M. Sandu – Curs de Sisteme de măsurare, achiziţie şi prelucrare a datelor

Trebuie să măsurăm tot ce se poate măsura şi să facem măsurabil ceea ce nu este încă.

Galileo Galilei

Capitolul 1

Aspecte generale privind măsurările inginereşti

1.1. Necesitatea măsurărilor în inginerie

Măsurarea este un proces experimental obiectiv, prin care se atribuie valori numerice diferitelor proprietăţi ale materiei şi fenomenelor. Caracterul obiectiv exprimă faptul că rezultatul măsurării nu trebuie să depindă de operatorul care o efectuează.

Cunoştinţele ştiinţifice au fost dezvoltate pe două nivele: 1) analiză senzorială, 2) evaluare raţională (teoretică).

Analiza senzorială se bazează pe măsurare şi comparare pentru evidenţierea proprietăţilor diferitelor categorii: obiecte, fenomene, procese. Trecerea la fundamentarea teoretică a unor legi ale lumii materiale a fost posibilă numai prin simbolizare şi prin definirea unor seturi de proprietăţi şi de parametri de stare specifici pentru fiecare categorie analizată.

Exprimarea obiectivă şi precisă a proprietăţilor realităţii prin valori numerice este modul curent de reprezentare a datelor ştiinţifice. Descoperiri ştiinţifice recente stau la baza unor noi tehnici de măsurare (cu achiziţie de date în calculator, cu transmisia informaţiei la distanţă, cu ultrasunete etc.).

Mărimea (sau proprietatea) exprimă calitatea, iar valoarea numerică determinată exprimă cantitatea. O proprietate este o noţiune generală, abstractă, care se aplică unei categorii largi de corpuri sau fenomene. Exprimarea cantitativă se referă la o entitate particulară (temperatura unui fluid, lungimea unei bare, masa specifică a unui material etc).

Perfecţionarea metodelor şi mijloacelor de măsurare este cerută nu doar în ştiinţă ci, mai ales, în domenii inginereşti: construcţii de maşini şi instalaţii, construcţii civile şi industriale, transporturi, comerţ, biomecanică etc.

De regulă, valorile măsurate ale proprietăţilor şi parametrilor de stare se exprimă ca mărimi scalare, vectoriale sau matriceale, cu care se operează conform procedurilor matematice uzuale.

Este important de reţinut faptul că de precizia şi de numărul măsurărilor efectuate depind performanţele unui model matematic elaborat pe baza lor.

În cadrul cursului vor fi prezentate metode şi echipamente pentru măsurarea pe cale electrică a diferitelor mărimi mecanice: deformaţii specifice, forţe, cupluri, presiuni, deplasări liniare, rotiri, viteze, acceleraţii, frecvenţe etc.

Deşi proprietăţile unui proces sau obiect sunt prezente simultan, la măsurare se evaluează o singură mărime făcând abstracţie de influenţa celorlalte. Uneori se precizează valorile unor parametri de mediu (temperatură, umiditate, presiune etc.) în momentul când a fost determinată o altă mărime (deformaţie specifică, deplasare).

Conform unei definiţii simpliste, măsurarea constă în raportarea unei mărimi fizice de valoare necunoscută la alta de aceeaşi natură aleasă ca unitate. Această definiţie se poate aplica la măsurarea unor mărimi ca lungimea, masa sau forţa. Pentru alte mărimi (deformaţie specifică, duritate, temperatură, densitate, vâscozitate, umiditate etc), procesul de măsurare trebuie să se bazeze pe cunoaşterea formei de manifestare a proprietăţii care se evaluează.

10

M. Sandu – Curs de Sisteme de măsurare, achiziţie şi prelucrare a datelor

Metrologia este ştiinţa care are ca obiect studiul procesului de măsurare, cu următoarele elemente componente:-mărimea şi proprietăţile care o fac măsurabilă,-scara de măsurare şi unitatea de măsură,-metoda de măsurare (baza teoretică şi aparatura de măsurare),-metodele şi mijloacele pentru prelucrarea datelor primare.

Metrologia are caracter interdisciplinar deoarece utilizează noţiuni de fizică, mecanică, electronică, electrotehnică, matematică, informatică. În plus, metrologia cuprinde şi reglementări juridice privitoare la controlul metrologic periodic al echipamentelor, la autorizarea procedurilor de măsurare cu respectarea unor acte normative elaborate cu scopul de unificare şi obiectivizare a măsurărilor.

Măsurarea pe cale electrică a diferitelor mărimi mecanice sau de altă natură, presupune şi un consum de energie. O mărime este considerată activă dacă are asociată o energie din care se poate consuma o parte în procesul de măsurare. Mărimile active trebuie măsurate cu un consum energetic cât mai redus, pentru ca să nu fie afectată valoarea mărimii de determinat.

Mărimile pasive sunt cele care nu posedă o energie proprie liberabilă şi pentru măsurarea cărora trebuie să existe o sursă de energie auxiliară. Exemple tipice sunt mărimile caracteristice circuitelor electrice: rezistenţă, capacitate, inductivitate etc.). Masa este tot mărime pasivă pentru că nu se poate manifesta decât într-un câmp de acceleraţie (gravitaţional).

1.2. Sistemele electronice de măsurare

Schema generală a unui sistem de măsurare (fig. 1.1) conţine şase subsisteme:1) senzorul (traductorul sau captorul), 2) sursa de energie, 3) adaptorul (condiţionerul) de semnal, 4) amplificatorul, 5) înregistratorul de date, 6) procesorul de date.

Dacă pe datele înregistrate se bazează conducerea automată a unui proces în care intervine mărimea măsurată, atunci în sistem trebuie să existe şi un controler şi un generator de comenzi.

