Notiuni fundamentale ale metrologiei

Notiuni fundamentale ale metrologiei

1.1. Notiuni generale de metrologie:

Pentru ca aceasta activitate de metrologie sa se desfasoare in mod unitar pe teritoriul tarii si in concordanta cu reglementarile internationale in vigoare prin Ordonanta Nr. 12/1992 emisa de Guvernul Romaniei s-a infiintat Biroul Roman de Metrologie Legala (BRML), avand in subordine Institutul de Metrologie (INM). Ordonanta nr. 20/1992 privind activitatea de metrologie prevede:

.Obligativitatea utilizarii unitatilor de masura legale.

Baza este Sistemul International de Unitati de Masura, cu simbolul SI.

Unitatile de masura legale sunt:

A. Unitati fundamentale: metru (m), kilogram (kg), secunda (s), amper (A), kelvin (K), mol (mol) si candela (cd), care corespund celor sapte marimi fundamentale (lungime, masa, timp, intensitatea curentului electric, temperatura termodinamica, cantitatea de substanta si intensitatea luminoasa).

B. Unitati suplimentare radian (rad) si steradian (sr), pentru unghi plan, respectiv unghi solid.

C. Unitati derivate obtinute pe baza unitatilor fundamentale si suplimentare.

D. Unitati de masura care nu fac parte din SI, dar sunt folosite impreuna cu cele din Sistemul International sau sunt mentinute temporar.

Denumirile, simbolurile, definitiile si regulile de utilizare a unitatilor de masura legale, a multiplilor si a submultiplilor acestora se stabilesc prin standarde de stat. In cadrul contractelor pentru export incheiate cu parteneri externi, la cererea acestora, se pot folosi si alte unitati de masura convenite intre parti.

.Definitia notiunii de ,,mijloc de masurare": toate masurile, aparatele, dispozitivele, instalatiile, precum si mostrele de materiale si substantele care materializeaza si conserva unitati de masura si furnizeaza informatii de masurare.

.Obligatia si raspunderea tuturor utilizatorilor pentru asigurarea exactitatii, intretinerii, functionarii corecte si trasabilitatii* mijloacelor de masurare pe care le folosesc in cadrul activitatii lor.(*Trasabilitatea constituie proprietatea rezultatului unei masurari sau a valorii unui etalon de a putea fi raportat la referinte stabile, de regula, etaloane nationale si internationale, prin intermediul unui lant neintrerupt de comparari, avand incertitudini determinate.)

.Sistemul national de etaloane si transmiterea unitatilor de masura.

Etaloanele sunt mijloace de masurare destinate sa defineasca, sa realizeze, sa conserve sau sa reproduca unitatile de masura, in scopul de a le transmite altor mijloace de masurare. Etaloanele nationale impreuna cu celelalte etaloane atestate din Romania formeaza Sistemul National de Etaloane si constituie baza stiintifica, tehnica si legala, de referinta, a tuturor masurarilor efectuate pe intreg teritoriul tarii, precum si in relatiile economice si tehnico-stiintifice cu alte tari.

In scopul asigurarii uniformitatii, a exactitatii si legalitatii masurarilor, mijloacele de masurare sunt cuprinse in mod obligatoriu in actiunea de transmitere a unitatilor de masura (prin etaloane sau verificare metrologica). Aceasta actiune se realizeaza de catre laboratoarele de metrologie si persoane autorizate.

1.2. Marimi, masurare si masurand

Prin marime se intelege o proprietate a obiectelor, fenomenelor sau sistemelor care poate fi deosebita calitativ si determinata cantitativ. Calitatea unui obiect nu exista in afara laturii lui cantitativ. Cantitatea caracterizeaza obiecte si fenomenele prin gradul de dezvoltare a insusirilor lor. Cantitatea este legata de calitate, schimbarea unuia provoaca schimbarea celorlalte. Unele categorii de marimi sunt comparabile intre ele, desi poarta denumiri diferite.

