CONTROLUL MĂRIMILOR FIZICE

Prof. Dr. Ing. Andrei SzuderTel. 40.2.1.4112604Fax. 40.2.1.4112687

www.labsmn.pub.roszuder@labsmn.pub.ro

CONTROLUL MĂRIMILOR FIZICE

TITULAR CURS : Prof. Dr. Ing. Andrei SZUDER

CURS: 2 ORE/SAPTAMANA

LABORATOR: 2 ORE/ 2 SAPTAMANI

EVALUARE: EXAMEN FINAL - 50 PUNCTELABORATOR - 35 PUNCTECURS (PREZENŢĂ/TEME) -15 PUNCTE

CONTROLUL MĂRIMILOR FIZICE

CURSUL 1

MĂRIMI – MĂSURAREA – METODE DE MĂSURARE – SISTEME DE

MĂSURARE – ERORI DE MĂSURARE

MĂRIMI

• Mărime- o proprietate a obiectelor, fenomenelor sau sistemelor care poate fi pusa in evidenta calitativ si masurata cantitativ.

• Mărimi fizice - sunt descrise anumite proprietati fizice ale obiectelor, fenomenelor sau sistemelor

MĂRIMI

– Calitativ, - mărimi care se refera la proprietati diferite, de exemplu lungimea, masa, energia, rezistenta electrica etc.

– Specii de marimi, - mai multe alte marimi comparabile intre ele (de ex. distanta, deplasarea, grosimea, inaltimea, lungimea de unda) sunt referite in metrologie printr-o singura marime, lungimea

CLASIFICAREA MĂRIMILOR

    Dupa sistemele de unitati de masura: -

Mărimi fundamentale - mărimi ale căror unitaţi de măsură au fost alese ca fundamentale ( independente unele de altele ) în cadrul unui sistem de unitati de masura.

Mărimi secundare - mărimi ale căror unitaţi de măsură rezultă în mod univoc prin alegerea unitaţilor de măsură fundamentale  

MĂSURAREA

Măsurarea este Operatia experimentala prin care se determina, cu

ajutorul unor mijloace de masurat, valoarea numerica a unei marimi in raport cu o unitate de masura data;

Operatia prin care se stabileste pe cale

experimentala raportul numeric intre marimea de masurat si o valoare oarecare a acesteia luata ca unitate de masura;

Un proces de cunoastere prin care se compara marimea data cu o valoare a ei adoptata ca unitate de masura, prin intermediul unei experiente fizice

MĂSURAREA

• Toate măsurările sunt relative• Măsurarea presupune

compararea mărimii fizice cu o mărime fizică similară.

• Sunt necesare unităţi (standarde) de referinţă

• Unităţi de măsură primare (m, sec, kg, K)

• Unităţi de măsură derivate

MĂSURAREA

Valoare numerica    

Un element din multimea numerelor reale care corespunde unei stari din multimea starilor unei marimi

Un numar, pozitiv sau negativ, care depinde de scara de referinta adoptata.    

Elementul din multimea starilor marimii care corespunde valorii numerice 1 se numeste unitate de masura.

Pentru a usura identificarea, unitatea de masura poarta o denumire (metru, volt, amper, etc.).    

MĂSURAREA

Rezultatul măsurării

Raportul N dintre o marime M existând independent de noi si o unitate u aleasa pentru acea marime, stabilit experimental in procesul de masurare

MĂSURAREA

Valoarea mărimii

Forma de exprimare a mărimii sub formă de valoare numerică şi unitate de măsură (o tensiune electrica de 217,63 V, etc.).

Valoarea unei mărimi include intotdeauna şi unitatea de măsură, care trebuie să insoţească obligatoriu valoarea numerică.

Rezultatul măsurării N este un număr adimensional, a carui valoare variază invers proporţional cu unitatea de măsură aleasă

SISTEME DE UNITĂŢI DE MĂSURĂ

Ansamblul unităţilor de masura definite pentru un sistem dat de mărimi fizice.    

