ANALIZE FIZICO-MECANICE - UTM
ANALIZE FIZICO-MECANICE - UTM
ANALIZE FIZICO-MECANICE - UTM
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>ANALIZE</strong> <strong>FIZICO</strong>-<strong>MECANICE</strong><br />
Metrologia este ştiinţa care are ca obiect studiul proceselor de măsurare cu elementele<br />
componente: mărimi şi unităţi de măsură; mijloace de măsurare: mijloace tehnice prin care se<br />
execută măsurarea; metode de măsurare; principii fundamentale de execuţie; rezultatul<br />
măsurării: redat într-o forma utilă, reprezentativă. Denumirea vine de la cuvintele greceşti:<br />
metron = măsurare; logos = vorbire.<br />
Procesul de măsurare constituie un ansamblu de operaţii care, prin intermediul unui<br />
mijloc tehnic şi al unei metode adecvate, permite obţinerea informaţiilor cantitative asupra<br />
mărimilor.<br />
Mărimea de măsurat M este proprietatea comună unor obiecte/fenomene, pe baza<br />
cărora acestea pot fi ordonate într-un şir. În procesul de măsurare se disting:<br />
– mărimi fundamentale, independente, ce servesc definirii altor mărimi prin relaţii<br />
fizice;<br />
– mărimi derivate, definite în funcţie de mărimile fundamentale.<br />
Unitatea de măsură [M] este o mărime de aceeaşi speţă cu mărimea de măsurat care<br />
serveşte ca element de comparaţie; unitatea de măsură poate fi aleasă în mod arbitrar – unitate<br />
fundamentală – sau definită prin relaţii fizice – unitate derivată.<br />
Măsurarea se realizează prin compararea mărimii cu unitatea de măsură<br />
corespunzătoare şi se finalizează prin indicarea valorii numerice, sub forma unui raport în care<br />
valoarea numerică, măsura, depinde de unitatea aleasă:<br />
m = M·[M] –1<br />
(IX.1.1)<br />
Pentru:<br />
m = M·[M] –1 ,<br />
şi utilizând [M1], se obţine:<br />
m1 = M·[M1] –1 .<br />
Rezultă factorul de transformare:<br />
f = [m1]·[m] –1 = [M]·[M1] –1 .<br />
(IX.1.2)<br />
Mijloacele de măsurare sunt mijloacele tehnice caracterizate prin diferite grade de<br />
complexitate, cu care se operează în sensul definiţiei anterioare; performanţele unui proces de<br />
măsurare converg cu complexitatea mijloacelor utilizate.<br />
Metodele de măsurare stabilesc procedeele tehnice de execuţie, care se referă la:<br />
– principiul de execuţie;<br />
– principiul de obţinere al rezultatului.
4<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Rezultatul măsurării este acreditat în limitele unor erori tolerate pentru mărimea<br />
investigată prin procesul de măsurare şi poate fi indicat intervalul în care se află valoarea<br />
adevărată, cu o anumită siguranţă statistică.<br />
Procesul de măsurare urmăreşte:<br />
– asigurarea calităţii produselor;<br />
– asigurarea calităţii proceselor tehnologice;<br />
– supravegherea proceselor şi profilaxia defectelor prin semnalizare şi protecţie;<br />
– optimizarea calităţii produselor şi proceselor.<br />
Diviziunile metrologiei – metrologia este o ştiinţă cu caracter interdisciplinar şi aplicativ,<br />
având diviziunile:<br />
– metrologie teoretică – tratează aspectele teoretice fundamentale şi asigură unitatea<br />
ştiinţifică în domeniile de aplicaţie;<br />
– metrologie aplicată – tratează elementele referitoare la procesele de măsurare specifice<br />
unui anumit domeniu de activitate tehnică sau unei anumite categorii de măsurări;<br />
– metrologie legală – stabileşte cadrul legal al desfăşurării proceselor de măsurare<br />
vizând obiectivitatea şi compatibilitatea acestora; procesele de măsurare se desfăşoară sub<br />
incidenţa standardelor care se elaborează la nivelul Comisiei Naţionale pentru Standarde şi<br />
Metrologie, afiliată la structuri organizatorice internaţionale ca Organizaţia Internaţională de<br />
Standardizare, ISO, şi Organizaţia Internaţională de Metrologie Legală, O.I.M.L.<br />
IX.1.1. Mărimi şi unităţi de măsură<br />
Orice obiect /produs poate fi caracterizat sub aspect calitativ şi cantitativ. Calitativ,<br />
obiectele/produsele se diferenţiază prin proprietăţile pe care le conferă valoarea de întrebuinţare;<br />
obiectele/produsele cu aceleaşi proprietăţi se diferenţiază prin gradul de extindere al însuşirilor,<br />
deci prin aspectul cantitativ. Cele două aspecte ale proprietăţilor unui obiect /produs, calitativ<br />
şi cantitativ, se sintetizează în mărime.<br />
Procesul de măsurare are ca scop evaluarea cantitativă a mărimilor.<br />
IX.1.1.1. Clasificarea mărimilor fizice<br />
Mărimile fizice se clasifică conform următoarelor criterii:<br />
● dimensionale:<br />
– mărimi scalare, caracterizate prin valoare numerică;<br />
– mărimi vectoriale, caracterizate prin modul, direcţie, sens;<br />
– mărimi tensoriale, caracterizate prin componente scalare definite într-un spaţiu<br />
geometric, care se pot schimba în funcţie de sistemul de coordonate;<br />
● prin relaţii definite pe mulţimea fenomenelor sau obiectelor pe care le reprezintă:<br />
– reperabile /intensive, caracterizate prin relaţii de echivalenţă, ordine;<br />
– măsurabile / extensive, caracterizate prin relaţii de echivalenţă, ordine, concatenare;<br />
● prin criteriul energetic:<br />
– active, asociate cu energie;<br />
– pasive, nu se asociază cu energie.
Analize fizico-mecanice 5<br />
IX.1.1.2. Relaţii între mărimi şi unităţi de măsură<br />
Valoarea unei mărimi extensive A se exprimă prin raportul dintre mărimea A şi unitatea [A]<br />
exprimată pe o scară de raport:<br />
A<br />
a = , (IX.1.3)<br />
[ A]<br />
unde: a depinde de valoarea adoptată pentru unitatea de măsură.<br />
Relaţiile dintre diferite mărimi se exprimă prin ecuaţii matematice (IX.1.4, IX.1.5,<br />
IX.1.6) sau fizice, conform exemplului de mai jos:<br />
F = m · a (IX.1.4)<br />
F [ M] ⋅[<br />
A]<br />
f = = ⋅m⋅ a = k⋅m⋅ a<br />
(IX.1.5)<br />
[ F] [ F]<br />
M A [ M] ⋅[<br />
A]<br />
unde:<br />
m = ; a = ; k = .<br />
(IX.1.6)<br />
[ M] [ A] [ F]<br />
Dacă unităţile de măsură au fost alese arbitrar, atunci k ≠ 1; dacă unităţile de măsură au<br />
fost alese astfel încât k = 1, ele se numesc coerente.<br />
IX.1.1.3. Sistemul SI de mărimi şi unităţi de măsură<br />
Pentru a obţine ecuaţiile fizice în cea mai simplă formă (k = 1), se recurge la alegerea<br />
convenabilă a unităţilor de măsură: fundamentale, prin reducerea numărului de unităţi de<br />
măsură arbitrare, respectiv derivate, unităţile de măsură rezultă din relaţiile existente între<br />
unităţile fundamentale.<br />
Totalitatea unităţilor de măsură fundamentale şi derivate, constituind un ansamblu<br />
coerent pentru un domeniu tehnic, defineşte un sistem de unităţi de măsură.<br />
Dacă pentru un domeniu există un număr l de legi fizice care leagă m mărimi, numărul<br />
de unităţi fundamentale necesare este: n = m – l.<br />
Dacă în utilizare rezultă relaţii complicate, pentru definirea unităţilor de măsură<br />
derivate se poate mări numărul unităţilor fundamentale, conform următoarelor criterii:<br />
– mărimile şi unităţile fundamentale descriu fenomene reprezentative pentru domeniu,<br />
invariante în timp şi spaţiu;<br />
– unităţile fundamentale pot fi definite, realizate şi reproduse sub formă de etaloane;<br />
– unităţile de măsură derivate se definesc în funcţie de cele fundamentale prin relaţii<br />
simple;<br />
– valorile unităţilor fundamentale se adoptă pe baza unor considerente practice privind<br />
utilizarea şi posibilităţile de realizare a multiplilor şi submultiplilor.<br />
În virtutea acestor criterii au fost definite: MKfS, CGS, MKS, MTS.<br />
Existenţa unui număr mare de mărimi şi unităţi de măsură, definite pe principii diferite,<br />
a complicat relaţiile fizice k ≠ 1şi a impus adoptarea unui sistem practic, coerent, simplu,<br />
structurat raţional, cu aplicabilitate în toate domeniile ştiinţei şi tehnicii, numit sistem<br />
internaţional SI; acesta a fost adoptat în anul 1960, amendat în anul 1969 şi cuprinde şapte<br />
unităţi de măsură fundamentale (tabelul IX.1.1).
6<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale SI<br />
Tabelul IX.1.1<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Denumire Dimensiunea Denumire Simbol<br />
Lungime L metru m<br />
Masă M kilogram kg<br />
Timp T secundă s<br />
Intensitatea curentului<br />
electric<br />
I amper A<br />
Temperatură termodinamică T kelvin K<br />
Cantitate de substanţă N mol mol<br />
Intensitate luminoasă J candelă cd<br />
Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând procesele tehnologice. Caracterizarea<br />
proceselor tehnologice din industria textilă se realizează prin: parametri cinematici; parametri<br />
tehnologici; parametri de reglaj, definiţi prin mărimi fizice fundamentale şi derivate SI, fiind<br />
încadrate în grupele de mărimi definite dimensional ca [L] α [T] β ; [L] α [M] γ [T] β şi în care se<br />
încadrează (tabelul IX.1.2):<br />
– geometria traseelor tehnologice şi regimul de funcţionare: lungimi; ecartamente;<br />
viteze liniare /alimentare, debitare; viteze unghiulare /turaţii; acceleraţii; lungimi de undă;<br />
– acţiuni şi interacţiuni în procesele tehnologice de prelucrare: forţe, momente, tensiuni,<br />
presiuni, energie mecanică;<br />
– acţiuni fizico-chimice asupra materialului prelucrat: temperatură, flux termic; pH;<br />
concentraţii.<br />
Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate<br />
definite în funcţie de [L] α ; [T] β<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Tabelul IX.1.2<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
Lungime L l metru m<br />
Timp T t secundă s<br />
Viteza L·T –1<br />
Acceleraţie L·T –2<br />
Viteză unghiulară T –1<br />
Acceleraţie unghiulară T –2<br />
v metru/secundă m/s<br />
a metru/secundă la pătrat m/s 2<br />
ω radian/secundă rad/s<br />
radian/secundă la pătrat rad/s 2<br />
Perioadă T T secundă s<br />
Frecvenţă T –1<br />
Frecvenţă de rotaţie/turaţie T –1<br />
Frecvenţă unghiulară, pulsaţie T –1<br />
f, n hertz Hz<br />
n unu/secundă 1/s<br />
ω radian/secundă rad/s<br />
Lungime de undă L l metru m<br />
Număr de undă L –1<br />
σ unu/metru 1/m
Analize fizico-mecanice 7<br />
Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând parametrii mediului<br />
ambiant. Mărimile fizice fundamentale şi derivate definesc parametrii mediului ambiant /<br />
factorii de influenţă determină proprietăţile şi prelucrabilitatea produselor textile, calitatea<br />
produselor realizate din acestea şi calitatea proceselor tehnologice; din acest motiv, factorii de<br />
influenţă se menţin la valori standardizate (tabelul IX.1.3).<br />
Tabelul XI.1.3<br />
Mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate definite în funcţie de [L] α ·[M] γ ·[T] β<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
1 Masă M m kilogram kg<br />
2* Densitate(masă volumică) M·L –3<br />
ρ kilogram/metru cub kg/m 3<br />
3* Volum masic L 3 ·M –1<br />
v metru cub/kilogram m 3 /kg<br />
4 Impuls(cantitate de mişcare) L·M·T –1<br />
p kilogram metru pe secundă kg.m/s<br />
5 Moment de inerţie L 2 ·M I, J kilogram metru pătrat kg.m 2<br />
6* Forţă, greutate L·M·T –2<br />
F, G newton N<br />
7 Moment al forţei L 2 ·M·T –2<br />
M newton. metru N.m<br />
8 Impuls al forţei L 2 ·M·T –1<br />
I, J newton secundă N.s<br />
9 Presiune L –1 ·M·T –2<br />
p pascal Pa<br />
10* Tensiune mecanică normală L –1 ·M·T –2<br />
σ, τ pascal Pa<br />
11* Modul de elasticitate L –1 ·M·T –2<br />
p pascal Pa<br />
12 Viscozitate cinematică L 2 ·T –1<br />
η, µ pascal secunda Pa.s<br />
13 Tensiune superficială M·T –2<br />
γ, σ newton/metru N/m<br />
14* Lucru mecanic L 2 ·M·T –2 W, A joule J<br />
15* Energie mecanică L 2 ·M·T –2<br />
E, W joule J<br />
16 Putere L 2 ·M·T –3<br />
P watt W<br />
Factorii de influenţă sunt apreciaţi prin: mărimi fundamentale / temperatură, în aprecierea<br />
căreia se permite utilizarea scării Celsius; mărimi adimensionale / aprecierea conţinutului de<br />
umiditate a aerului se realizează prin indici relativi / umiditate relativă, φ [%] ; grad de saturaţie/<br />
Ψ [%]; mărimi derivate [L] α ·[M] γ ·[T] β / pentru aprecierea presiunii aerului (cap. IX.2.4).<br />
Mărimi fizice fundamentale şi derivate, caracterizând materialele textile. Mărimile<br />
fizice fundamentale şi derivate care descriu proprietăţile materialelor textile şi comportarea<br />
acestora în procesul tehnologic de prelucrare sau pe durata utilizării sunt caracteristici de<br />
material şi se particularizează prin diversitate, determinată de complexitatea structurală;<br />
ansamblul proprietăţilor materialelor textile este format din:<br />
– proprietăţi fizice, definind comportarea produselor la acţiunea factorilor fizici;<br />
– proprietăţi mecanice, definind comportarea produselor la prelucrare şi utilizare;<br />
– proprietăţi fizico-chimice, definind comportarea produselor în prelucrare şi utilizare.<br />
Ansamblul proprietăţilor materialelor textile se exprimă prin:<br />
● mărimi şi unităţi de măsură fundamentale şi derivate furnizate de SI:<br />
– mărimile fizice fundamentale/derivate SI formează categorii metrologice/ fundamentale:<br />
lungime, masă, temperatură; derivate: densitate, volum masic, forţă, presiune, tensiune;<br />
– aceeaşi categorie metrologică are mai mulţi corespondenţi în domeniul textil, ce<br />
exprimă diferite caracteristici de material sau diferiţi parametri de proces; astfel,<br />
mărimii fizice tensiune îi corespund următoarele caracteristici: forţă de întindere<br />
specifică, tensiune de prelucrare; categoriei metrologice lungime îi corespund<br />
lungime, diametru, grosime, scurtare, alungire absolută;
8<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
– forma concretă de exprimare a proprietăţilor de material o reprezintă indicii şi<br />
parametrii; indicii exprimă în formă numerică o proprietate (mărimea fizică);<br />
parametrii exprimă rezultatul analizei statistice efectuate la nivelul valorilor<br />
experimentale corespunzătoare mărimii;<br />
● mărimi şi unităţi de măsură fundamentale, impuse de specificul domeniului:<br />
– unitatea de îmbrăcăminte, 1 clo, corespunde ansamblului vestimentar care, la<br />
temperatura de 21 o C, produce senzaţia de confort absolut unui adult sănătos /<br />
valoarea de 0,18 m 2 ·h· o C/kcal;<br />
– ohmul termic (1 tog, tΩ), exprimat în funcţie de unitatea de îmbrăcăminte: 1 tΩ =<br />
= 6,45 clo;<br />
● mărimi şi unităţi de măsură derivate, definite în spiritul SI, specifice domeniului, care<br />
redau particularităţile materialelor textile; implică precizarea condiţiilor metrologice; se<br />
exprimă prin indici şi parametri /uneori, mai mulţi, pentru aceeaşi proprietate: pilozitate,<br />
pentru definirea căreia se folosesc mai mulţi indici de apreciere; neregularitate; lungime<br />
de aderenţă, mărime utilizată în aprecierea comportării la solicitarea de întindere a semifabricatelor/<br />
filatură; tenacitate, care reprezintă o mărime echivalentă unei tensiuni; modul de<br />
elasticitate iniţial/ definit ca efort unitar raportat la densitatea de lungime; contracţie la<br />
tratamente termice C%, mărime adimensională, prin care se apreciază stabilitatea<br />
dimensională;<br />
● mărimi şi unităţi de măsură derivate, definite în funcţie de unităţi de măsură<br />
tradiţionale, care impun folosirea relaţiilor, tabelelor, riglelor sau nomogramelor de conversie,<br />
pentru asimilarea rapidă a informaţiilor (unităţi tradiţionale pentru fineţe /densitate liniară;<br />
coeficient de torsiune).<br />
IX.1.1.4. Proprietăţile fizice ale materialelor textile<br />
Proprietăţile fizice ale materialelor textile sunt reprezentate prin caracteristici de<br />
compoziţie, caracteristici geometrice şi indici ce descriu comportarea la acţiunea agenţilor<br />
fizici sau a diferitelor forme de energie. Ansamblul proprietăţilor materialelor textile este<br />
determinat prin compoziţie şi geometrie, fiind influenţat prin tehnologia de realizare şi<br />
prelucrare şi de condiţiile de utilizare.<br />
IX.1.1.4.1. Caracteristici de compoziţie şi structură<br />
Aceste caracteristici definesc:<br />
– compoziţia / natura componenţilor / cote de participare;<br />
– structura textilă /geometrie produs /asamblarea componenţilor în fir, ţesătură, tricot,<br />
neţesut.<br />
• Caracteristicile de compoziţie, cele geometrice şi parametrii de structură constituie<br />
obiective ale proceselor tehnologice şi criterii de verificare pentru calitatea acestora, fiind<br />
determinante/ reprezentative pentru ansamblul proprietăţilor materialelor textile (tabelul IX.1.4);<br />
• Metrologia textilă asimilează/adoptă mărimi şi unităţi de măsură SI definind:<br />
– geometria şi structura produselor;<br />
– masa /volumul specific: densitate; voluminozitate.
Analize fizico-mecanice 9<br />
Caracteristici de compoziţie 1. Compoziţia materialelor textile<br />
Natura componenţilor – se stabileşte la nivelul filaturii; constituie sarcină de proiectare;<br />
Cote de participare – se analizează pe parcursul procesului de filare;<br />
– după masă – se verifică la nivelul textilelor plane.<br />
– după arie Compoziţia se determină:<br />
– calitativ, prin metode de identificare/microscopie, reactivi, ardere;<br />
– cantitativ, prin metode de solubilizare parţială şi gravimetrice<br />
Dimensiuni geometrice 2. Dimensiuni geometrice<br />
Lungime /lăţime/grosime – particularizează categoriile tehnologice<br />
Diametru – se determinăprin metode şi mijloace de măsurare specifice<br />
Suprafaţă categoriilor tehnologice/ produse liniare, produse plane;<br />
– secţiunea transversală – determină destinaţia tehnologică, constituind criterii de recepţie;<br />
– suprafaţă laterală – determină proprietăţiledemasă: densitate; compactitate;<br />
Volum voluminozitate, care se regăsesc în consumuri specifice;<br />
– se reflectă în caracteristicile fizice şi mecanice ale produselor.<br />
Parametri de structură 3. Parametri de structură<br />
Fineţe; grad de torsionare – particularizează categoriile tehnologice;<br />
Desimi geometrice;<br />
– condiţionează domeniul de utilizare;<br />
tehnologice<br />
– determină transferul proprietăţilor în sensul component-produs;<br />
Grad de acoperire<br />
Grad de compactitate<br />
– condiţionează comportarea la prelucrare/utilizare.<br />
Mărimi geometrice şi parametri de structură<br />
Tabelul IX.1.4<br />
Mărimi geometrice şi unităţi de măsură<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
1 2 3 4 5<br />
Lungime /fibră; fir; ţesătură; tricot L l Metru, milimetru m<br />
Grosime/fibră; fir; ţesătură; tricot L δ Micron; milimetru µm; mm<br />
Diametru, rază/fibră; fir L d/F; R Micron; milimetru µm; mm<br />
Arie; suprafaţă; aria secţiunii L 2<br />
A; S; AS Metru; centimetru; milimetru<br />
pătrat<br />
m 2 ; cm 2 ;<br />
mm 2<br />
Volum: real; aparent L 3<br />
V Metru; centimetru; milimetru<br />
cub<br />
m 3 ; cm 3 ;<br />
mm 3<br />
Parametri de structură<br />
Ţesături<br />
Desime tehnnologică, ţesături Pu; Pb Fire/1cm; fire/10cm fire/1cm;<br />
fire/10cm<br />
Desime geometrică, ţesături lu= l/Pu; lu; lb 10 mm/Pu; 10 mm/Pb<br />
lb=l/Pb 100 mm/Pu; 100 mm/Pb<br />
Grad de ondulare/<br />
amplitudinea ondulării/<br />
frecvenţa ondulării<br />
h u; h b<br />
f u=Pb; f b=Pu<br />
mm<br />
Nr. de semiunde/cm; 10 cm<br />
mm<br />
fire/cm;<br />
10 cm<br />
Grad de acoperire e U+e B-e Ue B e ţes Adimensional; % %<br />
Coeficient de desime Ct=Cu+Cb<br />
Cu=Pu(Nu) –1/2<br />
Cb=Pb(Nb) –1/2<br />
Ct Desimea corespunzătoare<br />
Cu unităţii de fineţe a firelor<br />
Cb celor două sisteme<br />
Grad de compactitate Kţ=(Ku+Kb)/2 Kţ % %
10<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tabelul IX.1.4 (continuare)<br />
1 2 3<br />
Tricoturi<br />
4 5<br />
Desime pe orizontală* 50/A Do Şiruri/50 mm ş/50 mm<br />
Desime pe verticală* 50/B Dv Rânduri/50 mm r/50 mm<br />
Desime de suprafaţă* 2500/AB Ds=Do·Dv Ochiuri/2500 mm 2<br />
o/2500 mm 2<br />
Înălţimea ochiului K B.F B Milimetri mm<br />
Pasul ochiului K A.F A Milimetri mm<br />
Coeficientul desimilor Do/Dv C – –<br />
Lungimea firului dintr-un ochi aA+bB+cF l Milimetri mm<br />
Coeficient de umplere:<br />
– liniar l / F δ l Adimensional –<br />
– de acoperire superficială S f / S 0 δ S Adimensional –<br />
– volumetric V f / V 0 δ V Adimensional –<br />
* Determinarea se realizează pe distanţe de 10; 50; 100 mm/în funcţie de fineţea firelor.<br />
Neţesute<br />
Consolidare prin întreţesere (l)<br />
Densitate de întreţesere<br />
liniară L/a D l Adimensional<br />
Densitate de întreţesere de<br />
suprafaţă N l/S D s Împunsături/suprafaţa TN<br />
Consolidare prin coaseretricotare<br />
(C-Tr)<br />
*Desime de coasere L/P D c Paşi cusătură/100 mm<br />
**Desimea ochiurilor L/S D a Număr cusături paralele/100 mm<br />
Grosimea textilului neţesut d ST + F d C mm<br />
Masa/m 2 TN după C-Tr M mST + M mpl M mpTN g/m 2<br />
Densitatea aparentă a TN M mpTN /d C γ a kg/m 3<br />
Nr.<br />
crt.<br />
IX.1.1.4.2. Densitatea şi voluminozitatea produselor textile (tabelul IX.1.5)<br />
Densitatea şi voluminozitatea produselor textile<br />
Tabelul IX.1.5<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
1 Masă M m kilogram kg<br />
2 Număr/lungime specifică/fineţe** L·M –1<br />
Nm metru/gram m/g<br />
3 Titlu/densitate liniară** ML –1<br />
Tt gram/kilometru g/km<br />
4* Masa /unitate de suprafaţă ML –2<br />
M gram/metru pătrat g/m 2<br />
5* Densitate/masa volumică:<br />
ML<br />
reală; aparentă<br />
–3<br />
ρ kilogram/metru cub; kg/m<br />
gram/centimetru cub<br />
3 ;<br />
g/cm 3<br />
6* Indice de compactitate – Ic=ρa�ρr % %<br />
7* Indice de porozitate – Ip=1–Ic % %<br />
8* Volum masic/specific L 3 ·M –1<br />
v metru cub/kilogram; m<br />
centimetru cub/gram<br />
3 /kg; cm 3<br />
/g<br />
* Masa se utilizează pentru definirea compoziţiei/ cote de participare; frecvenţe, caracteristici geometrice,<br />
stare, conţinut de impurităţi, adaosuri şi pierderi tehnologice / prin indici adimensionali, %.<br />
**Mărimile se definesc identic pentru toate formele de prezentare a produselor textile: fire; ţesături;<br />
tricoturi.
Analize fizico-mecanice 11<br />
Definiţiile indicilor de numerotare tradiţionali se prezintă în detaliu în tabelul IX.1.6.<br />
Indici de numerotare tradiţionali /unităţi de măsură fundamentale<br />
Indice de numerotare Simbol Dimensiune [M] [L]<br />
Număr metric Nm L·M –1<br />
Număr englez pentru bumbac Ne L·M –1<br />
Număr englez pentru lână pieptănată Ne p L·M –1<br />
Număr englez pentru liberiene Ne L L·M –1<br />
Număr francez Nf L·M –1<br />
Titlu tex T t ML –1<br />
Titlul den T den ML –1<br />
g m<br />
Tabelul IX.1.6<br />
840 yds = 768 m 1 lb = 453,6 g<br />
560 yds = 512 m 1 lb = 453,6 g<br />
300 yds = 274 m 1 lb = 453,6 g<br />
1 km 0,5 kg<br />
1 km 1 g<br />
9 km 1 g<br />
Relaţiile de conversie între diferiţi indici de numerotare sunt prezentate în tabelul IX.1.7.<br />
Coeficienţi de conversie între indicii de numerotare<br />
Ttex Tdtex Tktex Td (Nm) –1<br />
Ttex 1 10 –1<br />
10 3<br />
Tdtex 10 1 10 4<br />
Tktex 10 –3<br />
10 –4<br />
1 1/9.10 3<br />
1/9 10 3<br />
10/9 10 4<br />
Td 9 0,9 9,1 1 9·10 3<br />
(Ttex) –1<br />
Nm 10 3<br />
(Tdtex) –1<br />
(Tktex) –1<br />
(Td) –1<br />
(Ne B) –1 (Nf) –1<br />
Tabelul IX.1.7<br />
(Nc) –1<br />
590, 5 500 566 Ttex<br />
5905 5 5660 Tdtex<br />
1 0,591 0,5 0,566 Tktex<br />
5315 4,5 5094 Td<br />
(Nm) Ne B Nf Nc<br />
104 1 9.10 1 1, 693 2 1/0,566 Nm<br />
Ne B 590,5 10×590,5 10 –3 ×590, 5 5315 10 –3 ×590, 5 1 1,181 1/0,9584 Ne B<br />
Nf 500 10×500 10 –3 ×500 4,5 0,5 0, 847 1 1/1,132 Nf<br />
Nc 566 10×566 10 –3 ×566 5904 0,566 0,958 1,132 1 Nc<br />
* Indicii de numerotare simbolizaţi conform tabelului.<br />
Modul de utilizare a relaţiilor cuprinse în tabel este:<br />
Ttex=10 –1 Tdtex=10 3 Tktex=1/9 Td=1000/Nm=590, 5/NeB=500/Nf=566/Nc;<br />
Nm= 10 3 /Ttex=10 4 /Tdtex =1/Tktex=9000/Td =1, 693NeB =2 Nf=1/0, 566 Nc.<br />
IX.1.1.4.3. Caracteristicile fizice ale materialelor textile<br />
Caracteristicile fizice ale materialelor textile sunt determinate structural prin: compoziţie;<br />
geometrie; parametri de structură; caracterizează comportarea materialelor textile la acţiunea<br />
agenţilor fizici; determină percepţia materialului textil / prin caracteristici de structură şi<br />
aspect, în prelucrare şi în întrebuinţare; influenţează: proprietăţile mecanice ale materialelor<br />
textile şi prelucrabilitatea acestora.
