Caracteristicile aparatelor utilizate in sistemele de masurare

CARACTERISTICILE APARATELOR UTILIZATE IN SISTEMELE DE MASURARE

Aprecierea posibilitatilor de utilizare a unui aparat si a posibilitatilor de cuplare a acestora in vederea realizarii unui sistem de masurare se poate face pe baza caracteristicilor generale ale acestora: caracteristicile de intrare, de transfer si de iesire.

Caracteristicile de intrare. Marimea de intrare intr-un aparat electronic este un semnal electric. Domeniul de variatie a marimii de intrare este o caracteristica importanta a aparatului. Limita sa inferioara este, in general, impusa de zgomot sau de conditiile de functionare sigura a circuitelor electronice, iar limita superioara este determinata de distorsionarea semnalului sau de pericolul distrugerii circuitelor de intrare.

Efectul unui aparat dintr-un sistem de masurare asupra elementului precedent poate fi exprimat prin impedanta sa de intrare si prin energia sau puterea consumata de la acesta. Daca aceste valori nu sunt corespunzatoare, apare o functionare incorecta a intregului sistem. Deci, la cuplarea aparatelor trebuie sa se verifice impedanta de intrare si puterea absorbita, care trebuie sa fie in concordanta cu iesirile de la aparatul precedent.

Caracteristicile de transfer. Caracteristicile de transfer sunt exprimate prin relatiile dintre marimile de iesire si marimile de intrare din aparat. Una din aceste caracteristici este functia de transfer, care reprezinta relatia functionala univoca dintre marimile de intrare si de iesire ale aparatului. Raportul variatiilor acestor marimi defineste sensibilitatea elementului de aparat, aceasta fiind o alta caracteristica de transfer. In majoritatea cazurilor, senisibilitatea este constanta pe tot domeniul de masurare. Se prefera o sensibilitate constanta deoarece in acest caz se lucreaza mult mai usor cu aparatul.

Caracteristicile de iesire. Natura marimilor, domeniul de variatie, impedanta de iesire si puterea pe care o poate transfera la aparatul urmator sunt principalele caracteristici de iesire ale elementelor unui sistem.

Marimea de iesire dintr-un aparat poate fi un curent, o tensiune sau functii de timp ale acestora. In cazul aparatelor de evaluare a marimilor de masurat poate fi deviatia unui ac indicator, a unei penite, a unui flux luminos etc.

Domeniul de variatie al marimii de iesire este determinat de considerente constructive si de posibilitatea de reproducere nedistorsionata a semnalului.

Aparatele si captoarele introduse intr-un sistem de masurare au la randul lor aceleasi caracteristici. In acest caz, caracteristicile de transfer sunt determinate de caracteristicile aparatelor din sistem si de cuplajele acestora.

Daca parametrii de cuplare a aparatelor nu sunt corespunzatori, functionarea sistemului este defectuoasa. Din aceste motive, firmele indica aparatele cu care se pot cupla, precum si parametrii de intrare si de iesire pentru a putea stabili daca cuplajele aparatelor sunt sau nu posibile.

De exemplu, daca la o punte tensometrica se leaga un traductor rezistiv cu o rezistenta foarte mica (sub 30 W), aceasta se incalzeste, apare deriva de zero etc., iar rezultatele sunt eronate. De asemenea, daca rezistenta acestuia este mult mai mare decat cea recomandata, scade sensibilitatea.

Caracteristicile statice

Caracteristicile statice ale unui aparat pot fi definite prin urmatoarele date:

valorile pentru amplificarea absoluta;

stabilitatea punctului de zero si a amplificarii;

posibilitatile de legare la intrare si iesire;

posibilitatile de alimentare electrica;

liniaritatea in limitele intervalului de lucru etc.

Amplificarea in cazul amplificatoarelor de semnal poate fi variata prin tensiunile de excitare exterioara a traductoarelor si prin potentiometrele de domenii de amplificare. Prin aceasta se modifica panta caracteristicii de raspuns (fig. 43).

Fig. 43 - Modificarea amplificarii prin varierea pantei

Fig. 44 - Aducerea la zero a caracteristicii de raspuns

Cu ajutorul potentiometrelor de echilibrare se realizeaza o deplasare paralela a caracteristicii de raspuns, permitand aducerea la zero a acesteia (fig. 44).

Valorile pentru amplificarea absoluta se refera la corespondenta dintre marimea de intrare si iesire, aceasta fiind cu atat mai mare, cu cat panta caracteristicii este mai mare. Variatia amplificarii duce la variatia pantei caracteristicii influentand indicatia privind marimea de intrare.

Variatia punctului de zero prin deplasarea caracteristicii de raspuns afecteaza, de asemenea, indicatia privind marimea de intrare.

Liniaritatea curbei de raspuns intre intrare si iesire este o alta caracteristica esentiala, avand in vedere faptul ca intotdeauna se adopta o caracteristica liniara de lucru fiind mult mai comoda in utilizare.

Practic, caracteristicile de raspuns nu sunt liniare. Liniaritatea acestora putand fi facuta in trei moduri, aratate in fig. 45.

Fig. 45 - Moduri de definire a neliniaritatii caracteristicilor statice ale unui aparat: Mn - sarcina nominala.