În decursul dezvoltarii istorice a fizicii si tehnicii au existat, si mai exista si azi, mai multe sisteme de unitati de masura. Un astfel de sistem contine unitaţi: - fundamentale; - derivate; - suplimentare.

SISTEME DE UNITĂŢI DE MĂSURĂ

Un sistem de unitati de masura trebuie sa îndeplinească urmatoarele conditii:

- să fie general - aplicabil tuturor capitolelor fizicii;

- să fie coerent - să nu introducă coeficienti numerici suplimentari in ecuatiile fizicii;

- să fie practic - unitatile din sistem sa aiba, pe cât posibil, ordine de marime comparabile cu valorile din activitatea uzuala .

SISTEME DE UNITĂŢI DE MĂSURĂ

Sistemul care indeplineste în măsura cea mai mare aceste conditii este Sistemul International de Unitati - SI - adoptat pe plan mondial de a XI - a Conferinta Generala de Masuri si Greutati din 1960.

În România el a fost adoptat ca unic sistem de măsuri legal si obligatoriu în 1961

MIJLOACE DE MĂSURARE

• Totalitatea mijloacelor tehnice cu care se obtin informaţiile de măsurare.

MIJLOACE DE MĂSURAREMijloacele de masurare se impart, dupa precizia lor,

in: -

mijloace de masurare de lucru - care servesc la efectuarea masurarilor curente, necesitate de practica;

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

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

MIJLOACE DE MĂSURARE

• Etaloanele sunt de mai multe categorii:

- nationale - alcătuiesc baza metrologica a ţării respective; - principale (primare) - determină unitatea de masura prin compararea lor cu etaloanele nationale; - de verificare (de lucru) - servesc la executarea lucrărilor de metrologie curente.

MIJLOACE DE MĂSURARE

- Măsurile;

- Aparatele de măsurat;

- Lanţuri de măsurare - ansambluri, instalaţii şi sisteme de măsurare

MĂSURILE

• Realizarea materială a unităţii de măsură, având rolul de a genera (reproduce) una sau mai multe valori cunoscute ale unei mărimi fizice

• Posibilă numai pentru unele din mărimile fizice (lungime-metrul, masa-kilogramul, volum-litrul, etc.)

• Măsurile permit compararea directă a mărimii necunoscute (măsurandului) cu unitatea de măsură

MĂSURILE

• Dupa destinaţia lor - etalon; - de lucru

• După numărul valorilor- măsuri cu valoare unică. Deobicei ele sunt

asociate in serii sau truse, care contin măsuri de valori diferite, alese după o anumită succesiune);

- măsuri cu valori multiple, care pot fi măsuri cu valori discrete

masuri cu valoarea variabila continuu

APARATE DE MĂSURARE

• Mijloacele de măsurat intercalate între o mărime fizică ce nu e accesibilă direct simţurilor operatorului uman şi care realizează o conversie a măsurandului într-o mărime perceptibilă pentru acesta

ANSAMBLURI DE MĂSURARE

• Cea mai simpla asociere de aparate de masurat, (un traductor, asociat cu un aparat indicator sau inregistrator, pentru a masura un singur măsurand).

• Reproduce structura unui aparat de măsurat, cu deosebirea că mijloacele conţinute sunt independente, cu caracteristici metrologice normate separat.

INSTALAŢIA DE MĂSURARE

• Asociere complexă de aparate de măsurat si alte utilaje, dispozitive si accesorii, folosite în scopul măsurării unuia sau mai multor măsuranzi, în anumite conditii, pe baza unei metode comune

SISTEMUL DE MĂSURARE

• Ansamblu sau o instalatie de măsurare prevăzută cu posibilitaţi de automatizare a măsurărilor, prelucrare a rezultatelor, inregistrare etc. (sisteme de achizitie a datelor).

• De regulă, ele presupun existenta unui procesor, operaţiunile desfăşurându-se pe baza unui program (software de măsurare), gestionat de procesor.

• Sistemele de măsurare pot fi încorporate în linii tehnologice si asociate instalatiilor de reglare automată a proceselor.