12<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Caracteristicile fizice definesc prin asociere: confortul fiziologic / echilibrul hidrotermic<br />
asigurat de îmbrăcăminte; confortul psihosenzorial / prin asociere cu proprietăţi mecanice;<br />
efectele fizico – mecanice ale prelucrării / prin asociere cu proprietăţi mecanice.<br />
Caracteristicile fizice:<br />
– particularizează şi reprezintă dominante pentru categoriile tehnologice de produse, la<br />
care se impune testarea prin metode standardizate şi menţionarea în buletine de analiză;<br />
– permit dezvoltarea unor principii şi metode de măsurare indirectă a caracteristicilor<br />
de material cu care se corelează / fizice, mecanice, optice;<br />
– cuantifică comportarea materialelor textile la acţiunea agenţilor fizici: flacără; apă;<br />
vapori; curenţi de aer (tabelul IX.1.8); acţiunea factorilor: câmp/electric magnetic, termic;<br />
radiaţii / radioactive, electromagnetice; vibraţii / mecanice, ultrasonore; flacără; apă; vapori;<br />
curenţi de aer (tabelul IX.1.9).<br />
Caracteristicile fizice definesc posibilitatea de aplicare a unor tratamente fizice şi<br />
limitele de aplicare ale acestora şi se denumesc în funcţie de acţiunea şi efectul agentului:<br />
conducţie / conductivitate; pătrundere / permeabilitate; opoziţie, consum de energie / rezistenţă;<br />
acumulare, disipare / capacitate de absorbţie; insensibilitate/ stabilitate dimensională; structurală.<br />
Indicii de apreciere se definesc în spiritul SI, cu particularităţi care depind de structura<br />
textilă/ forma de prezentare a materialului.<br />
Caracteristicile fizice ale materialelor textile/ comportarea la acţiunea<br />
agenţilor/factorilor<br />
Tabelul IX.1.8<br />
Factor/agent fizic Manifestarea materialului textil/proprietatea Simbol U.M.<br />
Vapori de apă Capacitatea de a absorbi/ceda vapori de apă din /în mediul înconjurător<br />
Conţinut de umiditate: normală; legală; reală un; ul; u %<br />
Apă Capacitatea de a absorbi apa/ prin fenomene de capilaritate<br />
Viteza de absorbţie v m/s<br />
Timpul de scufundare τ s<br />
Puterea de absorbţie P W<br />
Aer, apă, vapori Reacţia la depresiune/permite traversarea materialului de un jet de aer; lichid;<br />
vapori<br />
Permeabilitate la aer Pa ∆P m 3 /s·m 2 ; l/s·m 2<br />
Permeabilitate la vapori Pv mg/24 h<br />
Permeabilitatea la apă (capacitatea de absorbţie) Ca %<br />
Energie termică /flux Capacitatea de a asigura transportul energiei termice<br />
Conductivitate termică interioară λ W/m·K<br />
Rezistenţa termică a stratului R=d/λ m 2 ·K/W<br />
Indice de termoizolare I=R/R0 adimensional<br />
Coeficient de transfer termic, total K=1/Σδ/λ W/m 2 ·K<br />
Stabilitate structurală/dimensională sub acţiunea agenţilor termici<br />
Comportarea la flacără<br />
Contracţie la tratament termic % %<br />
Câmp electric Comportarea sub acţiunea unui câmp electric<br />
Rezistivitate electrică ρv Ω·cm<br />
Permitivitate dielectrică εr=ε/�ε0 adimensional<br />
Acumularea electricităţii statice σ C/cm 2
Analize fizico-mecanice 13<br />
Tabelul IX.1.9<br />
Proprietăţile fizice ale materialelor textile/comportarea<br />
la acţiunea agenţilor/factorilor<br />
Factor/agent fizic; Manifestarea materialului textil / proprietate<br />
1. Radiaţii luminoase/Comportarea la acţiunea radiaţiilor<br />
electromagnetice din spectrul vizibil<br />
– Transparenţă/Indice de refracţie<br />
– Opacitate<br />
– Luciu /Indice de reflexie<br />
– Culoare/Absorbţie selectivă a radiaţiei incidente<br />
– Fluorescenţă /Emisie secundară<br />
– Birefringenţă<br />
2. Radiaţii /UV; IR; stabilitate la acţiunea radiaţiilor<br />
3. Radiaţii radioactive<br />
– Stabilitatea la acţiunea radiaţiilor radioactive<br />
– Capacitatea de absorbţie a radiaţiilor radioactive<br />
5. Ultrasunete<br />
– Capacitatea de absorbţie a ultrasunetelor<br />
Mărimi electrice. Mărimile SI prezentate în tabel se utilizează ca mărimi tehnice<br />
generale (acţionarea maşinilor textile); în descrierea principiilor constructive ale mijloacelor de<br />
măsurare (tabelul IX.1.10).<br />
Mărimi şi unităţi de măsură electrice şi magnetice<br />
Tabelul IX.1.10<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
1 2 3 4 5<br />
Sarcină electrică, cantitate de electricitate* T·I Q, q coulomb C<br />
Densitate de volum a sarcinii electrice L –3· T·I ρ, ρV coulomb/metru cub C/m 3<br />
Densitatea de suprafaţă a sarcinii electrice L –2· T·I σ, ρs coulomb/metru pătrat C/m 2<br />
Tensiune electrică, potenţial electric L 2 · M·T –3 ·I –1 U, V, E volt V<br />
Intensitatea câmpului electric* L M·T –3 ·I –1<br />
E volt/metru V/m<br />
Flux electric T·I Ψ coulomb C<br />
Inducţie electrică(deplasare electrică) L –2· T·I D coulomb/metru pătrat C/m 2<br />
Capacitate electrică* L –2 ·M –1 T 4 ·I 2<br />
C farad F<br />
Permitivitate* L –3 ·M –1 T 4 ·I 2<br />
ε farad/metru F/m<br />
Permitivitate relativă* 1 εr unu 1<br />
Rezistenţă electrică* L 2 · M·T –3 ·I –2<br />
R ohm Ω<br />
Rezistivitate* L 3 · M·T –3 ·I –2<br />
ρ ohm-metru Ω.·m<br />
Conductivitate electrică* L –3 ·M –1 T 3 ·I 2<br />
γ, σ siemens/metru S/m<br />
Energie electrică L 2 · M·T –2 · W joule J<br />
Putere electrică L 2 · M·T –3<br />
P watt W<br />
Putere activă L 2 · M·T –3<br />
P watt W
14<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tabelul IX.1.10 (continuare)<br />
1 2 3 4 5<br />
Putere reactivă L 2 · M·T –3<br />
Putere aparentă L 2 · M·T –3<br />
Q var var<br />
S voltamper VA<br />
Tensiune magnetomotoare I Um, Umm amper A<br />
Intensitatea câmpului magnetic L –2 · I H amper/metru A/m<br />
Inducţie magnetică M·T –2 ·I –1<br />
Flux magnetic L 2 · M·T –2 ··I –1<br />
Inductanţă L 2 · M·T –2 ··I –2<br />
Permeabilitate* L·M·T –2 ··I –2<br />
B tesla T<br />
Φ weber Wb<br />
L henry H<br />
µ henry/metru H/m<br />
Mărimile electrice definite SI interesează domeniul textil pentru:<br />
– caracterizarea sub aspect electric şi dielectric a materialelor textile:<br />
– rezistivitatea pentru a defini durata de menţinere a sarcinilor statice acumulate în<br />
prelucrare şi întrebuinţare.<br />
– permitivitatea, pentru a defini capacitatea de acumulare a sarcinilor statice;<br />
– caracterizarea sub aspect dielectric/prin permitivitate şi pierderi dielectrice, pentru a<br />
defini capacitatea de a reacţiona la acţiunea câmpului electromagnetic/tratamente de finisare cu<br />
randamente superioare;<br />
Permitivitatea şi rezistivitatea sunt caracteristici de material foarte sensibile la<br />
variaţiile parametrilor de climat şi acest aspect este activ în principii fizice de măsurare off şi<br />
on line; mărimile electrice interesează în mod deosebit acţionarea, automatizarea, controlul şi<br />
reglarea proceselor din industria textilă, sub aspect energetic şi metrologic.<br />
Proprietăţile termice ale materialelor textile. Sunt proprietăţi care se apreciază prin<br />
indici specifici materialelor textile, ce definesc conductivitatea termică şi stabilitatea<br />
dimensională la acţiunea agentului termic; efectele acţiunii agenţilor termici se pot manifesta<br />
prin modificări structurale la nivel molecular (cap. IX.2.3). Mărimile specificate* se<br />
particularizează prin indici de apreciere tipici pentru formele de prezentare ale materialului<br />
textil/strat, pachet (vezi cap. IX.5).<br />
Caracterizarea stabilităţii materialelor textile la tratamente termice se realizează prin<br />
contracţie, indice adimensional [%], care se defineşte în raport cu variaţia dimensiunilor sub<br />
efectul agentului termic (tabelul IX.1.11).<br />
Proprietăţile termice ale materialelor textile<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Tabelul IX.1.11<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
1 2 3 4 5<br />
Temperatură Celsius θ t grad Celsius<br />
Temperatură absolută T, t, θ kelvin grad Kelvin K<br />
Gradient de temperatură L –1 θ grad T kelvin/m K/m<br />
Cantitate de căldură L 2 M·T –2<br />
Capacitate calorică L 2 M·T –2 θ –1<br />
Q joule J<br />
o C<br />
C joule/kelvin J/K
Capacitate calorică<br />
masică<br />
Coeficient de dilatare<br />
liniară**<br />
Coeficient de dilatare<br />
volumică<br />
Analize fizico-mecanice 15<br />
Tabelul IX.1.11 (continuare)<br />
1 2 3 4 5<br />
L 2 ·T –2 θ –1<br />
θ –1<br />
θ –1<br />
Conductivitate termică* L·M·T –3 θ –1<br />
Coeficient de transfer al<br />
căldurii /parţial<br />
Coeficient de transfer al<br />
căldurii /total*<br />
Căldură specifică la<br />
presiune constantă*<br />
Căldură specifică la<br />
volum constant<br />
Densitatea fluxului<br />
termic<br />
M·T –3 θ –1<br />
M·T –3 θ –1<br />
L 2 ·T –2 θ –1<br />
L 2 ·T θ –1 θ –1<br />
M·T –3<br />
Entalpie L 2 M·T –2<br />
Entropie L 2 M·T –2 θ –1<br />
Energie internă L 2 M·T –2<br />
Energie internă masică L 2 T –2<br />
c joule/kilogram-kelvin J/kg·K<br />
unu /kelvin 1/K<br />
unu /kelvin 1/K<br />
λ, k watt/metru.kelvin W/m·K<br />
α watt/metru 2. kelvin W/m 2 ·K<br />
α watt/metru 2. kelvin W/m 2 ·K<br />
c joule/kilogram-kelvin J/kg·K<br />
c joule/kilogram-kelvin J/kg·K<br />
Φ, q watt/metru 2<br />
W/m 2<br />
H, I joule J<br />
S joule/kelvin J/K<br />
U, E joule J<br />
u, e joule/kilogram J/kg<br />
Rezistenţa termică* M –1 T 3 θ R=δ/λ metru 2 kelvin/watt m 2 ·K/W<br />
Proprietăţile optice ale materialelor textile. Se definesc în funcţie de mărimile şi<br />
unităţile de măsură* SI (tabelul IX.1.12); indicii de apreciere caracterizează comportarea<br />
materialului textil incidentat cu un flux radiant/reflexie şi transmisie; capacitatea de absorbţie<br />
selectivă a radiaţiilor / culoare; fluorescenţă; efectele acţiunii radiaţiilor luminoase asupra<br />
materialelor textile se pot concretiza prin transformări la nivel molecular.<br />
Proprietăţi optice ale materialelor textile<br />
Mărimea Unitatea de măsură<br />
Tabelul IX.1.12<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
Energie radiantă L 2 M·T –2<br />
Flux energetic (radiant) L 2 M·T –3<br />
Flux energetic superficial M·T –3<br />
Q e, W joule J<br />
w watt W<br />
Φ a, Φ watt/metru pătrat W/m 2<br />
Flux luminos J Φ e, Φ lumen lm<br />
Luminanţă (luminoasă) L –2· J Le, L candelă/metru pătrat cd/m 2<br />
Emitanţă (luminoasă) L –2· J Me, M lumen/metru pătrat lm/m 2<br />
Iluminare (luminoasă) L –2· J Ev, E lux lx
16<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
IX.1.1.5. Proprietăţi mecanice ale materialelor textile<br />
Aceste proprietăţi se definesc conform SI (tabelul IX.1.3); pentru caracterizare se<br />
vor utiliza mărimile* şi unităţile de măsură corespunzătoare; din acestea derivă indicatorii<br />
proprietăţilor mecanice ale materialelor textile, care particularizează fiecare categorie structurală<br />
şi tip de solicitare. Mărimile 6*; 10*; 11*; 14*; 15* (tabelul IX.1.3) se utilizează pentru<br />
caracterizarea generală a comportării produselor textile la solicitări mecanice.<br />
Comportarea la solicitarea de tracţiune. Forma de prezentare a produsului liniar /<br />
plan determină particularităţi de definiţie ale indicilor; în cazul textilelor plane se impune<br />
precizarea direcţiei de solicitare în raport cu sistemele principale de fire (tabelul IX.1.13,a; b; c).<br />
Indici pentru aprecierea comportării produselor liniare<br />
la solicitări de tracţiune statice<br />
Tabelul IX.1.13,a<br />
Denumire Relaţie analitică Produse Unităţi de măsură SI<br />
1. Indici pentru aprecierea rezistenţei<br />
1.1. Rezistenţa la tracţiune:<br />
Fibre<br />
cN<br />
– forţa de rupere Pr, Fire<br />
cN, N, daN<br />
– forţa de aderenţă Pa Semifabricate N, daN<br />
1.2. Rezistenţa specifică, σS P<br />
σ S =<br />
AS<br />
Fibre<br />
Fire<br />
cN/mm 2<br />
N/mm 2; daN/mm 2<br />
1.3. Tenacitatea, τ P<br />
τ=<br />
Tt<br />
Fibre<br />
Fire<br />
cN/tex<br />
N/tex, danN/tex<br />
1.4. Lungimea de rupere, LR P⋅Nm P<br />
LR<br />
= =<br />
1000 Tt<br />
Fibre, fire km<br />
*Lungime de aderenţă<br />
P<br />
La= P⋅ Nm= T<br />
Semifabricate m<br />
2. Indici pentru aprecierea deformabilităţii<br />
2.1. Alungirea absolută la<br />
rupere, ar ar = Ir – I0 Fibre, fire mm<br />
2.2. Alungirea relativă la<br />
rupere, �εr a<br />
ε r<br />
r = ⋅ 100<br />
I<br />
Fibre, fire %<br />
0<br />
kTex<br />
3. Indicii transferului proprietăţilor tensionale<br />
Coeficientul de transfer, K K = τF / τ f Fir→τF<br />
Fibră→τ f<br />
Indici pentru aprecierea comportării ţesăturilor la solicitarea<br />
de tracţiune unidirecţională<br />
adimensional<br />
Tabelul IX.1.13,b<br />
Denumire / simbol Relaţii analitice Particularităţi Unităţi SI<br />
1 2 3 4 5<br />
1.1. Rezistenţa la tracţiune P *<br />
PU – pe direcţia urzelii;<br />
P b – pe direcţia bătăturii<br />
1. Indici pentru aprecierea rezistenţei<br />
* P U, P b<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
daN
Analize fizico-mecanice 17<br />
Tabelul IX.1.13,b (continuare)<br />
1 2 3 4 5<br />
1.2. Lungimea de rupere, Lr * P<br />
L r<br />
r =<br />
M ⋅b<br />
1.3. Rezistenţa specifică<br />
a ţesăturii, Ps ţ *<br />
P<br />
P t<br />
St , =<br />
N ⋅T<br />
2.1. Alungirea absolută la<br />
rupere, ar* 2.2. Alungirea relativă la<br />
rupere, εr* Tex<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
2. Indici pentru aprecierea deformabilităţii<br />
a r = I r – I 0<br />
a<br />
ε r<br />
r = ⋅ 100<br />
I<br />
0<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
km<br />
cN/tex<br />
3. Indici pentru aprecierea transferului proprietăţilor tensionale în sensul fir – ţesătură<br />
Coeficientul de utilizare<br />
al tenacităţii firului în<br />
rezistenţa specifică a<br />
ţesăturii, K*<br />
P<br />
K = s<br />
τ<br />
F<br />
Raportată la<br />
sistemele U, B<br />
Indici specifici pentru aprecierea proprietăţilor tensionale<br />
ale materialelor textile neţesute*<br />
mm<br />
%<br />
adimensional<br />
Tabelul IX.1.13,c<br />
Denumire / simbol Relaţii analitice Particularităţi Unităţi de măsură SI<br />
1. Indici pentru aprecierea rezistenţei specifice<br />
1.1 Rezistenţa specifică la<br />
tracţiune, σS P<br />
σ N<br />
S =<br />
AS<br />
*Orientarea solicitării<br />
după axele<br />
tehnologice<br />
daN/mm 2<br />
2. Indici pentru aprecierea transferului în sensul fibră - produs textil neţesut<br />
Coeficientul de utilizare<br />
al tenacităţii fibrei în<br />
rezistenţa specifică a<br />
epruvetei de material<br />
textil neţesut, Knt<br />
σ<br />
K nt<br />
nt =<br />
σ t<br />
*Orientarea<br />
solicitării după<br />
axele tehnologice<br />
Adimensional<br />
* Indicii proprietăţilor tensionale care se definesc identic pentru toate produsele plane/<br />
ţesături; tricoturi; neţesute/ nu s-au reluat.<br />
Comportarea mecano-reologică a materialelor textile. Se defineşte în raport cu<br />
diagrama forţă-deformaţie, cu particularizarea indicilor în funcţie de forma de prezentare a<br />
produselor /liniare; plane (tabelul IX.1.14).<br />
Elasticitatea materialelor textile. Elasticitatea materialelor textile se defineşte prin<br />
raportul dintre capacitatea de a se deforma şi reveni în procesul de solicitare mecanică; se<br />
exprimă prin raportul dintre energia eliberată în procesul de revenire şi energia consumată în<br />
procesul de deformare/cunoscut ca rezilienţă. Rezilienţa defineşte elasticitatea materialelor, iar<br />
histereza marchează capacitatea materialelor de a se deforma plastic (tabelul IX.1.15).<br />
Comportarea vâscoelastică a materialelor textile. Comportarea vâscoelastică a<br />
materialelor textile se defineşte prin curbele mecano-reologice de tipul D(t)P=ct; P(t)D=ct, cu indici<br />
ce exprimă capacitatea de revenire din deformare/ grad de elasticitate şi capacitatea materialelor<br />
textile de a se deforma permanent /grad de plasticitate (tabelul IX.1.16).
18<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Indici mecano-reologici definiţi din diagrama forţă-deformaţie<br />
pentru materiale textile<br />
Denumire/simbol Relaţie analitică<br />
Modulul de elasticitate iniţial<br />
Lucrul mecanic de deformare la<br />
rupere<br />
σ<br />
E = 100 ⋅<br />
ε<br />
a<br />
∫<br />
W = P⋅dl Lucrul mecanic specific de<br />
W<br />
W<br />
deformare la rupere sM =<br />
*<br />
M<br />
W<br />
WsV<br />
=<br />
V<br />
0<br />
W<br />
WaS<br />
=<br />
S<br />
Produse<br />
caracterizate<br />
Tabelul IX.1.14<br />
Unităţi de<br />
măsură SI<br />
Liniare; plane cN/tex;<br />
cN/tex;<br />
daN/tex<br />
Liniare; plane cN·cm; Nm<br />
Liniare; plane* cN·cm/cm·tex<br />
Liniare; plane cN·cm/cm 3<br />
Plane** Nm/m 2<br />
Factorul lucrului mecanic de rupere fw = W/P r·a r Liniare; plane –<br />
* Indicele W sM este denumit „calitatea ţesăturii“; **Indicele W sS este cunoscut ca „durabilitatea<br />
ţesăturii“.<br />
Caracteristicile elastice ale materialelor textile<br />
Tabelul IX.1.15<br />
Denumire/simbol Relaţie analitică Unităţi de măsură, SI<br />
Energia consumată în procesul de<br />
deformare<br />
Energia eliberată în procesul de<br />
revenire din deformare<br />
a<br />
W = P⋅dl d<br />
∫<br />
0<br />
W r<br />
cN·cm; Nm<br />
cN·cm; Nm<br />
Rezilienţă R = W r/W d –<br />
Histereza H = (W d – W r)/W d –<br />
Observaţie:<br />
Caracterizarea este identică pentru toate formele de structuri textile.<br />
Indicii comportării vâscoelastice a materialelor textile<br />
Tabelul IX.1.16<br />
Denumire Dimensiune Simbol Denumire Simbol<br />
Grad de elasticitate % Ge Mărime adimensională %<br />
Grad de plasticitate % Gp Mărime adimensională %
Analize fizico-mecanice 19<br />
Comportarea materialelor textile la solicitarea de încovoiere. Se apreciază prin<br />
indici care reflectă comportarea epruvetelor în regim de încovoiere static/dinamic; sub acţiunea<br />
momentelor de încovoiere dezvoltate de acţiunea propriei greutăţi sau, sub acţiunea unor<br />
momente de încovoiere exterioare; metodele şi indicii de apreciere utilizaţi particularizează<br />
produsele liniare şi plane (tabelele IX.1.17; IX.1.18).<br />
Indici pentru aprecierea comportării produselor liniare<br />
la solicitarea de încovoiere /flexiune<br />
Tabelul IX.1.17<br />
Nr. Mărimea fizică determinată U.M. Proprietatea reflectată<br />
1. Indici pentru aprecierea rigidităţii la încovoiere în regim de solicitare statică<br />
1.1. Deformaţie sub acţiunea unei încărcări statice/propria greutate; forţă exterioară<br />
1.1.1 Săgeata cm; mm Flexibilitate / rigiditate<br />
1.1.2. Deformaţia buclei cm, mm Flexibilitate / rigiditate<br />
1.2. Măsurarea momentului; forţei interne rezultante/la aplicarea unui moment; forţă de<br />
încovoiere, exterioare<br />
1.2.1. Mărimea momentului M cN·cm Flexibilitate / rigiditate<br />
1.2.2. Forţa dezvoltată prin îndoire sub unghi<br />
determinat<br />
cN Rigiditate la încovoiere<br />
2. Indici pentru aprecierea rigidităţii la încovoiere în regim de solicitare dinamică<br />
2.1 Forţa ce determină deformaţia f cN Rigiditate dinamică<br />
2.2 Momentul dezvoltat prin formarea unei<br />
bucle de fir<br />
cN·cm<br />
2.3 Frecvenţa de vibraţie s –1<br />
Rigiditate la încovoiere<br />
2.4 Perioada de oscilaţie/vibraţii la torsionare T, s Rigiditate la încovoiere<br />
Tabelul IX.1.18<br />
Indici pentru aprecierea comportării textilelor plane la solicitări de încovoiere<br />
Indici de apreciere U.M. Relaţii Observaţii<br />
1. Momentul de încovoiere dezvoltat de greutatea proprie a epruvetei<br />
Săgeata (măsura<br />
flexibilităţii), f<br />
cm (Rigiditate la încovoiere)<br />
Lungime de încovoiere, cm Lungimea aplecată liber,<br />
ASTM D 1388<br />
LC = BC/2<br />
Rigiditatea la flexiune, R, mg·cm<br />
STAS 8392-80,<br />
3<br />
R=m LC m – masa unităţii de<br />
suprafaţă a epruvetei<br />
Flexibilitatea ţesăturii,<br />
H = Wap /Wflex % 100<br />
1<br />
H = ⋅ i i(%)<br />
50 ∑ f ⋅∆I<br />
Ii<br />
= 0<br />
Raportul: lucrul mecanic<br />
de aplecare al epruvetei<br />
testate şi cel corespunzător<br />
epruvetei absolut flexibile<br />
Coeficient de drapaj %<br />
D−D C<br />
x<br />
D = ⋅ 100%<br />
s D<br />
Diametrul epruvetei;<br />
Diametrul proiecţiei<br />
Coeficient de drapaj<br />
general<br />
% CD = 1/ S0⋅( S0 −S ) 100%<br />
s<br />
p ⋅ Aria epruvetei; proiecţiei<br />
Indice de drapaj % L⋅D−2⋅SRx ID<br />
= ⋅100<br />
s L⋅D Indice de drapaj general
20<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Comportarea materialelor textile la solicitarea de îndoire/şifonare. Comportarea<br />
materialelor textile la solicitarea de îndoire/şifonare este determinată de elasticitate şi de<br />
proprietăţile vâscoelastice; prin indici se apreciază capacitatea de revenire a materialului cât şi<br />
capacitatea de a păstra forma / dungi, pliuri (tabelul IX.1.19).<br />
Tabelul IX.1.19<br />
Indici pentru aprecierea comportării materialelor textile la îndoire / şifonare<br />
Mărimea fizică Simbol Relaţie analitică U.M.<br />
Capacitatea de revenire din şifonare/unghi de revenire<br />
Coeficient de revenire, λ: λ λ = α/180 o %<br />
– coeficient de revenire instantanee, λ � λ 1 = α 1/180 o %<br />
– coeficient de revenire încetinită, λ 2 λ 2 = (α 2 – α 1)/180 o %<br />
Rezistenţa materialelor textile la şifonare<br />
Coeficient de şifonare/metoda armonicii S S = L0/L Adim.<br />
Coeficient de şifonare/metoda buclei S = (100/d 0)(d – d 0) %<br />
Efectele şifonării<br />
Grad de şifonare/uniformitatea reflexiei Gs Gs = k·∆Φ<br />
Durabilitatea dungilor / pliurilor E E = (180 – αK)/ (180 – αR) Adim.<br />
Comportarea materialelor textile la solicitarea de compresie. Comportarea materialelor<br />
textile la solicitarea de compresie este marcată de proprietăţile vâscoelastice. Aprecierea<br />
globală se realizează prin: indicii de duritate raport presiune-deformaţie şi compresibilitate<br />
/raport deformaţie-presiune; prin aprecierea lucrului mecanic de deformaţie /revenire, se poate<br />
determina rezilienţa la compresie / ca indice adimensional (tabelul IX.1.20).<br />
Indici pentru aprecierea materialelor textile la compresie<br />
Tabelul IX.1.20<br />
Indice Simbol Relaţii U.M.<br />
Deformaţia totală (relativă) la<br />
compresie<br />
Revenirea elastică / deformaţia la<br />
compresie<br />
Deformaţia remanentă la<br />
compresie<br />
εt<br />
C<br />
ε t = (d3 – d2) /d1·100 εe εe = (d 3 – d 2) /d 1·100 %<br />
εr εr = (d 2 – d 1) /d 1·100 %<br />
Duritatea materialului H H = (F 2 – F 1) (V 1 – V 2) = (p 2 – p1) (h 1 – h 2) Pa/m<br />
Compresia materialului c c = (V 1 – V 2) (F 2 – F 1) = (h 1 – h 2) (p 2 – p 1) m/Pa<br />
Comportarea materialelor textile la uzură abrazivă. Uzura abrazivă constituie un<br />
efect nedorit, în procesele de prelucrare şi de întrebuinţare a materialelor textile şi este generată<br />
de cuplele tehnologice de frecare omogene /mixte, caracterizate prin geometria, viteza relativă<br />
a elementelor, presiunea de contact şi prin natura componenţilor. Uzura constituie efectul<br />
acţiunii forţelor de frecare la suprafaţa materialului textil şi se produce treptat, prin modificări<br />
de aspect, structură, pierderi de masă, diminuarea proprietăţilor mecanice, finalizându-se prin<br />
destrucţia epruvetei. Mărimea forţelor de frecare este determinată cantitativ de:<br />
– parametrii tehnologici: presiune de contact; viteza relativă între elementele cuplei;<br />
%
Analize fizico-mecanice 21<br />
– parametrii geometrici şi structurali: starea suprafeţei; compoziţia/ forma stratului<br />
superficial;<br />
– parametrii fizici: temperatura; umiditatea relativă a materialului; umiditatea relativă a<br />
aerului.<br />
Uzura se apreciază calitativ şi cantitativ prin analiza efectelor la nivelul elementelor<br />
cuplei; deoarece apariţia şi dezvoltarea efectelor uzurii necesită intervale mari de timp, este<br />
motivată testarea comportării tribologice a textilelor pe maşini de încercat la uzură în condiţii<br />
metrologice care, prin majorarea valorilor parametrilor, amplifică efectele. Studiul sistematic al<br />
fenomenelor de uzură presupune utilizarea maşinilor de încercare şi a unui ansamblu de indici<br />
adecvaţi şi se finalizează prin raţionalizarea parametrilor tehnologici în cuplele de frecare sau<br />
prin îmbunătăţirea proprietăţilor materialelor textile cu diferite destinaţii.<br />
Cuantificarea efectelor uzurii se realizează prin indici definiţi identic pentru toate<br />
produsele textile (tabelul IX.1.21).<br />
Indici pentru aprecierea comportării materialelor textile la uzarea abrazivă<br />
Indicatorul / simbol Relaţia analitică<br />
1. Abraziune până la rupere<br />
1.1 Numărul de cicluri de solicitare până la rupere, NC<br />
1.2 Drumul de abraziune la<br />
rupere<br />
1.3 Lucrul mecanic de abraziune<br />
la rupere<br />
1.4 Lucrul mecanic specific de<br />
abraziune la rupere<br />
Semnificaţia<br />
termenilor<br />
SNC = 2aNC<br />
=πaNC Măsurare<br />
obiectivă<br />
La = µ⋅N⋅ SNC<br />
Măsurare<br />
obiectivă<br />
L<br />
am<br />
µ⋅N⋅S =<br />
∆m<br />
NC<br />
Măsurare<br />
obiectivă<br />
2. Abraziune la un număr limitat de cicluri, Nn<br />
2.1 Modificarea aspectului (apreciere) Apreciere:<br />
– subiectivă/ etalon foto;<br />
– obiectivă/ videoimagine<br />
2.2 Pierderi de masă, ∆MS<br />
2.3 Rezistenţa reziduală, ∆P: la<br />
tracţiune; sfâşiere;<br />
străpungere<br />
∆MS<br />
=<br />
∆M<br />
S<br />
P<br />
∆ P = r ⋅ 100%<br />
P<br />
3. Indicatori de sinteză (din caracteristica de abraziune)<br />
3.1 Coeficient de durabilitate<br />
N<br />
D =<br />
∆P<br />
C<br />
%<br />
3.2 Gradul de deteriorare ∆P%<br />
d =<br />
N<br />
C<br />
∆MS – pierderi<br />
de masă;<br />
S – suprafaţa<br />
epruvetei uzate<br />
Rezistenţa<br />
epruvetei:<br />
– după<br />
încercare, Pa;<br />
– iniţială, P<br />
r P<br />
∆ P = M<br />
P<br />
Tabelul IX.1.21<br />
Semnificaţia atribuită<br />
Rezistenţa la uzură<br />
Identifică durata de<br />
utilizare<br />
Lucrul mecanic de<br />
destrucţie a epruvetei<br />
Curbe caracterisitice:<br />
∆MS (N); �∆P(N)<br />
NC – numărul de cicluri de solicitare până<br />
la rupere
22<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Comportarea materialelor textile la oboseală. Comportarea la oboseală a materialelor<br />
textile se apreciază prin indici de evaluare a efectelor încercării, obiectivi şi subiectivi<br />
(tabelul IX.1.22).<br />
Indicii comportării la oboseală a materialelor textile<br />
Produs textil Indici<br />
Încercări individuale/n < 1 Hz/înregistrarea grafică a curbei Wöhler*; n > 1 Hz<br />
Fibre, fire, ţesături,<br />
tricoturi<br />
Tabelul IX.1.22<br />
Nc, numărul de cicluri de solicitare ce determină destrucţia epruvetei;<br />
Reducerea procentuală a indicilor proprietăţilor tensionale (%);<br />
Aspect: r<br />
Simultan pe grup de fire/n > 1 Hz<br />
Fire Nt proporţia de fire rupte, la timpul t: R(t) = 1 – N(t)<br />
IX.1.2. Metode de măsurare<br />
Metoda de măsurare constituie un ansamblu de principii şi procedee care fundamentează<br />
măsurarea prin utilizarea anumitor mijloace tehnice, conducând la rezultate reprezentative şi<br />
corecte pentru mărimea fizică studiată, la precizia impusă de cerinţele de utilizare.<br />
IX.1.2.1. Clasificarea metodelor de măsurare<br />
Clasificarea în funcţie de precizia şi rapiditatea determinărilor:<br />
● metode de laborator:<br />
– presupun utilizarea mijloacelor de măsurare precise şi sensibile, respectarea condiţiilor<br />
metrologice şi impun calculul erorilor; caracterizează procesele de măsurare cu precizie<br />
ridicată;<br />
– se utilizează în cercetarea ştiinţifică, la etalonarea şi verificarea mijloacelor de<br />
măsurare; la transmiterea unităţii de măsură;<br />
● metode tehnice:<br />
– presupun utilizarea unor mijloace de măsurare robuste, ale căror erori limită sunt<br />
definite prin clasa de precizie;<br />
– conduc la obţinerea rapidă a rezultatelor măsurării, care se pot desfăşura chiar în<br />
timpul procesului tehnologic;<br />
– se aplică în controlul şi reglarea proceselor tehnologice, se caracterizează prin cadenţă<br />
ridicată şi prin încadrarea preciziei de măsurare în limitele impuse.<br />
Clasificarea în funcţie de poziţia mijlocului de măsurare faţă de mărimea de măsurat:<br />
● metode de măsurare prin contact direct, în cadrul cărora instrumentul de măsură<br />
realizează un contact direct cu mărimea de măsurat (măsurarea lungimilor cu micrometrul);<br />
● metode de măsurare fără contact direct, în cadrul cărora atingerea mecanică a măsurandului<br />
nu are loc (metode de măsurare bazate pe principii optice; pneumatice; capacitive;<br />
inductive).
