. Notiuni generale
Pentru studierea fenomenelor sau proceselor fizice este necesar sa se faca aprecieri calitative si cantitative asupra lor. Obiectele si fenomenele fizice au anumite caracteristici sau proprietati comune, insa numai unele dintre acestea pot fi apreciate cantitativ. Aceasta proprietate, caracteristica sau atribut al unui material, fenomen sau proces, care este bine definit si care poate varia ca 323d39d ntitativ se numeste marime fizica.
Masurarea este operatia de evaluare cantitativa a unei marimi pe cale experimentala, prin compararea directa sau indirecta cu o marime de aceeasi natura, considerata unitate de masura.
Pentru masurarea unei marimi este necesar sa fie definita aceasta marime, sa existe mijloace de masurare care sa permita compararea marimii cu unitatea ei de masura, prin anumite metode de masurare.
unde: - x este marimea de masurat ;
- n este valoarea numerica a marimii de masurat, care arata numarul de unitati de masura Um cuprins in marimea de masurat.
1.2. Marimi si unitati de masura
Marimile fizice se introduc prin relatii de definitie sau prin legi putand fi: marimi scalare, vectoriale sau tensoriale.
Marimile fizice pot fi aditive, pentru care se defineste operatia de insumare (lungimea, tensiunea, etc.) sau neaditive daca aceasta proprietate nu este valabila (temperatura, densitate, etc.).
Dupa modul de obtinere al energiei de masurare marimile masurabile se clasifica in marimi active si marimi pasive.
Marimile active sunt marimile masurabile care permit eliberarea energiei de masurare, de ex., temperatura, tensiunea electrica, intensitatea curentului electric. Deoarece energia de masurare este imprumutata chiar de la fenomenul supus masurarii este necesar sa se asigure conditia ca ea sa fie suficient de mica pentru a nu perturba marimea de masurat si a nu afecta precizia masurarii.
Marimile pasive sunt marimile masurabile care nu permit eliberarea energiei de masurare de ex., masa, vascozitatea, rezistenta electrica etc. In acest caz se face apel la o marime auxiliara activa si semnalul care se genereaza isi ia energia de la aceasta marime de activare, care este modulata de catre marimea de masurat. Este necesar sa se asigure ca marimea de activare sa nu perturbe marimea de masurat.
Clasificarea marimilor masurabile dupa modul de variatie in timp este prezentata in fig. 1.1.
Marimile constante sunt marimile invariabile in timpul efectuarii masurarii. Timpul de masurare poate fi ales independent de natura marimii de masurat si el este determinat de eventualele perturbatii tranzitorii produse de conectarea aparatului asupra fenomenului supus masurarii, de timpul de raspuns al aparatului si de durata necesara transmiterii informatiei de masurare. Uzual tm este cuprins intre 0,1 si 10s.
Fig.1.1. Clasificarea marimilor masurabile in functie de timp.
Marimile variabile in timp pot fi stationare sau nestationare. Se numesc stationare acele marimi variabile a caror valoare efectiva, valoare de varf si valoare medie sunt constante in timp. In acest caz pot fi masurate : o valoare instantanee corespunzatoare unui anumit moment, ansamblul valorilor instantanee intr-un anumit interval de timp (curba variatiei marimii in functie de timp) sau un parametru global ca valoarea medie - Xmed -, valoarea efectiva - X - sau valoarea de varf - Xm -, intr-un interval de timp suficient de mare pentru ca valorile Xmed, X, Xm sa fie independente de alegerea lui. Acesti parametri globali se definesc astfel :
(1.1)
(1.2)
Xm = maxt1t2½x½ (1.3)
In cazul marimilor variabile nestationare pot fi masurate: o valoare in-stantanee la un anumit moment sau un sir de valori instantanee la momente pre-stabilite, ansamblul de valori instantanee intr-un anumit interval de timp (curba marimii in functie de timp) sau valoarea medie pe un interval de timp t - t1.
Valoarea masurata a unei marimi se exprima printr-un numar real urmat de unitatea de masura respectiva, de ex., 2m, 10A. Unitatea de masura este de aceeasi natura cu marimea de masurat si poate fi aleasa arbitrar.
