Senzori și Traductoare

INTRODUCERE

Noţiuni introductive de metrologie

Conducerea automată a proceselor implică luarea unor decizii referitoare la modul în care trebuie să evolueze mărimile implicate în funcţionarea procesului respectiv, şi, prin urmare, lansarea unor comenzi care să asigure evoluţia dorită. Deciziile de conducere pot fi luate numai pe baza informaţiilor obţinute din interiorul procesului condus, informaţii care se referă la valoarile unor parametri semnificativi pentru caracterizare tehnico-economică a procesului. Informaţiile respective se obţin ca rezultat al unor operaţii de măsurare. Chiar şi în cazul conducerii manuale a proceselor, atunci când decizia este luată de un operator uman, este necesar ca decizia să se bazeze pe informaţiile obţinute din proces pe baza operaţiilor de măsurare a unor parametri.

Există mai multe definiţii ale operaţiei de măsurare. Una dintre acestea, pe care personal o prefer este:

Operaţia de măsurarea este o operaţie prin care se stabileşte pe cale experimentală raportul numeric între mărimea de măsurat şi o valoare oarecare a acesteia, luată ca unitate de măsură.

O primă observaţie este aceea că operaţia de măsurare este un procedeu experimental. Rezultatul măsurătorii se obţine în urma unei comparaţii între o anumită mărime fizică şi o anumită cantitate a acesteia luată ca unitate de măsură. Atunci când destinatarul informaţiei este operatorul uman, acesta trebuie să poată realiza compararea celor două mărimi fizice (mărimea măsurată şi unitatea de măsură). Cum numai o mică parte din mărimile fizice sunt accesibile simţurilor umane (măsurarea lungimilor de exemplu) este necesar în general să se intercaleze între procesul de măsurare şi operatorul uman un dispozitiv care să facă accesibil operatorului uman rezultatul măsurătorii.

Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o altă mărime care poate fi percepută nemijlocit de organele de simţ umane, de o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură.

1.1.1. Clasificare mărimilor de măsurat

Mărimile de măsurat pot fi clasificate în funcţie de mai multe criterii.

Un prim criteriu ar fi acela care se referă la aspectele dimensional spaţiale. După acest criteriu, mărimile de măsurat se pot clasifica în:

- mărimi scalare – sunt acele mărimi care pot fi caracterizate prin valoarea unui singur parametru, deci printr-o valoare scalară.

- mărimi vectoriale – sunt acele mărimi ce pot fi caracterizate prin valorile mai multor parametri (amplitudine şi direcţie sau amplitudine, frecvenţă şi fază, etc.) O astfel de mărime poate fi reprezentată printr-un vector care conţine valorile proiecţiilor pe axele ce constituie spaţiul n dimensional al parametrilor ce caracterizează complet mărimea respectivă.

- mărimi tensoriale – pentru descrierea acestora este nevoie pe lângă cele n componente referitoare la spaţiul vectorial în care poate fi reprezentată mărimea şi de m moduri de ataşare a acestor dimensiuni într-o anumită ordine; reprezentarea acestor mărimi va fi realizate prin intermediul unei matrice de dimensiuni nxm.

Un ala doilea criteriu este determinat de tipul relaţiilor empirice ce pot fi defiinite pe mulţimea de obiecte sau de fenomene cărora le sunt asociate. Conform acestui criteriu, mărimile de măsurat se pot clasifica în:

- mărimi reperabile – pentru aceste mărimi se pot defini numai relaţii de echivalenţă sau de ordine (culoare, duritate, etc)

- mărimi extensive – acestora li se pot asocia pe lângă relaţiile de echivalenţă şi ordine şi relaţii de concatenare (lungime, masă, forţă, etc.)

- mărimi intensive – nu admit concatenare directă ci cel mult pe intervale (temperatură, timpul ca durată) sau cele măsurabile indirect (densitate, concentraţie, etc.)

Referitor la aspectele energetice ce apar în timpul operaţiei de măsurare, mărimile de măsurat pot fi clasificate în:

- mărimi active – sunt acele mărimi care conţin energia necesară în procesul de măsurare (nu este nevoie de o sursă de energie separată) în acest caz fiind necesar ca raporul dintre energia utilizată în procesul de măsurare şi energia totală a mărimii de măsurat să fie cât mai mic pentru ca procesul de măsurare se nu modifice mărimea de măsurat.

- mărimi pasive – pentru măsurarea acestora este nevoie de o sursă separată de energie (rezistenţe, capacităţi, etc.)

1.1.2. Relaţii între mărimi şi unităţi de măsură

S-a arătat că în cursul operaţiei de măsurare, se stabileşte pe cale experimentală valoarea raportului dintre mărimea de măsurat şi o anumită cantitate din aceasta luată ca unitate de măsură. În acest caz, mărimea de măsurat (X) poate fi exprimată astfel:

(1)

unde a este valoarea mărimii măsurate, iar [X] reprezintă unitatea de măsură pentru X

Dacă se modifică unitatea de măsură [X’] evident se va modifica şi valoarea mărimii măsurate a’. Deoarece mărimea fizică rămâne nemodificată va exista relaţia:

(2)

Legătura dintre două sau mai multe măsuri se exprimă în modul cel mai general prin relaţii matematice. De exemplu:

(3)

În acest caz nu sunt implicate unităţile de măsură. În cazul în care se urmăreşte descrierea unor aspecte practice legate de mărimile implicate, în relaţie vor fi incluse unităţile de măsură. În acest caz relaţia 3 devine:

(4)

Se observă apariţia unui factor suplimentar k, denumit în mod uzual factor perturbator. Dacă se alege unitatea de măsură a forţei astfel:

(5)

atunci factorul perturbator va deveni egal cu unitatea. Unităţile alese în acest mod se numesc unităţi coerente iar relaţiile de definiţie se numesc relaţii condiţionale.

Pentru definirea unităţilor de măsură într-un anumit domeniu este necesar ca toate unităţile de măsură să fie coerente. Pentru aceasta, se vor alege un număr de mărimi fizice a căror unităţi de măsură se vor defini arbitrar; mărimile a căror unităţi sunt alese convenţional se numesc mărimi fundamentale. Stabilirea numărului minim de mărimi fundamentale se realizează pornind de la numărul de relaţii şi de mărimi dintr-un domeniu. Astfel, dacă notăm cu l numărul de relaţii iar cu m numărul de mărimi implicate, numărul minim de mărimi fundamentale va fi:

(6)

Odată stabilit numărul de mărimi fundamentale este necesar ca acestea să fie nominalizate. Nominalizarea trebuie să ţină seama de anumite criterii:

- mărimile fundamentale trebuie să fie mărimi reprezentative din domeniul respectiv;

- între mărimile fundamentale şi cele derivate (care sunt definite pe baza celor fundamentale) este necesar să se stabilească relaţii cât mai simple;

- este necesar ca etaloanele realizate pentru unităţile fundamentale să se poată realiza comod;

- valoarea efectivă a unităţii de măsură pentru mărimile fundamentale se adoptă ţinând seama de considerente practice privind utilizarea lor şi a unităţilor derivate, precum şi de posibilitatea realizării unor multipli şi submultipli corespunzători cerinţelor de folosire curentă