APARATE DE EVALUARE A MARIMILOR DE MASURARI

Exista o foarte mare varietate de aparate pentru evaluarea marimilor de masurat cu citire sau cu inregistrare in diverse moduri, adecvate pentru masurari in regim  static sau dinamic.

Astfel, ca aparate cu citire discreta a marimilor masurate se pot enumera: aparate cu instrumente indicatoare, cu afisaj numeric, etc. Aparatele cu inregistrare continua sau discreta a datelor sunt mult mai numeroase: osciloscoape cu tub catodic simple sau cu memorie, inregistratoare cu cerneala, pe hartie termosensibila, prin camp electric, cu jet de cerneala, cu galvanometre cu lumina alba (denumite si oscilograf cu bucle), galvanometru cu radiatii ultraviolete, imprimanta etc. De remarcat faptul ca toate amplificatoarele prezinta atat iesiri in curent cat si in tensiune. Iesirile in curent sunt prevazute pentru mai multe valori ale rezistentelor aparatelor de evaluare a marimilor de masurat.

Din aceste mijloace, la efectuarea unor masuratori, trebuie sa se aleaga unul sau mai multe aparate care sa poata fi cuplate cu amplificatorul si sa corespunda evaluarii corecte a marimii de masurat.

Aparatele cu instrumente indicatoare si cu afisaj numeric.

Toate amplificatoarele tensometrice sunt prevazute cu instrumente de tip magnetoelectric care au deviatie proportionala cu curentul care intra in instrument. Acest instrument este utilizat atat la reglajul amplificatorului cat si la masurari, iar acul indicator este prevazut cu indicatii in ambele sensuri, avand zeroul la mijlocul scalei.

Pentru masurari, la iesirile in curent sau tensiune pot fi cuplate si voltmetre sau ampermetre cu instrumente indicatoare sau cu afisaj numeric cu conditia ca acestea sa poata fi cuplate la amplificatoare, adica sa aiba parametrii de intrare in concordanta cu cei prevazuti la iesirea amplificatorului. Astfel de aparate permit o citire discreta a marimilor de masurare si pot fi utilizate la masurari numai in regim  static. Acest mod de citire a rezultatelor impune un timp mare de efectuare a masurarilor propriu-zise, intrucat citirea se face in timpul experimentarilor.

Utilizarea unor aparate cu afisaj numeric usureaza mult munca operatorului, micsoreaza timpul de efectuare a masuratorilor si elimina complet erorile care pot proveni din subiectivitatea operatorului (in acest caz avand de citit cifre).

Osciloscoapele cu tub catodic

Se fabrica o gama larga de osciloscoape cu tub catodic pentru a satisface diverse necesitati. Astfel, acestea pot fi pentru masurari in regim dinamic, pentru masurari in regim static si dinamic, cu unul sau mai multe spoturi (numarul de spoturi este egal cu cel al intrarilor), pentru studiul fenomenelor functie de timp sau pentru doua intrari in coordonate X-Y (pentru studiul unei marimi functie de o alta).

Din punct de vedere al remanentei spotului pe ecranul catodic se deosebesc osciloscoape:

cu remanenta mica sub 1s;

cu remanenta mare, peste 4-5s;

cu memorie, care pastreaza semnalul pe ecran un timp mare facand posibila masurarea sau fotografierea lui

Posibilitatile de utilizare a osciloscoapelor cu tub catodic, in principal, date de timpul cat semnalul este vizualizat pe ecran si de iesirile pe care le permite.

Principial, la osciloscop, masurarea se realizeaza cu ajutorul elementului sau de baza care este tubul catodic, pe ecranul caruia se vizualizeaza semnalul de masurat.

Fascicolul de electroni cade pe un ecran acoperit cu substanta fosforescenta (sulfura de zinc, de culoare albastra, ZnO+SiO₂ pentru culoarea verde) producand o pata luminoasa de dimensiuni mici. Acest fascicol inainte de a ajunge pe ecran trece prin doua perechi de placi de deflexie electrostatica sau bobine cu deflexie magnetica, puse in legatura cu semnalul de vizualizare (fig 47).