Analize fizico-mecanice 23<br />
Clasificarea în funcţie de numărul de mărimi măsurate:<br />
● metode directe de măsurare, prin intermediul cărora se determină o singură mărime<br />
(cea de măsurat), reprezentate în metrologia textilă prin:<br />
– metoda aprecierii directe, în care mărimea este comparată direct cu unitatea,<br />
materializată sub formă de măsură încorporată în mijlocul de măsurare (determinarea lungimii<br />
fibrelor cu ajutorul unei rigle gradate; cântărirea cu ajutorul balanţei, folosind etaloane de masă);<br />
– metoda diferenţială, în care se măsoară diferenţa dintre mărimea căutată şi o mărime<br />
de referinţă cunoscută, de aceeaşi natură (determinarea rugozităţii suprafeţelor textilelor plane;<br />
determinarea neregularităţii firelor);<br />
– metoda de zero (a echilibrului), în care efectul acţiunii mărimii care se măsoară se<br />
echilibrează manual sau automat prin efectul unei mărimi cunoscute (principiul de măsurare în<br />
punte);<br />
– metoda coincidenţei, în care un şir de repere/semnale uniforme şi determinate se<br />
compară cu un alt şir de repere sau semnale, stabilindu-se poziţionarea reciprocă prin<br />
coincidenţa sau simetria vizuală sau obiectivă (măsurarea timpului, a dimensiunilor, prin<br />
intermediul interpolatorului);<br />
– metoda substituirii, în care mărimea de măsurat este substituită printr-o mărime<br />
cunoscută, constituită de o măsură;<br />
– metoda comparării, în care indicaţiile obţinute pentru mărimea de măsurat sunt<br />
comparate cu cele obţinute, când aceasta este înlocuită de o mărime cunoscută/ etalon;<br />
– metoda deviaţiei, în care valoarea mărimii de măsurat se obţine prin deviaţia unui<br />
element indicator;<br />
– numărarea, în care rezultatul măsurării se obţine printr-un proces de numărare<br />
(determinarea numărului de rotaţii; a numărului de defecte de o anumită formă sau dimensiune);<br />
● metode indirecte de măsurare, prin intermediul cărora se determină două sau mai<br />
multe mărimi, cu ajutorul cărora (în virtutea unei legi/relaţii de definiţie) mărimea de măsurat<br />
este: x = f(x1, x2, ....xn).<br />
Precizia metodelor indirecte de măsurare este dependentă de precizia determinării<br />
mărimilor direct măsurabile şi, deoarece erorile se cumulează, este mai mică decât a metodelor<br />
directe.<br />
Clasificarea în funcţie de modul de indicaţie a mărimii măsurate:<br />
● metode de măsurare analogică, ce se caracterizează prin faptul că fiecărei valori a<br />
mărimii de intrare cuprinse în domeniul de măsurare, îi corespunde o valoare a mărimii de ieşire;<br />
● metode de măsurare numerică, în cadrul cărora domeniul de variaţie al mărimii de<br />
măsurat este cuantificat, astfel încât rezultatul măsurării poate fi afişat numeric sau codificat.<br />
Clasificarea în funcţie de originea sistemului de coordonate:<br />
● metode de măsurare incrementală (relativă), care se efectuează cu mijloace care indică<br />
o mărime ce nu depinde de origine;<br />
● metode de măsurare absolută, care se efectuează cu mijloace ce indică valoarea<br />
mărimii măsurate în raport cu originea, adică în raport cu cota zero.<br />
IX.1.2.2. Metode de măsurare aplicate în metrologia textilă<br />
Metodele de măsurare prin comparaţie sunt bazate pe utilizarea etaloanelor – mărimi<br />
de comparaţie – şi a aparatelor de măsură, în scopul sesizării egalităţii măsurand-etalon;<br />
rezultatul măsurării se exprimă în funcţie de mărimea de comparaţie. Lanţul de măsurare închis<br />
conferă precizie, dependentă de etalon şi de precizia mijlocului de măsurare; procesul de<br />
măsurare este lent, implicând intervenţia operatorului.
24<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Comparaţia simultană/ laborator metrologie: măsurandul este comparat cu una sau<br />
mai multe valori de referinţă ale mărimii de aceeaşi clasă, furnizate de etalon, participă direct la<br />
măsurare (fig. IX.1.1); fluxul informaţional este format din două semnale care circulă simultan<br />
în acelaşi sens, sub cadenţă redusă, cu precizie ridicată; impune ca mijloc de măsurare detectorul<br />
de nul (aparat de comparaţie) cu construcţie simplă şi funcţionare precisă.<br />
Comparaţia succesivă/laborator control: mărimea de referinţă participă la procesul<br />
de etalonare din care rezultă informaţii stocate în memoria mijlocului de măsurare, fiind<br />
retransmise cu ocazia fiecărei măsurări (fig. IX.1.2); procesul de măsurare este precis, cu<br />
cadenţă ridicată şi se pretează la automatizare.<br />
Fig. IX.1.1. Metoda de măsurare prin comparaţie simultană.<br />
Fig. IX.1.2. Metoda de măsurare prin comparaţie succesivă.<br />
Aplicaţii<br />
Comparaţia directă cu mărimea de măsurat: mărimea de măsurat, x, se compară cu o<br />
mărime de aceeaşi specie, y, cunoscută cu precizie determinată, iar în proces se urmăreşte<br />
îndeplinirea condiţiilor: x = y; x – y = 0 (fig. IX.1.3); comparaţia se realizează prin acţiunea<br />
operatorului asupra mărimii y până când detectorul de nul DN indică x – y = 0.<br />
X X-Y=0<br />
Y<br />
Operator<br />
Fig. IX.1.3. Comparaţia directă.<br />
Comparaţia cu un semnal proporţional cu mărimea de măsurat: mărimea de măsurat, x,<br />
se compară cu mărimea de comparaţie, y, prin semnale proporţionale λx şi, respectiv, µy;<br />
măsurarea se realizează prin acţiunea operatorului (fig. IX.1.4) asupra mărimii y şi a<br />
parametrilor λ, µ la îndeplinirea relaţiei λx – µy = 0.
Analize fizico-mecanice 25<br />
Fig. IX.1.4. Comparaţia cu un semnal proporţional.<br />
Comparaţia cu un semnal în funcţie de mărimea de măsurat: se execută conform<br />
relaţiei: f(x) – g(y) = 0, care, prin etalonare, poate fi adusă la forma x = φ(y) (fig. IX.1.5).<br />
Fig. IX.1.5. Comparaţia prin semnale funcţie.<br />
Comparaţia automată: intervenţia asupra mărimii de comparaţie se efectuează cu un<br />
servomecanism, S M, comandat de un circuit de reacţie (fig. IX.1.6).<br />
IX.1.2.3. Categorii de măsurări<br />
Fig. IX.1.6. Comparaţia automată.<br />
În funcţie de regimul de variaţie al mărimilor se disting:<br />
– măsurări statice, caracterizate prin faptul că, în intervalul de timp ∆t, în care se<br />
efectuează măsurarea, măsurandul ia valori constante; toate operaţiile impuse prin metodă pot<br />
fi efectuate; semnalul de ieşire, xe, este de asemenea static, poate fi perceput şi asimilat de către<br />
operator; viteza de măsurare este redusă, iar precizia, ridicată;<br />
– măsurări cvasistatice, caracterizate prin variaţia lentă a măsurandului, în intervalul de<br />
timp ∆t;<br />
– măsurări dinamice, caracterizate prin variaţia rapidă a măsurandului pe tot parcursul<br />
procesului de măsurare, care se reflectă printr-o variaţie rapidă a semnalului de ieşire, Xe;<br />
rezultatul măsurării se obţine prin transformarea semnalului într-o imagine statică sau prin<br />
prelucrarea la formă cât mai convenabilă.<br />
În funcţie de obţinerea şi prezentarea rezultatelor măsurării se disting:<br />
– măsurări analogice, caracterizate prin existenţa relaţiei funcţionale de forma: X e = f(ti),<br />
unde variabila t i este independentă, continuă; pe toată durata procesului de măsurare există
26<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Fig. IX.1.7. Reprezentarea grafică a<br />
cuantificării unui semnal metrologic.<br />
analogia între Xe şi Xi; măsurările analogice se<br />
particularizează prin precizia de redare a variaţiei<br />
valorilor măsurandului, dar şi prin faptul că rezultatul<br />
poate fi afectat de subiectivismul operatorului;<br />
– măsurări numerice, care permit prezentarea<br />
rezultatului măsurării direct sub forma numerică, prin<br />
dispozitivele de afişare; acestea elimină dezavantajele<br />
intervenţiei subiective a operatorului şi conduc la<br />
creşterea preciziei şi a reproductibilităţii măsurării.<br />
Măsurarea numerică presupune:<br />
– cuantificarea, operaţia de divizare a intervalului<br />
de variaţie al mărimii de măsurat într-un număr de<br />
subintervale, denumite cuante, care se exprimă în nivel<br />
sau în timp (fig. IX.1.7, a; b); valoarea instantanee a<br />
semnalului x(t) se exprimă în număr întreg de cuante;<br />
deoarece fracţiunile de cuante se neglijează, iar erorile<br />
de măsurare sunt cu atât mai mici cu cât valoarea<br />
cuantei este mai mică, alegerea cuantei este în funcţie de<br />
precizia impusă /eroarea maximă admisă în procesul de<br />
măsurare;<br />
– codificarea, operaţia de atribuire a unor valori<br />
numerice mărimilor cuantificate şi exprimarea acestora<br />
într-un anumit sistem de numeraţie – codul binar<br />
(fig. IX.1.7).<br />
IX.1.3. Structura mijloacelor de măsurare utilizate<br />
în metrologia textilă<br />
IX.1.3.1. Structuri tipice ale mijloacelor de măsurare<br />
Mijlocul de măsurare constituie un mijloc tehnic ce furnizează informaţii cantitative<br />
asupra mărimilor fizice; metrologia textilă utilizează toate formele de mijloace de măsurare:<br />
– măsuri – mijloace de măsurare care reproduc una sau mai multe valori cunoscute ale<br />
mărimilor fizice, conservă unitatea de măsură şi servesc măsurării asociate /sau nu cu un<br />
aparat;<br />
– aparate de măsură – mijloace de măsurare care transformă mărimea de măsurat X,<br />
într-o mărime perceptibilă Y; pot fi realizate sub formă de comparatoare sau indicatoare;<br />
– instalaţii de măsură – mijloace de măsurare compuse din mai multe măsuri şi aparate,<br />
amplasate în fluxul semnalului sau în afara acestuia, conectate la o sursă de energie necesară<br />
conversiilor; instalaţiile de măsură pot furniza informaţii asupra unei/ mai multor mărimi<br />
fizice;<br />
– sisteme de măsurare – un ansamblu de măsuri, aparate şi instalaţii, interconectate şi<br />
coordonate prin intermediul unui sistem de calcul, în cadrul căruia măsurarea, prelucrarea şi<br />
înregistrarea rezultatelor este automatizată.<br />
Mijloacele de măsurare utilizate în metrologia textilă pot fi: mecanice, optice şi<br />
electronice, cu performanţe de măsurare îmbunătăţite prin utilizarea structurilor combinate.
Analize fizico-mecanice 27<br />
Structura mijloacelor de măsurare prezintă două forme tipice (fig. IX.1.8):<br />
– măsurarea mărimilor active: mijlocul de măsurare preia energia necesară de la<br />
mărimea de măsurat, o dată cu informaţia de măsurare;<br />
– măsurarea mărimilor pasive: mijlocul de măsurare preia energia necesară de la o sursă<br />
exterioară, care o transmite direct sau prin intermediul subansamblului de intrare.<br />
Fig. IX.1.8. Structura mijlocului de măsurare.<br />
Subansamblul de intrare (traductor) converteşte mărimea de măsurat în semnal<br />
(mărime fizică perceptibilă) care se aduce la forma cea mai convenabilă în subansamblul de<br />
prelucrare (adaptor); semnalul prelucrat este introdus în subansamblul de ieşire (emitor), care<br />
prezintă rezultatul măsurării, perceput la operatorul uman sau automat.<br />
Mijloacele de măsurare mecanice formează şi prelucrează semnale de măsurare<br />
mecanice, pneumatice sau hidraulice sub formă de deplasări, deformaţii sau variaţii de<br />
presiune. Aceste semnale rezultă prin conversia mărimilor mecanice (deplasări, viteze, forţe,<br />
cupluri), pneumatice sau hidraulice (presiuni, debite) şi termotehnice. În structura mijloacelor<br />
de măsurare mecanice sursa de energie exterioară poate servi, în unele situaţii, pentru iniţierea<br />
mărimii de măsurat.<br />
Mijloacele de măsurare optice servesc la măsurarea mărimilor geometrice (fig. IX.1.9, a; b);<br />
un mijloc de măsurare optic este format din cel puţin două subansambluri principale: de<br />
poziţionare a mărimii de măsurat (S PM) – mijlocul de poziţionare (MP); subansamblul de<br />
poziţionare a măsurii (S P m) – microscop cu mijloc de poziţionare măsurabilă (MM).<br />
Mijloacele MP şi MM sunt legate rigid şi se deplasează simultan în raport cu mărimea de<br />
măsurat şi măsura, care sunt fixate pe aceeaşi masă.<br />
Mijloacele de măsurare electronice asigură realizarea procesului de măsurare prin<br />
lanţuri metrologice compuse din elemente electronice de o mare diversitate, caracterizate<br />
printr-o structură generală similară (fig. IX.1.10). Procesul de măsurare se realizează în<br />
trei etape: formarea, prelucrarea semnalului electric (cu aducerea acestuia la forma cea<br />
mai convenabilă) şi prezentarea rezultatului măsurării în subansambluri destinate acestor<br />
operaţii.<br />
Formarea semnalului electric se realizează prin conversia mărimii fizice de măsurat în<br />
mărime electrică /tensiune, curent/ realizată prin intermediul traductorului electric. Conversia<br />
se obţine în două moduri:<br />
– la măsurarea mărimilor active, prin transformarea energiei acestora în energie, apoi în<br />
semnal electric; traductoarele folosite în acest scop sunt denumite generatoare;<br />
– la măsurarea mărimilor pasive, pe baza energiei de activare, furnizată de o sursă<br />
exterioară, care interacţionează cu obiectul măsurării; traductoarele folosite în acest scop sunt<br />
denumite traductoare parametrice.
Fig. IX.1.9. Mijloace de măsurare optice:<br />
a – clasificarea subansamblurilor optice de măsurare; b – structura mijloacelor de măsurare optice.<br />
Fig. IX.1.10. Structura mijloacelor de măsurare electronice:<br />
1 – sursă de energie; 2 – măsurand; 3 – traductor; 4 – bloc de prelucrare;<br />
5 – indicator/înregistrator.
Analize fizico-mecanice 29<br />
Traductoarele furnizează:<br />
– semnale analogice (tensiune); curent a cărui variaţie continuă redă proporţional variaţia<br />
mărimii măsurate;<br />
– semnale numerice (discontinue), sub forma unei succesiuni de impulsuri sau combinaţii<br />
de tensiuni, care redau printr-un cod valoarea numerică a mărimii măsurate.<br />
Prelucrarea semnalului electric urmăreşte prezentarea acestuia în forma cea mai<br />
adecvată la operator; constă din operaţii matematice, generare de funcţii, amplificare, conversii<br />
analog-numerice (A-N), numeric-analogice (N-A). Prezentarea rezultatului măsurării constă<br />
din valorificarea informaţiei conţinute de semnalul prelucrat prin: indicare, înregistrare,<br />
semnalizare sau utilizare în procesele de reglare automată; subansamblurile sunt denumite<br />
conform modului de valorificare (indicatoare, înregistratoare, semnalizatoare).<br />
Observaţii:<br />
– semnalul electric (informaţia) se poate valorifica la locul măsurării şi la distanţă faţă<br />
de acesta, ceea ce determină includerea în instalaţia de măsură a unor elemente specifice<br />
transmiterii semnalelor: modulatoare şi demodulatoare de telemăsurare (în frecvenţă); în<br />
impulsuri (canale de telecomunicaţii) cu sau fără fir;<br />
– componentele mijloacelor de măsură electronice se standardizează (emit semnale<br />
unificate) şi acest fapt se reflectă în compatibilitatea şi flexibilitatea acestora (posibilitatea de<br />
diversificare a măsurărilor efectuate); lanţul de măsurare se poate alcătui dintr-o succesiune de<br />
elemente tipizate cu cele mai diferite destinaţii în măsurare;<br />
– domeniul de măsurare se limitează inferior la o valoare diferită de zero şi acest fapt<br />
micşorează impreciziile datorite instabilităţii punctului de zero; în acest fel nu apar probleme<br />
speciale pentru obţinerea unei bune liniarităţi în jurul valorii minime.<br />
Mijloacele de măsurare electronice prezintă avantajul că pot fi interconectate în cadrul<br />
sistemelor de măsurare, utilizate în controlul şi monitorizarea calităţii şi producţiei şi în<br />
reglarea proceselor tehnologice din industria textilă.<br />
Sistemul asigură automatizarea procesului de măsurare şi furnizează rezultatul<br />
măsurării în forma compatibilă cu operatorul/uman sau automat. Automatizarea procesului de<br />
măsurare şi prelucrare a rezultatelor, la nivel de laborator, se prezintă în figura IX.1.11.<br />
Fig. IX.1.11. Schema bloc a unui sistem de măsurare:<br />
1 – măsurand; 2 – traductor; 3 – adaptor; 4 – convertor A/N; 5 – unitate de<br />
calcul; 6 – convertor N/A; 7* – terminale analogice; 7 – terminale numerice.<br />
Monitorizarea asigură informaţiile de producţie/calitate, fără a rezolva neconformităţile<br />
de proces care le-au generat; rezultatele procesului de măsurare sunt emise prin intermediul<br />
terminalelor sistemului de calcul (imprimantă şi monitor video); prin intermediul sistemului de<br />
calcul prezentarea rezultatelor se realizează într-o formă statistică şi grafică performantă şi<br />
adecvată utilizării imediate (control on line).<br />
Reglarea rezolvă neconformităţile procesului tehnologic în raport cu parametrii<br />
controlaţi/în timp real (fig. IX.1.12).<br />
Utilizarea traductoarelor electronice în procesul de control şi reglare automată permite<br />
redresarea perturbaţiilor de proces, fără intervenţia operatorului uman, pe care îl substituie.<br />
Sistemele automate se realizează prin reuniunea a două subsisteme: instalaţia tehnologică<br />
(procesul supus automatizării); dispozitivul de automatizare (DA), care stabileşte algoritmul de
30<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
conducere al procesului. Instalaţia tehnologică supusă perturbaţiilor pi este controlată prin<br />
intermediul mărimii de execuţie m, care determină încadrarea mărimii de ieşire în limitele impuse.<br />
Fig. IX.1.12. Schema bloc a unei instalaţii industriale de control<br />
şi reglare automată.<br />
Dispozitivul de automatizare are în componenţa sa elemente funcţionale cu intrări şi<br />
ieşiri independente, cu rol de măsurare /obţinere a informaţiei despre proces; de amplificare a<br />
acesteia şi de execuţie (fig. IX.1.12); schema bloc cuprinde: elementul de prescriere, EP, ce<br />
fixează programul sistemului automat, referinţa r(t) cu mărimea controlată prin intermediul<br />
traductorului Tr; elementul de amplificare EA; elementul de execuţie EE şi elementul de<br />
corecţie, EC, care asigură o funcţionare corespunzătoare a sistemului.<br />
IX.1.3.2. Subansambluri traductoare<br />
Traductoarele transformă mărimea fizică de măsurat în semnal (mărime fizică perceptibilă);<br />
în funcţie de poziţia faţă de mărimea de măsurat, acestea se clasifică în:<br />
– traductoare primare – realizează o singură conversie şi funcţionează în condiţiile<br />
specifice în care se găseşte mărimea de măsurat (prin contact direct sau fără contact cu aceasta);<br />
– traductoare complexe – formate dintr-un traductor primar şi un (sau mai multe)<br />
traductor secundar, care nu vine în contact direct cu mărimea de măsurat şi are rolul de a aduce<br />
semnalul la forma cea mai adecvată pentru procesul de măsurare.<br />
Mijloacele de măsurare utilizate în domeniul metrologiei textile conţin în structură<br />
traductoare primare mecanoelastice, optice şi electronice şi traductoare complexe formate din<br />
combinaţiile acestora (tabelul IX.1.23).<br />
Mărimi de intrare<br />
X<br />
Mărimi de ieşire<br />
Y<br />
Traductoare primare în structura mijloacelor de măsurare utilizate<br />
în metrologia textilă<br />
Traductoare mecanoelastice* Traductoare optice<br />
Mărimi mecanice,<br />
termotehnice, hidraulice<br />
Mărimi mecanice: deplasare<br />
longitudinală; unghiulară;<br />
deformaţie<br />
Mărimi mecanice:<br />
geometrice; compoziţie<br />
Mărimi mecanice/<br />
geometrice (comparaţie<br />
directă)<br />
Tabelul IX.1.23<br />
Traductoare<br />
electronice<br />
Orice categorie de<br />
mărimi fizice<br />
Tensiune; curent;<br />
impuls<br />
Traductoare mecanice. Traductoarele mecanice pot fi realizate sub formă de traductoare<br />
directe sau complexe, cu funcţionare în regim static, şi ca traductoare parametrice, în regim<br />
dinamic – modifică un parametru al lanţului de măsurare (pneumatic sau hidraulic), în funcţie<br />
de variaţia mărimii de intrare.
