Introducere în ingineria electrică II

Masurarea marimilor care caracterizeaza un fenomen fizic constituie baza cercetarii experimentale a starilor, transformarilor si interactiunilor specifice proceselor fizice.

Procesul de masurare asociaza proprietatilor sistemelor fizice marimi matematice. Marimea matematica ce reprezinta raportul dintre proprietatea fizica si unitatea sa de masura reprezinta masura sau valoarea marimii fizice relativa la unitatea aleasa.

Un proces de masurare implica utilizarea unor mijloace de masurare (aparate, instrumente, instalatii) si a unor metode de masurare (reguli, principii). Mijloace de masura ideale nu exista, ceea ce face ca valoarea masurata sa fie întotdeauna afectata de o incertitudine de masurare, respectiv sa fie întotdeauna diferita valoarea reala.

Obiectivul unui proces de masurare consta în determinarea valorii masurate si a limitelor între care se afla valoarea reala a marimii de masurat. De exemplu, daca un ampermetru indica valoarea masurata I = 10A, iar pe baza caracteristicilor metrologice ale aparatului se estimeaza incertitudinea de masurare ± 0,005A, rezultatul masurarii este I = 10 ± 0,005A.

Clasificarea marimilor. Marimile masurabile se diferentiaza în principal în functie de sursa de energie necesara efectuarii masurarii si de modul de variatie în timp. Exista:

- marimi masurabile active (de exemplu temperatura, tensiunea electrica), unde energia de masurare este preluata de la fenomenul supus caracterizarii. În acest caz exactitatea masurarii este cu atât mai buna cu cât energia de masurare este mai mica, astfel încât procesul de masurare sa afecteze fenomenul într-o masura cât mai redusa.

- marimi masurabile pasive (de exemplu rezistenta electrica). În acest caz se face apel la o marime auxiliara activa care ofera energia de masurare; important este în acest caz ca marimea auxiliara sa nu afecteze marimea de masurat.

Dupa modul de variatie în timp se diferentiaza:

- marimi constante, invariabile în timp;

- marimi variabile stationare;

- marimi variabile nestationare.

În cazul unei marimi variabile în timp de valoare instantanee x(t), pot fi definite referitor la un interval de timp (t1, t2):

- valoarea medie:

- valoarea efectiva:

- valoarea de vârf

Atunci când valorile medie, efectiva sau de vârf referitoare la un interval de timp (t1, t2) suficient de mare pentru ca acestea sa nu depinda de acest interval sunt marimi constante, atunci avem de-a face cu marimi variabile stationare. Astfel de marimi pot fi:

- periodice, daca , unde marimea T este denumita perioada; marimea f = 1/T se numeste frecventa;

- neperiodice, sau aleatoare.

La rândul lor marimile variabile, stationare si periodice pot fi:

- armonice, sau sinusoidale, daca , unde j se numeste faza initiala;

- nesinusoidale, unde x(t) este orice alta functie diferita de sinus.

Mijloacele (aparatele) de masura pot fi analogice sau numerice. Rezultatul masurarii cu aparate analogice indicatoare este apreciat de operator prin pozitia unui element indicator (ac, spot) în lungul unei scale gradate. Pozitia indicatorului este dependenta (analoaga) marimii de masurat, care de fapt a provocat deplasarea indicatorului din pozitia de repaus.

Aparatele analogice înregistratoare traseaza pe un suport curba de variatie în timp a marimii masurate.

Aparatele de masura numerica sau digitale indica rezultatul masurarii sub forma numerica pe un sistem de afisaj.

Metodele de masurare pot fi:

- metode de deviatie, care folosesc aparate de masura analogice sau digitale, a caror deviatie este data de marimea masurata;

- metode de comparatie (de nul), în care rezultatul masuratorii se obtine prin compararea marimii de masurat cu o marime cunoscuta; operatia de masurare necesita un aparat denumit indicator de nul.

Daca ne referim la masurarea unor marimi electrice, putem exemplifica câteva tipuri de aparate de masura:

- ampermetre, galvanometre, pentru masurarea intensitatii curentului electric;

- voltmetre, pentru masurarea tensiunii electrice;

- wattmetre, pentru masurarea puterii electrice active;

- contoare, pentru masurarea energiei electrice;

- frecventmetre, pentru masurarea frecventei;

- fluxmetre, pentru masurarea fluxului magnetic;

- teslametre, pentru masurarea inductiei magnetice;

- permeametre, pentru masurarea curbei B(H).

Erori de masurare. Diferenta dintre valoarea masurata si valoarea reala se numeste eroare de masurare. Ca urmare a imposibilitatii de cunoastere a valorii reale a marimii masurate, eroarea de masurare nu poate fi în mod riguros evaluata. Se diferentiaza:

- erori de masurare sistematice, caracterizate prin valoare determinata si semn precis în cazul repetarii masurarii. Acestea sunt rezultatul erorilor de constructie, de etalonare, a erorilor metodei de masurare, sau se datoreaza modificarii în timp a proprietatilor materialelor active din structura aparatului de masura;

- erorile de masurare aleatoare, care variaza ca marime si semn într-o serie de masuratori efectuate asupra aceleiasi marimi. Acestea pot avea cauze obiective sau subiective, precum variatii ale alimentarii aparatului de masura sau ale temperaturii ambiante, vibratii, atentie inconstanta a operatorului, etc.

Erorile aleatoare au aceeasi probabilitate în cazul masurarii a doua valori identice si de semne contrare.

Rezultatele unei serii de masurari se repartizeaza simetric în jurul valorii lor medii, erorile mici fiind mai probabile decât erorile mari. Cu cât numarul de masuratori ale aceleiasi marimi este mai mare, cu atât erorile aleatoare se reflecta mai putin în diferenta din valoarea medie a tuturor masuratorilor si valoarea reala.