Fig. 47 - Ecranul unui tub catodic

Pentru studiul fenomenelor functie de timp, placile orizontale sunt puse in legatura cu un generator de semnal, care baleiaza spotul pe orizontala pe o latime care poate fi reglata dupa dorinta. Pe aceasta latime spotul reia miscarea cu viteze care pot fi reglate in limite foarte mari.

Posibilitatile de masurare pentru osciloscop care poate lucra atat in regim static cat si dinamic sunt:

a)       Pentru cazul in care ecranul prezinta o remanenta foarte mica, masurarea amplitudinilor si frecventelor pentru marimi armonice cu amplitudini constante in timp si a amplitudinilor marimilor statice. Masurarile sunt aproximative deoarece spotul oscileaza continuu. Amplitudinea se masoara urmarind gradatiile de pe ecran, iar frecventa se poate masura prin comparatie cu viteza de baleiaj pe orizontala. Pentru masurari mai precise si pentru masurarea unor semnale mai complexe se foloseste filmarea miscarii spotului (fara ca acesta sa baleieze pe orizontala) sau executarea unor fotografii cu baleierea spotului folosind aparate de fotografiat adaptate special in acest scop. De remarcat ca nu toate aparatele prezinta asemena posibilitati.

b)       Pentru cazul in care spotul are o remanenta mare pe ecranul tubului catodic, se pot executa masurarile prezentate la punctul anterior, precum si masurarea aproximativa a amplitudinilor si spectrului de frecventa a unor semnale mai complexe prin citire pe ecran. Acest lucru este usurat si de faptul ca spotul poate baleia o singura data ecranul.

c)       Osciloscoapele dotate cu tuburi catodice cu memorie permit mentinerea semnalului care a baleiat ecranul o singura data un timp mare care poate ajunge la cateva minute. In acest timp se pot face direct pe ecran masurari si studii mai precise asupra semnalelor, inclusiv pentru cele cu frecventa foarte mare, fara sa mai fie necesara inregistrarea pe film. Osciloscopul cu memorie este mult mai scump, dar este foarte comod in utilizare, deoarece nu consuma materiale pentru inregistrare. Acest tip de osciloscop, ca de altfel si altele, este prevazut cu o baza de timp care permite o analiza mult mai rapida a frecventelor si cu posibilitatea realizarii unei singure baleieri a spotului.

Osciloscoapele, in general, permit masurarea marimilor in regim dinamic, cu frecvente ce pot ajunge la cateva mii de Hz, datorita faptului ca spotul este practic lipsit de inertie. Aceasta limita de frecventa foarte inalta constituie un avantaj deosebit pe care alte aparate nu-l prezinta. De asemenea, sensibilitatea poate fi reglata in limite foarte largi.

Utilizarea osciloscopului prezinta dezavantajul ca precizia de masurare este relativ mica, datorita ecranului care are dimensiuni mici si a masurarii de la o oarecare distanta de ecran, urmarind gradatiile pe care acesta le prezinta. Pentru a realiza o inregistrare care sa poata fi prelucrata ulterior este necesara filmarea sau fotografierea, operatie care consuma un timp mare, sunt costisitoare si raman relativ imprecise datorita imposibilitatii realizarii unor marimi prea mari. La marimi prea mari, lucrandu-se cu filme sensibile apare granulatia acestora. Trebuie retinut faptul ca un osciloscop consuma o putere foarte mica, datorita unei impedante la intrare foarte mari si pot fi construite pentru mai multe intrari, numarul acestora putand ajunge chiar la 50 in cazuri deosebite.

Inregistratoare pe hartie cu penita

Acest tip de inregistratoare, denumite frecvent si inscriptoare, traseaza pe hartie curba de variatie in timp a semnalului sau curba de variatie a unei marimi functie de o alta marime, acestea denumindu-se inscriptoare X-Y. Semnalul inregistrat pe hartie poate fi prelucrat in conditii comode dupa efectuarea inregistrarilor fapt ce constituie un mare avantaj. Inregistrarea fiind realizata pe hartie nu mai necesita nici o operatie, putand fi folosita direct si imediat dupa inregistrare.