Masurarea tuturor marimilor se face prin intermediul unui ansamblu de unitati de masura, care formeaza un sistem de unitati de masura.
Din anul 1961 singurul sistem de unitati de masura legal si obligatoriu in tara noastra este Sistemul international de unitati de masura (S.I.). El desemneaza un ansamblu organizat sistematic de unitati de masura si de multiplii si submultiplii zecimali ai acestora si regulile lor de formare si scriere.
La baza S.I. stau 7 unitati fundamentale, 2 unitati suplimentare si 27 unitati derivate principale.
Unitatile SI fundamentale Tabelul 1.1.
|
Nr. |
Marimea |
Unitatea SI |
||
|
crt |
|
Denumirea |
Simb. |
Definitie |
|
|
Lungimea |
metru |
m |
Lungimea egala cu 1650763,73 lungimi de unda in vid ale radiatiei care corespunde tranzitiei intre nivelele de energie 2p10 si 5d5 ale atomului de kripton 86. |
|
|
Masa |
kilogram |
kg |
Masa kilogramului prototip international adoptat ca unitate de masura a masei la Conferinta Generala de Masuri si Greutati din 1889. |
|
|
Timp |
secunda |
s |
Durata a 9192631770 perioade ale radiatiei care corespunde tranzitiei intre cele doua nivele de energie hiperfine ale starii fundamentale a atomului de cesiu 133. |
|
|
Intensitate a curentului electric |
amper |
A |
Intensitatea unui curent electric constant care mentinut in doua conductoare paralele, rectilinii, cu lungime infinita si cu sectiune circulara neglijabila, asezate in vid la o distanta de 1 m unul de altul, ar produce intre aceste conductoare o forta de 2 N pe o lungime de 1 m. |
|
|
Temperatura termodinamica |
kelvin |
K |
Kelvinul este fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al apei. |
|
|
Cantitatea de substanta |
mol |
mol |
Cantitatea de substanta a unui sistem care contine atatea cantitati elementare cati atomi exista in 0,012 kg de carbon 12. |
|
|
Intensitatea luminoasa |
candela |
cd |
Intensitatea luminoasa, in directia normalei, a unei suprafete cu aria de 1/600000 m2 a unui corp negru la temperatura de solidificare a platinei la presiunea de 101325 N/m2 . |
|
Nr. |
Marimea |
Unitatea SI |
|||
|
crt |
|
Denumirea |
Simb. |
Definitie |
|
|
|
Unghiul plan |
radian |
rad |
Unghiul plan cuprins intre doua raze care intercepteaza pe circumferinta unui cerc un arc de lungime egala cu cea a razei. |
|
|
|
Unghiul solid |
steradian |
sr |
Unghiul solid care avand varful in centrul unei sfere, delimiteaza pe suprafata acestei sfere o arie egala cu cea a unui patrat a carui latura este egala cu raza sferei. |
|
Unitati SI suplimentare Tabelul.1.2.
In ceea ce priveste formarea si scrierea unitatilor de masura sunt prevazute o serie de reguli dintre care remarcam urmatoarele : denumirile se scriu cu litere mici (metru, newton, kelvin), simbolurile se scriu cu litere mici cu exceptia celor care deriva din nume proprii (metru -m, kelvin -K), pluralul se formeaza dupa regulile gramaticale din limba romana (secunda - secunde, volt - volti, watt - wati). Pentru formarea multiplilor si submultiplilor se utilizeaza prefixe (tab.1.3) care se scriu fara spatiu fata de unitate.
Ex.: 1KV=103V; 1MW=106W; 1mH=10-6H; 1nF=10-9F.
Prefixe SI Tabelul.1.3.
|
Factorul de multiplicare |
Prefixul |
Simbolul |
Factorul de multiplicare |
Prefixul |
Simbolul |
|
|
exa |
E |
|
deci |
d |
|
|
peta |
P |
|
centi |
c |
|
|
tera |
T |
|
mili |
m |
|
|
giga |
G |
|
micro |
m |
|
|
mega |
M |
|
nano |
n |
|
|
kilo |
k |
|
pico |
p |
|
|
hecto |
h |
|
femto |
f |
|
|
deca |
da |
|
atto |
a |
Unitatile derivate se pot deduce prin relatii matematice din unitatile fundamentale. Principalele unitati derivate sunt prezentate in tabelul 1.4.