Luarea in considerare a erorilor de neliniaritate la masurari, poate fi facuta mai simplu in cazul a si mai dificil in cazul c. Pentru un aparat dat este necesar sa se cunoasca modul in care a fost definita neliniaritatea caracteristicii, aceasta avand valoarea maxima pentru cazul a de definire.

Intr-un sistem de masurare trebuie avuta in vedere si forma caracteristicii captorului, deoarece caracteristica totala se obtine ca o suprapunere a caracteristicilor traductorului si a amplificatorului.

Trebuie retinut faptul ca aceste caracteristici sunt aproximativ liniare si constituie o sursa de erori. Catre valoarea maxima a sarcinii nominale erorile cresc mult, iar peste aceasta valoare apar distorsiuni mari ale semnalului.

Caracteristici dinamice

La masurarea unor marimi in regim dinamic, aparatele de masura trebuie sa aiba anumite caracteristici dinamice care sa amplifice semnalul sau sa-l redea fara a introduce distrosiuni de faza, amplitudine sau sa introduca alte modificari.

Parametrii care definesc caracteristicile dinamice ale unui aparat sunt:

frecventa limita caracterizata de banda de trecere;

durata de crestere;

amplitudinea oscilatiei;

timpul de intarziere.

Un semnal in timpul trecerii printr-un sistem de transmisie sau de amplificare, sufera modificari deoarece aceste sisteme folosesc condensatori, inductivitati etc., care influenteaza semnalul. Aceste influente pot fi urmarite in cazul transmiterii unui semnal a, cu variatie dreptunghiulara, in fig. 46.

Fig. 46 - Modificarea unui semnal dreptunghiular la transmisia printr-un sistem electronic.

La intrarea aparatului se aplica un semnal I, care contine o infinitate de armonici (prin transformarea Fourier) cu o frecventa de baza si multiplii acesteia.

La iesirea aparatului se obtine semnalul II cu o intarziere t, ce prezinta un timp a de ascensiune si o oscilatie a, care se exprima procentual din b.

Colturile semnalului sunt rotunjite deoarece in aparat exista o frecventa limitata care lasa in afara unii multipli ai frecventei de baza. Oscilatia poate atinge valori mari, chiar peste 30%, la aparatele care folosesc filtre.

La amplificatoarele cu frecventa purtatoare se monteaza filtrele pentru atenuarea frecventelor purtatoare reziduale.

Cu cat se adopta o frecventa limita mai inalta, la o frecventa purtatoare data, cu atat caracteristicile filtrelor trebuie sa fie mai inclinate, fapt ce face ca acestea sa aiba o atenuare mai scazuta si deci oscilatii mai puternice. Rezulta ca o frecventa mare de lucru la o frecventa purtatoare data, este nefavorabila.

Numai in cazuri speciale este rational sa se imbunatateasca una din caracteristici pe seama alteia, dar la utilizarea aparatului, in acest caz, trebuie sa se aiba in vedere consecintele pe care le poate avea.

Pentru un amplificator cu o frecventa purtatoare de 250 Hz nu se poate masura direct decat marimi in regim cvasistatic, care prezinta o frecventa sub 50 Hz.

Amplificatoare de semnal

Amplificatoarele de semnal utilizate in cercetarea si masurarea marimilor mecanice, in majoritatea cazurilor, sunt incorporate in amplificatoare tensometrice, intalnite si sub denumirea de punti tensometrice sau, pur si simplu, tensometre. Acestea se fabrica si separat mai ales in ultima vreme, prin dezvoltarea aparaturii in sistemul modular, module care prezinta o mare flexibilitate in forma unor sisteme de masurare.

Amplificatorul are rolul de a amplifica si transforma semnalul de la captor, astfel incat sa poate actiona la iesirea lui un aparat de evaluare a semnalului.

Amplificatoarele tensometrice mai des utilizate sunt cele cu frecventa purtatoare si cele in curent continuu. Mai exista si un alt tip de amplificatoare, denumite compensatoare, care se pot utiliza la masurari mari.

Amplificatoarele cu frecventa purtatoare admit la intrare toate tipurile de traductoare si captoare pasive, fapt ce constituie un mare avantaj, pe cand cele in curent continuu admit la intrare, in general, traductoarele rezistive.

Prin progresele realizate in tehnica semiconductoarelor si a circuitelor imprimate, au fost puse la punct amplificatoare in curent continuu cu caracteristici foarte bune, fapt pentru care sunt recomandate in multe cazuri.

Performantele realizate cu cele doua tipuri de amplificatoare sunt prezentate in tabelul 43.

Pentru masurari in regim static sunt mai avantajoase, amplificatoarele in curent continuu si se recomanda atunci cand se cer precizii ridicate de masurare. Din acest motiv, in prezent sunt utilizate pe o scara larga la masurarea maselor, cu afisare numerica la distanta, in traficul de marfuri, santier etc.

Pentru incercari dinamice, functie de frecventa limita a fenomenului studiat se pot utiliza amplificatoarele cu frecventa purtatoare.

Amplificatoarele denumite compensatoare difera de celelalte doua amplificatoare prin aceea ca puntea exterioara este continuu echilibrata printr-o tensiune de la o punte interioara compensatoare.

Pentru masurari, fiind necesare doua citiri, nu se pot face masurari in regim dinamic. Acestea au o precizie foarte mare de masurare si se recomanda numai in astfel de cazuri.

Performantele realizabile cu amplificatoarele cu frecventa purtatoare si cu cele in curent continuu

Tabelul 43