Penita care realizeaza trasarea curbei poate fi fixata pe un cursor cu miscare rectilinie, putand in mod obisnuit sa aiba deplasari pana la 200300 mm sau pe capul unei parghii cu punct fix care executa o miscare unghiulara limitata. Acest tip de inregistratoare cu parghie nu permit realizarea unor amplitudini mari deoarece apare evidenta miscarea curbilinie si masurarea in coordonate rectangulare introduce erori (fig.48). De obicei, pentru micsorarea erorilor se foloseste hartie cu caroiaj in coordonate cilindrice. Fata de cele cu cursor acestea permit frecvete limita mai mari.

Fig. 48 - Inregistrarea unui semnal pe aparat cu parghie cu punct fix.

Inregistatoarele  pe hartie cu penita, folosesc modalitati diferite de trasare.

Inregistratoarele cu cerneala se caracterizeaza prin aceea ca inscrierea se face direct pe hartie cu cerneala. Datorita simplitatii lor, acestea au raspandirea cea mai mare.

Cerneala utilizata trebuie sa se usuce daca este posibil instantaneu pentru ca la viteze mari sa nu se intinda mai ales la aparatele care infasoara hartia inregistrata pe un tambur. Se utilizeaza si tuburi cu tus la care inscrierea se realizeaza printr-o fibra.

Caracteristicile de utilizare limita a acestor inregistratoare ca de altfel si ale altor tipuri de inregistratoare directe pe hartie sunt prezentate in tabelul 46.

Tabelul 46

Inregistratoarele cu inregistrare pe hartie cu cerneala au capatat o raspandire foarte mare prin faptul ca la cercetarea unor fenomene cu frecventa mai ridicata de 100Hz, se pot utiliza la intrarea acestoara, aparate care permit stocarea datelor. Stocarea datelor se face cu aparatura rapida si de la aceasta semnalul poate fi inregistrat cu o viteza fixa sau reglabila admisa de aceste inregistrari.

In acest mod se pot utiliza si la inregistrarea fenomenelor cu frecventa inalta, eliminand si alte deficiente care apar la inregistrarea directa a acestor fenomene.

In tabelul anterior s-au prezentat doua limite realizate frecvent in aparatura de tipul respectiv, iar cea de a doua, o limita realizata prin masurari speciale, aparatele respective fiind mult mai scumpe si mai putin fidele la inregistrare.

Limitele de viteza ale hartiei sunt impuse atat de frecarile care apar intre hartie si penita cat si de faptul ca peste o anumita viteza, printr-un procedeu, nu se mai realizeaza trasarea curbei; de exemplu cerneala nu mai curge sau la trasarea prin puncte acestea devin foarte departate si nu se mai poate urmari curba.

Inregistratoarele cu hartie, prin intermediul hartiei carbon realizeaza inscrierea directa pe hartie, prin presiunea exercitata de penita asupra hartiei albe care face ca pe hartia carbon sa apara urma punctului de contact al penitei pe hartia alba. Utilizarea acestui tip de inscriptor ridica unele probleme privind hartia, insa prezinta avantajul scaderii frecarilor intre penita si hartie si este mai comod in exploatare eliminand cerneala. La unele inregistratoare se mai utilizeaza hartia cerata pe care curba apare prin zgariere de catre penita. Hartia este mai scumpa si nu poate avea latimi mari.

Inregistratoarele care folosesc procedeul termic au in locul penitei o parghie incalzita electric care se deplaseaza deasupra hartiei de inregistrat, fara sa o atinga, eliminand astfel frecarile dintre penita si hartie. Hartia  utilizata este o hartie speciala termosensibila fapt ce constituie un dezavantaj.

Fata de celelalte inregistratoare, acestea au avantajul unei limite de frecvente mai inalte, insa pretul de cost al hartiei este mai ridicat, iar hartia are o limita de utilizare dupa care isi pierde proprietatile.

Inregistratoarele cu camp electric folosesc un ac care strapunge hartia intermitent, curba rezultand dintr-o succesiune de puncte. Hartia utilizata si in acest caz este speciala, insa permite, de asemenea, o frecventa limita mai inalta.

