Măsurări electronice (ME). Procesul de măsurare. Aparate de măsură

Transcription

1 Măsurări electronice (ME). Procesul de măsurare. Aparate de măsură Rezumatul cursului 1 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 1

2 Bibliografie 1. Antoniu M., Măsurări electronice, Metrologie, aparate de măsură analogice, vol. 1-3, Ed. Gh. Asachi şi Satya, Iaşi, Millea A., Măsurări electrice. Principii şi metode. Editura Tehnică, Bucureşti, Szabo W., Szekely I, Măsurări electrice şi electronice, Universitatea din Braşov, * * * Hütte, Manualul inginerului, Fundamente, Editura Tehnică, Bucureşti, 1995 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 2

3 Evaluare Laborator (nota L) Prezenţa+activ. curs (nota P) Examen (nota E) Formula de calcul a notei finale (N): N=0.1P+0.25L+0.65E Dacă: E>4 şi L>4 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 3

4 Conţinut curs 1 1. Procesul de măsurare 2. Aparate analogice şi digitale 3. Aparate de măsurat analogice 4. Aparate electromecanice MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 4

5 1. Procesul de măsurare Procesul de măsurare constă în: - preluarea informaţiei de la mărimea de măsurat sub forma unei energii şi transmiterea acesteia la o unitate de prelucrare; - stabilirea valoari mărimii măsurate prin comparaţie cu un etalon; - transferul rezultatului la un bloc de ieşire care poate avea şi rol de indicator. Procesul de măsurare cuprinde: mărimea de măsurat, (ex. U, I, P, R, etc.) mijloacele de măsurare, metoda de măsurare. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 5

6 Componentele procesului de măsurare a) Mărimea de măsurat (obiectul măsurării - măsurand): de natură electrică: de grad 0 (mărimi pasive) care intervin sub formă de rapoarte în ecuaţiile câmpului electromagnetic.(r, Z, X); de grad I (mărimi active) care intervin la puterea întâi în ecuaţiile câmpului electromagnetic (U, I, Q, E, B) de grad II (mărimi energetice): care intervin la puterea a doua în ecuaţiile câmpului electromagnetic (energii - W, puteri -P). b) Mijloacele de măsurare Element sensibil (senzor + convertor); aparatul de măsurat (instalaţia de măsurare); bloc de afişare şi prelucrare (afişare, înregistrare, comparare, memorare, etc.). c) Metode de măsurare comparare cu etalonul (simultan sau succesiv) după modul de obţinere: directe sau indirecte; după tehnica de măsurare: directe, prin comparaţie, diferenţiale; după modul de variaţie: static, dinamică, statistică. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 6

7 Măsurarea Măsurarea corespunde procesului de comparare a mărimii de măsurat X (necunoscută) cu o altă mărime de aceiaşi natură luată în mod convenţional ca unitate de măsură (U.M). Rezultatul măsurării M rezultă prin compararea (raportarea) mărimii X cu U.M: M X U.M. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 7

8 U.M. M M X U.M. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 8

9 1.1. Mărimea de măsurat X mărimi de tip intensitate (mărimile de gradul 1) în circuite electrice I, U, iar în câmp electromagnetic E, D, H, B sunt mărimi active. mărimi energetice care caracterizează schimbul de energie (mărimile de gradul 2): puteri, energii, densităţi de putere; mărimi parametrice (mărimile de gradul 0) intervin ca rapoarte între mărimi de acelaşi grad (grad 1 sau de gradul 2): rezistenţa R sau impedanţa Z, inductaţa L, capacitatea electrică C, cos, factor de calitate Q, etc. sunt mărimi pasive. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 9

10 1.2. Mijlocele de măsurare Compararea mărimilor de măsurat cu unităţile de măsură corespunzătoare se realizează de către mijlocele de măsurare, care în cazul general, cuprind: Măsurile - materializează unităţile de măsură multiplii sau submultiplii acestora, aparatele de măsură - cuprind în structura lor elementele necesare comparării mărimilor de măsurat cu măsurile unităţilor de măsură sau memoriile acestora în vederea furnizării rezultatelor măsurării M. instalaţiile de măsură (sistemele de măsurare)- includ în structura lor: măsuri, aparate de măsură, surse de tensiune, surse de semnal, precum şi alte elemente necesare efectuării unor procese de măsurare complexe. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 10

11 1.3. Metode de măsurare Metodele directe precizia limitată de caracteristicile metrologice ale aparatelor de măsură; Metode de compensaţie, la care mărimea din măsurat Mx se compensează cu o mărime etalon M0: ; atunci când M=0, rezultă: (metoda de zero); Metode de substituţie constă în înlocuirea mărimii din măsurat Mx în sistem după care se face identificarea. După regimul de variaţie în timp al mărimii din măsurat metodele de măsurare sunt: statice şi dinamice. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 11

12 1.4. Erorile de măsurare Clasificare erorilor de măsurare ERORI Singulare Sistematice Aleatoare M M M Prezentare grafică a erorilor (abaterilor) de la caracteristica (M) MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 12

13 a) Erorile sistematice Care sunt acestea? Abateri care la efectuarea repetată a măsurării în condiţii identice rămân constante ca valoare şi semn. Cauze: variaţia factorilor de influenţă (temperatură, umiditate, frecvenţă, etc.), imperfecţiunea reglajului de zero la instrumentul de măsură, imperfecţiunea metodei de măsurare, consumul propriu al aparatului de măsură şi altele. Evaluare: pe baza analizei condiţiilor concrete în care s-a desfăşurat măsurarea. În literatura de specialitate erorile sistematice se mai numesc erori de justeţe. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 13