Masura este granita existentei obiectului, ce indica limita pana la care schimbarile cantitative nu duc la schimbari calitative.Marimea poate prezenta fie calitatea, fie cantitatea. Daca notiunea se foloseste in sens de cantitate, adica are proprietatea esentiala de a varia, de a se modifica sau descreste, de a putea fi evaluata cantitativ, adica poate fi exprimata numeric.

Operatia de masurare a unei marimi fizice consta de fapt in compararea marimii date cu alta marime de aceeasi natura, luata in mod conventional ca unitate de masura. Raportul dintre marimea de masurat M si unitatea de masura m este o expresie numerica care se numeste valoarea marimii V:

V = M/m

Reiese, deci, ca marimea masurata M este egala cu produsul dintre unitatea de masura m si valoarea sa numerica:

M = m·V

Din definitia valorii numerice rezulta ca marimea si unitatea de masura sunt notiuni fizice, iar valoarea, care este raportul dintre doua marimi de acelasi fel, este un numar adimensional. In procesul de masurare apar urmatoarele elemente:

- obiectul masurarii: marime de masurat;

- metoda de masurare: modul de comparare a marimii de masurat cu unitatea de masura;

- mijloacele de masurare: totalitatea mijloacelor tehnice cu ajutorul carora se determina cantitativ marimea de masurat, si pot fi aparate de masurat sau simple masuri.

Masurarea este operatia metrologica prin care marimea de masurat al carei purtatoare este obiectul de masurat numit masurand, este comparata cu unitatea de masura incorporata intr-un mijloc de masurare cu care efectuam operatia de efectuat. In orice masurare aparatul este pus in legatura cu obiectul pentru a fi influentat de acea marime caracteristica obiectului care urmeaza a fi masurat.

Pentru a masura avem nevoie de 3 elemente.

. Masurand - obiectul purtator al marimilor fizice de mana.

. Mijloc de masurare

. Receptor - metrologul

Raportul n dintre marimea de masurat pe care o notam cu M si unitatea de masura pe care o notam cu U, se numeste valoarea numerica a marimii.

n = M/U

1.3. Metode de masurare

Metodele de masurare reprezinta procedeele, principiile si mijloacele pe care se bazeaza efectuarea unei masurari pentru obtinerea unui rezultat care sa reprezinte cat mai corect marimea masurata.

Numarul foarte mare de marimi de masurat si scopurile diverse pentru care se fac aceste masuratori au dus la elaborarea unei mari varietati de metode, care se pot clasifica conform STAS 10705-96, dupa mai multe criterii:

Dupa modul in care se efectueaza operatia de comparatie si se obtine valoarea marimii masurate, metodele de masurare se impart in:

- metode directe;

- metode indirecte.

Dupa modul de variatie a marimii masurate si dupa modul de organizare a operatiei de masurare sunt:

- metode statice;

- metode dinamice;

- metode statistice.

Dupa forma de reprezentare a rezultatelor marimilor se deosebesc:

- metode analogice;

- metode numerice.

Dupa modul de efectuare a masurii, cu contact sau fara contact cu piesa controlata, se distinge:

- metode prin contact;

- metode fara contact.

Dupa modul de exprimare a rezultatelor se deosebesc:

- metode

- metode relative.

Metode de masurare directa

Metodele de masurare directa se caracterizeaza prin faptul ca valoarea marimii se obtine prin compararea nemijlocita a marimii de masurat cu unitatea de masura, fara a se recurge la masurarea unor marimi intermediare, de alta natura.

a. Metode de evaluare directa

b. Metode de comparatie

-Metoda diferentiala

Metoda de zero.

Metode de masurare indirecta

La metodele indirecte nu se masoara direct marimea de masurat, ci altei marimi de care aceasta este egala prin relatii de dependenta implicita sau explicita.

Metode de masurare statice

Aceste metode stau in masurarea unor marimi in regim stationar. O marime este in regim stationar atunci cand are o valoare constanta in tot intervalul de timp cat dureaza masurarea. Din punct de vedere matematic, regim stationar inseamna ca toate variatiile in raport cu timpul marimii masurate sunt nule in intervalul de timp considerat. Metodele de masurare statice sunt prezentate mai detaliat la definirea caracteristicilor statice ale traductoarelor.