Analize fizico-mecanice 31<br />
Traductoarele mecanice se utilizează în procese de măsurare (reglare) pentru:<br />
– mărimi de intrare mecanice: deplasări, viteze, mase, forţe, momente, tensiuni;<br />
– mărimi de intrare termotehnice: presiuni, debite, temperaturi, umidităţi relative ale<br />
aerului.<br />
Mărimile de ieşire, furnizate ca deplasări liniare sau unghiulare, presiuni constante sau<br />
variabile se utilizează direct în sisteme de măsurare mecanice sau mecanohidraulice sau prin<br />
transformare în mărimi electrice, în cadrul unor traductoare complexe (cu componente secundare<br />
electronice).<br />
Traductoarele mecanice materializează principii din mecanică şi hidraulică şi se<br />
regăsesc în structura unor aparate şi instalaţii pentru:<br />
– controlul calităţii produselor textile – în regim de funcţionare static, cvasistatic, dinamic;<br />
– controlul şi reglarea automată a parametrilor proceselor tehnologice de obţinere a<br />
acestora – în regim de funcţionare dinamic.<br />
Clasificarea sistematică a traductoarelor mecanice (tabelul IX.1.24) se realizează după<br />
principii de funcţionare şi domenii de utilizare.<br />
Clasificarea sistematică a traductoarelor mecanice<br />
Tipul de traductor Principiul constructiv<br />
1 2<br />
1. Traductor de distanţă Cu acţiune directă/hidraulic<br />
Tabelul IX.1.24<br />
1<br />
Xe= p<br />
2 0<br />
1+ kXi<br />
Xe – presiunea măsurată la ieşire, cu A;<br />
Xi – ∆D(variaţia dimensiunii testate);<br />
k – coeficient de proporţionalitate,<br />
dependent de:<br />
α – coeficient de debit;<br />
D – dimensiunea duzelor;<br />
µ – coeficientul de contracţie al aerului;<br />
ε – compresibilitatea aerului.<br />
Utilizare: în construcţia comparatoarelor, ca traductor de grosime/benzi, preparaţia filaturii<br />
2. Traductoare mecanoelastice de forţă / cuplu Bare elastice<br />
1 – bara dublu rezemată<br />
3<br />
l<br />
Xe= f = F<br />
48EI<br />
2 – bara încastrată<br />
3<br />
l<br />
Xe= f = F<br />
3EI<br />
3 – bara dublu încastrată<br />
3<br />
l<br />
Xe= f = F<br />
192EI<br />
f – deplasarea barei în dreptul forţei;<br />
E – modul de elasticitate transversal;<br />
I – momentul de inerţie al barei.<br />
Utilizare: traductoare electronice de forţă, maşini de încercat la tracţiunie cu dF/dt =const
32<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.24 (continuare)<br />
3. Traductoare mecanoelastice de forţă / cuplu 1 – arc elicoidal; 2 – arc spiral plan<br />
3<br />
8D n<br />
1. Xe= f = F<br />
4<br />
Gd<br />
l<br />
2. Xe=ϕ= M<br />
EI<br />
G, E – modul de elasticitate longitudinal,<br />
respectiv, transversal;<br />
n – numărul de spire; l – lungimea arcului;<br />
φ – săgeata unghiulară a extremităţii arcului;<br />
I – moment de inerţie axial.<br />
Utilizare: în construcţia dinamometrelor cu arc; în construcţia balanţelor de torsiune<br />
4. Traductor de presiune Cu coloană de lichid<br />
p1−p Xe = h 2<br />
1+ h2<br />
=<br />
γ<br />
p1 – presiunea de măsurat/ Xe;<br />
γ – greutatea specifică a lichidului.<br />
Utilizare: manometre, aparate pentru determinarea permeabilităţii la aer; fineţii fibrelor<br />
5. Traductoare mecanice de presiune cu membrană<br />
1 – membrană elastică plană:<br />
pentru săgeţi mici:<br />
Xe = (1/A)·(XiR 4 /Eh 3 )<br />
h – grosimea membranei;<br />
E – modulul de elasticitate al<br />
membranei;<br />
2 – membrană metalică cu<br />
centru rigid şi arc:<br />
Xe = F = πR 2 Xi<br />
Xi = p<br />
Utilizare: în construcţia barometrelor, a aparatelor pentru determinarea rezistenţei la plesnire<br />
6. Traductoare mecanice de presiune Cu tub<br />
1 – cu tub elicoidal:<br />
Xe = K·R·Cp<br />
2; 3 – cu tub în formă de S,<br />
respectiv cu tub gofrat:<br />
Xe = Cp<br />
R – raza medie a tubului;<br />
K – variaţia relativă a<br />
unghiului la centru al<br />
tubului;<br />
C – coeficient ce depinde de<br />
geometria tubului.<br />
Utilizare: în construcţia aparatelor pentru măsurarea presiunii
Analize fizico-mecanice 33<br />
1 2<br />
7. Traductor mecanic de temperatură Dilatometric, cu tijă<br />
Xe = l(α 1 – α 2)·∆t<br />
l – lungimea tijei<br />
Utilizare: în construcţia termometrelor destinate măsurării temperaturilor de proces<br />
8. Traductor mecanic de temperatură<br />
Utilizare: în construcţia termohigrografelor<br />
Tabelul IX.1.24 (continuare)<br />
1 – cu lamă bimetalică rectilinie; spirală:<br />
Xe = f = 3/4(α 1 – α 2)· ·I 2 /h·∆t<br />
2 – cu lamă bimetalică spirală:<br />
Xe = 3/2(α1 – α 2) ·I/h·∆t<br />
α – coeficienţii de dilatare liniară ai<br />
componentelor lamei bimetalice;<br />
h 1,2 – grosimile respective ale celor două lame;<br />
h = h1 + h 2<br />
Traductoare electronice. În construcţia mijloacelor de măsurare electronice, elementele<br />
sensibile (senzorii) sunt componentele cu cea mai diversificată structură, determinată atât de<br />
diversitatea mărimilor fizice asupra cărora se efectuează măsurările cât şi de a principiilor<br />
fizice ce pot fi utilizate în măsurare.<br />
Clasificarea mijloacelor de măsurare electronice se realizează în funcţie de:<br />
– principiul de conversie al mărimii fizice aplicate la intrare: parametrice, generatoare;<br />
– natura mărimii fizice de măsurat: denumirea domeniului de aplicaţie (deplasare,<br />
viteză, forţă), cunoaşterea acestora fiind importantă pentru constructor precum şi pentru<br />
utilizator/în realizarea şi adoptarea mijloacelor de măsurare cu performanţe adecvate.<br />
Traductoare parametrice. Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sunt<br />
destinate măsurării mărimilor pasive, care realizează conversia prin intermediul unei energii<br />
prelevate de la o sursă exterioară. Denumirea de elemente sensibile parametrice se justifică<br />
prin aceea că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia unui parametru electric de<br />
circuit (rezistenţă, inductanţă, capacitate).<br />
Variaţia parametrilor este evidenţiată prin modularea tensiunii (curentului) furnizate de<br />
sursa de energie exterioară, printr-un semnal electric care reproduce variaţiile mărimii de<br />
măsurat.<br />
Conversia mărimilor neelectrice în semnale electrice se bazează pe legi fizice, care<br />
exprimă dependenţa parametrilor faţă de mărimea fizică de măsurat; parametrii sunt: rezistenţa<br />
electrică R a unui conductor, inductanţa L a unei bobine şi capacitatea C a unui<br />
condensator, iar mărimea acestora poate fi influenţată de mărimi geometrice, mecanice şi<br />
fizice (tabelul IX.1.25):<br />
– variaţia geometriei determină variaţia parametrilor – principiu utilizat în determinarea<br />
mărimilor geometrice/a deplasărilor, nivelului, grosimii; control dimensional;
34<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
– variaţia geometriei sub acţiunea mărimilor mecanice (forţe, momente, acceleraţii,<br />
vibraţii) determină variaţii ale parametrilor – principiu utilizat în determinarea mărimilor<br />
mecanice – prin asocierea componentelor electronice cu componente auxiliare: elemente<br />
elastice, amortizoare;<br />
– variaţia parametrilor sub acţiunea agenţilor şi factorilor fizici externi – principiu<br />
utilizat în determinarea temperaturii, umidităţii, concentraţiei, câmpurilor electrice şi magnetice.<br />
Elemente sensibile pentru traductoare parametrice<br />
Tabelul IX.1.25<br />
Principiul fizic Semnificaţia termenilor din relaţie U.M.<br />
Rezistenţa electrică a unui conductor omogen<br />
R = ρ·l/s ρ – rezistivitatea conductorului; l – lungimea acestuia;<br />
s – secţiune conductorului.<br />
Inductanţa unei bobine<br />
n<br />
2 l<br />
L = N / k ∑ µ<br />
k 1 ks = k<br />
N – numărul de spire; lk, sk – lungimea; secţiunea elementelor<br />
circuitului magnetic; µk – permeabilitatea magnetică.<br />
Capacitatea unui condensator<br />
C = ε·S/d ε – permitivitatea dielectrică; S – suprafaţa electrozilor;<br />
d – distanţa dintre electrozi.<br />
W·m; m; m 2<br />
m; m 2 ; H/m;<br />
F/m; m 2 ; m<br />
În procesul de măsurare, conversia (modularea) se realizează cu consum de energie de<br />
la sursa externă, ce trebuie menţinut la valori minime, pentru asigurarea sensibilităţii şi<br />
preciziei. În instalaţiile şi sistemele de măsurare specifice metrologiei textile se utilizează<br />
frecvent traductoarele parametrice (tabelele IX.1.26 şi IX.1.27).<br />
Clasificarea traductoarelor parametrice utilizate în determinarea<br />
mărimilor fizice (textile)<br />
Traductor parametric/principiul fizic de conversie Mărimi măsurate<br />
1 2<br />
Rezistiv R<br />
Variaţia lungimii conductorului, numărului de spire ale unui<br />
rezistor bobinat<br />
Tabelul IX.1.26<br />
Deplasări liniare/unghiulare;<br />
Grosimi; niveluri<br />
Variaţia cu temeperatura /termorezistenţe şi termistoare Temperatură; umiditate gaze;<br />
Concentraţie amestec gaze;<br />
Viteză / debit gaze<br />
Variaţia rezistivităţii sub acţiunea câmpului magnetic/efect Câmp magnetic; inducţie<br />
Gauss<br />
Variaţia rezistivităţii sub acţiunea radiaţiilor fotorezistenţe,<br />
fotoelemente<br />
Variaţia lungimii, secţiunii şi rezistivităţii / asociere cu elemente<br />
mecanoelastice (tensorezistenţe, piezorezistenţe)<br />
Intensitate; flux luminos;<br />
deplasări<br />
Forţă / presiune; deformaţie;<br />
Momente; cupluri<br />
Variaţia rezistivităţii prin procese chimice Concentraţii; umiditate
Analize fizico-mecanice 35<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.26 (continuare)<br />
Inductiv (L) / *parametrul variabil poate fi şi inductivitatea mutuală între două bobine<br />
Variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii în circuitul<br />
magnetic prin deplasarea unei armături feromagnetice întrefier<br />
variabil, miez mobil<br />
Variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii unor porţiuni din<br />
circuitul magnetic prin asociere cu elemente elastice,<br />
amortizoare, mase<br />
Variaţia permeabilităţii magnetice sub acţiunea unor forţe<br />
(magnetostricţiune)<br />
Capacitiv (C)<br />
Variaţia distanţei sau a suprafeţei comune a armăturilor prin:<br />
deplasare, deformare; *Idem, prin asociere cu un element elastic<br />
Deplasări liniare/unghiulare;<br />
Dimensiuni; grosimi; niveluri<br />
Viteză; acceleraţie; vibraţii<br />
Forţe/presiuni/deformaţii<br />
Deplasări liniare; unghiulare;<br />
presiune; altitudine<br />
Variaţia permitivităţii dielectricului Niveluri; grosimi; umiditate;<br />
densitate liniară<br />
Traductoare parametrice<br />
I. Traductoare parametrice rezistive: R = f(s)<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.27<br />
1. Marca tensometrică R = f(s)<br />
Marca tensometrică de rezistenţă<br />
R = ρ· 1/ A<br />
supusă deformaţiei relative ∆· 1/ l prezintă o<br />
variaţie relativă de rezistenţă:<br />
DR / R = K·D· l / l<br />
K = 1 – 2µ + c(1 – 2µ)<br />
denumit factor de marcă sau sensibilitate<br />
Utilizare: măsurare deformaţii, forţe, momente; în construcţia dinamometrelor şi tensometrelor<br />
2. Marca piezorezistivă ρ = f(p)<br />
ρ = 1/neµ<br />
n – numărul purtătorilor de sarcină;<br />
µ – valoarea coeficientului Poisson; factorul<br />
de marcă este: G = (1/ε)·(∆ρ/ρ)<br />
Utilizare: determinarea presiunilor<br />
3. Traductoare magnetorezistive efect Gauss: R = f(B)<br />
în banda semiconductoare<br />
Rezistenţa electrică longitudinală a benzii<br />
este RB = R 0(1 + kB 2 ); utilizat pentru B > 0;<br />
Sensibil la variaţia de temperatură; se<br />
instalează în montaj diferenţial.<br />
Utilizare: senzori de distanţă; unghi; turaţie
36<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.27 (continuare)<br />
4. Traductoare fotorezistive 1 – fotorezistenţe: joncţiune p-n<br />
Efect fotoelectric intern: R= f (Φ);<br />
Fotorezistenţa se realizează cu<br />
semiconductoare/joncţiuni p-n cu: Se; SPb;<br />
CdSe<br />
2 – fotodiodă: joncţiune p-n, polarizată<br />
invers<br />
Sub acţiunea unui flux luminos variabil, regim de fotoconducţie la bornele Rs, semnal electric:<br />
Us = kF<br />
3 – fototranzistoare<br />
Dispozitiv echivalent asocierii a două<br />
joncţiuni:<br />
– colector, C; bază, B, polarizată invers;<br />
– emitor, E; bază, B, polarizată direct;<br />
Iluminarea joncţiunii C-B deschide<br />
tranzistorul; creşterea curentului diodei<br />
amplifică semnalul din baza tranzistorului;<br />
semnalul de ieşire este un curent amplificat,<br />
fără amplificator.<br />
Utilizare: măsurarea radiaţiilor optice; reglaje în funcţie de iluminare; numărare<br />
Domeniul textil: componente în instalaţii de măsură, control şi reglare optoelectronice.<br />
5.1. Termorezistenţă: conductor 5.2. Termistor: semiconductor<br />
R = R 0 (1 + αt + βt 2 ) unde:<br />
R 0 – rezistenţa termistorului la temperatura 0 K;<br />
α, β – constante de material;<br />
t – temperatura mediului controlat [ o C]<br />
Utilizare: măsurare temperaturi: (–200...1000 o C); (–70...300 o C)<br />
Domeniul textil: controlul şi reglarea t o C – ca parametru de proces<br />
R = a·e b/T<br />
unde: a, b – constante de material;<br />
T – temperatura absolută<br />
Dimensiunile (F max = 5 mm) reduc inerţia<br />
termică
Analize fizico-mecanice 37<br />
1 2<br />
II. Traductoare parametrice capacitive: C = ε·S/d<br />
Tabelul IX.1.27 (continuare)<br />
1. Cu variaţia distanţei dintre electrozi 2. Cu variaţia dielectricului / gradului de umplere<br />
Caracteristica statică liniară/montaj diferenţial: Capacitatea condensatorului cu dielectric<br />
stratificat este:<br />
U1 = (U0/2d)(d + δ)<br />
CoC0εε C<br />
0<br />
x = =<br />
λ 1 −λ<br />
+<br />
ε0λ+ε(1 −λ)<br />
ε ε<br />
U2 = (U0/2d)(d – δ) Sensibilitatea traductorului este:<br />
Ue = δ·(U0/d) ∆Cx λ 1 λ<br />
= −<br />
C 1−λ ε1−λ Utilizare: măsurarea forţelor, tensiunilor şi<br />
coeficientului de frecare<br />
0<br />
0<br />
Utilizare: măsurarea neregularităţii structurale; sisteme<br />
de control şi reglare automată a titlului debitat<br />
Traductoare generatoare. Elementele sensibile de tip generator /energetice sunt<br />
utilizate în cazul mărimilor active, asociate cu putere; sursele de energie auxiliară nu mai sunt<br />
necesare, conversia fiind asigurată sub acţiunea mărimii de intrare; traductorul furnizează la<br />
ieşire: curent, tensiune, sarcină electrică, dependente de mărimea de intrare.<br />
Curentul, tensiunea sau sarcina electrică sunt semnale de ieşire asigurate prin transfer<br />
parţial de energie realizat prin conversie; pentru a reduce erorile de măsurare, se impune ca<br />
semnalele de ieşire să se realizeze cu un consum de putere cât mai redus.<br />
Traductoarele generatoare au o largă utilizare în sistemele de măsurare deoarece<br />
instalaţiile de măsură care le încorporează au o structură simplă şi robustă; construcţia<br />
traductoarelor generatoare se bazează pe fenomene ca inducţie electromagnetică, termoelectricitate,<br />
piezoelectricitate şi magnetostricţiune (tabelul IX.1.28).<br />
Clasificarea elementelor sensibile electrice de tip generator<br />
Tabelul IX.1.28<br />
Traductor parametric/principiul fizic de conversie Mărimi măsurate<br />
1 2<br />
Electromagnetic(de inducţie)<br />
Tensiune electromotoare de inducţie<br />
Termoelectric<br />
Tensiune termoelectromotoare de contact între două metale diferite<br />
Viteză de rotaţie; debit de<br />
fluide; vibraţii<br />
Temperatura
38<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tabelul IX.1.28 (continuare)<br />
1 2<br />
Piezoelectric<br />
Polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe/presiuni<br />
Magnetostrictiv<br />
Tensiune electromotoare de inducţie/variaţia inducţiei remanente sub<br />
acţiunea unei forţe/presiuni asupra materialelor magnetice<br />
Electrochimic<br />
Tensiune electromotoare între electrozi/ soluţii cu concentraţii diferite<br />
Fotoelectric (fotovoltaic)<br />
Curent electric/prin efect fotoelectric extern, sub acţiunea radiaţiei<br />
luminoase<br />
Forţe /presiuni<br />
dinamice; statice<br />
Forţe /presiuni<br />
dinamice; statice<br />
Concentraţia ionilor de<br />
hidrogen; (pH)<br />
Deplasări liniare sau<br />
unghiulare;<br />
Dimensiuni; turaţii<br />
Pentru aceeaşi mărime există mai multe tipuri de traductoare; opţiunea pentru un<br />
anumit tip de traductor se face în funcţie de intervalul de variaţie al mărimii măsurate, de<br />
accesibilitatea faţă de proces, de factorii de mediu, de performanţele impuse măsurării şi de<br />
factorii economici; aceste principii au stat la baza selecţionării, pentru instalaţiile de măsurare<br />
utilizate în domeniul metrologiei textile, a traductoarelor prezentate în tabelul IX.1.29.<br />
Traductoare generatoare<br />
Tabelul IX.1.29<br />
1. Traductoare transformatoare<br />
1 2<br />
1. Simplu<br />
Fluxul magnetic produs la alimentarea bobinei<br />
primare induce în bobina secundară tensiunea<br />
electromotoare:<br />
e = – N2 dΦ/dt = –(N1N2µ 0Aδ –1 )di/dt = C·Aδ –1<br />
Caracteristica statică este neliniară; sensibilitate<br />
variabilă<br />
2. Diferenţial<br />
Traductorul transformator diferenţial, compus din<br />
bobina primară şi două bobine secundare conectate în<br />
sens contrar, determină un semnal de ieşire, Us, proporţional<br />
cu deplasarea miezului faţă de axa de simetrie:<br />
US = U35 – U45=2kx·Up(N2/N1) Caracteristica statică este liniară; sensibilitatea<br />
constantă<br />
2. Tahogeneratoare<br />
1. Tahogenerator monofazat *de tensiune alternativă<br />
Tensiunea electrică este generată prin inducţie<br />
magnetică (circuit – magnet permanent mobil).<br />
Tahogeneratorul: o micromaşină electrică, de c.c. sau<br />
de c.a., caracterizată prin proporţionalitatea dintre<br />
tensiunea la borne (la mers în gol) şi turaţie:<br />
U = Xe = K·n<br />
Amplitudinea tensiunii semnal se determină prin<br />
redresare în punte şi formarea valorii medii.
Analize fizico-mecanice 39<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
2. Tahogenerator trifazat<br />
Tensiunea de ieşire redresată are doar o mică<br />
ondulaţie reziduală; inductorul este un rotor cu poli<br />
aparenţi, alternativi; statorul are un număr egal de<br />
poli, repartizaţi uniform pe circumferinţă.<br />
Utilizare: măsurarea turaţiilor în limitele: nmax = 2000 rot/min (c.c.) sau 3000 rot/min (c.a.);<br />
componente în instalaţii de control şi reglare a parametrilor de proces în textile<br />
3.1. Temocuplul<br />
3. Traductoare termoelectrice şi piezoelectrice<br />
Tensiunea termoelectromotoare este generată<br />
prin efect Seebeck, între punctul de sudură a<br />
două metale (t) şi capetele libere (t 0) plasate<br />
în gradient de temperatură, fiind proporţională<br />
cu acesta:<br />
U T = K T (t – t 0)<br />
unde: K·T – sensibilitatea termică (depinde<br />
de natura metalelor utilizate);<br />
K T = k/e·ln (n b / na)<br />
k – constanta lui Boltzmann; e – sarcina<br />
elementară; na; nb – concentraţia electronilor<br />
în cele două componente ale termocuplului.<br />
Utilizare: determinarea temperaturii ca parametru de proces (–200...13000 o C)<br />
Domeniul textil: determinarea temperaturilor de proces; sensibil şi precis; în construcţia instalaţiilor<br />
pentru determinarea conductivităţii şi a capacităţii de izolare termică a materialelor textile<br />
3.2. Senzori piezoelectrici<br />
Tensiunea mecanică aplicată pe direcţia<br />
axei electrice cauzează fenomene de<br />
polarizare şi apariţia de sarcini electrice<br />
pe suprafaţa cristalelor de cuarţ şi<br />
titanat de bariu:<br />
Q = kP⋅F<br />
kP – constanta piezoelectrică sau<br />
piezomodul, cu valori în limitele 2,10-<br />
12.....2,10-10 A s/ N.<br />
Domeniu de utilizare: în construcţia accelerometrelor (acceleraţii, valori până la 106 m⋅s –2 şi vibraţii<br />
sinusoidale cu f = 2-104 Hz);<br />
Domeniul textil: testarea elementelor constructive ale maşinilor textile (regim dinamic); utilizarea<br />
lor în regim static impune utilizarea amplificatoarelor de sarcină
40<br />
5.1. Senzor Hall<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
1 2<br />
4. Traductoare magnetostrictive<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
Tensiunea indusă apare la modificarea caracteristicii<br />
de histereză, prin compresie/întindere.<br />
În circuitul magnetic format din material magnetostrictiv<br />
modificarea permeabilităţii magnetice, µ,<br />
sub acţiunea forţei/presiunii determină variaţia<br />
inducţiei B şi induce tensiune în bobina asociată.<br />
Variaţia inducţiei sub acţiunea forţei F induce<br />
tensiunea e.<br />
Amplificatorul operaţional cu reacţie capacitivă<br />
permite integrarea semnalului tensiune Ue:<br />
e = n·cdBr/dt = n·c·CB·σ/dt<br />
5. Traductoare magnetoelastice<br />
Br<br />
∫<br />
Ue = 1/ RC e⋅ dt = 1/ RCncCBσ<br />
Br<br />
0<br />
Variaţia permeabilităţii magnetice în funcţie de<br />
starea de tensiune mecanică determină modificarea<br />
coeficientului de cuplaj între bobine (compresia<br />
determină scăderea permeabilităţii, pe direcţia de<br />
aplicare, şi fluxul creşte în plan transversal; astfel<br />
are loc creşterea tensiunii induse în secundar, Ue)<br />
Utilizare: în instalaţii de măsură pentru<br />
determinarea forţelor şi presiunilor variabile, în<br />
regim de frecvenţă ridicat (elementele<br />
magnetostrictive din ferită)<br />
Variaţiile câmpului de inducţie magnetică B sunt<br />
convertite de banda semiconductoare de grosime d,<br />
prin care trece curentul longitudinal, de comandă,<br />
I, în impulsuri de tensiune, transversale (tensiune<br />
Hall)<br />
UH = RH⋅IB/d<br />
Valoarea tensiunii Hall este independentă de<br />
temperatură (la valori uzuale, semiconductor<br />
realizat cu GaAs).<br />
Utilizare: senzori pentru distanţe; unghiuri; turaţii/<br />
monitorizarea frecvenţei ruperilor la maşinile de<br />
filat
6.1. Cu reluctanţă variabilă<br />
6.2. De inducţie<br />
Analize fizico-mecanice 41<br />
1 2<br />
6. Traductoare de turaţie (în frecvenţă)<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
Elementul sensibil, compus dintr-un magnet<br />
permanent prelungit cu un miez de fier, pe care este<br />
înfăşurată o bobină, este plasat la periferia unui disc<br />
de material feromagnetic.<br />
Discul, prevăzut cu proeminenţe sau fante, este<br />
montat pe axul a cărui turaţie se determină.<br />
Reluctanţa este minimă când dintele se plasează în<br />
prelungirea miezului; reluctanţa este maximă când în<br />
prelungirea miezului se află un spaţiu liber (dinte,<br />
spaţiu liber = reper).<br />
Variaţia reluctanţei magnetice determină variaţia<br />
fluxului magnetic, care induce în bobină tensiunea<br />
Ue (t); la o rotaţie a discului, se obţine un număr de<br />
impulsuri egal cu numărul de repere<br />
Discul D (material feromagnetic), fixat pe axul<br />
în mişcare de rotaţie, realizează, prin fantă,<br />
cuplajul magnetic între bobine, determinând<br />
funcţionarea oscilatorului magnetic.<br />
Tensiunea U0 (frecvenţă înaltă), furnizată de<br />
acesta, este detectată/filtrată în blocul D+F, la<br />
ieşirea căruia semnalul variază în limitele<br />
UF = Umax; UL=Umin.<br />
Distanţa dintre bobine este de ordinul<br />
milimetrilor, pentru deschiderea cuplajului.<br />
6.3.Cu senzor magnetic comutator, SMC (efect Hall)<br />
Senzorul funcţionează cu ecranarea (concentrarea)<br />
câmpului magnetic.<br />
SMC şi magnetul permanent sunt aşezaţi de o parte şi<br />
de alta a discului (1) sau de aceeaşi parte (2), astfel<br />
distanţaţi încât să se poată atinge pragul de<br />
deschidere al senzorului.<br />
1. Partea plină a discului ecranează câmpul magnetic<br />
şi blochează senzorul; decuparea deschide<br />
senzorul;<br />
2. Partea plină a discului concentrează liniile de<br />
câmp în dreptul elementului Hall, determinând<br />
creşterea inducţiei magnetice (senzorul este plasat<br />
în câmp de joasă intensitate, insuficient pentru<br />
deschiderea sa).<br />
La ieşirea din adaptor se obţin semnalele Ue, nivel<br />
logic 0/senzor deschis; Ue, nivel logic 1/senzor<br />
blocat (3)
42<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
7.1. Traductoare de radiaţii termice<br />
7.2. Traductoare de radiaţii radioactive<br />
Detector cu semiconductor<br />
Camera de ionizare<br />
Detector cu joncţiune p-n<br />
1 2<br />
7. Traductoare generatoare / de radiaţii<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
Temperatura unui corp se determină prin măsurarea<br />
radiaţiei emise, dacă se cunoaşte coeficientul total de<br />
emisie. Pirometrele de radiaţie totală sunt prevăzute<br />
cu termocuplu şi determină echilibrul dintre energia<br />
radiantă emisă E (corespunzătoare unei suprafeţe<br />
determinate a corpului radiant, la temperatura T) şi<br />
căldura evacuată.<br />
La echilibru se îndeplineşte condiţia:<br />
Kd(Td – T 0) = KST 4<br />
Termocuplul converteşte diferenţa de temperatură în<br />
semnal tensiune, proporţional cu T 4<br />
Radiaţiile incidente ionizează mediul activ gazos,<br />
armăturile camerei de ionizare; curentul este<br />
proporţional cu numărul de perechi de ioni din<br />
unitatea de volum (intensitatea radiaţiei incidente).<br />
Camerele de ionizare funcţionează în regim de<br />
impulsuri; constanta de timp τ = RC este mai mică<br />
decât intervalul de timp dintre două particule.<br />
Radiaţia incidentă creează în plăcuţa de<br />
semiconductor un număr de purtători de sarcină<br />
proporţional cu intensitatea sa (energia de activare<br />
este mai mică decât în cazul precedent).<br />
Se utilizează semiconductoare cu ρ > 10 8 Ω·cm<br />
Detectorul este realizat asemănător unei fotodiode<br />
(joncţiune p-n polarizată invers), cu tensiunea de<br />
alimentare mai mică decât tensiunea de străpungere.<br />
Joncţiunea se caracterizează prin regiunea mai mare<br />
a sarcinii spaţiale, care este mai aproape de suprafaţă,<br />
iar fereastra detectorului are o grosime neglijabilă<br />
8. Traductoare generatoare cu elemente fotovoltaice: efect fotoelectric extern, U = KF<br />
8.1. Celule fotoelectrice<br />
Dispozitiv semiconductor (joncţiune p-n cu Si, Ge,<br />
Se) echivalent cu o sursă în paralel cu rezistenţa de<br />
sarcină Rs.Fotocurentul generat de purtătorii de<br />
sarcină depinde de aria fotosensibilă, iluminare şi<br />
rezistenţa de sarcină, Rs.T.e.m. la borne este<br />
independentă de aria fotosensibilă şi variază<br />
logaritmic cu iluminarea
8.2. Fotomultiplicatoare<br />
Analize fizico-mecanice 43<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
Tuburi fotoemisive cu mai mulţi electrozi /<br />
dinozi (din Ag-Mg; Be-Cu) alimentaţi pe o<br />
reţea divizoare de tensiune, care determină<br />
amplificarea în trepte a emisiei<br />
fotoelectronice/secundară/datorită potenţialului<br />
pozitiv, crescător.<br />
Amplificarea de curent rezultată este de<br />
10 5 -10 7 , factorul de amplificare fiind:<br />
M=N g,<br />
unde: N – numărul de dinozi;<br />
g – factorul de emisie secundară determinat de<br />
natura electrodului şi de energia cinetică a<br />
electronilor incidenţi.<br />
Utilizare: traductoare de mărimi caracteristice<br />
radiaţiilor luminoase; traductoare de mărimi<br />
neelectrice, funcţionând pe principiul<br />
modulării unui flux luminos.<br />
9. Traductoare în frecvenţă, cu elemente fotoelectrice (cu modulator de flux luminos)<br />
a. Prin întrerupere<br />
Sursa de radiaţii luminoase SR / spectru vizibil; IR şi<br />
elementul fotoelectric EF sunt plasate simetric faţă<br />
de discul opac cu perforaţii, fix pe axa în mişcare de<br />
rotaţie, la distanţă de ordinul milimetrilor.<br />
Alinierea SL cu fanta formează impulsuri luminoase<br />
care se convertesc la nivelul EF în impulsuri de<br />
tensiune, de frecvenţă egală cu produsul dintre turaţia<br />
axului şi numărul de orificii.<br />
b. Prin reflexie<br />
– cu repere reflectorizante (plasate direct pe ax,<br />
când acesta o permite)<br />
Reperele sunt realizate cu vopsea / bandă<br />
reflectorizantă; sursa de lumină, SL, şi elementul<br />
fotosensensibil, EF, sunt plasate simetric faţă de<br />
reper, încât asigură încidenarea acesteia din urmă de<br />
spotul reflectat. Impulsurile luminoase de frecvenţă<br />
egală cu produsul dintre turaţia axului şi numărul de<br />
repere sunt convertite în EF în impulsuri de tensiune<br />
– cu repere reflectorizante (plasate pe un disc, când<br />
axul nu permite)<br />
Reperele sunt porţiuni reflectorizante plasate pe<br />
circumferinţa unui disc fixat pe axul în mişcare de<br />
rotaţie; sursa de lumină, SL, lentilele de focalizare, L1<br />
şi L2 şi elementul fotosensibil, EF, sunt capsulate în<br />
sonda sau capul de citire care se plasează la distanţă<br />
de ordinul centimetrilor faţă de piesa aflată în<br />
mişcare de rotaţie
44<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.29 (continuare)<br />
Semnalul de ieşire, obţinut prin conversia<br />
impulsurilor luminoase, este o tensiune<br />
cvasidreptunghiulară, ce corespunde porţiunilor<br />
reflectorizante.<br />
Traductoarele de turaţie cu elemente fotoelectrice se<br />
pot cupla atât cu adaptoare analogice cât şi cu<br />
adaptoare numerice; sunt foarte răspândite<br />
Utilizare: măsurarea turaţiilor<br />
c. Interferometrul laser<br />
Lumina monocromatică produsă de un laser este<br />
scindată în raza de măsurat şi raza de comparaţie prin<br />
oglinda semitransparentă, în punctul A.<br />
Raza de măsurat 1 şi raza de comparaţie 2 sunt<br />
returnate în punctul B, unde formează benzile de<br />
interferenţă, analizate de fotodetectorii D. Deplasarea<br />
reflectorului de măsurare este percepută ca muliplu<br />
de λ/4 prin trecerea franjelor de la maxim la minim;<br />
în fotodetectorii D se formează semnale sinusoidale,<br />
a căror frecvenţă poate fi determinată cu ajutorul<br />
unui numărător electronic.<br />
Precizia determinărilor depinde de precizia sursei /<br />
lungimea de undă, l, şi de mediu. Variaţia de distanţă<br />
rezultă sub forma:<br />
2d = λ0·N(1 + K)<br />
unde: N – numărul de franje; K – factor de corecţie,<br />
în funcţie de parametrii de climat<br />
IX.1.3.3. Subansambluri de prelucrare a semnalului (adaptoare)<br />
Adaptoare mecanice. În construcţia mijloacelor de măsurare, subansamblurile mecanice<br />
de transmitere şi prelucrare a informaţiei de măsurare au rolul de a transmite şi de a realiza<br />
diferite operaţii matematice cu semnale de măsurare.<br />
Adaptoarele mecanice sunt utilizate în construcţia mijloacelor de măsurare datorită<br />
simplităţii construcţiei. Ele prezintă dezavantaje legate de precizia mare care se impune<br />
execuţiei pentru limitarea erorilor constructive.<br />
Subansamblurile mecanice pentru semnalele de măsurare pot fi asimilate unor traductoare<br />
cu mărimea de ieşire identică cu mărimea de intrare (ca natură); adaptoarele mecanice sunt<br />
caracterizate prin constanta denumită raport de multiplicare (inversul raportului de transmitere –<br />
sensibilitate).<br />
Constructiv, sunt realizate ca: mecanisme cu pârghii; mecanisme cu roţi dinţate;<br />
mecanisme cu cremalieră şi pinion; mecanisme cu tije şi şurub; mecanisme cu pârghii şi roţi<br />
dinţate; mecanisme cu şurub; mecanisme cu arcuri plane (tabelul IX.1.30.)