Fig. 1. Schema bloc a unui sistem de măsurare

Senzorul (numit şi traductor sau captor) este dispozitivul care converteşte variaţia mărimii de măsurat în variaţie a unei mărimi electrice (semnal de ieşire). De exemplu, senzorul rezistiv, cunoscut şi sub numele de „timbru tensometic”, preia deformaţii cauzate de o sarcinǎ (mǎrimea de mǎsurat) unei structuri elastice pe care este lipit. Deformaţia specificǎ este convertită într-o variaţie de rezistenţă care produce o variaţie a semnalului în tensiune electrică. Dacă tensiunea este proporţională cu deformaţia specifică, atunci calibrarea aparatului de măsură (constând din adaptor, amplificator şi înregistrator sau aparat indicator) este simplă şi se reduce la determinarea unei constante. Alimentarea traductorului se face, de regulă, în curent continuu la tensiunea recomandată de furnizor.

11

M. Sandu – Curs de Sisteme de măsurare, achiziţie şi prelucrare a datelor

Adaptoarele de semnal sunt circuite electronice care convertesc ieşirea din traductor într-o mărime mai uşor de măsurat sau de utilizat pentru generarea comenzilor.Filtrele, compensatoarele, modulatoarele, demodulatoarele, integratoarele, diferenţiatoarele sunt exemple de circuite de condiţionare a semnalelor.

Amplificatoare sunt necesare atunci când tensiunea de ieşire din ansamblul traductor-condiţioner este mică. Semnale de ordinul milivolţilor sau mai mici sunt uzuale. Pentru mărirea acestora la nivelele cerute de aparatele de măsurare a tensiunii din sistem se utilizează amplificatoare cu multiplicări de 10 - 1000 de ori.

Înregistratoarele sunt aparate care stochează şi afişează semnalele într-o formă adecvată pentru citire şi interpretare.

Procesoarele de date convertesc semnalele în comenzi pentru circuitul de control automat sau în date ce pot fi uşor interpretate de către inginer. Utilizând programul Excell, de exemplu, rezultatele pot fi prezentate sub formă de grafice, diagrame, tabele.

Controlerele sunt utilizate pentru monitorizarea şi ajustarea mărimilor mecanice şi termice cere intervin într-un proces. Semnalul furnizat de sistemul de măsurare este comparat cu un semnal de comandă (cerut pentru funcţionarea optimă a instalaţiei). Diferenţa dintre cele douǎ semnale (măsurat şi comandat) este semnalul eroare, care este utilizat în ajustarea automată a parametrilor procesului.

Sistemele electronice de măsurare sunt utilizate în trei domenii:1. Analiza inginerească a structurilor, componentelor şi ansamblurilor de maşini, pentru a verifica performanţele şi fiabilitatea acestora;2. Monitorizarea proceselor, pe baza informaţiilor furnizate de senzori, care permit operatorilor să ajusteze valorile unor parametri ai procesului controlat;3. Controlul automat al proceselor în sistem de reglare cu buclă închisă.

Analiza inginerească a unui produs presupune două abordări, una teoretică şi alta experimentală, care se completează reciproc. Pe baza analizei teoretice, pe un model analitic sau numeric, se estimează principalele performanţe probabile în exploatare.

Simplificările introduse la modelare se reflectă în erorile de evaluare pe care le evidenţiază studiul experimental al prototipului. Experimentul elimină incertitudinile, deoarece nu aproximează comportarea materialelor şi nici solicitările, dacă încercările au loc în condiţii reale de funcţionare.

În figura 1.2 este prezentată schema de principiu a unui sistem de reglare automată. Uneori, semnalele furnizate de captoare conţin singurele informaţii disponibile referitoare la mărimea x (temperatură, debit, presiune etc) din procesul controlat.

Valoarea de referinţă (dorită) a mărimii controlate s-a notat cu yr , iar yyy r −=∆ reprezintă corecţia ce se face prin intermediul unui regulator, care comandă un element de execuţie (de exemplu, o servovalvă). Regulatorul se mai numeşte şi generator de comandă. Prin intermediul buclei de reacţie se analizează efectul comenzii executate şi se reia ciclul de reglare automată.

Fig.1.2. Schema unui sistem de reglare automată

12

M. Sandu – Curs de Sisteme de măsurare, achiziţie şi prelucrare a datelor

Dintre cele mai importante aplicaţii ale măsurării electronice se pot menţiona: sisteme de cântărire continuă sau intermitentă; sisteme de dozare; sisteme de reglare automată a proceselor şi instalaţiilor; sisteme de monitorizare a integrităţii structurilor (poduri, construcţii etc); sisteme de protecţie şi coordonare a mişcărilor mecanismelor componente ale

roboţilor şi manipulatoarelor; sisteme de control dimensional automat; sisteme de măsurare a forţelor aerodinamice pe modele de aeronave sau de

autovehicule testate în suflerii; sisteme de protecţie a maşinilor şi instalaţiilor la suprasarcini; echipamente dinamometrice utilizate în biomecanică.

Firma BALANTA din Sibiu produce echipamente de cântărire şi dozare dotate cu sisteme de achiziţie de date. Acestea încorporeazǎ captoare de forţǎ cu traductoare rezistive. În imaginile ce urmeazǎ sunt prezentate câteva dintre produsele acestei firme.

Platformǎ dinamometricǎ pentru cântarirea vehiculelor goale sau încǎrcate

Instalaţie de dozare şi ambalare în pungi sau în saci a materialelor granulare

Platforma de mica înalţime pentru cântǎriri industriale

13