh -Pt, t = 100...+ 1600 o C. Precizia de măsurare creşte prin menţinerea la nivel constant a temperaturii de referinţă (punctul rece) şi diminuarea influenţei punctului cald (conductoare de compensare). Pirometre de radiaţie. Telemăsurarea temperaturii. Pentru domeniile de măsurare t >1000 o C, precum şi pentru determinarea temperaturii unor surse de radiaţii termice mobile, se utilizează măsurarea la distanţă, care se execută cu ajutorul unor instalaţii denumite pirometre (tabelul IX.2.5): determinarea temperaturii cu pirometrul se efectuează pe baza măsurării radiaţiei emise de corpurile încălzite / radiante; corpul radiant poate fi: corp negru /radiator integral: absoarbe toate radiaţiile incidente, indiferent de lungimea de undă, direcţia sau starea de polarizare;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 95 Termometrul electric / Principiul constructiv Termometre electrice Termometre electrice de contact Cu termorezistenţă Tabelul IX.2.5 Schema instalaţiei de măsură.relaţia analitică a semnalului de ieşire Circuit potenţiometric Principiul instalaţiei de măsură se aplică în mod identic şi pentru termistoare. Cu termoelement Instalaţie de măsură cu milivoltmetru Pirometre de radiaţii/telemăsurare De radiaţie totală Instalaţie de măsură cu termoelement Radiaţiile spectrului, provenite de la obiectul măsurării M, sunt captate prin intermediul lentilei Ob, absorbite pe suprafaţa corpului negru şi transformate în semnal tensiune de termocuplul T. Semnalul este proporţional cu temperatura corpului radiant. Cu domeniul spectral parţial Instalaţia de măsură compară emitanţa sursei M, cu emitanţa variabilă a unei lămpi, L Imaginea corpului vizat se suprapune pe imaginea filamentului încălzit (filtrul IR)
96 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ corp cenuşiu / radiator neselectiv: emisiunea radiantă proporţională cu cea a corpului negru care are aceeaşi temperatură; emisivitatea spectrală este subunitară; radiator selectiv: emisiune radiantă ce depinde de lungimea de undă λ şi diferă de cea a radiatorului integral; temperatura unui corp radiant se determină în funcţie de emitanţa sa energetică; pentru corpurile negre, legătura dintre emitanţa energetică M e şi temperatura absolută T este dată de relaţia Stefan-Boltzman: M e 0 = σ T 4 (IX.2.28) în care σ = 5, 68 10 8 W/m 2 K 4 ; emitanţa energetică M e a unei suprafeţe radiante este raportul dintre fluxul energetic emis de suprafaţa elementară, da, şi aria acesteia: M e = dφ e / da [W/m 2 ] (IX.2.29) unde: Φ e este fluxul energetic printr-o suprafaţă orientată şi reprezintă energia radiantă, termică dw, care străbate aria suprafeţei în intervalul de timp elementar dt: Φ e = dw/dt [J/s] (IX.2.30) Pirometrele de radiaţie totală funcţionează pe principiul măsurării puterii emise de corpul cald într-un domeniu spectral larg; măsurarea constă în detectarea, cu ajutorul unui termoelement, a temperaturii unui corp negru, pe suprafaţa căruia are loc captarea energiei radiate de corpul cald, M. Pirometrele de radiaţie parţială funcţionează pe principiul comparării emitanţei sursei de analizat cu emitanţa etalon; comparaţia se face la nivelul radiaţiei IR, utilizându-se un filtru corespunzător. Aprecierea temperaturii prin efecte termocromice. Termocromia este proprietatea unor substanţe de a-şi schimba culoarea iniţială în urma variaţiei de temperatură. Se folosesc substanţe termocromice organice (termocromia este cauzată de slăbirea unor valenţe, pierderea apei sau a unor compuşi: CO 2 ; NH 3 ), anorganice (termocromia se datorează modificării parametrilor reţelei cristaline) din care se pot realiza mărci termocromice sub formă de creioane, soluţii, hârtie. Culoarea obţinută prin încălzire se compară cu o scară cromatică, iar domeniul de măsurare acoperit este de 40...1350 C, cu o precizie de 5 C. IX.2.4. Măsurarea presiunii În cadrul proceselor industriale presiunea este un parametru de influenţă a calităţii, randamentului şi siguranţei în funcţionare a instalaţiilor care folosesc ca agenţi de lucru: apă, ulei, abur, aer comprimat; gaze; căderile de presiune influenţează valorile debitelor acestor agenţi, prin conducte. Expresia presiunii este: p = F/S (IX.2.31) Unităţile de măsură sunt: SI: 1 Pa = 1 N/1m 2 ; tolerate: 1 atm = 101325 N/m 2 = 760 torr = 1,033 at; 1 torr = 133,32 N/m 2 ; 1 at = = 1 kgf/cm 2 = 98100 N/m 2 ; 1 mm H 2 O = 9, 8 N/m 2 = 10 4 at.