UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ RAPORT TEHNIC

1. UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ RAPORT TEHNIC MĂSURĂRI ELECTRICE ŞI ELECTRONICE STUDENT: GORUN FLORINA GRUPA:112 B ANUL I

2. Cuprins • INTRODUCERE • 2. Mărimi fizice şi măsurarea lor • 2.1. Noţiuni introductive • 2.2. Clasificarea mărimilor măsurabile • 2.3. Sisteme de unităţi de măsură • 2.4. Mijloace electrice de măsurare • 2.5. Metode electrice de măsurare • 3. Schemele funcţionale şi caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare • 3.1. Schemele funcţionale ale aparatelor electrice de măsurare • 3.2. Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare • 4. Erori de măsurare • 4.1. Generalităţi • 4.2. Clasificarea erorilor de măsurare • 4.3. Modul de exprimare a erorilor intrinseci • 5. Traductoare electrice • 5.1. Generalităţi • 5.2. Clasificarea traductoarelor electrice • 6. CONCLUZII • BIBLIOGRAFIE

3. INTRODUCERE • În contextul dezvoltării tehnologice actuale, măsurările reprezintă un domeniu indispensabil activităţii tehnico-ştiinţifice. Transferurile de energie, precum şi cele de informaţie, se realizează în principal pe suportul mărimilor electromagnetice, motiv pentru care măsurarea cu precizie a acestor mărimi este absolut necesară desfăşurării normale a respectivelor procese. • Prezenta lucrare abordează o parte a domeniului măsurărilor cu suport electric. Lucrarea prezintă probleme fundamentale ale domeniului, precum şi unele tendinţe moderne în desfăşurarea procesului măsurării şi controlului mărimilor, fiind accesibilă celor interesaţi de domeniul abordat.

4. 2. Mărimi fizice şi măsurarea lor • 2.1. Noţiuni introductive • Aprecierea cantitativă a fenomenelor fizice constă în a asocia numere diverselor stări pe care acestea le reprezintă. Aceasta implică pe de o parte existenţa unei unităti de măsură, iar pe de altă parte existenţa unui mijloc de măsurare care să arate de câte ori unitatea dată se cuprinde în mărimea respectivă. • Mărimea fizică este proprietatea sau atributul comun al unei clase de obiecte, fenomene, procese,etc. • Există două tipuri de mărimi fizice: • definibile • măsurabile • Măsurarea este un experiment prin care cu mijloace tehnice si principii adecvate se compară măsurandul (mărimea de măsurat) cu unitatea de măsură, având ca rezultat un număr denumit valoarea măsurandului (de regulă un număr real). • Totalitatea numerelor reale ce pot fi atribuite unei marimi măsurabile se constituie în scala de măsurare. • Domeniul măsurărilor este denumit metrologie, termen ce provine din limba greacă veche (metron – măsură; logos –vorbire), având ca orice ştiinţă baze teoretice proprii, metode caracteristice de lucru şi o solidă bază practică.

5. 2.2. Clasificarea mărimilor măsurabile După modul de obţinere a energiei de măsurare mărimile măsurabile se clasifică în: - mărimi active: temperatura, tensiunea electrică, intensitatea curentului electric, etc. (mărimile măsurabile care permit eliberarea energiei de măsurare); - mărimi pasive: masa, vâscozitatea, rezistenţa electrică, etc. (mărimile măsurabile care nu permit eliberarea energiei de măsurare). După modul de variaţie în timp clasificarea mărimilor măsurabile este: - mărimi constante; - mărimi variabile - nestaţionare; - staţionare - periodice - sinusoidale; - nesinusoidale. - neperiodice (aleatoare). Se consideră mărimi constante mărimile invariabile în timpul efectuării măsurării (0,1-10s). Mărimile staţionare sunt mărimi variabile a căror valoare efectivă, de vârf şi valoare medie sunt constante în timp.

6. 2.3. Sisteme de unităţi de măsură Unitatea de măsură reprezintă o anumită cantitate dintr-o mărime careia i se asociază valoarea 1 conform unor convenţii internaţionale sau regionale. Aceasta trebuie să fie de aceeaşi natură cu mărimea de măsurat. Sistemul de u.m. reprezintă totalitatea u.m. cu care se poate caracteriza o clasă de fenomene. Un sistem coerent de u.m. conţine un număr restrâns de unităti fundamentale adoptate prin convenţii internaţionale şi unităţi derivate, definite în funcţie de unitaţile fundamentale prin ecuaţii ale căror coeficienţi numerici să fie unu. În ceea ce priveşte sistemele coerente de unităţi este de remarcat că în 1793 a fost elaborat Sistemul Metric, care avea la bază două unităţi fundamentale: metru pentru lungime şi kilogram pentru masă. Ulterior au fost elaborate numeroase sisteme de u.m. adaptate unor nevoi specializate ale ştiinţei şi tehnicii, eforturile pentru elaborarea unui sistem unic de unităţi fiind finalizate în 1960 prin adoptarea Sistemului Internaţional de Unităţi (S.I.)care conţine 7 unităţi fundamentale [metru,kilogram, secundă, amper, kelvin, mol, candelă], 2 unităţi suplimentare [radian, steradian] şi 35 unităţi derivate. România a adoptat S.I. în 1961 şi începând de la acea dată S.I. este singurul sistem de unităţi de măsură legal şi obligatoriu în ţara noastră, hotărâre prevăzută şi în Legea metrologiei.

