CARACTERISTICI GENERALE ALE MIJLOACELOR SI METODELOR DE MASURARE

CARACTERISTICI GENERALE ALE MIJLOACELOR SI METODELOR DE MASURARE

Masurarea marimilor care caracterizeaza un fenomen fizic constituie baza cercetarii experimentale a starilor, transformarilor si interactiunilor specifice proceselor fizice.

Procesul de masurare asociaza proprietatilor sistemelor fizice marimi matematice. Marimea matematica ce reprezinta raportul dintre proprietatea fizica si unitatea sa de masura reprezinta masura sau valoarea marimii fizice relativa la unitatea aleasa

Un proces de masurare implica utilizarea unor mijloace de masurare (aparate, instrumente, instalatii) si a unor metode de masurare (reguli, principii). Mijloace de masura ideale nu exista, ceea ce face ca valoarea masurata sa fie intotdeauna afectata de o incertitudine de masurare, respectiv sa fie intotdeauna diferita valoarea reala.

Obiectivul unui proces de masurare consta in determinarea valorii masurate si a limitelor intre care se afla valoarea reala a marimii de masurat. De exemplu, daca un ampermetru indica valoarea masurata I = 10A, iar pe baza caracteristicilor metrologice ale aparatului se estimeaza incertitudinea de masurare 0,005A, rezultatul masurarii este I = 10 0,005A.

Clasificarea marimilor. Marimile masurabile se diferentiaza in principal in functie de sursa de energie necesara efectuarii masurarii si de modul de variatie in timp. Exista

- marimi masurabile active (de exemplu temperatura, tensiunea electrica), unde energia de masurare este preluata de la fenomenul supus caracterizarii. In acest caz exactitatea masurarii este cu atat mai buna cu cat energia de masurare este mai mica, astfel incat procesul de masurare sa afecteze fenomenul intr-o masura cat mai redusa.

- marimi masurabile pasive (de exemplu rezistenta electrica). In acest caz se face apel la o marime auxiliara activa care ofera energia de masurare; important este in acest caz ca marimea auxiliara sa nu afecteze marimea de masurat.

Dupa modul de variatie in timp se diferentiaza

- marimi constante, invariabile in timp;

- marimi variabile stationare

- marimi variabile nestationare

In cazul unei marimi variabile in timp de valoare instantanee x(t), pot fi definite referitor la un interval de timp (t₁, t₂):

- valoarea medie:

- valoarea efectiva:

- valoarea de varf

Atunci cand valorile medie, efectiva sau de varf referitoare la un interval de timp (t₁, t₂) suficient de mare pentru ca acestea sa nu depinda de acest interval sunt marimi constante, atunci avem de-a face cu marimi variabile stationare. Astfel de marimi pot fi:

- periodice, daca , unde marimea T este denumita perioada marimea f = 1/T se numeste frecventa

- neperiodice, sau aleatoare.

La randul lor marimile variabile, stationare si periodice pot fi:

- armonice, sau sinusoidale, daca , unde j se numeste faza initiala

- nesinusoidale, unde x(t) este orice alta functie diferita de sinus.

Mijloacele (aparatele) de masura pot fi analogice sau numerice. Rezultatul masurarii cu aparate analogice indicatoare este apreciat de operator prin pozitia unui element indicator (ac, spot) in lungul unei scale gradate. Pozitia indicatorului este dependenta (analoaga) marimii de masurat, care de fapt a provocat deplasarea indicatorului din pozitia de repaus.

Aparatele analogice inregistratoare traseaza pe un suport curba de variatie in timp a marimii masurate.

Aparatele de masura numerica sau digitale indica rezultatul masurarii sub forma numerica pe un sistem de afisaj.

Metodele de masurare pot fi:

- metode de deviatie, care folosesc aparate de masura analogice sau digitale, a caror deviatie este data de marimea masurata

- metode de comparatie (de nul), in care rezultatul masuratorii se obtine prin compararea marimii de masurat cu o marime cunoscuta; operatia de masurare necesita un aparat denumit indicator de nul.