Tabelul 1.4.
|
Marime fizica |
Unitatea de masura derivata |
|
|||
|
Denumire |
Simbol |
Denumire |
Simbol |
Valori echivalente |
|
|
Acceleratie |
a |
metru pe secunda la patrat |
m/s2 |
1m s-2 |
|
|
Cantitatea de electricitate, sarcina electrica |
Q |
Coulomb |
C |
1C=1A s |
|
|
Capacitatea electrica |
C |
Farad |
F |
1F=1C V-1 |
|
|
Conductanta electrica |
G |
Siemens |
S |
1S=1 W |
|
|
Energia, lucrul mecanic, cantitatea de caldura |
W |
Joule |
J |
1J=1N m |
|
|
Flux magnetic |
F |
Weber |
Wb |
1Wb=1V s |
|
|
Flux luminos |
Fe |
Lumen |
lm |
1lm=1cd sr |
|
|
Forta |
F |
Newton |
N |
1N=1kg m s-2 |
|
|
Frecventa |
f |
Hertz |
Hz |
1Hz=1 s-1 |
|
|
Iluminare |
E |
Lux |
lx |
1lx=1lm m-2 |
|
|
Inductivitate |
L |
Henry |
H |
1H=1wb A-1 |
|
|
Intensitatea campului electric |
E |
Volt pe metru |
V/m |
1V m-1 |
|
|
Intensitatea campului magnetic |
H |
Amper pe metru |
A/m |
1A m-1 |
|
|
Inductia magnetica |
B |
Tesla |
T |
1T=1wb m-2 |
|
|
Presiune |
P |
Newton pe metru patrat |
N/m2 |
1N m-2 |
|
|
Putere |
P |
Watt |
W |
1W=1J s-1 |
|
|
Rezistenta electrica |
R |
Ohm |
W |
W=1V A-1 |
|
|
Tensiune electrica |
U |
Volt |
V |
1V=1W A-1 |
|
|
Viteza |
V |
metru pe secunda |
m/s |
1m s-1 | |
1.3. Etaloane
Etaloanele reprezinta realizarea materiala a unitatilor de masura. Ele trebuie sa asigure:
generarea principalelor unitati de masura conform definitiei lor;
- mentinerea si conservarea acestor unitati de masura in toate laboratoarele metrologice;
- corelarea unitatilor de masura, derivarea altor unitati si extinderea limitei de masurare cu precizia necesara printr-un sistem adecvat de etaloane.
Corespunzator acestor cerinte etaloanele se impart in: etaloane de definitie, etaloane de conservare si etaloane de transfer.
a) Etaloane de definitie - sunt etaloanele care definesc principalele unitati de masura. Se gasesc intr-un numar redus de laboratoare din lume din cauza complexitatii acestora si costului ridicat.
b) Etaloane de conservare - sunt etaloanele ce se caracterizeaza printr-o foarte buna stabilitate in timp si fata de influentele externe.
Cele mai importante etaloane de conservare sunt: etaloanele de tensiune, etaloanele de rezistenta, etaloanele de capacitate, etaloanele de inductivitate si etaloanele frecventa - timp.
Etaloanele de tensiune cele mai folosite sunt: elementele normale sau Weston, sursele de tensiune stabilizate etalon si etaloanele bazate pe efectul Josephson.
Elementele normale sunt elemente galvanice cu electrodul (+) din mercur si electrodul (-) din amalgam de cadmiu, introduse intr-o anvelopa de sticla de forma literei H. Electrolitul este sulfat de cadmiu, iar ca depolarizant la electrodul (+) se foloseste sulfat mercuros. Elementele normale se fabrica in doua variante: saturate si nesaturate. Elementele saturate sunt mai stabile, in schimb elementele nesaturate au un coeficient de variatie cu temperatura mai mic.
