Curs BCEMT

Cercetările experimentale au ca obiectiv general efectuarea unor măsurări, necesare pentru stabilirea valorii sau intensităţii mărimilor fizice caracteristice fenomenului sau sistemului considerat.

În lucrările clasice, măsurarea este definită ca operaţia de determinare a raportului în care se află mărimea măsurată faţă de o altă mărime de aceeaşi natură, aleasă ca unitate. Această operaţie se realizează cu aparate sau sisteme de măsurare, care transmit informaţia asupra mărimii fizice prin intermediul unui dispozitiv indicator sau înregistrator.

Constituirea semnalului care poartă această informaţie - semnalul metrologic - şi transmiterea lui prin aparatul sau sistemul de măsurare, de la punctul de contact cu mediul cercetat şi pînă la observatorul extern, implică un consum de energie. Prin urmare, măsurarea unei mărimi se poate realiza numai prin punerea în joc a unei energii obţinute, cel puţin parţial, din sistemul în care se efectuează măsurarea. Condiţia de ordin energetic este evidentă în numeroase exemple: măsurarea temperaturii implică schimbul de căldură între fluidul sau peretele studiat şi termometru; măsurarea unei forţe cu un dinamometru pretinde efectuarea unui lucru mecanic de deformaţie a elementului său elastic; măsurarea unei tensiuni electromotoare se realizează numai prin trecerea curentului electric prin rezistenţa internă a voltmetrului etc. De aceea, măsurarea a fost definită şi ca operaţia de solicitare şi obţinere, de transmitere şi culegere a unui semnal energetic corespunzător intensităţii unei mărimi şi susceptibilităţii de a se traduce prin numere.

Prin implicaţiile sale, care vor rezulta în continuare, constatarea asupra condiţiei energetice a formării şi transmiterii semnalului metrologic prin aparatul sau sistemul de măsurare este de cea mai mare însemnătate. Una dintre consecinţe se evidenţiază încă de pe acum. Prelevarea de energie din mediul în care se face măsurarea determină o perturbare a condiţiilor locale în care se face măsurarea, astfel că semnalul metrologic obţinut va fi diferit de semnalul corespunzător situaţiei iniţiale a mediului neperturbat, în absenţa instrumentului de măsurare. Reluând exemplele date mai înainte, prezenţa termometrului, prin care se schimbă căldură cu exteriorul, determină o modificare locală a temperaturii măsurate, cu atît mai importantă cu cât transferul de căldură este mai intens; consumul de energie electrică în rezistenţa voltmetrului antrenează modificarea tensiunii între bornele libere ale circuitului etc. Prin urmare, procesul de măsurare influenţează fenomenul asupra căruia se aplică. Reducerea la minimum a acestei influenţe, condiţie fundamentală a preciziei măsurării, impune ca consumul de energie în instrumentul de măsurare, raportat la cantitatea totală de energie disponibilă în sistem, să fie minim.

Din punctul de vedere al operaţiei de măsurare, mărimile fizice se pot clasifica după mai multe criterii. Considerînd criteriul dimensional, se deosebesc:

● mărimi scalare, definite printr-o valoare numerică unică si cărora li se aplică regulile de compunere aritmetică;

● mărimi vectoriale, definite prin modul, direcţie şi sens, şi care se reprezintă printr-un segment orientat (ex. forţe, viteze etc.);

● mărimi tensoriale, ataşate unor puncte dintr-un spaţiu cu o anumită structură geometrică şi care sunt caracterizate printr-un ansamblu ordonat de componente scalare asociate fiecărui sistem de coordonate (ex. tensorul eforturilor unitare); după ordinul lor, se deosebesc tensori de ordinul zero (scalari), tensori de ordinul întâi (vectori) şi tensori de ordin superior.