Analize fizico-mecanice 45<br />
Subansambluri mecanice pentru transmiterea şi prelucrarea<br />
informaţiilor de măsurare<br />
1. Subansambluri mecanice pentru transmiterea semnalelor mecanice<br />
Xe =a/b·Xi Xe = R 1/R 2·Xi Xe = 2π/p·z·Xi<br />
2. Subansambluri mecanice pentru prelucrarea semnalelor mecanice<br />
Xe = R 1/α·R 2·Xi Xe = πDi/p·Xi Xe = 2π/p·Xi<br />
Tabelul IX.1.30<br />
Mecanismele cu pârghii pot fi utilizate fie ca atare, fie în combinaţie cu roţile dinţate; acestea<br />
îndeplinesc funcţii de multiplicare/demultiplicare, de comparare a deplasărilor/ forţelor.<br />
Mecanismele cu pârghii compensează parţial erorile constructive prin reglarea lungimii braţelor.<br />
Mecanismele cu roţi dinţate multiplică /demultiplică semnalele unghiulare de intrare,<br />
demultiplică deplasări pentru realizare de cupluri/viteze în subansamblurile înregistratoare, în<br />
instalaţiile de măsurare, conferă: compactitate, randament ridicat, raport de transmitere constant,<br />
siguranţa în funcţionare şi fiabilitate ridicată, dar nu permit variaţia continuă a raportului de<br />
transmitere, iar execuţia roţilor dinţate de precizie este dificilă şi necesită maşini- unelte specializate.<br />
Particularităţile angrenajelor utilizate în construcţia aparatelor de măsurare sunt:<br />
– dimensiunile dinţilor nu se calculează la rezistenţă, ci se determină în funcţie de necesităţile<br />
constructive şi tehnologice, deoarece forţele care acţionează asupra angrenajelor sunt mici;<br />
– transmiterea directă a semnalelor de măsurare impune condiţii legate de precizia de<br />
execuţie şi de absenţa mersului în gol, produs de prezenţa jocului la flanc;<br />
– utilizarea rapoartelor de transmitere de valori ridicate impune folosirea pinioanelor cu<br />
un număr foarte mic de dinţi şi deci corijarea danturii;<br />
– momentele de rotaţie ale mecanismelor din construcţia aparatelor depăşesc adesea, cu<br />
foarte puţin, momentul total de frecare; de aceea, este necesar să se evite prin diferite măsuri<br />
constructive şi tehnologice creşterea momentelor de frecare.<br />
Majoritatea angrenajelor utilizate în construcţia subansamblurilor de transmitere şi<br />
multiplicare din construcţia aparatelor sunt cilindrice, cu dantură dreaptă (profil cicloidal<br />
adecvat construcţiei pinioanelor cu număr mic de dinţi).<br />
Adaptoare electronice. Conversia şi adaptarea semnalului de ieşire la cerinţele impuse<br />
de instalaţia de măsurare implică circuite şi blocuri electronice, utilizate sub denumirea de<br />
adaptoare electronice.<br />
Adaptorul converteşte mărimea (semnalul) generată de traductor în semnal electric<br />
standardizat (tensiunea – curentul – semnal variază în anumite limite, indiferent de natura<br />
şi domeniul de variaţie al mărimii de intrare).
46<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Semnalul standardizat se utilizează în forma analogică sau numerică; forma numerică<br />
permite conectarea instalaţiei de măsurare cu un sistem de calcul, cu avantajul prelucrării<br />
automate în formele cele mai convenabile pentru utilizator. Rezultatul procesului de măsurare<br />
este urmărit continuu şi prezentat prin intermediul terminalelor sistemului de calcul,<br />
videomonitorul şi imprimanta, şi se redactează sub forma protocoalelor de analiză.<br />
Adaptoarele pentru traductoare parametrice se realizează ca punţi de curent continuu /<br />
alternativ, la dezechilibru; semnalul de dezechilibru este aplicat după o amplificare convenabilă<br />
etajului de ieşire, care îl converteşte în semnalul unificat al traductorului. Influenţa perturbaţiilor este<br />
eliminată printr-o reacţie negativă, care trebuie să cuprindă în buclă cât mai multe componente.<br />
Dacă elementul sensibil sau schema de măsurare prezintă neliniarităţi, se prevăd blocuri<br />
de liniarizare sub forma unor generatoare de funcţii, plasate fie pe legătura directă, fie pe calea<br />
de reacţie.<br />
Mijloacele de măsurare performante sunt prevăzute cu blocuri speciale de calcul, capabile<br />
să diminueze sau să elimine componentele parazite detectate o dată cu mărimea măsurată.<br />
Fig. IX.1.13. Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil parametric (R):<br />
SM – schema de măsurare tip punte Wheatstone, în c.c.; BC – bloc de comparaţie; Ud –<br />
tensiunea de dezechilibru; Ur – tensiune de reacţie; D – variaţia tensiunii; A – amplificator<br />
de tensiune continuă; CTC – convertor tensiune-curent; B – bloc de reacţie negativă;<br />
BL – bloc de reacţie şi liniarizare; BL – bloc de liniarizare.<br />
Observaţii:<br />
1. Schemele de măsurare în punte permit compensarea influenţei unor factori externi şi<br />
asigură o precizie mai ridicată decât montajele de tip potenţiometric.<br />
2. Pentru elemente sensibile inductive şi capacitive, structura adaptorului este similară;<br />
apar deosebiri în modul de realizare a elementelor componente (fig. IX.1.13).<br />
3. Instalaţiile de măsurare sunt punţi de curent alternativ, funcţionând în regim<br />
dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sunt de tipul selectiv, acordate pe<br />
frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare.<br />
IX.1.3.4. Subansambluri indicatoare<br />
Rezultatul măsurării este indicat / înregistrat grafic prin preluarea directă a semnalului<br />
prelucrat – forma de prezentare a rezultatului măsurării trebuie să fie compatibilă cu operatorul:<br />
uman, automat.<br />
Indicarea se realizează:<br />
– în formă analogică / interpretare directă a valorilor, vitezei şi sensului de variaţie a<br />
mărimilor:<br />
● mecanic – prin deplasarea unui ac sau a unui alt element mobil, uşor vizibil, în faţa<br />
unei scări fixe, gradate direct în unităţile mărimii de măsurat, la clasa de precizie de<br />
0, 2-2, 5%;<br />
● electronic – osciloscoape catodice, capabile să vizualizeze fenomene periodice,<br />
rapide, unice sau semnalele cu variaţie lentă şi să păstreze imaginea;
Analize fizico-mecanice 47<br />
– în formă numerică – afişare periodică a unei succesiuni de cifre care exprimă numeric<br />
mărimea valorii mărimii măsurate; indicarea este periodică, cu precizie ridicată (0,1-0,01 %);<br />
– în forme asociate – numerică şi analogică.<br />
Indicatoare analogice. Acestea sunt mecanice şi electrice.<br />
Indicatoarele analogice mecanice lucrează prin deplasarea unui ac indicator în dreptul<br />
unei scări cu repere; deplasarea scării cu repere prin dreptul unui indicator fix (suportul scării):<br />
cadran; scările pot fi: liniare, unghiulare, circulare, spirale, elicoidale.<br />
Indicatorul mecanic presupune o percepţie optică subiectivă a rezultatului măsurării.<br />
Soluţiile constructive reduc erorile de paralaxă ∆p, prin abaterea razei vizuale de la<br />
perpendiculara dusă pe planul cadranului în punctul de citire; eroarea de paralaxă este:<br />
b<br />
∆ p = ⋅l,<br />
(IX.1.7)<br />
a−b unde: b este distanţa dintre vârful acului indicator şi planul cadranului; l – abaterea; a – distanţa<br />
de la planul ochiului observatorului faţă de planul cadranului (fig. IX.1.14).<br />
Eliminarea erorilor de paralaxă este obţinută prin indicare optică, prin proiectarea pe<br />
o scară corespunzătoare a reperului sau indexului.<br />
Creşterea preciziei de citire a indicatoarelor se obţine prin ataşarea unui vernier care<br />
permite citirea fracţiunilor între două diviziuni; constructiv, vernierul este o scară auxiliară<br />
(fig. IX.1.15), la care citirea se face prin alăturare sau suprapunere.<br />
Numărul de diviziuni ale vernierului se calculează cu relaţia:<br />
n = t/i,<br />
în care: t este valoarea diviziunii pe scara principală; i – precizia de citire a vernierului.<br />
Lungimea vernierului este:<br />
L = (g·n – l)·d,<br />
unde: g este modulul vernierului, care poate lua numai valori întregi; d – distanţa dintre două<br />
diviziuni pe scara principală.<br />
Fig. IX.1.14. Eroarea de paralaxă. Fig. IX.1.15. Principiul vernierului.<br />
Indicatoarele analogice electrice sunt destinate vizualizării variaţiei mărimilor în timp sau<br />
în funcţie de o mărime dată şi prezintă avantajul determinării parametrilor şi funcţiilor statistice.<br />
Osciloscopul (utilizat independent sau ca şi component al instalaţiilor de măsurare)<br />
vizualizează variaţia sau interdependenţa semnalelor electrice /sau a mărimilor redate prin<br />
intermediul acestora, pe ecranul tubului catodic, sub forma oscilogramei. Osciloscopul<br />
funcţionează cu consum extrem de mic de putere de la circuitul de măsurare, cu sensibilitate<br />
ridicată, în domeniul de frecvenţă de 10 2 MHz - 10 GHz, cu posibilitatea de amplificare /<br />
atenuare convenabilă, prezentând universalitate şi comoditate .
48<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Blocurile componente ale osciloscopului sunt:<br />
– tubul catodic, în interiorul căruia este generat fasciculul de electroni care, deviat sub<br />
acţiunea câmpurilor produse de semnalele de studiat aplicate unui sistem de deflexie a<br />
fasciculului, ciocnesc ecranul, descriind pe acesta curbele dorite;<br />
– amplificatoare de deflexie (pe verticală şi pe orizontală), care amplifică semnalele de<br />
studiat prea mici, înainte de a fi aplicate sistemului de deflexie;<br />
– atenuatoarele care micşorează semnalele de studiat prea mari, înainte de a fi aplicate<br />
sistemului de deflexie; la osciloscoapele moderne, atenuatoarele sunt calibrate în V/cm sau<br />
mV/cm, cu observaţia că această calibrare este valabilă numai dacă reglajul amplificării<br />
amplificatorului respectiv este la maxim;<br />
– generatorul bază de timp (de baleiaj), care generează o tensiune liniar-variabilă (în<br />
formă de dinţi de ferăstrău), ce constituie tensiunea bază de timp care se aplică sistemului de<br />
deflexie pentru a produce deviaţia pe orizontală cu o viteză uniformă a fasciculului de<br />
electorni; această tensiune se aplică în cazurile în care se urmăreşte vizualizarea variaţiei în<br />
timp a semnalului de studiat; pentru a putea vizualiza şi semnale neperiodice, la osciloscoapele<br />
moderne acest generator poate funcţiona fie continuu (relaxat), generând un semnal periodic<br />
chiar şi în absenţa semnalului de vizualizat, fie declanşat;<br />
– circuitul de sincronizare (de declanşare), care are rolul de a sincroniza automat<br />
tensiunea bază de timp cu semnalul de studiat (sau un alt semnal exterior), astfel ca frecvenţa<br />
semnalului de vizualizat să fie un multiplu întreg al frecvenţei bazei de timp, pentru ca<br />
imaginea pe ecranul tubului să fie stabilă (imobilă);<br />
– blocul de alimentare, prin intermediul căruia se alimentează de la reţeaua de curent<br />
alternativ celelalte blocuri şi care conţine surse stabilizate de înaltă şi joasă tensiune.<br />
În cazul funcţionării ca bază de timp declanşată, mai sunt necesare următoarele circuite:<br />
– circuitul pentru controlul intensităţii spotului, care are rolul de a stinge spotul când la<br />
intrare nu se aplică semnal (baza de timp fiind astfel blocată); în acest fel, ecranul este protejat;<br />
– circuitul de întârziere, care face ca semnalul să fie vizualizat corect, deoarece are rolul<br />
de a întârzia semnalul astfel încât acesta să se aplice plăcilor de deflexie verticale, după ce baza<br />
de timp a început să funcţioneze.<br />
În afara acestor blocuri componente, comune tuturor osciloscoapelor moderne, la unele<br />
osciloscoape se mai întâlnesc şi alte circuite, cu destinaţii diferite în funcţie de tipul şi<br />
complexitatea aparatului.<br />
Tubul catodic reprezintă partea principală a osciloscopului care este un traductor<br />
electronooptic care converteşte energia unui fascicul de electroni, focalizat, în energie luminoasă<br />
prin proiecţia pe ecranul fluorescent al tubului (fig. IX.1.16); fasciculul de electroni fiind practic<br />
lipsit de inerţie, se pot observa şi înregistra procese de durată foarte redusă; fenomene periodice<br />
cu frecvenţă mare şi fenomene aperiodice (se aplică în microscopia electronică, TV).<br />
Fig. IX.1.16. Structura funcţională a tubului catodic.<br />
1– catod; 2 – cilindru Wehnelt; 3 – anod de focalizare; 4 – anod de accelerare; 5 –<br />
placa de fenomen / deflexie verticală; 6 – plăci de deflexie orizontală; 7 – ecran.
Analize fizico-mecanice 49<br />
Tubul catodic este format dintr-un tub cu vid (10 –8 mm Hg) la care se disting<br />
următoarele părţi:<br />
– partea cilindrică, în interiorul căreia se află un tun electronic care emite, focalizează<br />
şi accelerează fasciculul de electroni, şi un sistem de deflexie pentru devierea acestui fascicul<br />
corespunzător semnalelor de studiat;<br />
– partea tronconică, în interiorul tubului, corespunzător acestei părţi, este depus un strat<br />
bun conducător de electricitate, care are rolul de ecranare şi de colectare a electronilor, după ce<br />
aceştia au lovit ecranul;<br />
– partea frontală, în care tubul catodic are un ecran acoperit în interior cu substanţe<br />
luminofore, fapt pentru care el devine luminos în punctul în care este lovit de fasciculul de electroni.<br />
Comanda, focalizarea şi deflexia fasciculului de electroni se pot face electrostatic sau<br />
electromagnetic, de obicei la osciloscoape fiind electrostatice.<br />
Tunul electronic (dispozitiv de emisie şi focalizare) este format din:<br />
– catodul 1, emitor termoionic de electroni, realizat ca tub metalic cu suprafaţa frontală acoperită<br />
cu un strat de oxizi de bariu şi stronţiu, ( încălzit indirect de către un filament bifilar interior);<br />
– electrodul de comandă 2 (cilindru Wehnelt), care controlează intensitatea fasciculului<br />
de electroni ce pleacă de la catod, deoarece el se află la un potenţial negativ faţă de acesta; este<br />
de formă cilindrică, înconjoară catodul, fiind prevăzut în partea frontală cu un mic orificiu prin<br />
care trec electronii;<br />
– anodul de focalizare 3, concentrează şi focalizează fasciculul divergent de electroni<br />
care iese din electrodul de comandă , fiind realizat ca cilindru prevăzut în interior cu mai multe<br />
diafragme (pentru captarea electronilor marginali, la un potenţial pozitiv faţă de catod);<br />
– anodul de accelerare 4 accelerează mişcarea electronilor concentraţi într-un fascicul<br />
subţire, determinând viteza cu care aceştia ajung pe ecran; este tot de formă cilindrică şi are un<br />
potenţial fix, pozitiv faţă de catod; de patru-cinci ori mai mare decât potenţialul anodului de<br />
focalizare. Electrodul de comandă şi cu cei doi anozi (de focalizare şi de accelerare) constituie<br />
o lentilă electrostatică.<br />
Tuburile catodice moderne au şi un al treilea anod de postaccelerare, aşezat după sistemul<br />
de deflexie şi conectat la un potenţial ridicat (4000 V), care măreşte intensitatea spotului.<br />
Potenţiometrele îndeplinesc funcţiile:<br />
– potenţiometrul RG reglează luminozitatea imaginii pe ecran prin intensitatea<br />
fasciculului de electroni emişi de electrodul de comandă, astfel: cu cât electrodul de comandă<br />
este mai negativ faţă de catod, cu atât mai puţini electroni vor reuşi să treacă de el;<br />
– potenţiometrul RA reglează potenţialul anodului de focalizare pentru a obţine<br />
focalizarea fasciculului de electroni pe ecran sub forma unui punct luminos; imaginea de pe<br />
ecran va avea astfel claritatea maximă.<br />
Sistem de focalizare (2-3-4) este compus din lentile electrostatice alcătuite din anozii A2<br />
de focalizare şi A3 de astigmatizare, ce concentrează fasciculul de electroni; traiectoriile<br />
electronilor sunt reflectate pe suprafeţele echipotenţiale ale celor două lentile, confundându-se<br />
cu raza tubului catodic.<br />
Sistemul de deflexie (5-6) este format din:<br />
– plăci de deflexie verticale PT, de fenomen, pe care se aplică semnalul urmărit, sub<br />
forma unei tensiuni compatibile cu caracteristicile tubului catodic;<br />
– plăci de deflexie orizontale, PH, pe care se aplică o tensiune liniar variabilă,<br />
permiţând astfel reprezentarea semnalului studiat ca funcţie de timp.<br />
Deviaţia spotului de electroni proiectat pe ecran este direct proporţională cu tensiunea<br />
aplicată pe plăcile de fenomen, Uy (pentru o anumită valoare a tensiunii de accelerare, U, la<br />
dimensiuni date ale tubului catodic).<br />
Sistemul de postaccelerare, utilizat la tuburile catodice perfecţionate, pentru mărirea<br />
luminozităţii spotului, constă din: aplicarea unei tensiuni la nivelul tubului catodic; utilizarea<br />
unei grile de câmp, după sistemul de deflexie; utilizarea unei lentile electrostatice de câmp.
50<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Sistemul de vizualizare este format din ecranul tubului catodic, acoperit pe suprafaţa<br />
interioară de o substanţă denumită luminofor, care devine luminescentă atunci când este<br />
bombardată cu electroni. Luminoforul absoarbe energia cinetică a electronilor incidenţi şi<br />
emite, în spectrul vizibil, energie luminoasă, de joasă frecvenţă. Radiaţia secundară este iniţiată<br />
într-un interval de timp de 10 –8 s la utilizarea substanţelor fluorescente; de microsecunde /<br />
minute, dacă se utilizează substanţe fosforescente; luminoforii permit obţinerea unor ecrane de<br />
culori diferite, cu persistenţă variabilă a imaginii (vilemitul Zn2SiO4; magnezitul; sulfatul de<br />
zinc sau alţi compuşi ai fosforului, zincului, cadmiului, calciului)<br />
Alegerea tubului catodic se face în funcţie de remanenţa/ persistenţa imaginii:<br />
persistenţa imaginii µs-ms, studiul fenomenelor de frecvenţe ridicate; remanenţa imaginii,<br />
secunde - zeci secunde, studiul fenomenelor de joasă frecvenţă.<br />
Vizualizarea şi studierea simultană a două sau mai multe semnale se realizează cu<br />
osciloscoape prevăzute cu comutator electronic, care divizează fasciculul în diviziuni<br />
comandate independent (placa de deflexie orizontală este comună dar plăcile de deflexie<br />
verticale sunt independente, pentru fiecare diviziune).<br />
Indicatoare numerice. Acestea sunt mecanice şi electrice.<br />
Indicatoarele numerice mecanice permit afişarea rezultatului măsurării sub forma unei<br />
succesiuni de cifre reprezentând exprimarea numerică a valorii mărimii măsurate. Avantajele<br />
indicatoarelor numerice sunt: mărirea preciziei de citire prin eliminarea erorilor subiective,<br />
lipsa erorilor de paralaxă, creşterea vitezei de citire şi scurtarea procesului de măsurare.<br />
Indicatoarele numerice mecanice transformă rotaţia unghiulară într-un semnal discret:<br />
la o rotaţie completă a elementului conducător, elementul condus se roteşte cu o diviziune<br />
(raport de transmitere, zece); elementul condus trece de la o poziţie la alta în salturi, în intervale<br />
mici de timp; între două treceri consecutive elementul condus este blocat, pentru a evita deplasări<br />
suplimentare prin şocuri mecanice.<br />
Indicatoarele numerice electrice sunt realizate în diverse variante:<br />
– tuburile indicatoare numerice Nixie, tuburi cu gaz nobil, în care se află zece catozi<br />
confecţionaţi din sârmă subţire de crom -nichel, de forma cifrelor (0-9) şi un anod în formă de<br />
plasă ce înconjoară grupul de catozi. Dacă tensiunea dintre anod şi unul dintre catozi este egală<br />
cu tensiunea de aprindere, între aceşti doi electrozi se amorsează o descărcare luminescentă, a<br />
cărei culoare depinde de natura gazului, care vizualizează cifra corespunzătoare.<br />
– afişarea cu diode luminescente, LED, prezintă avantajul unei fiabilităţi mari (timpul de<br />
funcţionare este de ordinul sutelor de mii de ore) şi al posibilităţii de introducere a reţelei<br />
integrate cu care se pot vizualiza cifre sau litere; reţelele se realizează pe baza a şapte segmente<br />
luminoase, fiecare segment fiind format din două diode fotoluminescente. Dioda alimentată în sens<br />
de conducţie răspunde nivelului logic al semnalelor de ieşire din decodor prin emisia radiaţiei luminoase<br />
de 6500 Å; diodele emit pe culorile roşu, galben, verde sau IR (la transmiterea informaţiei).<br />
– afişarea cu cristal lichid, LCD, constituie cel mai nou sistem de afişare şi se bazează<br />
pe modificarea transparenţei optice în funcţie de starea de polarizare electrică indusă unui strat<br />
subţire, de grosime de 40-50 mm de lichid organic, anizotrop; cristalul lichid dobândeşte<br />
proprietatea de a dispersa lumina ambiantă, iar contrastul nu va fi dependent de intensitatea<br />
luminoasă din încăperea de lucru. Sistemul de afişare cu cristale lichide prezintă avantajele unui<br />
consum minim de putere şi ale posibilităţii de utilizare indepedentă faţă de lumina ambiantă.<br />
IX.1.3.5. Subansambluri înregistratoare<br />
Înregistrarea constituie un proces de automatizare a prezentării rezultatelor măsurării,<br />
cu următoarele avantaje:<br />
– prezentarea rezultatelor măsurării fără erori de citire;
Analize fizico-mecanice 51<br />
– urmărirea continuă a variaţiei mărimii măsurate; urmărirea unor mărimi care se<br />
modifică lent în timp; urmărirea unor mărimi cu o desfăşurare rapidă în timp; urmărirea<br />
simultană a variaţiei mai multor mărimi.<br />
Mijloacele de măsurare dotate cu înregistratoare sunt denumite în funcţie de natura<br />
fizică a mărimii de intrare: higrografe, termografe, vibrografe.<br />
Înregistratoarele se clasifică astfel:<br />
– constructiv: mecanice; optice; electrice; magnetice şi electronice;<br />
– în funcţie de domeniul de utilizare: industriale; de laborator.<br />
Înregistratoarele se adoptă după caracteristicile de transfer în regim static sau dinamic;<br />
sunt utilizate ca unităţi independente sau cuplate constructiv, direct cu mijlocul de măsurare,<br />
formând un aparat sau o instalaţie de măsurare.<br />
Înregistratoare mecanice. Structura unui înregistrator mecanic constă din: inscriptor<br />
cu sistem de acţionare şi suportul de înregistrare cu sistemul său de transport.<br />
Procedeul de înregistrare memorează şi face vizibilă variaţia mărimii de măsurat.<br />
Fidelitatea înregistrării depinde de modul de realizare (tabelul IX.1.31), care poate fi:<br />
– prin aport de material pe suportul de înregistrare – utilizat industrial:<br />
● suportul, hârtia de înregistrare, trebuie să aibă: o suprafaţă netedă (coeficient de<br />
frecare redus); să constituie un bun absorbant pentru lichidul (pasta) utilizat de<br />
inscriptor; să prezinte o bună stabilitate dimensională la variaţiile de umiditate;<br />
● inscriptorul, peniţa de sticlă (metalică, din material plastic), uneori cu rezervor<br />
propriu, de masă (inerţie) redusă; înscrierea prin copiere se obţine cu etrier căzător<br />
(acţiune continuă, intermitentă).<br />
Procedee de înscriere utilizate în sistemele de înregistrare<br />
Procedeul Schema de înscriere<br />
Inscriptor/ Caracteristici<br />
tehnice<br />
Tabelul IX.1.31<br />
Utilizare/Mt.T<br />
1 2 3 4<br />
Înscriere cu aport de material pe suport cu:<br />
1 – creion,<br />
cerneală,<br />
pastă,<br />
carioca<br />
2 – cu jet de<br />
cerneală<br />
3 – înscriere<br />
prin<br />
copiere:<br />
– continuă;<br />
– intermitentă<br />
Îndepărtare de material de pe suport prin:<br />
1 – vârf<br />
aşchietor /<br />
îndepărtare<br />
adaos;<br />
Creion de grafit, argint, plumb,<br />
peniţă cu cerneală, carioca;<br />
Fz = 1; 0,1 N; Fx = 0,4;<br />
0,04 N;<br />
v = 1m/s<br />
Jet de cereneală electrizat,<br />
expulzat prin duză;<br />
Fz = Fx = 0;<br />
v = 1 m/s<br />
Tija metalică se deplasează şi<br />
apasă pe suport banda tuşată<br />
Fz = 1; 10 N; Fx = 0,4; 0 N<br />
v = 1 m/s; f = 10 Hz<br />
Inscriptor: vârf metalic<br />
Suport: hârtie cerată<br />
Fz = 0,1; 0.01N; Fx = 0,04;<br />
0,004 N<br />
v = 1m/s<br />
Uster<br />
Conventional;<br />
Dinamometre<br />
(măsurări<br />
analogice)<br />
Imprimante cu<br />
jet<br />
Dinamometru<br />
pentru fire,<br />
Metrimpex<br />
(plan înclinat)
52<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tabelul IX.1.31 (continuare)<br />
1 2 3 4<br />
2 – perforare<br />
mecanică;<br />
perforare<br />
cu scântei<br />
electrice<br />
3 – electrotermic<br />
v<br />
v<br />
Inscriptor: perforator,<br />
electrod<br />
Suport: hârtie<br />
Fz = 1-10 N; 0,02 N;<br />
Fx = 0; 0,01 N;<br />
f = 10; 1000 perforaţii /<br />
secundă<br />
Inscriptor: electrod, pe<br />
ambele feţe ale suportului<br />
de hârtie specială*<br />
Fz = 0,2 N; Fx = 0,1N;<br />
v = 1m/s;<br />
10 000 puncte/s; U = 250V<br />
Modificarea locală a suportului de înscriere:<br />
1 – termic Inscriptor:<br />
Tijă metalică încălzită<br />
Suport: hârtie<br />
Fz = Fx = 0; v = 0,1m/s<br />
2 – scântei/<br />
impulsuri<br />
electrice<br />
3 – înscriere<br />
magnetică<br />
4 – înscriere<br />
fotografică<br />
Fz<br />
Fx<br />
Electrozi între care au loc<br />
descărcări care ard partea<br />
superioară a suportului de<br />
hârtie<br />
Fz = Fx = 0; v = 1 m/s;<br />
U = 250 V<br />
Inscriptor: cap magnetic de<br />
redare<br />
Suport: bandă magnetică<br />
Fz = 0,2 N; Fx = 0,1 N;<br />
v = 1 m/s<br />
Inscriptor: fascicul mobil<br />
de raze de lumină; γ<br />
Suport: hârtie/placă<br />
fotografică;<br />
Fz = Fx = 0<br />
Înregistratoare:<br />
Rotschild/<br />
F-meter;<br />
Cohesion-meter<br />
Microscoapele<br />
electronice de<br />
tip<br />
TEM; SEM<br />
– prin modificarea locală a proprietăţilor suportului:<br />
● suportul / stratul de acoperire se modifică local, prin tratament termic; magnetic /<br />
sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete sau radioactive / fenomene / mărimi rapid<br />
variabile, v = 1 m/s;<br />
● viteza de redare creşte la inscriptoarele cu electrozi; suportul din hârtie subţire este<br />
acoperit cu un strat subţire de sulfură de zinc, care arde prin căldura dezvoltată de<br />
electrod şi suportul hârtiei (o peliculă subţire de aluminiu);<br />
– prin îndepărtare de material de pe suport:<br />
● cu: vârf metalic aşchietor, tijă metalică încălzită, cu electrod care formează o cuplă<br />
de frecare.