METODE DE MĂSURARE

Principiul de Măsurare

• Baza ştiinţifică a realizării unei măsurări (legi ale fizicii, efecte).

• Exemplu: efectul termoelectric (măsurarea temperaturii)

METODE DE MĂSURARE

Ansamblul relaţiilor teoretice şi operaţiilor experimentale pe care le

presupune măsurarea

METODE DE MĂSURARE

- Metode directe, atunci când valoarea măsurandului se obţine nemijlocit, fără furnizarea unor valori ale altor marimi fizice.

- Rezultatul se obţine printr-o singură operaţie, iar bucla de măsurare este deschisă, adica valoarea măsurandului nu este corectată cu ajutorul instalaţiei care participă la măsurare în scopul atingerii unei valori prescrise

METODE DE MĂSURARE

• Metode indirecte, în care valoarea măsurandului se obţine prin măsurarea uneia (sau mai multor) mărimi, de care măsurandul este legat printr-o relaţie funcţională, urmată de un calcul în care intervin valorile obţinute şi, eventual, unele constante.

• Măsurarea indirectă poate fi privită ca o succesiune de măsurări directe, urmate de un calcul..

METODE DE MĂSURARE

• Metode de comparatie - se bazeaza pe folosirea unor etaloane, necesare la furnizarea mărimii de comparaţie, şi a aparatelor de măsurat, care sesizează egalitatea dintre măsurand şi mărimea de comparaţie.

• Rezultatul se exprimă in functie de aceasta marime, ea putându-se regla, manual sau automat, pâna când devine egala cu marimea de masurat.

• Lantul de masurare este inchis, in acest fel crescând mult precizia operatiei de masurare (cel mult egala cu cea a etalonului folosit).

METODE DE MĂSURARE

• Metode de comparatie- • Comparatia simultană,

• Măsurandul este comparat nemijlocit cu una sau mai multe valori de referinţă date de un etalon care participa la fiecare masurare (compararea unei mase cu masa unei greutati etalon folosind o balanţă, a unei tensiuni electrice cu cea a unui element normal, etc.)

METODE DE MĂSURARE

• Metode de comparatie- • Comparatia simultană, • Comparatia 1:1 directa, aplicabila

numai marimilor fizice care pot fi si pozitive si negative (deci au o polaritate), cum sunt lungimea, forta, presiunea, tensiunea electrica, etc.

• De ex. o forta poate fi apreciată printr-o forţă opusă cunoscută de sens contrar, pâna la echilibrarea lor.

METODE DE MĂSURARE

• Variante ale metodei de comparaţie simultană 1:1 directă sunt:

Metoda diferenţială (directă) în care se măsoară diferenţa  dintre măsurandul M si o mărime m de aceeaşi natură, dar cunoscută cu o anumită precizie. Precizia este cu atât mai buna, cu cât precizia mărimii m este mai bună şi cu cât diferenţa e este mai mică. La limită, această precizie poate ajunge la precizia cu care este cunoscută mărimea de comparaţie m

M - m = e

METODE DE MĂSURARE• Variante ale metodei de comparaţie

simultană 1:1 directă sunt:

- Metoda de zero (directă) constă în folosirea unui etalon variabil m, încât diferenţa din metoda anterioară să poată fi adusă la zero:

• M - m = O

Metoda se mai numeşte şi de compensaţie. • Precizia ei depinde de precizia cunoaşterii lui

m si de sensibilitatea aparatului cu care se detecteaza anularea diferentei M - m.

METODE DE MĂSURARE

• Metoda diferentiala si Metoda de zero • sunt cele mai precise metode de

măsurare, pentru ca incertitudinea de măsurare introdusă de aparat este minimă.

• Au insa dezavantajul că necesită etalon de valoare apropiată cu a măsurandului sau de valoare variabilă

METODE DE MĂSURARE

• Metoda prin coincidenţă, in care se urmareste obţinerea coincidenţei unor repere sau semnale aparţinând măsurandului si etalonului (sublerul);

• Metoda prin interpolare, în care rezultatul măsurării se obţine folosind o relaţie cunoscută dintre măsurand şi o mărime de referinţă, cât si mai multe valori particulare cunoscute ale măsurandului, valoarea aflându-se în intervalul dintre aceste valori cunoscute.