Clasele de precizie ale elementelor normale utilizate curent in laboratoarele metrologice sunt 0,001; 0,002; 0,005. T.e.m. a elementelor normale saturate la 200C pot fi cuprinse intre 1,01854 V si 1,01870 V. Elementele normale au o variatie cu temperatura cunoscuta si data in tabele.
Etaloanele de tensiune cu diode Zenner sunt etaloane de tensiune care folosesc fie scheme cu doua etaje de stabilizare cu diode Zenner, fie scheme in punte sau cu amplificatoare operationale. Se obtin surse precise, a caror stabilitate anuala este de 10-3 %, iar coeficientul de temperatura 10-4 %/0C.
Etaloane de rezistenta sunt rezistoare speciale, construite astfel incat rezistenta lor sa fie stabila in timp si sa prezinte variatii cat mai mici cu temperatura, cu umiditatea si cu modul de conectare in circuitul de masura. Se folosesc aliaje cu rezistivitate mare, cu variatie mica a rezistivitatii cu temperatura si cu o tensiune termoelectromotoare mica fata de cupru. Astfel de aliaje sunt manganinul, nikrothalul si evanohnul.
Etaloane de capacitate sunt condensatoare astfel construite incat capacitatea lor sa fie stabila in timp si cat mai putin influentata de factorii de mediu. Pierderile in dielectric trebuie sa fie cat mai mici. De obicei dielectricul folosit este gazos sau solid, cu ecran electrostatic izolat de armaturi.
Condensatoarele cu dielectric cuart topit, solid, se fabrica pentru capacitati nominale intre 10 si 100 pF si au stabilitate anuala de (0,1 1) parti pe milion (p.p.m.).
Condensatoarele cu dielectric solid (polistiren, mica) se construiesc pentru capacitati nominale cuprinse intre 1nF si 10 mF. Au o stabilitate anuala mai mica de 10 100 p.p.m..
Etaloanele de inductivitate sunt bobine construite special, fara miez magnetic cu o buna stabilitate in timp, variatie mica a inductivitatii cu temperatura si independenta de valoarea curentului prin bobina. Deoarece inductivitatea variaza cu frecventa, etaloanele de inductivitate sunt folosite mai putin decat etaloanele de capacitate.
Etaloanele timp-frecventa au la baza definitia S.I. a secundei. Se folosesc urmatoarele tipuri de etaloane frecventa-timp :
- etaloane cu oscilatoare cu cuart (precizie 5
- etaloane cu vapori de rubidiu (precizie 2
- etaloane atomice cu vapori de cesiu (precizie 10-12) ;
- etaloane atomice cu hidrogen (precizie 10-13
c) Etaloanele de transfer asigura etalonarea tuturor tipurilor de aparate de masurare in intervale largi ale marimii de masurat. Ele sunt aparate de masurare speciale, cu precizie foarte buna.
Mijloace de masurare
Mijlocul de masurare este un mijloc tehnic pentru obtinerea, prelucrarea, transmiterea si stocarea unei informatii dependente de marimea de masurat, accesibila simturilor noastre sau compatibila cu anumite sisteme de prelucrare a datelor.
Mijloacele de masurare se clasifica in :
a) Masura - reprezinta un mijloc de masurare ce materializeaza una sau mai multe valori ale unei marimi fizice. Poate fi masura etalon daca se foloseste pentru etalonare sau masura de lucru cand se foloseste in masuratorile curente.
b) Instrumentul de masurare - contine cea mai simpla asociere de dispozitive si elemente care pot furniza de sine statator informatii de masurare.
c) Aparat de masurare - reprezinta un mijloc de masurare realizat in general dintr-un traductor primar, dispozitive intermediare si un instrument de masurat.
d) Sistemul de masurare - reprezinta un ansamblu complex de mijloace de masurare si dispozitive auxiliare, reunite printr-o schema de masurare in scopul obtinerii unor informatii de masurare. Ele pot fi asociate cu dispozitive auxiliare si cu tehnica de calcul.