Daca ne referim la masurarea unor marimi electrice, putem exemplifica cateva tipuri de aparate de masura:

- ampermetre, galvanometre, pentru masurarea intensitatii curentului electric;

- voltmetre, pentru masurarea tensiunii electrice;

- wattmetre, pentru masurarea puterii electrice active;

- contoare, pentru masurarea energiei electrice;

- frecventmetre, pentru masurarea frecventei;

- fluxmetre, pentru masurarea fluxului magnetic;

- teslametre, pentru masurarea inductiei magnetice;

- permeametre, pentru masurarea curbei B(H).

Erori de masurare. Diferenta dintre valoarea masurata si valoarea reala se numeste eroare de masurare. Ca urmare a imposibilitatii de cunoastere a valorii reale a marimii masurate, eroarea de masurare nu poate fi in mod riguros evaluata. Se diferentiaza:

- erori de masurare sistematice, caracterizate prin valoare determinata si semn precis in cazul repetarii masurarii. Acestea sunt rezultatul erorilor de constructie, de etalonare, a erorilor metodei de masurare, sau se datoreaza modificarii in timp a proprietatilor materialelor active din structura aparatului de masura;

- erorile de masurare aleatoare, care variaza ca marime si semn intr-o serie de masuratori efectuate asupra aceleiasi marimi. Acestea pot avea cauze obiective sau subiective, precum variatii ale alimentarii aparatului de masura sau ale temperaturii ambiante, vibratii, atentie inconstanta a operatorului, etc.

Erorile aleatoare au aceeasi probabilitate in cazul masurarii a doua valori identice si de semne contrare.

Rezultatele unei serii de masurari se repartizeaza simetric in jurul valorii lor medii, erorile mici fiind mai probabile decat erorile mari. Cu cat numarul de masuratori ale aceleiasi marimi este mai mare, cu atat erorile aleatoare se reflecta mai putin in diferenta din valoarea medie a tuturor masuratorilor si valoarea reala.

Calitatea procesului de masurare impune evaluarea gradului in care valoarea masurata se apropie de cea reala. Pentru aceasta se definesc:

eroarea raportata a indicatiei aparatului de masura

unde este eroarea absoluta a indicatiei, iar x_max este indicatia maxima a scarii de masura; x_i este valoarea masurata, iar x este valoarea reala.

clasa de precizie a aparatului este limita superioara a erorii e, adica:

Celor sapte clase de precizie c = 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 si 5 le corespund respectiv erorile absolute maxim tolerate 0,1%; 0,2%; 0,5%; etc.Aparatele cu clasa de precizie 0,1 si 0,2 sunt aparate etalon, cele de clasa 0,5 si 1 sunt folosite pentru masuratori curente (de laborator), iar cele de clasa 1,5 5 sunt aparate indicatoare (destinatii industriale).

eroarea relativa a unei masuratori este:

Se observa ca eroarea relativa a masurarii scade pe masura ce valoarea masurata x_i se apropie de limita x_max a domeniului de masura.

Sistemul legal de unitati de masura. Din considerente de coordonare si simplificare a relatiilor matematice ce caracterizeaza fenomenele fizice s-au grupat unitatile de masura intr-un sistem de unitati constituit dintr-un numar restrans de unitati fundamentale si apoi unitati derivate, definite in functie de cele fundamentale.

Sistemul international de unitati (SI), adoptat in 1960, are 7 unitati fundamentale:

metru [m] pentru lungime,

kilogram [kg] pentru masa,

secunda [s] pentru timp,

amper [A] pentru intensitatea curentului electric,

grad kelvin [K] pentru temperatura termodinamica (absoluta),

mol pentru cantitatea de substanta,

candela [Cd] pentru intensitatea luminoasa,

doua unitati suplimentare:

radian pentru unghiul plan si

steradian pentru unghiul solid,

si 35 unitati derivate.