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 97 Mijloacele de măsurare pentru presiune sunt structurate şi denumite în funcţie de domeniul de variaţie al acesteia: manometre, pentru 10 4-10 4 at (timp de răspuns: mare); vacuummetre, pentru 1 torr-10 8 torr: principii constructive principii mecanice/ traductoare primare sau asociate cu: traductoare electrice de dimensiuni mici reostatice, tensometrice sau inductive (tabelul IX.2.6). Principii de măsurare utilizate în construcţia manometrelor mecanice Tabelul IX.2.6 Manometru cu tub Manometru cu capsulă metalică Manometru cu membrană Manometru cu burduf 0-200; 0-6000 mm Hg 0...10 0...600 0...1000 5 10 6 N/m 2 0-25 10 5 0...10 10 5 Timp de răspuns: mare Precizie 0,5-1% 0,5-2 % 0,5-1,5% Nesigur la suprapresiuni Nesigur la suprapresiuni şi gaze agresive Sigur la suprapresiuni şi medii corosive Traductor diferenţial principii de conversie a mărimii mecanice în mărimi electrice / cu traductoare piezoelectrice; piezorezistive; de ionizare / joje de vid (traductoare pentru presiuni scăzute). Determină presiunea în domeniul 10 3-10 11 torr /pe baza dependenţei intensităţii ionizării gazelor de presiunea lor. Moleculele de gaz se ionizează prin ciocnire cu electronii ce formează curentul anodic Ia; ionii sunt culeşi de electrodul colector, generează curentul Ic, a cărui valoare este: Ic = p k Ia. Curentul Ic este direct proporţional cu presiunea, iar valoarea presiunii este indicată direct, pe scala ampermetrului / etalonată în unităţi ale acesteia. modificarea termoconductivităţii gazelor în funcţie de presiunea acestora: la presiuni scăzute, conductivitatea termică a gazelor (dependent de transportul efectuat de moleculele de gaz din unitatea de volum) este în funcţie de presiune, care determină numărul de molecule din unitatea de volum; traductorul constă dintr-un fir încălzitor din Pt şi un sistem pentru măsurarea temperaturii, plasate în incinta sub presiunea de măsurat. Efectul termic al curentului de intensitate determinată, I, şi debitul caloric cedat de gaz stabilesc temperatura de regim a filamentului: t f = t 0 + R I 2 /λ A Uc Ua Colector Joja de ionizare (IX.2.32) unde: A este suprafaţa de răcire a firului; λ coeficientul de transmisie a căldurii, dependent de presiunea şi compoziţia gazului. Măsurarea temperaturii filamentului se asigură cu termocuplul / semnal tensiune. Ic p Catod Anod Ia
98 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ IX. 2.5. Măsurarea debitelor şi a vitezei curenţilor de aer Debitul şi viteza curenţilor de aer constituie parametrii de funcţionare în instalaţiile de condiţionare şi de transport pneumatic al materialului fibros al instalaţiilor de absorbţie a scamei sau impurităţilor din întreprinderile textile. Buna funcţionare a acestor instalaţii este caracterizată prin încadrarea valorilor acestor parametri în limitele prescrise; depăşirea limitelor de control se reflectă prin diminuarea randamentelor utilajelor, prin creşterea frecvenţei şi duratei staţionărilor cu cauze tehnologice şi diminuarea calităţii produselor realizate. Debitul de fluid reprezintă cantitatea de fluid care trece printr-o secţiune determinată, în unitatea de timp; debitul se exprimă în două forme: debit masic, exprimat în kg/s; kg/h; t/h; debit volumetric, exprimat în m 3 /s; m 3 /min; m 3 /h. Mijloacele de măsurare pentru: debite (debitmetrele) sunt structurate ca: traductoare pentru măsurarea presiunii diferenţiale; traductoare pentru presiune dinamică; viteza medie de deplasare a fluidelor sunt concepute ca traductoare de viteză. Metodele de măsurare aplică o mare diversitate de principii fizice, stabilind denumirea mijloacelor de măsurare; utilizările în domeniul textil sunt industriale şi de laborator: metoda sustentaţiei: rotametre; metoda măsurării forţei de deplasare: anemometre cu palete sau cu cupe; metoda variaţiei rezistenţei ohmice: termoanemometre; metoda reducerii secţiunii: dispozitive de laminare(diafragme; ajutaje; tuburiventuri); metoda măsurării presiunii dinamice: tubul Pitot-Prandtl; metoda volumetrică: contoare volumetrice; metoda ultrasonică: debitmetre ultrasonice. Măsurarea debitului volumetric cu rotametrul se bazează pe măsurarea forţei exercitate de fluid asupra plutitorului aflat în curent de aer. Rotametrul constă dintr-un tub conic, de sticlă, vertical, cu secţiune de curgere variabilă, în care se află un plutitor. Curentul de gaz care străbate tubul conic în sens ascendent ridică plutitorul până când pe aria secţiunii inelare S (dintre plutitor şi suprafaţa