7. 2.5. Metode electrice de măsurare O mărime analogică poate lua un număr infinit de valori într-un interval oarecare de timp (finit). Aparatele analogice prelucrează continuu mărimea de intrare, parcurgând întreaga gamă de valori ale acesteia. În cazul unei metode numerice semnalul metrologic este discontinuu, măsurarea repetânduse după un anumit interval de timp, iar valoarea măsurată este prezentată sub forma unui număr pe afişaj. Mărimea de ieşire (Y) poate avea numai un număr finit de valori n, fiecare valoare fiind un multiplu al unei unităţi de bază y (cuantă). Mărimea de măsurat va fi deci împărţită în n intervale, fiecărui interval fiindu-i alocată o valoare discretă yi. (Fig.2.) Fig.1.Corespondenţă analogică şi corespondenţă numerică.

8. 2.4. Mijloace electrice de măsurare Mijloacele de măsurare reprezintă ansamblul mijloacelor tehnice care materializează şi conservă unităţile de măsură şi furnizează informaţii de măsurare. Mijloacele electrice de măsurare sunt cele care permit măsurarea pe cale electrică a mărimilor, caracteristica lor principală fiind convertirea semnalului metrologic într-o mărime electrică. Principalele tipuri sunt: măsura, instrumentul de măsurare, aparatul de măsurare, instalaţia de măsurare, sistemul automat de măsurare. Aparatul de măsurare este mijlocul de măsurare realizat pe baza unei scheme din mai multe convertoare electrice (include instrumentul de măsurare). Instalaţia de măsurare este ansamblul de aparate de măsurare, măsuri şi dispozitive anexă, reunite printr-o schemă sau metodă comună şi care servesc pentru măsurarea uneia sau mai multor mărimi. Sistemul automat de măsurare reuneşte măsuri, aparate de măsurare şi tehnică de calcul, în scopul realizării unor funcţii de măsurare complexe. În funcţie de destinaţia lor mijloacele de măsurare se clasifică în: - etaloane; - mijloace de măsurare de lucru. Etaloanele sunt mijloacele de măsurare care materializează şi conservă legal (la precizie maximă) u.m., iar mijloacele de măsurare de lucru sunt utilizate în toate domeniile de activitate efectuarea măsurărilor.

9. Principalele metode electrice de măsurare sunt: - indirectă ; - de rezonanţă (utilizează starea de rezonanţă a unor circuite); - directă ; - directă cu substituţie (implică două măsurări succesive, mărimea de măsurat fiind înlocuită cu o mărime reglabilă, de aceeaşi natură şi cunoscută cu precizie superioară, care să aibă acelaşi efect asupra aparatului de măsurare); - de punte (utilizează o punte de măsurare); - de punte cu substituţie (implică două măsurări de punte succesive, mărimea de măsurat fiind înlocuită cu o mărime de aceeaşi natură, de precizie, cu valoare foarte apropiată, astfel încât efectul asupra elementelor punţii să fie acelaşi); - de compensare (utilizează un circuit de măsurare în care două mărimi active produc efecte de sens opus şi prin reglarea uneia efectele se anulează); - de compensare cu substituţie (implică două măsurări de compensare succesive). Fig.2.Procesul de măsurare.

10. 3. Schemele funcţionale şi caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare 3.1. Schemele funcţionale ale aparatelor electrice de măsurare Mijlocul de măsurare este în fapt un lanţ de măsurare şi poate fi reprezentat printr-o schemă funcţională, ale cărei elemente principale sunt convertoarele. În forma cea mai generală, mijloacele electrice de măsurare se consideră a fi alcătuite din trei tipuri de convertoare de măsurare: convertorul de intrare, convertorul de prelucrare şi convertorul de ieşire. În cazul măsurării mărimilor active, energia necesară convertirii mărimii de măsurat de către convertorul de intrare în mărime electrică este furnizată de însăşi mărimea de măsurat.( Fig.3.) Fig.3.Schema funcţională a unui aparat analogic pentru măsurarea unei mărimi active.