Analize fizico-mecanice 53<br />
Antrenarea suportului înregistrării se realizează cu:<br />
– mecanisme de ceas: asigură funcţionare (2 ore - 32 zile);<br />
– motoare sincrone sau asincrone, motoare pas cu pas şi motoare de curent continuu cu<br />
turaţie stabilizată; antrenarea suportului cu motoare electrice (c.a./ monofazat) îndeplineşte<br />
condiţii de autopornire; realizează turaţie constantă indiferent de sarcină sau de variaţiile de<br />
tensiune din reţea; lucrează silenţios, fără zgomote şi vibraţii şi nu produc degajări mari de<br />
căldură; aceste condiţii motivează utilizarea preferenţială în cadrul sistemelor de măsurare a<br />
motoarelor sincrone, cu reductanţă şi histerezis, şi a motoarelor asincrone; între arborele<br />
motorului şi antrenorul suportului se poate introduce un reductor cu variaţie continuă sau în<br />
trepte a turaţiei de ieşire.<br />
În metrologia textilă se utilizează categorii de înregistrări grafice directe ale semnalelor<br />
de măsurare (prezentate în tabelul IX.1.32):<br />
– înregistrări grafice de forma y = f(t) (tabelul IX.1.32,a) – se realizează cu mijloace de<br />
măsurare de laborator: urmărirea variaţiei parametrilor mediului ambiant (termohigrograf);<br />
mijloace de măsurare industriale: urmărirea parametrilor tehnologici cu variaţie lentă/<br />
umiditatea materialului textil la ieşirea din uscător;<br />
– înregistrări grafice de forma y = f(x) (tabelul IX.1.32,b) – se realizează cu mijloace de<br />
măsurare de laborator: determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor textile (diagrama<br />
efort-deformaţie);<br />
– înregistrări grafice de forma y = ymax (tabelul IX.1.32,c) – se realizează cu mijloace<br />
de măsurare de laborator: determinarea proprietăţilor mecanice, când interesează valorile<br />
maxime (diagrama Stroke).<br />
n =k.y<br />
1<br />
Procedee de înscriere utilizate în subansamblurile de înregistrare<br />
Schema înregistrării Observaţii<br />
y x .<br />
n =k.x<br />
1 2<br />
b<br />
Tabelul IX.1.32<br />
Înregistrarea variaţiei mărimii măsurate ca funcţie<br />
de timp: Y = f(t);<br />
Inscriptorul are mişcare alternativă de<br />
amplitudine variabilă;<br />
Deplasarea suportului este continuă;<br />
Înregistratorul este compus din elemente de cl.1,<br />
conectate:<br />
– în paralel: acţionare concomitentă;<br />
– succesivă: comutarea semnalului, cu deplasarea<br />
inscriptorului<br />
Se înregistrează: Y = f(X);<br />
Inscriptorul se deplasează în funcţie de variaţia<br />
mărimii de măsurat X;<br />
Subansamblul de transport efectuează deplasarea<br />
inscriptorului sub comanda variaţiilor mărimii<br />
măsurate Y (înregistrarea diagramei F-D).
54<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tabelul IX.1.32 (continuare)<br />
1 2<br />
Înregistrare succesivă sau concomitentă a<br />
variaţiei mărimilor Y1, Y 2, în funcţie de timp:;<br />
– succesivă: prin comanda de comutare;<br />
– concomitentă: prin utilizarea în paralel a mai<br />
multor inscriptoare (complementare pentru<br />
clasa 2c).<br />
Diagrama Stroke este foarte utilizată pentru<br />
descrierea proprietăţilor mecanice ale firelor.<br />
Inscriptoare. Performanţele înregistratoarelor sunt determinate de construcţia subansamblurilor<br />
inscriptoare, care sunt prezentate în tabelul IX.1.33.<br />
Tabelul IX.1.33<br />
Performanţele înregistrării în funcţie de tipul subansamblului inscriptor<br />
Tipul subansamblului inscriptor Tipul înregistrării<br />
Eroarea,<br />
%<br />
Frecvenţa<br />
limită, Hz<br />
Mecanic sau electromecanic, cu înscriere<br />
directă<br />
Linie continuă ± 2,5 % 10<br />
Cu etrier căzător Prin puncte ± 0,5 % 0,01<br />
Potenţiometru electronic automat Linie continuă ± 0,2 % 2<br />
Punte electronică cu echilibrare automată Linie continuă ± 0,2 % 2<br />
Galvanometru cu buclă şi sistem optic Linie continuă – 10000<br />
Compensatorul (potenţiometrul electronic) şi puntea automată de tip integral, ce<br />
includ în bucla de reacţie un servomotor, permit indicarea şi înregistrarea variaţiei mărimii de<br />
măsurat prin comparaţia cu o mărime etalon de aceeaşi natură, variată automat până la<br />
satisfacerea condiţiei de echilibru a circuitului de măsurare (tabelul IX.1.34).<br />
Subansambluri inscriptoare /principiul compensării automate<br />
Tabelul IX.1.34<br />
Compensator automat de tip integral Indicare / Înregistrare<br />
Servomotorul SM dezvoltă un cuplu de<br />
rotaţie, proporţional cu tensiunea de<br />
dezechilibru prin care deplasează cursorul<br />
potenţiometrului până la compensarea<br />
variaţiei de tensiune,<br />
∆U = Ux – Uc = 0.<br />
În acest moment servomotorul se opreşte,<br />
iar cursorul şi indicatorul sunt blocate în<br />
poziţia corespunzătoare tensiunii de<br />
compensare,<br />
Uc = Ux.
Analize fizico-mecanice 55<br />
Tabelul IX.1.34 (continuare)<br />
Punte cu echilibrare automată de tip integral Indicare / Înregistrare<br />
Tensiunea de dezechilibru determinată de<br />
variaţia rezistenţei (R +∆R) pune în funcţiune<br />
servomotorul SM care deplasează<br />
cursorul potenţiometrului – restabilind<br />
echilibrul – şi inscriptorul – pentru<br />
înregistrare.<br />
În principiul de indicare (înregistrare) al compensatorului automat de tip integral, orice<br />
variaţie a mărimii de măsurat Ux determină un ciclu de echilibrare identic; deplasarea<br />
cursorului se transmite indicatorului (înregistratorului) I, care indică (înregistrează) pe scara<br />
(suportul) S, variaţia tensiunii de măsurat, Ux.<br />
Înregistratoare specifice sistemelor de măsurare. În procesul care utilizează ca<br />
mijloc tehnic un sistem de măsurare, vizualizarea şi înregistrarea rezultatelor se realizează cu<br />
două tipuri de „terminale”:<br />
– video (monitor): îndeplineşte şi extinde funcţiile unui indicator; pe ecranul acestuia<br />
pot fi prezentate atât ansamblul datelor de măsurare cât şi rezultatele obţinute prin diferitele<br />
forme de prelucrare; monitorul video permite de asemenea verificarea comenzilor şi reglajelor<br />
lansate în procesul de măsurare;<br />
– imprimanta: converteşte semnalele numerice corespunzătoare datelor experimentale<br />
în text tipărit şi grafică desenată pe hârtie şi cuprinde: cablu de conectare (de interfaţă);<br />
conexiunea – interfaţa (serială; paralelă); controller; substanţe consumabile (toner; benzi tuşate;<br />
cerneală); suportul şi dispozitivul de antrenare al hârtiei de înregistrare; mecanismul de trasare<br />
(cap de imprimare mare; jet de cerneală; fuzibilul etc.); circuite şi butoane de comandă.<br />
Conform principiului constructiv, imprimantele se clasifică în următoarele categorii:<br />
– imprimanta cu roată margaretă – tipăreşte text; este formată ditr-o roată în formă<br />
de floare, ale cărei „petale” au în capăt o literă sau cifră; prin rotaţie, caracterele utile se<br />
poziţionează pe banda tuşată, fiind tipărite succesiv;<br />
– imprimanta matriceală – utilizează un cap mobil şi o panglică tuşată (maşina de<br />
scris); execuţia literelor, numerelor şi a semnelor grafice se obţine cu ajutorul unei matrice din<br />
puncte (9; 12; 24), iar claritatea şi rezoluţia sunt determinate de numărul acestora pe unitatea de<br />
suprafaţă;<br />
– imprimanta cu jet de cerneală – tipăreşte caractere şi semne grafice prin depunerea pe<br />
hârtie a unor mici jeturi de cerneală;<br />
– imprimanta laser – construieşte o imagine electronică pe care o transferă pe hârtie,<br />
câte o pagină (format), folosind un pigment pentru fotocopiere (toner);<br />
– imprimanta cu transfer termic – construieşte şi transferă pe hârtie lucioasă imaginea<br />
electronică în trei sau patru treceri de culoare.<br />
Componentele unei imprimante conectate într-un sistem de măsurare se prezintă în<br />
figura IX.1.17:<br />
– interfaţa asigură conexiunea dintre calculator şi imprimantă; este conectorul imprimantei,<br />
al calculatorului cât şi cablul care leagă cele două conectoare; există două categorii de intefeţe:<br />
RS-232C (seriale) şi Centronix (paralele);<br />
– controllerul este un microcip / un set de microcipuri, care furnizează instrucţiuni<br />
imprimantei, coordonând datele care sosesc şi transformarea lor în semnale tipărite;
56<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
– corpurile de litere sunt constituite ca set de numere şi litere de o anumită formă şi<br />
mărime; dimensiunea caracterelor se apreciază în puncte (points) – un punct are semnificaţia<br />
unei dimensiuni de 1/72 inch);<br />
– driver-ele reprezintă mici programe utilitare care transformă cererea de imprimare de<br />
la o aplicaţie în instrucţiuni cu care imprimanta este compatibilă; fiecare aplicaţie are programe<br />
driver pentru diferite tipuri de imprimante.<br />
Alegerea tipului de imprimantă este determinată în primul rând de softul utilizat<br />
(tabelul IX.1.35).<br />
BUS IF S C<br />
Procesor<br />
A I D<br />
Fig. IX.1.17. Structura unei<br />
imprimante.<br />
Alegerea tipului de imprimantă<br />
IX.1.4. Caracteristicile funcţionale ale mijloacelor<br />
de măsurare<br />
Caracteristicile funcţionale ale mijloacelor de măsurare sunt determinate de caracteristicile<br />
funcţionale ale traductoarelor, reprezentând forma teoretică şi reală a legăturii dintre mărimea<br />
de intrare şi mărimea de ieşire, în cadrul proceselor de măsurare.<br />
Performanţele tehnice ale sistemelor de măsurare se evaluează prin indici care reflectă<br />
interdependenţa dintre caracteristicile reale şi ideale în regim static şi dinamic.<br />
IX.1.4.1. Caracteristici şi performanţe de regim staţionar<br />
Tabelul IX.1.35<br />
Soft Tipuri de imprimante cu utilizare optimă<br />
Programe<br />
de calcul<br />
Redactare<br />
de texte<br />
Baze de<br />
date<br />
Matriceale cu 132 coloane;<br />
– cu jet de cerneală<br />
– laser<br />
Laser; cu jet de cerneală, cu o rezoluţie de<br />
300 puncte/inch<br />
Laser, de mare viteză; matriceale cu<br />
viteze mai mari de 400 caractere/ s<br />
Caracteristica statică de transfer exprimă analitic / grafic principiul fizic pe baza<br />
căruia se realizează conversia, forma reală în cadrul operaţiei de etalonare/ trasare a curbei<br />
caracteristice, divizarea scalei aparatului de măsură.<br />
Dependenţa funcţională a semnalului de ieşire, Y, de mărimea de intrare, X, la regim de<br />
echilibru / staţionar se exprimă prin relaţia:<br />
Y = f (X) (IX.1.9)<br />
care poartă denumirea de caracteristică statică / caracteristică statică de transfer.<br />
Caracteristica statică ideală face abstracţie de influenţa mărimilor perturbatoare<br />
interne sau externe, reglaje sau comenzi:<br />
– mărimile perturbatoare conduc la efecte nedorite, în sensul abaterii caracteristicilor<br />
reale faţă de cele ideale; mărimile perturbatoare externe sunt factorii mediului ambiant:<br />
temperatură, presiune, umiditate, intensitate de câmp electric sau magnetic, mărimile perturbatoare<br />
interne sunt zgomote (rezistoare; semiconductoare), frecări în lagăre, îmbătrânirea
Analize fizico-mecanice 57<br />
componentelor, variaţii ale parametrilor surselor de alimentare. Mărimile perturbatoare determină<br />
abaterea de la relaţia teoretică şi constituie sursele erorilor de influenţă; caracteristica<br />
reală a traductorului se descrie prin funcţia:<br />
y = f (X; ξi) (IX.1.10)<br />
Erorile sunt generate de variaţiile mărimilor perturbatoare, şi nu de valoarea acestora.<br />
– reglajele şi comenzile asigură realizarea caracteristicii la performanţele impuse/<br />
stabilirea domeniului de măsură, alegerea sensibilităţii, calibrarea internă, reglajul de zero.<br />
Regimul staţionar de măsurare se caracterizează prin faptul că purtătorii de informaţie<br />
sunt invarianţi; matematic, se reflectă în condiţia ca derivatele mărimilor de intrare / ieşire, în<br />
raport cu timpul, să fie nule pe un interval de timp concludent.<br />
Măsurarea statică şi caracteristicile statice se diferenţiază prin utilizarea invarianţei,<br />
determinarea rezultatului, aprecierea performanţei, reglajelor şi eficienţei acestora.<br />
Traductoarele utilizate în construcţia sistemelor de măsurare prezintă caracteristici<br />
statice liniare / neliniare, în funcţie de principiul constructiv; se preferă traductoarele cu caracteristici<br />
statice liniare (tabelul IX.1.36).<br />
Y<br />
Yo<br />
Caracteristică liniară<br />
unidirecţională<br />
0<br />
Xo<br />
α<br />
Xmax<br />
X<br />
Xmin<br />
Caracteristici statice<br />
Caracteristică liniară<br />
bidirecţională<br />
Y<br />
0<br />
α<br />
Xmax<br />
X<br />
Tabelul IX.1.36<br />
Caracteristică liniară cu prag de<br />
sensibilitate<br />
Y<br />
+Ys<br />
-X−<br />
2 0 +X 1 α<br />
α -X 1 -Ys<br />
+X<br />
2 X<br />
Y = k (X – X 0) + Y 0 0 < X< Xmax Xmin < X < Xmax Y = k·X – X 1 < X < + X 1 Y = 0<br />
X ≥ X 0 k = tgα – X 2 ≤ X ≤ – X 1 Y = k (X + X 1)<br />
k = tgα + X 1 ≤ X ≤ + X 2<br />
Caracteristică parabolică Caracteristica hiperbolică<br />
Y<br />
k<br />
0<br />
1<br />
X<br />
0 < X < Xmax<br />
Y = k·X 2<br />
0 < X< Xmax Y = Y 0(kX + 1)<br />
Y<br />
1<br />
(Y0 -1)/k<br />
Domeniul de măsurare corespunde mărimii de măsurat şi se exprimă prin diferenţa<br />
dintre valorile extreme, Xmax – Xmin, în limitele căreia elementul funcţionează conform<br />
caracteristicii statice de transfer. Domeniul de măsurare se adoptă pe porţiunea liniară sau<br />
asimilată ca liniară a caracteristicii statice în care caracteristica reală este în conformitate cu<br />
cea teoretică:<br />
– limita inferioară a domeniului de măsurare este zero la intrare/ieşire, în cazul măsurărilor<br />
prin metode de evaluare directă/deviaţie sau diferită de zero;<br />
– limita minimă este egală şi de semn opus limitei maxime (când reperul zero se află la<br />
mijlocul scării) la aparatele indicatoare, care se folosesc ca detectoare de nul;<br />
X
58<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
– când limita inferioară de măsurare este zero, valoarea minimă este determinată de<br />
pragul de sensibilitate, rezultatul fiind afectat de eroare foarte mare; domeniul de măsurare se<br />
defineşte ca intervalul în care eroarea de măsurare se menţine în limitele erorii tolerate;<br />
– zona de insensibilitate se manifestă prin faptul că variaţiile mărimii de intrare încadrate<br />
în acest domeniu nu produc semnal de ieşire.<br />
În cazul standardizării componentelor, limitele semnalului de ieşire se menţin indiferent<br />
de limitele de variaţie ale mărimii de intrare.<br />
Sensibilitatea defineşte calitatea unui element de a determina o variaţie mare a semnalului<br />
la ieşire, la apariţia unei variaţii reduse a mărimii de intrare:<br />
– pentru un element a cărui caracteristica statică este liniară, sensibilitatea este panta<br />
dreptei:<br />
S = Y/X = K = tgα (IX.1.11)<br />
care se poate scrie şi în funcţie de domeniul de măsurare:<br />
S = (Ymax – Ymin) / (Xmax – Xmin) (IX.1.12)<br />
– pentru un element a carui caracteristică statică este neliniară, se defineşte sensibilitatea<br />
diferenţială:<br />
S = dY/dX X = Xnom = ∆Y/ ∆X X = Xnom (IX.1.13)<br />
unde mărimea de intrare are valoarea nominală.<br />
Compararea traductoarelor de acelaşi tip, caracterizate prin domenii de măsurare<br />
diferite, se realizează prin sensibilitatea relativă, definită prin raportul dintre variaţia relativă a<br />
semnalului de ieşire şi a semnalului de intrare corespunzător:<br />
Sr = (∆y/y) / (∆x/x) (IX.1.14)<br />
Observaţii:<br />
1. Sensibilitatea are dimensiuni care depind de cele ale mărimilor de intrare şi de ieşire,<br />
iar valoarea sa este în funcţie de unităţile de măsură adoptate.<br />
2. Dacă mărimile de intrare şi de ieşire sunt de aceeaşi natură, sensibilitatea devine<br />
factor de amplificare / câştig şi este exprimată printr-un număr adimensional.<br />
3. Factorul de amplificare se exprimă prin logaritmul raportului dintre mărimea de<br />
ieşire şi mărimea de intrare, când mărimea de intrare variază în limite foarte largi:<br />
K = 20·log Y/X [dB] (IX.1.15)<br />
4. Sensibilitatea relativă se exprimă printr-un număr adimensional.<br />
5. Constanta aparatului / inversa sensibilităţii reprezintă valoarea corespunzătoare unei<br />
diviziuni pe scala gradată.<br />
6. Sensibilitatea unui lanţ metrologic este determinată de sensibilităţile elementelor<br />
componente şi de modul de asamblare al acestora în schema bloc (tabelul IX.1.37).<br />
Pragul de sensibilitate este valoarea minimă a variaţiei mărimii de intrare, pe care<br />
traductorul o poate sesiza cu anumită certitudine şi se defineşte prin limita inferioară a variaţiei<br />
mărimii de intrare, care determină o variaţie a mărimii de ieşire, cel puţin egală cu eroarea<br />
maximă admisibilă a elementului. Este determinat de: fluctuaţiile datorate perturbaţiilor interne şi<br />
externe/ zgomotele din circuitele electrice; frecările statice; jocurile din angrenaje, în cazul<br />
dispozitivelor mecanice de măsurare şi trebuie să fie cât mai mic. Pragul de sensibilitate nu<br />
poate fi coborât sub o anumită limită, impusă de zgomotul de agitaţie termică, denumit zgomot<br />
propriu; la acesta se mai adaugă, în condiţii normale de funcţionare, zgomotul produs de<br />
fluctuaţiile menţionate, denumit zgomot instrumental.
Determinarea sensibilităţii totale pentru conexiuni tipice<br />
1. Conexiune în serie 2. Conexiune în paralel 3. Conexiune cu buclă de reacţie<br />
n<br />
S = ∏ S (IX.1.16)<br />
1<br />
i<br />
n<br />
S = ∑ S (IX.1.17)<br />
1<br />
i<br />
S1<br />
S =<br />
1+<br />
S ⋅ S<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.37<br />
(IX.1.18)
60<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Rezoluţia reprezintă intervalul maxim de variaţie al mărimii de intrare necesar pentru a<br />
determina apariţia unui salt la semnalul de ieşire; este un indicator utilizat atât pentru caracterizarea<br />
elementelor constructive ale mijloacelor de măsurare analogice cât şi a celor numerice.<br />
Rezoluţia corespunde:<br />
– diviziunii scalei aparatului de măsură în cazul instrumentelor de măsură analogice;<br />
– intervalului de cuantificare al mărimii de intrare, în cazul mijloacelor de măsurare<br />
numerice.<br />
IX.1.4.2. Caracteristici şi performanţe de regim dinamic<br />
Regimul dinamic corespunde funcţionării mijloacelor de măsurare, în situaţia în care,<br />
mărimea de măsurat şi, ca urmare, şi semnalul de ieşire variază în timp. Variaţiile mărimii de<br />
intrare se transmit cu întârziere şi uneori cu deformaţii faţă de caracteristica statică, nu sunt<br />
simultane şi identice cu ale mărimii de ieşire datorită inerţiei mecanice, termice sau electromagetice,<br />
amortizărilor cauzate de viteza de variaţie a mărimii de intrare (tabelul IX.1.38).<br />
Caracteristicile energetice ale componentelor unui lanţ de măsurare<br />
Tabelul IX.1.38<br />
Mărime fizică Elemente / relaţii analitice caracteristice funcţionării<br />
Primară x Secundară y Dimensiunea<br />
produsului xy<br />
1. Sistem mecanic<br />
Element acumulator<br />
cinetică<br />
Element acumulator<br />
de energie potenţială<br />
Element disipator<br />
de energie<br />
Inerţie, m Elasticitate, k Viscozitate, η<br />
Forţa F Viteza, w Putere dω<br />
F = m<br />
dt<br />
F = k∫ ωdt<br />
F = aω<br />
Forţa F Deplasare, x Energie 2<br />
d x<br />
F = m<br />
2<br />
dt<br />
F = kx<br />
dx<br />
F = a<br />
dt<br />
Deplasare, x Forţa, F Energie 1<br />
2<br />
x = F(d t)<br />
m ∫∫<br />
1<br />
x = F<br />
k<br />
1<br />
x = Ft d<br />
a ∫<br />
2. Sistem electric Bobină, L Condensator, C Rezistenţa, R<br />
Tensiune, u Curent, i Putere, P di<br />
u = L<br />
dt<br />
Curent, i Tensiune, u Putere, P 1<br />
i = udt L ∫<br />
Tensiune, u Sarcină, q Energie, W 2<br />
d q<br />
u = L<br />
2<br />
dt<br />
1<br />
u = idt C ∫<br />
du<br />
i = C<br />
dt<br />
1<br />
u = q<br />
C<br />
u = Ri<br />
1<br />
i = u<br />
R<br />
dq<br />
u = R<br />
dt<br />
Comportarea dinamică a mijlocului de măsurare se defineşte printr-o ecuaţie de<br />
legătură între semnalul de intrare, exprimat prin mărimea principală, şi semnalul de ieşire,<br />
exprimat prin mărimea secundară care exprimă o lege fizică generală / sisteme mecanice,
Analize fizico-mecanice 61<br />
ecuaţie de echilibru dinamic; sisteme electrice, legile lui Kirchhoff; relaţiile dintre mărimile<br />
principale şi secundare se exprimă prin ecuaţii diferenţiale de tipul:<br />
∑ ∑ ;<br />
(IX.1.19)<br />
unde q xt şi<br />
n m<br />
k<br />
akyt =<br />
q<br />
bqxt k= 0 q=<br />
0<br />
k<br />
y t sunt derivatele de ordin q respectiv k în raport cu timpul ale mărimilor de intrare<br />
xt şi respectiv de ieşire, yt iar coeficienţii ak şi bk sunt invarianţi.<br />
Ordinul ecuaţiei diferenţiale clasifică sistemele de măsurare, în funcţie de tipul<br />
componentelor adoptate :<br />
– sisteme de ordinul zero : caracterizate prin ecuaţii algebrice; aceste sisteme prezintă o<br />
comportare dinamică ideală deoarece semnalul de ieşire Xe reproduce fără întârziere sau<br />
distorsiuni semnalul de intrare X;<br />
– sistemele de ordinul întâi, al doilea, superior : sisteme de măsurare al căror comportament<br />
este caracterizat prin ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi; al doilea; de ordin superior.<br />
Dacă structura nu cuprinde elemente acumulatoare de energie / cinetică, potenţială şi<br />
elemente disipatoare de energie, expresia legăturii dintre mărimea de intrare şi ieşire este<br />
o ecuaţie algebrică.<br />
Dacă structura cuprinde elemente acumulatoare de energie / cinetică, potenţială şi elemente<br />
disipatoare de energie, ecuaţia diferenţială liniară este de ordinul I, II sau, mai rar, de ordin superior.<br />
Rezolvarea riguroasă a ecuaţiilor diferenţiale conduce la operaţii relativ complicate<br />
şi, din acest motiv se recurge la definirea practică a unor indicatori de performanţă prin<br />
intermediul funcţiei indiciale; funcţia indicială este importantă atât în condiţii statice, la<br />
producerea regimului tranzitoriu(trecerea de la starea iniţială, de repaus, la o nouă stare de<br />
echilibru static, ca urmare a aplicării la intrare a mărimii de măsurat) cât şi în condiţii<br />
dinamice; graficul funcţiei indiciale se realizează experimental şi furnizează indicatori de<br />
performanţă în timp şi în frecvenţă (tabelul IX.1.39).<br />
Indicatorii de performanţă în timp sunt:<br />
1. Eroarea sau abaterea dinamică, εD, exprimată ca diferenţa dintre valoarea curentă a<br />
ieşirii, yt şi valoarea la care aceasta se stabilizează, ys: eroarea dinamică scade în valoare<br />
absolută cu timpul şi tinde să se anuleze; în practică, eroarea dinamică este neglijabilă când se<br />
exprimă printr-un anumit procent din yS, admis ca eroare tolerată.<br />
2. Timpul tranzitoriu (timpul de răspuns), tt , definit ca timp de încadrare în limitele<br />
erorii dinamice tolerate, constituie o măsură a vitezei de răspuns (cu cât tt este mai mic, cu atât<br />
traductorul respectiv este mai rapid) şi a cadenţei de măsurare.<br />
3. Timpul de creştere, tc , reprezintă timpul în care valoarea indicată trece de la 10% la<br />
90% din yS ( în cursul primei perioade din regimul oscilatoriu amortizat).<br />
4. Pulsaţia oscilaţiilor, definită prin intervalul dintre două maxime succesive, ω, care<br />
caracterizează regimul oscilatoriu amortizat, care depinde de pulsaţia naturală ωn şi de factorul<br />
de amortizare δ.<br />
5. Supracreşterea σ, care reprezintă abaterea maximă a semnalului de ieşire faţă de<br />
valoarea stabilizată şi evaluează efectele variaţiilor bruşte ale mărimilor de intrare (eroarea<br />
dinamică corespunzătoare primului maxim al ieşirii, exprimată în procente din yS).<br />
Indicatori de performanţă în frecvenţă, definiţi prin intermediul caracteristicilor<br />
amplitudine -frecvenţă şi fază-frecvenţă a componentelor instalaţiilor de măsurare, care sunt în<br />
general de tip filtru trece-jos : lasă să treacă şi eventual amplifică frecvenţele joase, atenuându-le<br />
pe cele înalte, iar defazajele, respectiv întârzierile cresc cu frecvenţa; din acest motiv se stabileşte:<br />
6. Lăţimea de bandă de trecere, HωB, pentru care modulul semnalului de ieşire nu scade<br />
la o valoare mai mică de 2l din valoarea corespunzătoare pulsaţiei ω = 0, delimitând astfel<br />
domeniul de frecvenţă utilizabil; lăţimea de bandă se alege suficient de mare în raport cu
62<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
frecvenţa maximă a mărimii de măsurat/ fără creşteri exagerate care ar putea conduce la<br />
amplificarea efectelor perturbatoare ale frecvenţelor excesive.<br />
Tabelul IX.1.39<br />
Reprezentarea grafică a funcţiei indiciale a unui mijloc de măsurare;<br />
definirea indicatorilor de performanţă<br />
Indicatori de performanţă în timp<br />
1. Eroare /abatere dinamică: ε () t = y() t − y , unde yS = K<br />
2. Pulsaţia oscilaţiilor: ω =ω 1−δ<br />
n<br />
D s<br />
5. Supracreşterea: σ r = (1/ ys)( ymax − ys)<br />
·100<br />
Indicatori de performanţă în frecvenţă<br />
6. Lăţimea de bandă: H(ωB) = 2/2 H (0)<br />
2<br />
Observaţii:<br />
– forma logaritmică a lăţimii de bandă de trecere este :<br />
Hω<br />
B<br />
20lg =− 3dB<br />
; (IX.1.20)<br />
H<br />
– pentru elementele de întârziere de ordinul I :<br />
– pentru elementele de întârziere de ordinul II:<br />
0<br />
ωB = 1/T ; (IX.1.21)<br />
2 2 4<br />
ω =ω 1−2δ + 2−4δ + 4δ<br />
. (IX.1.22)<br />
B n<br />
IX.1.4.3. Caracteristici metrologice şi de exploatare<br />
Impedanţa metrologică Zm caracterizează fineţea unui component al sistemului de<br />
măsurare / calitatea sa de a influenţa cât mai puţin mărimea de determinat. Impedanţa<br />
metrologică trebuie să fie cât mai mare, iar consumul propriu cât mai redus, astfel încât<br />
conectarea elementului în circuitul de măsurare să nu influenţeze valoarea mărimii de<br />
determinat sau regimul de lucru al circuitului. Consumul energetic se menţine în limitele<br />
admise prin adaptarea impedanţei metrologice Zm la impedanţa sursei de alimentare Zs.