Metode de masurare dinamice

Metodele dinamice se folosesc atunci cand trebuie efectuate determinarii asupra unor marimi care au variatii rapide in timp, nefiind posibila aplicarea metodelor statice pe un interval de timp oricat de mic. Aceste metode de masurare se aplica marimilor aleatoare, adica acestor marimi care prezinta variatii imprevizibile in timp. Ele pot fi caracterizate numai in sens probabilistic cu ajutorul metodelor de calcul statistice.

Metode de masurare analogice

Metodele analogice sunt pana in prezent cele mai utilizate metode si constau in convertirea marimii continue masurate intr-o alta marime continua. Masurarea se face prin citirea pozitiei unui ac indicator pe o scara gradata. Dintre numeroasele aparate analogice de masurat, se mentioneaza milivoltmetrul asociat la termocupluri, care este gradat in grade Celsius.

Metode de masurare numerice

Metodele de masurare numerice sunt mai noi si au mari perspective de utilizare. Ele se bazeaza pe utilizarea tehnicii numerice de calcul si a reprezentarii informatiei sub forma codificata. Un exemplu de metoda numerica de masurare este masurarea deplasarii la masini unelte folosind metoda discurilor codate.

Metode absolute si relative

In modul in care se face verificarea sau masurarea si cum sunt exprimate rezultatele, se cunosc doua tipuri de masuratori si metode:

- masurari si verificari absolute, in care intervin unitati care apartin unui singur sistem de unitati, cum ar fi unitatile fundamentale (SI);

- masurari relative, in care intervin unitati conventionale, necuprinse in sisteme de unitati.

Un exemplu in acest sens este exprimarea duritatii in unitati Rockwell.

1.4. Erori de masurare

Erorile de masurare sunt erorile care apar in timpul procesului de masurare si reprezinta abaterea valorii obtinute prin masurarea de la valoarea reala. Ele se pot clasifica dupa cauze sau dupa modul de manifestare.

Dupa cauze se disting: erori de indicatie, erori de citire, erori de etalonare, erori de reglare si erori de metoda.

In functie de caracterul si valoarea lor se pot distinge urmatoarele categorii: erori sistematice, erori intamplatoare si erori grosolane.

Erori sistematice

Aceste erori se produc totdeauna in acelasi sens, daca se mentin conditiile de desfasurare a marimii, si pot avea valori constante sau variabile dupa o lege determinata. In functie de cauzele care le determina, erorile sistematice pot fi obiective sau subiective.

Erori intamplatoare

Aceste erori se caracterizeaza prin aceea ca au valori diferite, chiar cand masurile se repeta in conditii identice, repartitia si marimea lor variind dupa legi statistice. Ca si erorile sistematice, erorile intamplatoare pot fi cauzate de factorii obiectivi si subiectivi.

Erori grosolane

Erorile grosolane se produc atunci cand erorile masurarii depasesc cu mult valorile erorilor care se obtin de obicei in cadrul experimentatilor. Erorile grosolane in masurari se pot datora unor defectiuni ale aparatului utilizat, sau unei greseli de folosire a aparatelor de masura. Pentru inlaturarea erorilor grosolane, rezultatele masurarii care difera prea mult de media obtinuta sunt scoase din calcule.

1.5. Operatii si activitati metrologice

Operatii:

Operatiile metrologice sunt operatiile prin care se asigura transimiterea unitatii de masura de la etaloanele de ordin superior la cele de ordin inferior, potrivit subordonarii metrologice precum si operatiile prin care se stabilesc daca masurarile si aparatele de masurat corespund prescriptiilor de calitate.

Se deosebesc:

1. Operatii de etalonare, adica ansamblului operatiilor, prin care un etalon de ordin inferior se compara direct cu un etalon de ordin superior in scopul determinarii erorilor de masurare ale primului.