11. Pentru măsurarea mărimilor pasive (care nu pot furniza energia necesară formării semnalului metrologic) se face apel la o mărime exterioară fenomenului supus măsurării – numită mărime de activare – care este modulată de către mărimea de măsurat şi aplicată la intrarea convertorului de intrare.( Fig.4.) Fig.4.Schema funcţională a unui aparat analogic

12. În schemele funcţionale ale aparatelor digitale(Fig.6.) este introdus un ansamblu de circuite şi dispozitive numerice: convertor anlog-digital (A/D), registru, unitate de afişare zecimală. Convertorul analog-digital transformă semnalul metrologic de tip analogic în semnal digital (cod numeric). Registrul are rol de memorie temporară, iar unitatea de afişare zecimală oferă valoarea măsurată (poate fi asimilată convertorului de ieşire).( Fig.5.) Fig.5.Schema funcţională a unui aparat digital

13. 3.2. Caracteristicile metrologice ale mijloacelor electrice de măsurare • „ Aceste caracteristici se referă la comportarea mijloacelor de măsurare în raport cu mărimea supusă măsurării, cu mediul ambiant şi cu beneficiarul măsurării. Se exprimă prin parametrii funcţionali privind mărimile de intrare, de ieşire şi de influenţă, fără să implice structura internă a mijloacelor de măsurare. • - Intervalul de măsurare • - Capacitatea de suprasarcină • - Rezoluţia • - Sensibilitatea • - Precizia • - Puterea consumată • - Timpul de măsurare • - Stabilitatea „[2]

14. 4. Erori de măsurare 4.1. Generalităţi „La efectuarea unei măsurări, indiferent de gradul de precizie, nu se poate obţine niciodată valoarea adevărată a mărimii de măsurat. Între valoarea obţinută şi cea adevărată a mărimii de măsurat există o diferenţă numită eroare de măsurare. Erorile sunt extrem de diferite; ele se datorează mijloacelor de măsurare sau metodelor de măsurare, inconstanţei condiţiilor de măsurare, influenţei mediului exterior, lipsei de experienţă şi greşelilor operatorilor, etc. ( Fig.7.) Pentru obţinerea unor rezultate cât mai apropiate de valoarea reală este necesar ca aceste influenţe să fie cât mai mici sau erorile să fie eliminate prin calcul.”[4] Fig.7.Principalele surse de erori în procesul de măsurare.

15. 4.2. Clasificarea erorilor de măsurare Erorile de măsurare pot fi clasificate după provenienţa lor în erori datorate: fenomenului supus măsurării, mediului ambiant, mijlocului electric de măsurare, interacţiunii mijloc de măsurare- fenomen supus măsurării, interacţiunii beneficiarul măsurării – mijloc de măsurare. După caracterul lor erorile de măsurare se clasifică în: erori sistematice, erori aleatoare şi erori grosolane (greşeli). ( Fig.8.) Fig.8.Definirea erorilor de măsurare sistematice şi aleatoare: Yr – valoarea adevărată a mărimii; m – media valorilor măsurate pentru un număr infinit de măsurări;Y - media valorilor măsurate pentru un număr finit de măsurări.

16. „Există următoarele tipuri de erori instrumentale sistematice: - eroarea de zero (Fig.9.a) - eroarea de proporţionalitate ( Fig.9.b) - eroarea de liniaritate(Fig.9.c) - eroarea sistematică de histerezis ( Fig.9.d) - derivă – eroarea provenită din deplasarea în timp a caracteristicii reale paralel cu caracteristica nominală ( Fig.9.e) Fig.9.Tipuri de erori instrumentale sistematice: a - eroare de zero; b - eroare de proporţionalitate; c - eroare de liniaritate; d - eroare de histerezis; e - derivă.

17. Din punct de vedere al regimului mărimii de măsurat erorile pot fi statice sau dinamice. Eroarea statică reprezintă eroarea de măsurare ce rezultă la un regim staţionar constant al mărimii de măsurat. Eroarea dinamică este eroarea de măsurare ce rezultă la un regim variabil al mărimii de măsurat. Erorile dinamice depind de caracteristicile mijloacelor şi metodelor de măsurare utilizate şi de natura variaţiilor mărimii de măsurat. După modul de exprimare erorile pot fi : absolute, relative şi raportate. Eroarea absolută este diferenţa dintre valoarea măsurată şi valoarea reală a mărimii de măsurat.”[6] 6. CONCLUZII În acest raport se analizează stadiul actual al sistemelor electronice de măsurare cu aparatură programabila şi se încearcă o anticipare a eventualelor evoluţii posibile ale domeniului hardware în viitorul apropiat. Acesta urmărește caracteristici ce se referă la comportarea mijloacelor de măsurare în raport cu mărimea supusă măsurării, cu mediul ambiant şi cu beneficiarul măsurării. Se exprimă prin parametrii funcţionali privind mărimile de intrare, de ieşire şi de influenţă, fără să implice structura internă a mijloacelor de măsurare.La efectuarea unei măsurări, indiferent de gradul de precizie, nu se poate obţine niciodată valoarea adevărată a mărimii de măsurat.

18. BIBLIOGRAFIE [1]Bodea, M.: Aparate Electronice pentru Măsurare şi Control, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985. [2]Hutte : Manualul Inginerului-Fundamente, Editura Tehnică, Bucureşti, 1995. [3]Iliescu, C. : Măsurări Electrice şi Electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983. [4]Lang, T.T.: Electronics of Measuring Systems. Practical implementation of Analog and Digital Techniques, John Wiley, 1987. [5]Munteanu, R., Târnovan, I.: Sisteme de măsurare inteligente, Universitatea tehnică din Cluj-Napoca, 1992 [6]Nicolau, E.; Beliş, M.: Măsurări Electrice şi Electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.