Analize fizico-mecanice 63<br />
Consumul propriu reprezintă energia necesară pentru funcţionarea corectă a componentului<br />
în conformitate cu caracteristicile sale statice şi dinamice.<br />
Robusteţea reprezintă calitatea unui element de a rezista, fără a se deteriora sau a<br />
introduce erori suplimentare, la şocuri, vibraţii, variaţii de temperatură şi umiditate.<br />
Capacitatea de supraîncărcare reprezintă calitatea unui element al sistemului de<br />
măsurare de a suporta fără deteriorări sau erori suplimentare valori ale mărimii de măsurat care<br />
depăşesc limita superioară a domeniului de măsurare. Capacitatea de supraîncărcare se exprimă<br />
prin raportul dintre valoarea maximă nedestructibilă (limită a mărimii de măsurat, care nu<br />
afectează funcţionarea ulterioară a elementului) şi limita superioară a domeniului.<br />
Siguranţa în funcţionare reprezintă capacitatea de lucru conform caracteristicilor statice<br />
şi dinamice nominale, fără defecţiuni, în decursul unui interval de timp, în condiţii de efectuare<br />
normală a măsurărilor.<br />
IX.1.5. Analiza erorilor de măsurare<br />
IX.1.5.1. Condiţii metrologice şi caracteristici generale<br />
ale procesului de măsurare<br />
Condiţiile metrologice de măsurare constituie totalitatea elementelor care definesc şi<br />
intervin în procesul de măsurare (obiect, regim, metode) şi factorii de eroare, influenţând<br />
rezultatele şi caracteristicile generale ale procesului de măsurare: repetabilitatea / fidelitatea;<br />
reproductibilitatea / justeţea, denumite, sintetic, prin precizia măsurării.<br />
Precizia măsurării defineşte probabilitatea de a obţine rezultate de măsurare apropiate<br />
de valoarea adevărată, X0; diferenţa dintre valoarea măsurată şi cea adevărată defineşte eroarea<br />
totală de măsurare:<br />
e = X – X0 = ε + δ (IX.1.23)<br />
unde: ε este eroarea sistematică / constantă, independentă de ordinea de efectuare a determinărilor;<br />
δ – eroarea aleatoare / variabilă, dependentă de ordinea de prelevare.<br />
Componentele erorii totale pot fi evaluate în cadrul unui proces de măsurări repetate,<br />
executate asupra aceleiaşi mărimi, în condiţii de:<br />
– repetabilitate: măsurările se efectuează asupra aceleiaşi mărimi, într-un mod de<br />
operare definit, cu acelaşi echipament, în aceleaşi condiţii, în interval scurt de timp, evidenţiind<br />
fidelitatea mijlocului de măsurare, caracterizat prin rezultate apropiate, erori de măsurare mici;<br />
– reproductibilitate: măsurările se efectuează asupra aceleiaşi mărimi, prin mod de<br />
operare diferit, în condiţii diferite – mijloace de măsurare / loc / timp – evidenţiind justeţea<br />
mijlocului de măsurare, caracterizat prin capacitatea de a da rezultate apropiate de valoarea<br />
adevărată a mărimii de măsurat.<br />
Eroarea de măsurare este inevitabilă şi se datorează imperfecţiunii mijloacelor şi<br />
metodelor de măsurare, variaţiei condiţiilor de mediu, perturbaţiilor exterioare, subiectivităţii<br />
operatorului şi variaţiilor măsurandului. Modul de exprimare este prezentat în tabelul IX.1.40.<br />
• Eroarea relativă caracterizează concludent sistemul de măsurare; eroarea raportată are<br />
caracterul de variaţie a erorii absolute, fiind utilizată pentru caracterizarea comparativă a unei<br />
serii, categorii de mijloace de măsurare sau a instrumentelor cu scări multiple.<br />
• Eroarea globală caracterizează procesul de măsurare pentru surse de erori identificate:<br />
∑ ∑<br />
e = ε + δ<br />
T j ij<br />
j j
64<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
şi, în raport cu metoda şi mijlocul de măsurare utilizate, aceasta se exprimă:<br />
∑<br />
e = δ<br />
T ij<br />
j<br />
∑ ∑ ∑<br />
e = ε + δ + σ<br />
T j ij j<br />
j j j<br />
∑<br />
– pentru ε = 0 , condiţie asigurată constructiv;<br />
j<br />
j<br />
∑ j , unde ∑δij j<br />
j<br />
– pentru ε ≠ 0<br />
este eroarea oblică.<br />
Evaluarea şi exprimarea preciziei de măsurare impun identificarea naturii şi surselor<br />
erorilor de măsurare şi utilizarea procedeelor statistice pentru caracterizarea efectului global.<br />
Modalităţi de exprimare a erorilor de măsurare<br />
Tabelul IX.1.40<br />
Forma de Expresia Semnificaţia termenilor din Unitatea de măsură<br />
exprimare analitică<br />
relaţia de definiţie<br />
Eroare absolută e = X – X0 X – valoarea măsurată<br />
X0 – valoarea adevărată a mărimii<br />
Aceeaşi cu a mărimii<br />
măsurate<br />
Eroare relativă<br />
e X − X<br />
e<br />
0<br />
r = =<br />
X0 X0<br />
Conform definiţiei de mai sus %<br />
Eroare raportată<br />
e<br />
eR<br />
=<br />
X<br />
X − X<br />
= 0<br />
X<br />
Xc – valoare convenţională; capăt<br />
de scală<br />
%<br />
c c<br />
IX.1.5.2. Modelarea matematică a erorilor de măsurare<br />
Modelarea matematică a erorilor de măsurare se realizează într-un ansamblu de<br />
măsurări repetate, iar interpretarea statistică a erorilor de măsurare este similară interpretării<br />
statistice a rezultatelor măsurărilor efectuate asupra unui eşantion reprezentativ; acceptând<br />
similitudinea, s-a realizat o sinteză în tabelul IX.1.41.<br />
• Incertitudinea măsurării, U, determinată de erorile de măsurare, defineşte intervalul în<br />
care se plasează, cu o anumită probabilitate, valoarea adevărată a măsurandului; aceasta se<br />
estimează obiectiv şi se specifică împreună cu rezultatele măsurării reprezentând eroarea de<br />
măsurare probabilă.<br />
Observaţii:<br />
1. Rezultatul măsurării se exprimă în funcţie de valoarea probabilă V, iar incertitudinea<br />
măsurării, U (± U defineşte intervalul de încredere), ca V ± U.<br />
2. Probabilitatea cu care se afirmă plasarea valorii adevărate în limitele intervalului ± U<br />
se numeşte nivel de încredere sau siguranţă statistică, S.<br />
3. Evaluarea şi exprimarea incertitudinii de măsurare impune identificarea naturii şi<br />
surselor erorilor de măsurare, utilizarea procedeelor statistice de caracterizare a efectului global<br />
al incertitudinilor parţiale.<br />
Modelarea matematică a erorilor de măsurare<br />
Valori de măsurare Erori de măsurare<br />
1 2<br />
1.Valorii de măsurare x / erorii de măsurare, δx i se asociază funcţia de frecvenţă<br />
f(x) f(δx)<br />
Tabelul IX.1.41
Analize fizico-mecanice 65<br />
1 2<br />
Tabelul IX.1.41 (continuare)<br />
2. Valorii de măsurare x / erorii de măsurare δx i se asociază funcţia de repartiţie<br />
u<br />
u<br />
F( x) = ∫ f( x)dx F( x) = f( δx)dx<br />
−∞<br />
F(x), F(δx) reprezintă probabilitatea ca x < u; δx < u<br />
3. Pentru n foarte mare, funcţia de repartiţie a valorilor de măsurare / a erorilor devine:<br />
+∞<br />
+∞<br />
F( x) = ∫ f( x)dx= 1<br />
F( x) = ∫ f( δ x)dx = 1<br />
−∞<br />
−∞<br />
4. Graficul funcţiei de frecvenţă a valorilor de măsurare / a erorilor<br />
Abaterile faţă de valoarea medie / erorile individuale satisfac condiţiile:<br />
Σ(δxi) = 0; Σ(δxi) 2 = minim<br />
*Funcţia de frecvenţă a variabilei aleatoare / a erorilor de măsurare este:<br />
1 −1/2( δx/ σ)<br />
p( δ x) = ⋅e<br />
σ⋅ 2π<br />
Funcţia de frecvenţă / densitate de probabilitate îndeplineşte condiţia:<br />
∫ p( δ x)d( x)<br />
= 1<br />
Se defineşte probabilitatea ca erorile de măsurare să fie cuprinse în limitele:<br />
δ2<br />
P(–δ1 < δx < +δ2) = p( δx)dx<br />
Prin schimbarea de variabilă δx = zσ probabilitatea P devine:<br />
1<br />
P(– q < δx < + q) = e dz<br />
σ⋅ 2π∫<br />
Variabila normată, z = dx/σ, adimensională, permite tabelarea valorilor funcţiei f(z)<br />
Probabilitatea de încadrare a z în limitele erorilor tolerate, exprimată procentual, reprezintă<br />
nivelul de încredere sau siguranţă statistică, S [%];<br />
În intervalele definite se încadrează procente determinate din valorile de măsurare<br />
± σ ±2σ ± 2,58σ ± 3σ<br />
68, 3% 95% 99% 99, 73%<br />
• Abaterea medie pătratică caracterizează integral incertitudinea.<br />
• Probabilitatea de depăşire a limitelor erorilor tolerate se numeşte risc, R:<br />
R [%] = 100 – S [%].<br />
Creşterea nivelului de încredere impune creşterea valorii erorii tolerate; nivelul de încredere<br />
se fixează în raport cu efectele tehnologice ale erorii tolerate (S = 95%).<br />
∫<br />
δ1<br />
2<br />
z<br />
−<br />
2σ<br />
∫<br />
−∞
66<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
IX.1.5.3.Clasificarea erorilor de măsurare<br />
Erorile de măsurare sunt determinate şi se clasifică în funcţie de componentele procesului<br />
de măsurare (tabelul IX.1.42).<br />
Caracterul erorilor este determinat de modul de manifestare al erorilor în procesul<br />
măsurărilor repetate şi constituie un criteriu de evaluare al incertitudinii măsurării (fig. IX.1.18):<br />
– erori sistematice, se repetă ca valoare absolută şi ca semn; variază pe baza unor legi<br />
definite, la schimbarea condiţiilor de lucru;<br />
– erori aleatoare / întâmplătoare, a căror variaţie este imprevizibilă, se caracterizează<br />
prin simetrie şi concentrare, sunt greu de determinat şi nu pot fi eliminate;<br />
– erori singulare / grosolane, ce depăşesc considerabil erorile cele mai probabile şi nu<br />
se justifică în condiţiile normale ale unui proces de măsurare; rezultatul unei măsurări afectat<br />
de eroare singulară constituie o valoare aberantă care se identifică şi se elimină din şirul de<br />
măsuri, prin teste statistice.<br />
Surse de erori în procesul de măsurare<br />
Sursa Cauza<br />
Tabelul IX.1.42<br />
1. Obiectul măsurării Erori de model, la asocierea cu un model simplificat, ce nu corespunde<br />
integral realităţii<br />
Parametri neinformativi ce influenţează mijlocul de măsurare utilizat<br />
2. Mijlocul de măsurare Erori instrumentale statice: de reglaj, de proporţionalitate, de liniaritate,<br />
de histereză<br />
Erori instrumentale dinamice: se manifestă în timp în frecvenţă<br />
3. Metoda Imperfecţiunile metodelor / tehnologiilor de măsurare<br />
4. Operator Apreciere subiectivă a efectelor: coincidenţe, intensităţi, nuanţe, mărimi<br />
fizice sesizabile<br />
5. Erori de interacţiune* Interdependenţa măsurand /mijloc de măsurare / operator<br />
6. Erori de influenţă* Factori ce acţionează asupra măsurandului şi asupra mijlocului de<br />
măsurare<br />
*Specificate/documentaţie.<br />
Fig. IX.1.18. Reprezentarea grafică a categoriilor de erori,<br />
după manifestarea în măsurări repetate.
Analize fizico-mecanice 67<br />
IX.1.5.4. Caracterizarea proceselor de măsurare.<br />
Precizie, fidelitate şi justeţe<br />
Precizia proceselor de măsurare se apreciază prin calitatea de a da rezultate cât mai apropiate<br />
de valoarea adevărată a măsurandului şi se evidenţiază în contextul unor măsurări repetate.<br />
Măsurarea de precizie se caracterizează prin valori mici ale erorilor de măsurare<br />
aleatoare / de fidelitate şi sistematice / erori de justeţe.<br />
Fidelitatea / repetabilitatea se evidenţiază în cadrul unui proces de măsurări repetate,<br />
executat asupra aceluiaşi măsurand, cu acelaşi mijloc de măsurare şi în aceleaşi condiţii de<br />
execuţie prin erori aleatoare mici /grupate în jurul mediei.<br />
Justeţea / reproductibilitatea se evidenţiză în cadrul unui proces de măsurări repetate,<br />
executat asupra aceluiaşi măsurand, cu mijloace de măsurare/metode diferite, în condiţii<br />
diferite de execuţie, prin apropierea de valoarea adevărată a măsurandului, dată prin etalon /<br />
erori sistematice mici.<br />
Observaţii:<br />
– Precizia, fidelitatea şi justeţea sunt atribute generale ale oricărui proces de măsurare.<br />
– Precizia include fidelitatea şi justeţea ca două componente distincte, complementare.<br />
IX.1.5.4.1. Calculul erorilor de măsurare<br />
Metodologia de calcul a erorilor de măsurare<br />
Tabelul IX.1.43<br />
1. Calculul erorilor de justeţe: se determină la măsurare pe etalon, pentru n = 1<br />
1. Măsurare directă:<br />
a. sistematică, se determină ca mărime şi semn: ε = c·Xn / Xc,<br />
unde: Xc – indice de clasă; Xn – limita superioară de măsură;<br />
b. maximală, se determină ca valoare limită superioară;<br />
2. Măsurare indirectă: se calculează ca valori maximale / erori propagate, determinate pentru n = 1<br />
Fie X = f(a, b, c), unde: a; b; c – mărimi independente, măsurate direct;<br />
�����������������������������������∆a;<br />
�∆b; ∆c – erorile absolute comise la măsurare directă;<br />
a. metoda diferenţialei logaritmice:<br />
– logaritmarea expresiei f(a, b, c);<br />
– diferenţierea expresiei f(a, b, c);<br />
– determinarea erorii, considerând semn pozitiv la toate componentele;<br />
b. metoda compunerii pătratice:<br />
∆X se determină din dezvoltarea în serii Taylor, neglijând termenii de grad superior:<br />
1/2<br />
2 2 2<br />
∆X ⎡<br />
⎛ a ∂X ∆a⎞ ⎛ b ∂X ∆b⎞ ⎛ c ∂X ∆c⎞<br />
⎤<br />
= ⎢⎜ ⋅ ⋅ ⎟ + ⎜ ⋅ ⋅ ⎟ + ⎜ ⋅ ⋅ ⎟ ⎥<br />
X ⎢ X ∂a a X ∂b b X ∂c<br />
c<br />
⎣<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥<br />
⎦<br />
2. Calculul erorilor de fidelitate: se determină în cadrul unui proces de măsurări repetate<br />
1. Măsurare directă<br />
Repartiţia erorilor se asimilează modelului probabilistic Gauss-Laplace: n > 30 măsurări:<br />
a. eroarea comisă asupra valorii individuale:<br />
∆Xmax = ± qσ, unde: q = f(S); S – siguranţa statistică impusă;<br />
b. eroarea comisă asupra valorii medii:<br />
∆Xmax = ± qσ/ n , unde: q = f(S); S – siguranţa statistică impusă.<br />
Observaţii: – rezultatul măsurării individuale : X = X + q⋅σ<br />
– rezultatul determinării valorii medii: µ= X + q⋅σ / n
68<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
– la precizie mare de măsurare: relevant pentru neuniformitatea produsului.<br />
Repartiţia erorilor se asimilează modelului Student: n < 30 măsurări:<br />
a. eroarea comisă asupra valorii individuale:<br />
∆Xmax = ± t·s, unde: q = f(ν, S), iar S este siguranţa statistică impusă;<br />
b. eroarea comisă asupra valorii medii:<br />
∆Xmax = ± t·s/ n , unde: q = f(ν, S), iar v = grade de libertate.<br />
Observaţii: – rezultatul măsurării individuale: X = X + t⋅ s ;<br />
– rezultatul determinării valorii medii: µ= X + t⋅ s/ n<br />
2. Măsurare indirectă: X = f (a ; b)<br />
– media aritmetică, µ = f(µa; µb) unde µa; µb – mediile obţinute prin măsurare directă;<br />
– abaterea standard, σ = [(∂X/∂a) 2 2<br />
· σ a + (∂X/∂b) 2 2<br />
· σ b + 2ρ∂X/∂a·∂X/∂b·σ a·σ b] �<br />
unde: σa, σb – abaterile standard ale mărimilor a, b direct măsurabile;<br />
ρ – valoarea coeficientului de corelaţie;<br />
� σ = [(∂X/∂a) 2 2<br />
· σ a + (∂X/∂b) 2 2<br />
· σ b ] 1/2 , pentru ρ = 0<br />
� σ = (∂X/∂a) 2 · σ a + (∂X/∂b) 2 · σ b, pentru ρ = 1<br />
Tabelul IX.1.43 (continuare)<br />
Observaţii:<br />
1. Calculul erorilor de fidelitate (model Gauss) prezintă importanţă pentru: măsurarea<br />
precisă a constantelor de material; verificarea şi etalonarea mijloacelor de măsurare de precizie<br />
ridicată; măsurarea caracteristicilor de material cu valori fluctuante.<br />
2. Eroarea de fidelitate se determină ca valoare maximă, prin interpretarea statistică a<br />
unui ansamblu de măsurări repetate (măsurări directe cât şi măsurări indirecte) în cadrul căruia<br />
media aritmetică, constituie valoarea de referinţă pentru erorile individuale.<br />
3. Abaterea standard (s), informează asupra gradului de împrăştiere a rezultatelor<br />
măsurărilor efectuate asupra unui eşantion, constituind parametrul principal de calcul al<br />
erorilor de fidelitate; caracterizează rezultatul procesului de măsurare şi nu depinde de volumul<br />
acestuia; abaterea medie pătratică a mediei caracterizează rezultatul prelucrat al măsurării şi<br />
scade la creşterea volumului eşantionului.<br />
4. Media aritmetică se supune unei legi de repartiţie normală cu o abatere medie<br />
pătratică mai mică decât cea a valorilor individuale.<br />
5. Caracterizarea mijloacelor sau metodelor de măsurare se poate obţine prin intermediul<br />
acestor parametri statistici, în cadrul unui proces de măsurare aplicat pe etalon.<br />
Tabelul IX.1.44<br />
Siguranţa statistică şi riscul în funcţie de nivelul erorii tolerate<br />
z 2/3 1 2 3 4<br />
f (z) 0,249 0,3413 0,4772 0,4896 0,4999<br />
S [%] 50 68,3 95, 5 99,73 99,98<br />
R [%] 50 31,7 4,5 0,27 0,02<br />
În conformitate cu aceste observaţii, calculul erorii maxime a unei măsurări individuale<br />
(δXmax) şi calculul erorii asupra mediei (δµ) se realizează conform relaţiilor din tabelul IX.1.43.
Analize fizico-mecanice 69<br />
IX.1.5.4.2. Calculul erorilor de fidelitate cu repartiţia Student<br />
Modelul Student este utilizat pentru analiza rezultatelor măsurărilor efectuate pe<br />
eşantioane de volum redus (n < 30), pentru care parametrii statistici µ şi σ sunt estimaţi prin m<br />
şi s. Repartiţia Student, denumită şi repartiţia t, reprezintă o adaptare a repartiţiei normale la un<br />
număr mic de măsurări şi se caracterizează prin:<br />
– densitatea de probabilitate, definită de relaţia:<br />
ϕ(<br />
n /2)<br />
pt () =<br />
2<br />
⎛n−1⎞ ⎛ t ⎞<br />
π⋅( n −1) ⋅ϕ⎜ 1<br />
2<br />
⎟⋅ ⎜ + ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎜ n −1⎟<br />
⎝ ⎠<br />
cu o reprezentare grafică similară cu clopotul Gauss;<br />
– probabilitatea de încadrare a variabilei normate t, în limitele impuse:<br />
+ a<br />
P( − a < t < + a) = p()d t t = 2 ⋅Φ()<br />
t<br />
∫<br />
−a<br />
Valorile funcţiei Φ(t) sunt tabelate şi permit determinarea valorilor variabilei normate:<br />
t = f (ν, S).<br />
Valorile variabilei normate t = f (ν, S)<br />
Tabelul IX.1.45<br />
S, % 4 5 6 7 8 9 10 20 50 100<br />
68,3 1,2 1,14 1,11 1,09 1,08 1,07 1,06 1,03 1,01 1<br />
95,5 3,31 2,87 2,65 2,52 2,38 2,38 2,33 2,2 2,01 2<br />
99,73 9,22 6,62 5,11 4,9 4,53 4,09 4,09 3,64 3,16 3,03<br />
Calculul erorilor comise la efectuarea unei măsurări individuale sau asupra mediei se<br />
realizează în conformitate cu relaţiile din tabelul IX.1.43.<br />
Determinarea numărului minim de măsurări necesar pentru o valoare prescrisă a erorii<br />
tolerate se realizează conform relaţiei:<br />
2<br />
⎛ s ⋅t<br />
⎞<br />
n≥⎜<br />
δ⋅m<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ (IX.1.24)<br />
IX.1.5.4.3. Calculul erorilor de justeţe (sistematice)<br />
Erorile sistematice (de justeţe) se manifestă ca:<br />
1. erori sistematice determinate, variabile sau constante, generate de tehnica experimentală,<br />
care se evaluează prin măsurări repetate pe etalon; acestea pot fi diminuate prin îmbunătăţirea<br />
tehnicii de măsurare sau reduse prin corecţii;<br />
2. erori sistematice nedeterminate, care se caracterizează prin indicatori probabilistici;<br />
nu pot fi determinate prin măsurări repetate şi se evaluează prin experiment sistematic, prin<br />
care se evidenţiază individual factorii ce influenţează rezultatele procesului de măsurare, sub<br />
forma sintetică de eroare maximală:<br />
• ± a, în intervalul de variaţie erorile au o repartiţie echiprobabilă, rectangulară (orice<br />
eroare sistematică este cuprinsă în intervalul ± a şi are aceeaşi probabilitate); valoarea abaterii<br />
medii pătratice este s = a / 3 ;<br />
• eroare medie pătratică (provine de la fiecare sursă).
70<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Eroarea sistematică rezultantă se determină prin compunerea erorilor parţiale:<br />
sum<br />
m<br />
2<br />
i<br />
m m<br />
rij<br />
i j<br />
i i j<br />
∑ ∑∑ (IX.1.25)<br />
σ = σ + 2 σ σ ,<br />
unde: rij este coeficientul de corelaţie dintre variabilele caracterizate prin σi; σj;<br />
rij = 0, când variabilele caracterizate prin σ1, σ2 �sunt independente; regula de compunere<br />
este pătratică, fiind justificat calculul dacă sursele de erori sunt constituite de<br />
incertitudinea etaloanelor de referinţă, incertitudinea aparatului de comparaţie,<br />
factori de mediu, erori de metodă sau de operator, între care, coeficienţii de<br />
corelaţie pot fi consideraţi neglijabili;<br />
rij = 1, când variabilele caracterizate prin σ1, σ2 �sunt dependente; regula de compunere<br />
este sumarea liniară, ceea ce conduce la valoarea maximă, de probabilitate<br />
minimă a erorii rezultante; în practică, asemenea cazuri există când aceeaşi<br />
mărime de influenţă acţionează asupra a două surse de erori distincte (utilizarea<br />
aceluiaşi aparat de etalonare, caracterizat prin aceeaşi incertitudine pentru<br />
determinarea a două mărimi ce intervin în acelaşi proces de măsurare).<br />
Evaluarea incertitudinii globale:<br />
– estimarea erorilor aleatoare prin măsurări repetate permite evaluarea incertitudinii de<br />
măsurare de tip A, �σA denumită incertitudine experimentală;<br />
– erorile estimate pe baza unor informaţii suplimentare, ce provin din exteriorul procesului<br />
de măsurare curentă, generează incertitudinea apreciată, de tip B, şi se sintetizează prin σB;<br />
– incertitudinea globală se obţine prin compunerea pătratică a acestor două componente:<br />
σ =<br />
2 2<br />
σ A +σ B<br />
(IX.1.26)<br />
acceptându-se ipoteza unei corelaţii neglijabile între cele două componente.<br />
Valorile parametrului V n, α<br />
Tabelul IX.1.46<br />
n 3 5 7 9 10 15 20 30 50 100<br />
α= 0,01 1,155 1,749 2,097 2,323 2,410 2,705 2,884 3,103 3,336 3,600<br />
α = 0,05 1,153 1,672 1,938 2,110 2,176 2,409 2,557 2,745 2,956 3,207<br />
α = 0,10 1,148 1,602 1,828 1,977 2,036 2,247 2,385 2,563 2,768 3,011<br />
Erorile care depăşesc considerabil erorile probabile, specifice unui proces de măsurare,<br />
sunt erori singulare (tabelul IX.1.46); măsurările afectate de acestea sunt considerate aberante,<br />
iar prezenţa lor afectează estimarea parametrilor statistici; prin urmare, valorile aberante sunt<br />
detaşate din şirul de măsurări.<br />
Eliminarea valorilor aberante din şirul de măsurări se efectuează pe baza unor teste<br />
X n − X<br />
statistice (de exemplu: criteriul Grubbs-Smirnov: comparaţia statisticii x = cu valoarea<br />
S<br />
tabelată Vn,α, pentru R = 0,05; 0,01).<br />
IX.1.6. Prelucrarea statistică a datelor experimentale<br />
Proprietăţile caracteristice ale materialelor textile se determină în cadrul proceselor de<br />
măsurare aplicate pe eşantioane reprezentative, extrase din populaţia statistică testată, prin<br />
metode standardizate de sondaj aleatoriu.