2. Operatii de verificare, adica ansamblul operatiilor prin care se constata daca mijloacele de masurare de lucru corespund prescriptiilor legale pentru caracteristicile metrologice. Verificarile sunt reglamentate prin lege si pot fi:

- verificari de stat

- verificari prin conventii

- verificari interne

Activitati metrologice:

Numararea- reprezinta determinarea numarului de elemente sau de evenimente care apar la procedeul cercetat.

Examinarea (testarea) - reprezinta operatia prin care se stabileste daca masurandul indeplineste conditiile prescrise, conditii care, de regula se exprima prin abateri limita.

Sortarea reprezinta operatia de ordonare (divizare) a unei multimi de obiecte dupa proprietatile masurabile.

Clasarea inseamna determinarea frecventei cu care elementele identice ale unui colectiv pot fi impartite in clase dupa anumite proprietati. Rezultatele unei clasari sunt grupele si clasele.

Calibrarea este operatia prin care se stabileste legatura dintre valoarea masurata sau dintre valoarea efectiva a semnalului de iesire si valoarea corecta a marimii de masurat stabilita conventional, de exemplu, stabilirea valorilor masurate care corespund reperelor scarii unui aparat de masurat.

. Ajustarea este operatia de pozitionare a unui aparat de masurat cu scopul de a apropia pe cat se poate indicatia aparatului de masurat sau a valorilor reprezentate intr-o masura, de evaluare corecta a marimii masurate.

. Gradarea este operatia de stabilire si de asezare a reperelor scarii, ordonate valorilor masurate, pe suportul scarii unui aparat de masurat.

. Tararea reprezinta ansamblul de operatii facute in vederea stabilirii scarii gradate, a valorilor diviziunilor potrivit corelatiei dintre semnalul de intrare si semnalul de iesire.

1.6. Sistemul International de Unitati de Masura

Sistemul international (SI) este singurul sistem de unitati de masura considerat legal. A fost adoptat in anul 1960 de cea de-a XI - a Conferinta Generala de Masuri si Greutati care indeplineste urmatoarele conditii:

- este general

- este coerent

- este practic

Legifiat in tara noastra in august 1961, acesta contine un numar de :

- sapte unitati fundamentale

- doua unitati suplimentare

- un numar mare de unitati derivate.

Unitatile fundamentale ale SI sunt :

Metrul (m) este unitatea fundamentala de masurat lungimea, definita legal la origine (in anul 1790) ca a zecea milionime parte din sfertul meridianului terestru.

Kilogramul (kg) este unitatea de masura a masei si este egala cu masa etalonului din platina iradiata, pastrat la Biroul International de Masuri si Greutati de la Serves (Franta).

Secunda (s) este unitatea fundamentala de masura a timpului si este egala cu a 86 400 - a parte dintr-o zi solara medie si este definita legal ca "durata a 9 192 631 770 perioade de radiatie corespunza- toare tranzitiei intre doua niveluri hiperfine ale starii fundamentale a atomului de cesiu 133 ".

Amperul (A) este intensitatea unui curent electric constant care, mentinut in doi conductori rectilini si paralel de lungime infinita si sectiune neglijabila, aflati in vid la distanta de un metru unul de altul, produce intre acestia o forta de 2·10^-7 N pe fiecare metru de lungime.

Gradul kelvin (k) este unitatea legala de masura a temperaturii absolute si reprezinta 1/273,15 din temperatura absoluta de inghet a apei pure la presiunea atmosferica normala (760 mm coloana Hg).

Temperatura absoluta T, exprimata in grade Kelvin, este legata de temperatura t, exprimata in grade Celsius prin relatia T = t + 273,15; 0sK= - 273,15⁰ C = zero absolut.

Candela (cd) - reprezinta intensitatea luminoasa, pe o directie data, a unei raze care emite o radiatie monocromatica de frecventa 540·10¹² Hz si a carei intensitate energetica in aceasta directie este de 1/683 Watt pe steradian.

Marimile si Unitatile Sistemului International:

Multiplii si submultiplii cu denumire speciala ai unitatilor de masura din SI, recunoscuti de Conferinta Generala de Masuri si Greutati sunt:

Multiplii si submultiplii zecimali ai unitǎtilor de mǎsurǎ din SI :