14 b) Erorile aleatoare (întâmplătoare)) Acestea apar diferite ca semn şi valoare într-un proces de măsurare; Nu pot fi cunoscute ca mărime şi semn ci numai ca limită superioară cu ajutorul statisticii matematice. Cauzele: fluctuaţii accidentale ale factorilor de influenţă (temperatură, umiditate, câmpuri electromagnetice, etc.). În literatura de specialitate erorile întâmplătoare se mai numesc erori de fidelitate. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 14

15 a) Calculul erorilor sistematice Eroarea absolută sau abaterea reprezintă diferenţă dintre valoarea măsurată Vm şi o valoare convenţional adevărată (valoarea etalon) V0: (1.3) a V m V0 V Corecţia = - (Eroarea absolută) ( cu semn opus). Eroarea relativă este raportul dintre eroarea absolută şi valoarea mărimii măsurate: sau (1.4) Se observă că eroarea relativă este adimensională şi se exprimă numeric sau în procente, iar pentru valori foarte mici în ppm (părţi pe milion). De exemplu: U=2,34 V 0,005 V sau U=2,34 V 0,2%. V m V V 0 0 V V 0 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 15

16 Eroarea raportată Se exprimă ca şi eroarea relativă, dar raportarea se face la o valoare convenţională Vc a mărimii măsurate (de exemplu: domeniul nominal al aparatului sau lungimea scării gradate, etc.): r V V c Eroarea raportată procentuală: r V V c 100 [%] MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 16

17 b) Calculul erorilor aleatoare Estimarea erorilor aleatoare se poate face în condiţiile în care măsurarea se efectuează de n ori în condiţii practic identice. Media aritmetică: q 1 n n i1 q i Rezultatele individuale ale măsurărilor repetate au valori întâmplătoare, distribuite după o anumită lege în jurul valorii medii. Dispersia: 1 n 2 q q i q n 1 i1 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 17

18 Aplicaţie La măsurarea tensiunii unui element galvanic s-au obţinut următoarele valori ale tensiunii: U1=3,65 V, U2=3,68 V, U3=3,64 V, U4=3,66 V. Să se determine dispersia valorilor. Rezolvare: q q q n n i1 1 qi (3,65 3,68 3,64 3,66) 3, 6575V 4 (3,65 3,6575) 5, (3,68 3,6575) 5, , (3,64 3,6575) (3,66 3,6575) 9, V 2 MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 18

19 2. Aparate analogice şi digitale Aparatele analogice determină şi redă valoarea sub forma unei mărimi fizice variabile continuu cum ar fi rotirea a a unui ac indicator în fata scarii gradate. Aparatele digitale determină valoarea masurată direct sub forma unui număr, printr-un dispozitiv de afişare alfanumeric - display (ecran luminos cu LED-uri, cristale lichide, etc.). MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 19

20 2.1. Caracteristica de transfer a aparatelor de măsură MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 20

21 2.2. Calibrarea aparatelor de măsură MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 21

22 Precizia Precizia este un parametru metrologic care se exprimă prin clasa de precizie. Clasa de precizie c se determină în funcţie de eroarea maximă tolerată: c X max 100 X n Abaterea: X=clasa de precizie/100 domeniul de măsurare Clasele de precizie sunt standardizate pentru tipuri de mijloace de măsurare; De exemplu, pentru aparatele electrice indicatoare, clasele de precizie standardizate sunt: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5; MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 22

23 Aplicaţie Cu un voltmetru cu clasa de precizie c=2,5 şi domeniul nominal Un=250 V se măsoară o tensiune şi se citeşte valoarea U=150 V. Să se limitele (abaterea) în care se încadrează valoarea măsurată. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 23

24 U U max max Un c 100 6,25V 2, ,25V Se poate aprecia că valoarea corectată şi stabilită cu indicarea limitelor maxime este: U c 150 6, 25V MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 24

25 3. Aparate de măsurat analogice a) Schema bloc a aparatelpr analogice pentru mărimi active (de exemplu:u,i) MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 25

26 b) Schema bloc a aparatelpr analogice pentru mărimi pasive, (de exemplu: R, L, C). M S S sursa de alimentare; LT x UP TE y UP unitate de prelucrare; TE- traductor de ieşire. aratelor de măsurat mărimi active. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 26

27 La aparatele analogice TE - instrument electromecanic. Instrumentele electromecanice se utilizează curent deoarece sunt simple, fiabile şi uşor de întreţinut. Se clasifică după tipul mecanismului de măsură utilizat. Se disting instrumente: magnetoelectrice: cu bobină mobilă; cu redresor; feromagnetice; electrodinamice; ferodinamice, etc.; MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 27

28 Instrumente electromecanice. Simboluri. Banda de frecvenţe MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 28

29 4. Aparate electromecanice Aparate electromecanice conţin: - Instrumentul de măsură; - Convertoare de măsură: rezistenţe adiţionale, şunturi, redresoare, etc. - Surse şi circuitele electrice aferente schemei de conexiuni. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 29

30 4.1. Aparate magnetoelectrice Aparate magnetoelectrice includ: Voltmetre şi Ampermetre de c.c. Voltmetre şi Ampermetre de c.a. cu redresor; Ohmetre. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 30

31 Instrumentul magnetoelectric a) Principiul de funcţionare. Părţi componente Lagăre MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 31

32 Ac indicator Scala gradată Resort spiral Bobina Resort spiral MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 32

33 Funcţionarea instrumentului magnetoelectric MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 33

34 Aparate magnetolectrice MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 34