Dacă se examinează mărimile sub aspectul condiţiei de formare a semnalului metrologic, rezultă alte două categorii:

● mărimi active, care prin natura lor asigură energia necesară formării semnalului (ex. temperatura, forţa, tensiunea sau intensitatea curentului electric etc.);

● mărimi pasive, care nu se manifestă decât prin intermediul unei mărimi de tip activ. Astfel, masa unui corp este o mărime pasivă, care necesită prezenţa unui câmp de acceleraţii pentru a putea fi măsurată; tot o mărime pasivă este rezistenţa electrică a unui conductor, care nu poate fi măsurată decât prin trecerea unui curent electric.

În sfârşit, considerînd mărimile fizice sub aspectul schimbului de energie la limita unui sistem, se disting două categorii:

● mărimi de tip intensiv, care sunt independente de cantitatea de materie (forţa, momentul, presiunea, temperatura, tensiunea electrică)

● mărimi de tip extensiv, care depind de gradul de extindere a sistemului, sau de cantitatea de materie (deplasarea, viteza, acceleraţia, debitul, căldura; intensitatea curentului electric).

1.2 Clasificarea metodelor de măsurare

Există două criterii generale după care se pot clasifica metodele de măsurare:

- după modul de determinare a măsurii, se deosebesc măsurarea prin deviaţie şi măsurarea prin comparaţie (măsurarea la nul);

- după modul de exprimare a măsurii, se disting măsurarea analogică şi numerică.

Măsurarea prin deviaţie pretinde deplasarea unui sistem al aparatului de măsurare dintr-o poziţie de echilibru, pe care o ocupă în absenţa mărimii de măsurat, într-o nouă poziţie de echilibru, proprie prezenţei mărimii de măsurat. Această nouă poziţie de echilibru se atinge prin efectul antagonist creat în instrument prin acţiunea mărimii care se măsoară. Deplasarea între cele două poziţii de echilibru furnizează, mai mult sau mai puţin direct, măsura.

Se consideră spre exemplu un dispozitiv cu arc elicoidal de compresiune (fig. 1.1) şi un dispozitiv cu arc elicoidal de tracţiune (fig. 1.2). Sub acţiunea forţei F arcurile se deformează, până când forţa elastică antagonistă care se creează echilibrează forţa F. Deplasarea f a extremităţii libere a arcului este proporţională cu forţa F şi este măsura acesteia. În acest mod, un arc poate fi utilizat pentru măsurarea forţelor, utilizând caracteristica arcului (relaţia dintre forţa aplicată F şi deformaţia f corespunzătoare a arcului).

Fig. 1.1 Încărcarea arcului elicoidal de compresiune.

Fig. 1.2 Încărcarea arcului elicoidal de tracţiune.

a – arcul în stare liberă

b – arcul în poziţie de lucru

c – arcul în poziţie de încărcare limită

Măsurarea prin comparaţie (la nul) se bazează pe crearea în instrumentul de măsurare a unui efect antagonist egal cu efectul mărimii care se măsoară, astfel ca deviaţia sistemului sensibil să fie nulă. Pentru aplicarea acestui principiu este necesar ca instrumentul de măsurare să fie înzestrat cu posibilitatea detectării dezechilibrului sistemului sensibil care se află sub acţiunea mărimii care se măsoară, precum şi cu posibilitatea echilibrării lui, manuală sau automată. Măsura este determinată de valoarea efectului antagonist de echilibrare.

Fig. 1.3 Schema de principiu a măsurării prin comparaţie.

Fig. 1.4 Măsurarea potenţiometrică a tensiunii.

În cazul cel mai simplu, compararea se face direct, între mărimea de măsurat x şi o mărime cunoscută de aceeasi natură y, pentru a se obţine condiţia de echilibru x - y = 0 (fig. 1.3). Este cazul bine cunoscut în care se măsoară cu o balanţă o masă, cu ajutorul unei mase etalon egală ca valoare. Un alt exemplu simplu îl oferă măsurarea potenţiometrică a tensiunii electrice (fig. 1.4). Potenţiometrul, alimentat cu curent continuu, asigură între punctele a şi b o tensiune U ce se opune tensiunii Ux care trebuie măsurată; dacă condiţia U = Ux este respectată, prin galvanometrul G nu trece curent.