Mijloacele de masurare pot fi :
a) analogice - acestea sunt mijloace de masurare la care semnalul de iesire este o marime variabila continuu in cadrul intervalului de masurare ;
b) numerice (digitale) - mijloacele de masurare la care semnalul de iesire reprezinta valori discrete ale marimii de intrare.
La mijloacele de masurare numerice domeniul continuu de variatie al marimii de masurat este discretizat si impartit intr-un numar de subdomenii egale, numite cuante. Prin urmare dependenta dintre marimea de masurat si rezultatul masurarii este o functie discontinua.
Masurarea va fi cu atat mai precisa cu cat cuanta este mai mica.
Mijloacele de masurare digitale au o serie de avantaje cum ar fi: viteza mare de masurare, eliminarea erorilor de citire, precizie ridicata, sensibilitate mai mica la perturbatii si posibilitatea utilizarii calculatorului pentru prelucrarea datelor.
1.5. Metodele de masurare
Metodele de masurare reprezinta totalitatea procedeelor utilizate pentru obtinerea informatiei de masurare.
Dupa modul de obtinere a rezultatului masurarii metodele de masurare se clasifica astfel :
Metode de masurare:
- directa
- indirecta: - explicite
- implicite
- de comparatie: - diferentiale
- de nul
- de coincidenta
- de rezonanta
- de compensare: - fara substitutie
- cu substitutie.
a) Metoda directa este metoda de masurare la care valoarea marimii de masurat (masurandului) se obtine direct din procesul de masurare. Exemplu: masurarea curentului cu un ampermetru.
b) Metoda indirecta este acea metoda de masurare la care valoarea masurandului se obtine pe baza unei relatii de calcul in care intervin valori furnizate de alte masuratori.
Relatiile de calcul la masuratorile indirecte pot fi:
- explicite
(ex. 
);
- implicite (ex. determinarea coeficientului de
variatie cu temperatura a rezistentei electrice : 
.
c) Metoda de masurare prin comparatie se bazeaza pe utilizarea unor etaloane care furnizeaza marimea de comparatie. Aparatul de masurare are rolul de a sesiza egalitatea dintre marimea de masurat si cea de comparatie.
Metodele diferentiale sunt metodele in care masurandul se compara cu un etalon si se masoara diferenta acestora.
Metodele de nul sunt un caz particular al metodelor diferentiale in care se urmareste ca diferenta sa fie nula (punti electrice, balanta).
Metodele de coincidenta sunt acele metode in care marimea de comparatie este suprapusa peste marimea de masurat pana la aparitia unui fenomen care indica o coincidenta (ex. sublere).
Metodele de rezonanta la care este specifica utilizarea unui circuit rezonant, valoarea cautata aflandu-se functie de parametrii circuitului rezonant.
Metodele de compensare utilizeaza doua marimi active : una care se masoara si una de referinta, cele doua marimi avand efecte contrare. Se regleaza marimea de referinta pana cand cele doua efecte sunt egale. Metodele de nul si de compensare pot fi si de substitutie. In acest caz se efectueaza doua masuratori succesive, la a doua masuratoare masurandul se inlocuieste cu un etalon reglabil, urmarindu-se obtinerea acelorasi rezultate.
Din punct de vedere al preciziei de masurare metodele de masurare sunt:
a) Metode de laborator, in cadrul carora masurarile se executa de mai multe ori, cu aparate de laborator de precizie ridicata, asupra rezultatului masuratorilor efectuandu-se calculul erorilor.
b) Metode industriale, care presupun folosirea de aparate mai putin precise, insa robuste, scopul fiind obtinerea cat mai rapida a rezultatului masurarii. De obicei nu se face calculul erorilor, acestea fiind de ordinul procentelor.
Dupa regimul de variatie in timp a marimii de masurat se deosebesc :
- metode de masurare statice care se refera la marimi constante in intervalul de timp cat dureaza masurarea ;
- metode de masurare dinamice utilizate pentru masurarea marimilor variabile in timp ;
- metode de masurare statistice folosite pentru masurarea marimilor cu variatie aleatoare.
|