interioară a h tubului conic) se stabileşte echilibrul forţelor ascendente şi descendente: forţele ascendente sunt determinate de: presiunea statică sub plutitor; presiunea dinamică datorită deplasării gazului; frecarea fluid-plutitor; forţa arhimedică; forţele descendente sunt: presiunea statică deasupra plutitorului; greutatea sa. Din condiţia de echilibru rezultă relaţia: V =α S 0 2 gv p ( ρ p ρ), ρ Ap (IX.2.33) în care: α este factorul de debit; S 0 aria secţiunii inelare a tubului conic; V p volumul rotametrului; ρ p densitatea rotametrului; ρ densitatea fluidului; A p aria secţiunii expuse de rotametru. Deoarece soluţia constructivă este S 0 = k h, rezultă că: v = k h, unde: h este cota de stabilire a rotametrului.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 99 Măsurarea forţelor de deplasare cu anemometrele cu palete / cupe acestea sunt constituite dintr-un rotor foarte uşor, realizat fie cu palete, fie cu cupe semisferice, ce poate fi antrenat în mişcare de rotaţie; turaţia rotorului este dependentă de viteza curentului de aer. Rotoarele cu palete impun orientarea cu axul perpendicular pe direcţia curentului de aer; prin intermediul unui contor de turaţii se poate determina direct viteza curenţilor în limitele: v = 10 cm/s - 20 m/s, cu o precizie de 1%. Măsurarea variaţiei rezistenţei ohmice cu termoanemometrele asigură determinarea vitezei locale, la volume mari de fluide (în special gaze) aflate în mişcare. Fenomenul de convecţie dependent de viteza curentului fluid determină variaţia temperaturii / rezistenţei unui filament parcurs de un curent constant; dependenţa este neliniară: t = f(v); R = f(v) şi impune trasarea curbelor etalon. Fenomenul de convecţie, dependent de viteza curentului de fluid, determină variaţia temperaturii / rezistenţei unui filament parcurs de un curent constant; t = f(v); R = f(v) şi impune trasarea curbelor etalon. Fig. IX.2.17. Elementul sensibil al unui termoanemometru şi curba de etalonare. Filamentul F are diametrul de 10 µm şi lungimea de 5 mm (din platină sau tungsten); este fixat pe doi electrozi (E) montaţi în suportul izolat (S) şi conectat în circuitul de măsurare prin elementele de conexiune (C). Traductorul permite determinarea vitezelor maxime de 100 m/s, în cazul în care curentul de alimentare este constant; de 500 m/s, în cazul în care curentul de alimentare este variabil. Măsurarea vitezei curenţilor de aer cu anemometre sonice se bazează pe faptul că durata propagării undelor sonore într-un jet de fluid este determinată de viteza de curgere a fluidului şi de viteza sunetului în mediul respectiv. Anemometrul sonic conţine un emiţător şi un receptor de ultrasunete formate din cristale de cuarţ piezoelectric; emiţătorul transformă tensiunea alternativă de frecvenţă ridicată în vibraţii de aceeaşi frecvenţă; receptorul, expus la vibraţie, reacţionează vibrând şi generează un semnal electric proporţional. Determinarea vitezei curenţilor de aer presupune două moduri de instalare (fig. IX.2.18): anemometria de fază (IX.2.18,a) presupune determinarea diferenţei dintre duratele propagării undelor sonore în acelaşi sens şi în sens contrar faţă de direcţia de deplasare a curentului de aer; anemometria de reflexie (IX.2.18,b) presupune determinarea distanţei E-R pentru care durata de deplasare a undelor sonore este identică.
100 MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST METROLOGIE TEXTILĂ L E L R E w R L 1 L 1 a b Fig. IX.2.18. Anemometrie: a de fază; b de reflexie. Măsurarea vitezei curenţilor de aer cu catatermometrul Hill (fig. IX.2.19) se bazează pe construcţia similară unui termometru cu lichid, prevăzut cu două rezervoare. Timpul mediu de răcire al lichidului termometric este dependent de viteza curenţilor de aer din mediul supus determinării. Având în vedere principiul determinării, cronometrarea timpului de răcire între două limite de temperatură, pe scara aparatului sunt indicate doar limitele de 35-38. Prin încălzire în apă, la 60...80 o C, lichidul termometric se ridică la nivelul rezervorului superior 2; prin răcirea în curentul de aer, nivelul său se reduce în timpul T(s) determinat de viteza acestuia. Viteza curentului de aer v [m/s] este: F v = 4,16 0,14 tmed (36, 5 θ) 2 [m/s] (IX.2.34) Fig. IX.2.19. Catatermometrul Hill. unde: F este factorul catatermometrului (dependent de forma şi starea suprafeţei rezervoarelor sale); θ temperatura mediului ambiant; t med timpul mediu de răcire în limitele 38...35 o C.