METODE DE MĂSURARE

• Metoda prin extrapolare: valoarea căutată se afla in afara intervalului de valori cunoscute

• Metoda prin esantionare se bazează pe prelucrarea rezultatelor măsurarii unor valori instantanee, la anumite momente, ale unei mărimi variabile in timp. Esantionarea poate fi periodica (la intervale egale de timp) sau aleatoare (la intervale de timp intâmplatoare.

METODE DE MĂSURARE

• Metode de măsurare directă• Metode de măsurare indirectă• Metode de măsurare combinate

•Metode prin contact•Metode fără contact

•Metode analogice•Metode digitale

•Măsurare incrementală (relativă) - nu depind de origine

•Măsurare absolută - în raport cu cota 0 (originea)

PRECIZIA

• Precizia - diferenţa dintre valoarea măsurată şi valoarea “ adevărată”.

• Valoarea “ adevărată”- valoarea obţinută prin compararea cu un standard primar.

• Precizia se determină prin calibrare

CALIBRARE

• Procesul de corelare a unui instrument de măsură cu standardul de măsurare.

• Calibrarea unui instrument nou.

• Calibrarea unui instrument existent

ERORI SISTEMATICE ŞI ALEATORII

• Erorile sistematice sunt constante pentru un instrument dat.

• Valoriile se determină prin calibrare. • Efectele lor pot fi înlăturare.• Erorile aleatorii nu pot fi înlăturate• Efectele erorilor aleatorii pot fi

reduse prin măsurări repetate.

DEFINIREA PRECIZIEI (ERORII)

• Parametrii calibrării utilizaţi pentru definirea preciziei (erorii)– Rezoluţia– Sensibilitatea– Linearitatea– Histerezisul– Repetabilitatea/precizia

/reproductibilitatea

REZOLUŢIA AFIŞĂRII ANALOGICE

• Cea mai mică schimbarea a măsurandului care poate fi detectată de către instrument.

• Este detereminată de modul de afişare a rezultatului.

• Bine definită de sistemele digitale.• Mai slab definită de sistemele

analogice. • Limitată de tipul de instrument

utilizat.• Denumită şi discriminare.

1 2 3 4 5

REZOLUŢIA AFIŞĂRII ANALOGICE

SENSIBILITATE ŞI LINEARITATE

• Sensibilitatea - raportul schimbării semnalul de ieşire funcşie de semnalul de intrare.

• Poate fi dat în mV/mm, A/mbar, mm/C• Un instrument ideal are o

sensibilitate constantă• Linearitatea - modul de variaţie a

sensibilităţii pe domeniul de măsurare al instrumentului.

NELINEARITATE

• Deviaţia sistematică de la linia ideală indică o eroare de nelinearitate.

HISTERESIS

• Măsura variaţiei mărimii de ieşire pentru o valoare a măsurandului când acesată valoare se atinge prin variaţia în ambele sensuri a măsurandului (încărcare-descărcare).

• Apare datorită rigidităţii, vibraţiilor, frecării, magnetism

HISTEREZIS

• Diferenţa la creşterea şi scăderea măsurandului indică un histerezis.

Încărcare

Descărcare

Mărime intrare

N1

Valoare măsuratăV1 V2

Histerezis = V1-V2

REPETABILITATEA

• Repetabilitatea este măsurarea erorilor aleatorii.

• Ar trebuii numită eroarea repetabilităţii.

REPEATABILITATEA

• Variaţii aleatorii de la linia ideală indică o eroare de repetabilitate.

Precizie bunăRepetabilitate bună

Repetabilitatea scăzutăPrecizie scăzutăRepetabilitate bună

ERORI DATORATE MEDIULUI

• Modificarea valorii mărimii de ieşire ca urmare a modificărilor din mediul ambiant.– Umiditate– Aceleraţie– Vibraţii– Temperatură– Presiune– Efectele sistemului de fixare