Inregistratoarele pe hartie cu jet de cerneala utilizeaza pentru trasarea  curbelor un jet de cerneala extrem de fin care este proiectat printr-un orificiu de cativa mm cu o viteza de 2050 m/s. Obtinerea jetului se face cu ajutorul unei pompe de presiune inalta, de peste 40 daN /cm².

Neexistand nici un fel de contact intre penita si hartie frecventa limita poate ajunge, chiar la 1000 Hz, pentru amplitudini mici, sub 50 mm.

Pentru aceste inregistratoare ca avantaje se mai pot adauga: impedanta de intrare relativ mare, deci nu influenteaza apreciabil celelalte aparate din sistem, nu necesita instalatii speciale pentru prelucrarea oscilogramelor.

Aceste aparate sunt construite frecvent pentru limita inferioara de frecventa si numai in cazuri speciale pentru valori peste aceasta limita.

Inregistrarile  pot fi facute pe hartie din sul, iar pentru aparatele cu cursor si pe hartie de format A3.

Oscilografele magnetice

Oscilografele magnetice se intalnesc si sub denumirea de oscilografe cu bucla si servesc la inregistrarea simultana a mai multor semnale cu frecventa ce pot ajunge pana la 1000 Hz sau chiar sa depaseasca aceasta valoare.

Buclele sunt niste galvanometre cu o oglinda miniaturala fixata de doua fire metalice care constituie bornele bobinei. Semnalul preluat de la amplificator fiind un curent, intra in bobina realizand rotirea firelor, deci si a oglinzii, proportional cu marimea intensitatii curentului. Deci, semnalul de masurat realizeaza o rotire a oglinzii galvanometrului. Pentru inregistrare se foloseste un sistem optico-mecanic a carei schema de principiu poate fi urmarita in figura 9. Pe oglinda 1 a galvanometrului, sustinuta de firele 2 si 3, cade spotul luminos, focalizat prin prisma 4, emis de un bec 5. Acest spot este reflectat printr-un alt sistem optic pe pelicula 6 de inregistrare. Inregistrarea poate fi facuta folosind diverse pelicule sensibile la lumina alba sau la lumina ultravioleta, cand se foloseste o sursa corespunzatoare.

Fig. 9 - Schema de principiu a oscilografului magnetic.

Astfel, se construiesc oscilografe cu inregistrare pe film, hartie fotografica, hartie sensibila la lumina ultravioleta la care inregistrarea apare la cateva minute (12) dupa impresionare, fara nici un fel de tratament chimic, hartie cu developare la lumina zilei care, de asemenea, se developeaza fara tratament chimic in 8 pana la 10 minute etc.

Utilizarea filmului pentru inregistrare, precum si a hartiei fotografice prezinta dezavantajul ca inregistrarea nu poate fi urmarita decat dupa executarea tratamentului chimic care este lung si costisitor.

Aparatul poate fi echipat cu bucle de diferite sensibilitati, pentru masurari, care se pot schimba dupa necesitati. La utilizarea acestor oscilografe este necesar ca rezistenta buclelor sa fie adaptata la rezistenta de iesire a amplificatorului.

Limita de frecventa a inregistrarii este impusa de frecventa proprie a cadrului mobil al galvanometrului, in jurul careia apar distorsiuni. Totusi, aceasta limita este superioara aparatelor de inregistrare pe hartie.

Imprimatele

Imprimatele sunt aparate complexe care permit tiparirea rezultatelor masurarilor efectuate. Acestea inscriu rezultatele similar ca la o masina de scris si sunt comandate automat. Prin utilizarea imprimantei rezultatele sunt inscrise pe hartie eliminand efectuarea unor citiri de date sau inscrieri de date, documentele obtinute putand fi utilizate direct. De obicei imprimantele se folosesc in cadrul unor standuri pentru efectuarea automata a unor masurari, in cele mai multe cazuri fiind comandate printr-un calculator de proces. Nu pot fi legate direct la amplificatoare.

Imprimantele utilizate in sistemele de masurare sunt cu viteze mult mai mici decat ale celor utilizate la calculatoare. Acestea scriu succesiv litera cu litera, in timp ce imprimantele calculatoarelor scriu in acelasi timp un rand, ajungand sa scrie peste 300 randuri/min.