Analize fizico-mecanice 71<br />
Modul de aplicare a proceselor de măsurare defineşte mărimile textile ca variabile<br />
aleatoare X, caracterizate printr-o anumită probabilitate de apariţie pi.<br />
Variabilele aleatoare pot fi:<br />
– de tip discret: care pot lua o mulţime finită de valori xi sau o mulţime infinită de valori<br />
xi(i∈N); exemple: numărul de imperfecţiuni sau defecte de fir /lungime de referinţă; numărul<br />
de ruperi de fir la unul/mai multe posturi de filare; numărul de defecte/unitatea de masă la vălul<br />
detaşat la cardă; numărul de defecte de ţesătură, tricot etc.<br />
Variabilele aleatoare de tip discret sunt caracterizate prin:<br />
– funcţia de probabilitate (frecvenţă) definită ca:<br />
f(x) = f(xi) = P (x = x i) pentru x = x i şi 0 în rest,<br />
îndeplinind condiţia:<br />
∑ f( x i ) = 1<br />
(IX.1.27)<br />
i<br />
– funcţia de repartiţie, probabilitatea ca valorile pe care le ia variabila aleatoare să fie<br />
mai mici sau egale cu valoarea x:<br />
F(x) = P(X ≤ x) = ∑ f( xi)<br />
(IX.1.28)<br />
– de tip continuu: care pot lua toate valorile dintr-un interval dat, mărginit sau<br />
nemărginit, în mulţimea numerelor reale; exemplu: studiul caracteristicilor de material.<br />
Variabilele aleatoare de tip continuu prezintă o infinitate de posibilităţi de realizare pe<br />
un anumit interval, în cadrul căruia unei valori x i se poate asocia o probabilitate P(X = x) nulă,<br />
iar valorilor X∈x + ∆x li se poate asocia o probabilitate nenulă.<br />
Variabilele aleatoare de tip continuu sunt caracterizate prin:<br />
– funcţia de repartiţie care, în intervalul −∞ < x
72<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Semnificaţia medianei: valoarea pentru care aria de sub graficul de probabilităţi se<br />
împarte în două părţi egale în cazul repartiţiilor continue; în cazul repartiţiilor discrete,<br />
mediana reprezintă cea mai mică dintre toate realizările xi, pentru care F(xi) ≥ 0,5. Ca valoare<br />
centrală a seriei ordonate crescător sau descrescător, afectează gradul de semnificaţie al<br />
mediei; astfel, cu cât diferenţa dintre medie şi mediană este mai mică, cu atât semnificaţia<br />
mediei este mai bună.<br />
c. modulul xmod reprezintă valoarea cu cea mai mare probabilitate, în cazul repartiţiilor<br />
discrete şi respectiv, valoarea cu densitatea de probabilitate maximă, în cazul repartiţiilor continue.<br />
– parametrii de variaţie:<br />
a. varianţa (dispersia) σ 2 constituie media pătratului abaterilor de la valoarea medie m:<br />
∑ i ( i) ∑ i ( i)<br />
, repartiţie discretă (IX.1.32)<br />
σ 2 = Var(X) = ( ) 2 2 2<br />
x − µ f x = x f x −µ<br />
i i<br />
+∞ +∞<br />
x f x x x f x x<br />
∫ ( )d ∫ ( )d , repartiţie continuă (IX.1.33)<br />
σ 2 = Var(X) = ( ) 2 2 2<br />
−µ = −µ<br />
−∞ −∞<br />
Semnificaţia dispersiei de sondaj: variaţia caracteristicii dependente la acţiunea factorilor<br />
întâmplători, pentru nivelul eşantionului.<br />
b. abaterea standard:<br />
σ= Var( X ) , (IX.1.34)<br />
reflectă influenţa factorilor întâmplători, deoarece abaterile extreme (prin ridicare la pătrat) au<br />
influenţă mai mare decât abaterile intermediare.<br />
c. coeficientul de variaţie:<br />
CV = σ/M(X) (IX.1.35)<br />
este expresia relativă a abaterii standard; nivelul mic al CV indică variaţia redusă a<br />
caracteristicii testate, omogenitatea eşantionului şi reprezentativitatea mediei.<br />
2. Relaţiile dintre variabilele aleatoare pot reflecta:<br />
– independenţa variabilelor aleatoare, dacă v.a. X i sunt stohastic independente:<br />
• funcţia de repartiţie comună:<br />
F(x1, x2, , ...) = P(X1 ≤ x1, X2 ≤ x2, ...) = F1(x1)·F2(x2)...Fn(xn) (IX.1.36)<br />
• densitatea de probabilitate comună:<br />
f(x1, x2, x3, ...xn) = f1 (x1)·f2 (x2)·f3 (x3)...fn (xn) (IX.1.37)<br />
– gradul de conexiune liniară între două v.a. X, Y care se apreciază prin:<br />
• funcţia de covarianţă normată sau coeficientul de corelaţie:<br />
ρ(X, Y) = Cov(X, Y) Var( X ) ⋅ Var( Y ) =σ / σ ⋅σ , (IX.1.38)<br />
unde, covarianţa Cov(X, Y) = SXY este:<br />
XY X Y<br />
σXY = M[X – M(X)][Y – M(Y)] (IX.1.39)<br />
Coeficientul de corelaţie îndeplineşte condiţia:<br />
–1 ≤ ρ(X, Y) ≤ +1 (IX.1.40)<br />
(pentru r = 0, variabilele se numesc necorelate).<br />
3. Repartiţiile de probabilitate constituie modele pentru repartiţiile empirice obţinute la<br />
măsurări asupra mărimilor textile (tabelul IX.1.47).
Denumirea repartiţiei<br />
1. Repartiţia normală<br />
(Gauss-Laplace),<br />
N(m, σ)<br />
2. Repartiţia normală<br />
standard,<br />
N (0, 1)<br />
3. Repartiţia binomială<br />
Bi(n, p)<br />
Tipul de variabilă aleatoare<br />
Utilitatea repartiţiei<br />
Modele matematice pentru caracteristicile de calitate<br />
Parametrii caracteristici<br />
(medie M, dispersie D 2 )<br />
Densitatea de probabilitate<br />
Funcţia de repartiţie<br />
Tabelul IX.1.47<br />
Reprezentarea grafică<br />
a densităţii de probabilitate<br />
1 2 3 4 5<br />
V.a. X continuă<br />
Modelare procese tehnologice;<br />
estimare erori de măsurare şi<br />
caracteristici de material<br />
V.a. Z continuă<br />
Caz particular al repartiţiei normale,<br />
obţinută prin transformarea:<br />
z = (x – m)/σ<br />
– valori tabelate ale funcţiei de<br />
distribuţie pentru siguranţa statistică<br />
S α [%]<br />
V.a. X discretă;<br />
Stabilirea frecvenţei unei<br />
caracteristici alternative la controlul<br />
prin sondaj, cu:<br />
– n (nr. de determinări independente);<br />
– p (probabilitatea unui termen al<br />
alternativei);<br />
– q (probabilitatea celuilalt termen al<br />
alternativei)<br />
M(X) = m; M(X) = µ<br />
D 2 (x) = σ 2<br />
M(z) = 0<br />
D 2 (z) = 1<br />
M(X) = n·p<br />
D 2 (x) = n·p·q<br />
unde: p ∈[0, 1];<br />
q = 1 – p<br />
pentru n·p·q ≥ 10;<br />
B (n, p) → N(m, σ 2 )<br />
1<br />
f( x) = ⋅e<br />
σ⋅ 2 ⋅π<br />
x, m ∈R; σ > 0<br />
2<br />
1 ⎛ x−m⎞ −<br />
2<br />
⎜<br />
σ<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
x<br />
1<br />
F( x) = ⋅ f( t)dt σ⋅ 2 ⋅π ∫<br />
−∞<br />
1<br />
f( z) e<br />
2<br />
−<br />
= ⋅<br />
⋅π<br />
2<br />
1<br />
2<br />
z<br />
1<br />
F( z) = ⋅ f( t)dt 2 ⋅π ∫<br />
−∞<br />
x x n x<br />
f(x) = P(n, x) = Cnp q ;<br />
−<br />
x = 0,1,... n<br />
F( x) = P( x≤ n)<br />
=<br />
n<br />
= ∑ Pnx ( , );<br />
0<br />
F(x) = 0, pentru x < 0;<br />
F(x) = 1, pentru x ≥ n<br />
;
1 2 3 4 5<br />
4. Repartiţia Poisson V.a. X discretă<br />
M(X) = D<br />
P0(λ) Este repartiţia evenimentelor rare<br />
np ≤ 10; n ≥ 30; p ≤ 0,1;<br />
B(n, p) → P0(λ) 2 (x) = λ f(x) = P(λ, x) =<br />
n·p = λ = const<br />
pentru n·p ≥ 10 = λ,<br />
P0(λ, x) →N(λ, λ)<br />
x<br />
−λ λ<br />
= e ⋅ , x = 0,1,2,... n<br />
x!<br />
F( x) = P( x≤ n)<br />
=<br />
n<br />
= P( λ,<br />
x);<br />
5. Repartiţia exponenţială<br />
E(x, λ)<br />
6. Repartiţia Weibull<br />
V.a.X discretă<br />
Pentru intervalul de timp dintre<br />
evenimente repartizate Poisson<br />
V.a. X discretă ;<br />
Descrie durata de viaţă a<br />
materialelor supuse unui proces de<br />
îmbătrânire (oboseala materialelor;<br />
durata de viaţă a instrumentelor etc.)<br />
M(X) = D 2 (x) = 1<br />
λ<br />
Parametri: α, β, γ ∈R<br />
α → starea<br />
β > 0 → măsura<br />
γ >0 → configuraţia<br />
∑<br />
0<br />
f(x) = λ·e –λx , pentru λ > 0;<br />
x ≥ 0<br />
f(x) = 0, pentru x < 0<br />
F(x) = 1 – e –λx , pentru λ > 0;<br />
x ≥ 0<br />
γ<br />
γ−1 ⎛ x−α<br />
⎞<br />
−⎜ γ ⎛ x −α⎞<br />
⎟<br />
β<br />
f( x)<br />
= ⋅ e ⎝ ⎠<br />
⎜ ⎟ ⋅⋅ ,<br />
β ⎝ β ⎠<br />
x ≥α<br />
f(x) = 0, x < α<br />
t<br />
⎛ x−α<br />
⎞<br />
−⎜ ⎟<br />
β<br />
F( x) = 1−e ⎝ ⎠ , x≥α<br />
F(x) = 0, x < a<br />
Tabelul IX.1.47 (continuare)
7. Repartiţia<br />
χ 2 (ν)<br />
8. Repartiţia Student<br />
t (ν)<br />
1 2 3 4 5<br />
V.a.<br />
ν<br />
Y = ∑ X<br />
i=<br />
1<br />
2<br />
i<br />
, unde:<br />
X 1...ν sunt v.a. independente →<br />
→ N(0, 1)<br />
ν = 1, 2,... grade de libertate<br />
Utilizată ca repartiţie „auxiliară” la<br />
teste de verificare ale ipotezelor<br />
statistice<br />
V.a. continuă<br />
Z<br />
T = ; Z → N(0,1);<br />
Y<br />
ν<br />
2<br />
Y → X ( ν)<br />
Utilizată la verificarea ipotezelor<br />
statistice la eşantioane de volum<br />
redus<br />
Repartiţia S(t) nu depinde de<br />
dispersia variabilei aleatoare<br />
M(Y) = ν<br />
D 2 (Y) = 2 ν<br />
M(t) = 0<br />
D 2 ν<br />
(t) =<br />
ν − 2<br />
;<br />
unde: ν = n – 1<br />
ν > 30, D 2 (t) ≅ 1;<br />
S(t) → N(0, 1)<br />
Proprietăţi:<br />
ν ≥ 100, χ 2 (ν) → N(ν, 2 ν)<br />
ν ≥ 30, χ 2 (ν) → N(0, 1)<br />
Quantilele 2 χν,1−α sunt tabelate<br />
Proprietăţi:<br />
ν ≥ 30, t(ν) → N(0, 1)<br />
( > ) =α<br />
P t tαν ,<br />
( ) 1<br />
P t ≤ tαν , = −α<br />
Există valori tabelate pentru<br />
t��–α, ν<br />
Tabelul IX.1.47 (continuare)
1 2 3 4 5<br />
9. Repartiţia Fischer-<br />
Snedecor<br />
( Fν1, ν 2)<br />
V.a. continuă<br />
Y1<br />
ν<br />
X = 1 ; Y1; Y2;<br />
v.a.<br />
Y2<br />
ν2<br />
independente → χ 2 (ν1); χ 2 ν<br />
M(X) = 2<br />
ν2 − 2<br />
(ν2) Utilizată la compararea dispersiilor<br />
a două eşantioane independente<br />
(analiză dispersională)<br />
,<br />
pentru ν2 ≥ 3<br />
D 2 Proprietăţi:<br />
ν1 = 1; ν2 = ν;<br />
X →t( ν )<br />
2<br />
2 ν<br />
(x) = 2⋅( ν 1+ν2 −2)<br />
ν1 = ν; ν2 ≥ 200; → χ<br />
,<br />
2<br />
ν1⋅ν ( 2 −2) ( ν2 −4)<br />
pentru ν2 ≥ 5<br />
ν1; ν2 = 1,2, ...<br />
2 (ν)<br />
Tabelul IX.1.47 (continuare)
CONDIŢII METROLOGICE SPECIFICE<br />
ÎNCERCĂRILOR DE MATERIALE ÎN INDUSTRIA<br />
TEXTILĂ. PARAMETRI DE CLIMAT. METODE ŞI<br />
APARATE PENTRU DETERMINAREA ACESTORA<br />
Indiferent de forma de prezentare, produsele textile se caracterizează prin higroscopicitate<br />
sau proprietatea de a absorbi şi de a ceda vapori de apă în mediul ambiant. Higroscopicitatea<br />
produselor textile este determinată structural la nivelul formaţiunilor constituente (moleculare,<br />
supramoleculare, histomorfologice si textile) şi se manifestă fizic prin conţinutul de umiditate<br />
la un moment dat.<br />
Conţinutul de umiditate prezent în materialul textil este dependent de parametrii de<br />
climat ce caracterizează mediul ambiant şi de variaţia acestora; conţinutul de umiditate constituie<br />
o mărime cu caracter dinamic, a cărei variaţie implică atât modificări ale caracteristicilor<br />
dimensionale, fizice şi mecanice ale produselor textile cât şi de prelucrabilitate.<br />
Interdependenţa dintre parametrii de climat, umiditatea produselor textile şi caracteristicile<br />
acestora impune:<br />
– un control riguros asupra parametrilor de climat (umiditatea relativă a aerului,<br />
temperatura, viteza de deplasare a curenţilor de aer);<br />
– menţinerea parametrilor de climat în limite impuse, pentru prelucrări/încercări de<br />
laborator;<br />
– determinarea riguroasă a conţinutului de umiditate absorbit de produsele textile.<br />
IX.2.1. Umiditatea relativă a aerului<br />
Umiditatea relativă a aerului se defineşte prin raportul dintre presiunea vaporilor de<br />
apă (p) prezenţi efectiv în aerul atmosferic şi presiunea vaporilor necesari pentru a satura<br />
atmosfera (ps) în aceleaşi condiţii de temperatură şi presiune:<br />
φ = 100 p/ps [%] (IX.2.1)<br />
Valoarea numerică a umidităţii relative a aerului, φ, este aproximativ egală cu gradul<br />
de saturaţie (Ψ), definit prin raportul dintre cantitatea de vapori de apă existenţi în unitatea de<br />
volum de aer atmosferic, în anumite condiţii de temperatură şi presiune (x), şi corespondenţa<br />
acesteia, la saturaţie, xs:<br />
Ψ = 100x/x' [%];
78<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
la valori mici ale conţinutului de vapori:<br />
φ = Ψ<br />
Deoarece materialele textile sunt caracterizate prin higroscopicitate, parametrul<br />
umiditate relativă a aerului constituie un factor determinant pentru: recepţia cantitativă a<br />
materialelor textile; recepţia calitativă a materialelor textile şi prelucrabilitatea materialelor<br />
textile.<br />
IX.2.1.1. Metode şi aparate pentru determinarea<br />
umidităţii relative a aerului<br />
Metodele folosite pentru controlul umidităţii relative a aerului se caracterizează prin<br />
utilizarea unei mari diversităţi de principii fizice – cel mai important criteriu de clasificare<br />
(tabelul IX.2.1).<br />
Fenomenul fizic<br />
de bază, denumire<br />
Absorbţia apei din<br />
atmosferă/gravimetrice<br />
Determinarea<br />
punctului de<br />
rouă/higrometre de<br />
condensare pe<br />
suprafaţă<br />
Determinarea<br />
diferenţei psihrometrice<br />
/ psihrometre<br />
de aspiraţie<br />
Modificarea<br />
caracteristicilor fizice<br />
ca efect al sorbţiei /<br />
higrometre<br />
Clasificarea metodelor de determinare a umidităţii relative a aerului<br />
Particularităţi<br />
ale metodei<br />
Măsurare<br />
gravimetrică<br />
Cu celule<br />
fotoelectrice<br />
Cu rezistenţă<br />
electrică de<br />
suprafaţă<br />
variabilă<br />
Măsurarea directă<br />
cu aspiraţie<br />
(rotativ)<br />
Modificarea<br />
dimensiunii<br />
longitudinale<br />
Modificarea<br />
conductibilităţii<br />
electrice/termice<br />
Tabelul IX.2.1<br />
Principiul metodei Aplicabilitate,<br />
precizie<br />
Se utilizează substanţe de mare<br />
higroscopicitate /organice sau<br />
anorganice.<br />
Observarea momentului condensării<br />
pe suprafeţe metalice răcite şi<br />
determinarea temperaturii<br />
corespunzătoare; la nivelul suprafeţei<br />
răcite are loc condensarea cu variaţia<br />
rezistenţei electrice de suprafaţă.<br />
Diferenţa psihrometrică (Dt) este<br />
dată de intensitatea fenomenului de<br />
evaporare la nivelul termometrului<br />
umed, în mediul ambiant<br />
Lungimea unei şuviţe de păr (L)<br />
variază în urma sorbţiei; conductibilitatea<br />
electrică a unor substanţe<br />
higrospopice este funcţie de umiditate;<br />
conductibilitatea termică a unor<br />
substanţe este funcţie de umiditate<br />
Metoda etalon<br />
foarte exactă;<br />
Metoda exactă;<br />
se utilizează in<br />
laboratoarele de<br />
fizică<br />
Precizie 1%;<br />
necesită atenţie<br />
în deservire.<br />
Etalonare cu<br />
psihrometre;<br />
manevre atente;<br />
se pot utiliza<br />
industrial; rar<br />
întrebuinţate<br />
Mijloacele de măsurare utilizate în măsurarea umidităţii relative a aerului sunt:<br />
Higrometre pentru determinarea punctului de rouă. Orice variantă constructivă<br />
permite determinarea temperaturii la care se produce condensarea vaporilor de apă pe o<br />
suprafaţă metalică răcită prin intermediul unui curent de aer (punctul de rouă, temperatura Tr).<br />
Această temperatură corespunde saturaţiei la nivelul de umiditate existent şi, deci:<br />
cu valorile xTr şi xT tabelate.<br />
φ = 100 xTr / xT [%] (IX.2.2)
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 79<br />
Metodele bazate pe acest principiu se diversifică constructiv prin modul de determinare<br />
a temperaturii T.<br />
Higrometrul Daniell: măsurarea temperaturii Tr se realizează prin intermediul<br />
termometrului de dilatare introdus în recipientul metalic de formă cilindrică, pe suprafaţa căruia se<br />
urmăreşte producerea fenomenului de condensare; rezultatele determinărilor efectuate prin această<br />
metodă pot fi afectate de erori subiective, comise prin aprecierea vizuală a momentului condensării.<br />
Higrometrul cu celule fotoelectrice: permite de-<br />
terminarea obiectivă a Tr realizată prin detectarea<br />
precisă, cu ajutorul fotocelulelor 4 a momentului<br />
condensării (fig. IX.2.1).<br />
Vaporii de apă din mediul analizat 7 condensează<br />
pe placa metalică lucioasă 1, răcită cu bateria 3.<br />
Funcţionarea bateriei este reglată prin intermediul<br />
sistemului cu celule fotoelectrice 4, care furnizează<br />
tensiunea de alimentare în funcţie de starea suprafeţei 1.<br />
În momentul condensării, capacitatea de reflexie a<br />
plăcii este minimă, răcirea se întrerupe, iar termometrul<br />
2 indică temperatura Tr.<br />
Temperatura Tr se determină prin metode rezistive,<br />
utilizându-se termometre al căror element sensibil<br />
este un termistor sau o rezistenţă de platină, fixată în<br />
bateria de răcire.<br />
Psihrometre. Se determină diferenţa psihrometrică, între valorile de temperatură<br />
a aerului (indicată de termometrul „uscat”, t) şi de temperatura la care vaporii de apă din<br />
aer ating saturaţia (indicată de termometrul „umed”, tu). Diferenţa psihrometrică, ∆t, este<br />
determinată de fenomenul de evaporare a apei pe suprafaţa rezervorului termometrului umed,<br />
iar valoarea acesteia depinde de umiditatea relativă a aerului, ∆t, în mediul analizat.<br />
Intensitatea fenomenului de evaporare este determinată de umiditatea relativă a aerului care<br />
condiţionează deci diferenţa psihrometrică.<br />
Psihrometrele sunt realizate în trei variante constructive.<br />
Psihrometrul simplu (August) (fig. IX.2.2,a): diferenţa psihrometrică este rezultatul<br />
unui fenomen de evaporare liberă, condiţionat numai de viteza de circulaţie a aerului din<br />
încăpere; un asemenea instrument indică în permanenţă valoarea ∆t.<br />
Psihrometrul de aspiraţie (fig. IX.2.2,b) se compune, în principiu, din aceleaşi<br />
elemente: termometrul uscat şi umed ale căror rezervoare (traductoare) se află în tuburile ce<br />
comunică cu aspiratorul. În cazul psihrometrului de aspiraţie, fenomenul de evaporare este<br />
întreţinut de funcţionarea ventilatorului timp de 8-10 minute.<br />
Psihrometrul de rotaţie (fig. IX.2.2,c), mai rar folosit, condiţionează fenomenul de<br />
evaporare de curenţii de aer creaţi prin mişcarea circulară a termometrelor.<br />
Principiul de funcţionare. Cantitatea de căldură consumată în procesul de evaporare a<br />
apei la nivelul termometrului umed Q este egală cu cantitatea de căldură preluată de la nivelul<br />
rezervorului termometrului umed:<br />
Q = m·Λ (IX.2.3)<br />
unde: m este masa apei evaporate; Λ – căldura latentă de vaporizare.<br />
Cantitatea de apă evaporată la baza termometrului umed este:<br />
m = k1 ·(pu – p) (IX.2.4)<br />
unde: pu este presiunea vaporilor de apă în incinta termometrului umed; p – presiunea vaporilor<br />
de apă în mediul înconjurător.<br />
4<br />
7 7<br />
1<br />
2<br />
3<br />
5<br />
S<br />
Fig. IX.2.1. Principiul higrometrului<br />
cu celule fotoelectrice.<br />
4<br />
6
80<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
a b c<br />
Fig. IX.2.2. Tipuri de psihrometre.<br />
a – psihrometrul simplu: 1 – placă de lemn; 2 – termometru uscat; 3 – termometru umed;<br />
4 – rezervor; 5 – arcuri; 6 – ţesătură.<br />
b – psihrometrul de aspiraţie: 1 – termometru uscat; 2 – termometru umed; 3, 4, 5 – tuburi;<br />
6 – paletă; 7 – tambur; 8 – orificii de refulare abur; 8 – cheie; 9 – orificii de refulare.<br />
c – psihrometrul de rotaţie: 1 – termometru uscat; 2 – termometru umed; 3 – placă; 4 – mâner.<br />
Consumul de căldură, la nivelul rezervorului termometrului umed, determină scăderea<br />
temperaturii:<br />
Q = k2 (t – tu) (IX.2.5)<br />
Dar, Λ·K1 ·(pu – p) = K2 ·(t – t u), deci, rezultă relaţia finală de calcul a umidităţii relative<br />
a aerului prin metoda psihrometrică:<br />
t – tu = K· Λ·(pu – p) (IX.2.6)<br />
unde: Λ, K, pu reprezintă termeni tabelaţi (în funcţie de t); t, tu – determinaţi experimental;<br />
p – se calculează.<br />
Determinarea umidităţii relative a aerului prin metoda psihrometrică se realizează<br />
efectiv: prin calcul; prin intermediul nomogramelor (fig. IX.2.3,a,şi b); utilizând tabelele<br />
psihrometrice. Precizia determinărilor de umiditate relativă a aerului efectuate prin metoda<br />
psihrometrică este de 1% şi justifică utilizarea sa în operaţiile de etalonare a altor mijloace de<br />
măsurare.<br />
Higrometre şi higrografe cu fir de păr. Principiile de funcţionare şi caracteristicile<br />
se prezintă în cele ce urmează.<br />
Higrometrul cu fir de păr (fig. IX.2.4) sesizează şi indică umiditatea relativă a aerului<br />
datorită variaţiei lungimii firului de păr degresat, care este proporţională cu variaţia în limite<br />
restrânse a acesteia.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 81<br />
Fig. IX.2.3. Nomograma pentru<br />
determinarea umiditatăţii relative<br />
a aerului:<br />
a – cu ajutorul psihrometrului simplu;<br />
v = 0,2 m/s; b – cu psihrometrul de<br />
aspiraţie.<br />
b<br />
a<br />
Higrograful (fig. IX.2.5) este construit pe acelaşi principiu cu higrometrul şi permite<br />
înregistrarea grafică a variaţiei umidităţii relative a aerului.<br />
Higrograful este prevăzut cu un înregistrator, al cărui suport este acţionat prin intermediul<br />
unui mecanism de ceas, realizat pe principiu mecanic; suportul înregistrării poate fi din hârtie<br />
cerată sau simplă, iar inscriptorul poate fi realizat sub forma unei tije metalice ascuţite sau sub<br />
forma unei peniţe.
82<br />
Fig. IX.2.4. Higrometrul:<br />
1 – cadru metalic; 2 – şurub<br />
de reglaj; 3 – suviţa de păr;<br />
4 – contragreutate; 5 – ac indicator;<br />
6 – scara gradată, %.<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Fig. IX.2.5. Higrograful cu fir de păr:<br />
1 – şuviţa de păr degresat; 2 – cleme; 3 – pârghii;<br />
4 – inscriptor; 5 – suportul înregistrării; 6 – tambur<br />
acţionat prin mecanism de ceas.<br />
Observaţii:<br />
1. În ambele cazuri, lanţul de măsurare conţine un sistem de pârghii, care preiau<br />
deformaţia, determinată de variaţia umidităţii şuviţei de păr degresat, şi o transmit acului<br />
indicator/ înregistrator.<br />
2. Higrometrele şi higrografele sunt sensibile la praf, lumină şi căldură şi la umiditate<br />
relativă a aerului foarte mare, scăzută sau foarte scăzută; se impune manevrare atentă şi o<br />
reglare frecventă.<br />
3. Funcţionarea higrometrelor şi higrografelor este simplă şi precisă într-un domeniu<br />
relativ îngust de variaţie a umidităţii relative a aerului; în cazul unei instabilităţi mai pronunţate<br />
a valorii acesteia, erorile de măsurare pot fi de 5%; etalonarea se realizează cu ajutorul<br />
psihrometrelor.<br />
Instalaţii electronice pentru măsurarea umidităţii relative a aerului. Acestea sunt<br />
prezentate în detaliu în continuare.<br />
Psihrometre cu indicarea directă a umidităţii relative a aerului. Folosirea acestor<br />
instalaţii de măsură permite o citire directă a valorii umidităţii relative a aerului (fără utilizarea<br />
tabelelor sau nomogramelor psihrometrice). Considerând curbele psihrometrice concurente,<br />
Lieneweg a stabilit relaţia:<br />
1 – φ = d·(t – tu) / (a + b·t – c·tu 2 ) (IX.2.7)<br />
în care: a, b, c, d sunt constante; t, tu – cu semnificaţiile cunoscute.<br />
Valoarea (1 – φ) poate fi obţinută prin intermediul unei instalaţii de măsurare în punte<br />
(fig. IX.2.6), în cadrul căreia sunt conectate termometrele rezistive pentru determinarea<br />
valorilor t şi tu. În puntea 1-2-3-4 sunt instalate termometrele rezistive tu şi t; curentul I1 obţinut<br />
în diagonala 2-4 a punţii este direct proporţional cu căderea de tensiune 2-4, deci cu
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 83<br />
diferenţa rezistenţelor instalate pe braţele 2-3;<br />
3-4 (IX.2.8):<br />
I1 = k·∆t (IX.2.8)<br />
În puntea 1*- 2*- 3* -4* este instalat t,<br />
iar curentul obţinut în diagonala 2*-4* este<br />
dependent de rezistenţa termometrului t:<br />
I2 = a + b·t – c·t 2 (IX.2.9)<br />
Indicaţia logometrului, I (aparat de<br />
măsură electrodinamic, a cărui indicaţie este<br />
proporţională cu raportul curenţilor alimentaţi<br />
la bornele sale), este de forma:<br />
I = K· (I1 / I2) = 1 – φ (IX.2.10)<br />
şi permite determinarea directă a valorii umidităţii relative a aerului. Domeniul de măsură<br />
pentru umiditatea relativă a aerului este: 10-100 %, iar măsurările pot fi efectuate în intervalul<br />
de temperatură de: –5...+ 120 o C ±3%.<br />
Traductoare rezistive pentru determinarea umidităţii relative a aerului. Realizate sub<br />
forma unor rezistenţe variabile (fig. IX.2.7 şi IX.2.8) sub influenţa umidităţii relative a aerului, în<br />
variante constructive bazate pe tehnici de înfăşurare sau imprimare, filamentul sau pelicula, depuse<br />
pe un suport izolator impregnat cu substanţă higroscopică, sunt conectate la un circuit de alimentare<br />
care se închide prin intermediul acesteia; rezistenţa traductorului depinde de cantitatea de apă<br />
absorbită de substanţa higroscopică, iar aceasta depinde de umiditatea relativă a aerului. În<br />
circuitul de măsurare rezistenţa variabilă este convertită în semnal tensiune, dependent de<br />
umiditatea relativă a aerului. Traductoarele rezistive sunt alcătuite din: suport izolant, 1; electrod<br />
(pelicular, filamentar), 2; peliculă de material higroscopic, 3; fire şi borne de conexiune, 4.<br />
Fig. IX.2.7. Traductoare rezistive<br />
obişnuite prin tehnici de imprimare.<br />
Fig. IX.2.8. Traductoare rezistive<br />
obişnuite prin tehnici de înfăşurare.<br />
Pentru valori determinate ale umidităţii relative a aerului Rx = f (j) şi ale temperaturii se<br />
trasează curbele de etalonare de forma U = f (R).<br />
Variaţia umidităţii relative a aerului în limitele 0-100% determină o variaţie a rezistenţei<br />
electrice a traductorului R = 10-10 4 [Ω].<br />
Pentru Rx = f(j), prin curbele de etalonare (fig. IX.2.9) se determină valoarea parametrului<br />
urmărit (%).<br />
Fig. IX.2.9. Variaţia rezistenţei R<br />
în funcţie de umiditatea relativă<br />
a aerului.<br />
1<br />
2<br />
t t<br />
4 tu 3 1*<br />
I 1<br />
L<br />
I2<br />
2*<br />
4*<br />
Fig. IX.2.6.. Schema de principiu<br />
a psihrometrului rezistiv.<br />
3*
84<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
IX.2.2. Higroscopicitatea materialelor textile<br />
Higroscopicitatea materialelor textile este proprietatea de a absorbi şi de a ceda vapori<br />
de apă dintr-un mediu cu o anumită umiditate relativă şi este determinată de:<br />
– structura moleculară a fibrelor componente: prezenţa în structură a unor grupări cu<br />
caracter polar, cu afinitate pentru moleculele de apă: oxidrilică (–OH), aminică, (–NH2),<br />
acidă (–COOH);<br />
– structura supramoleculară a fibrelor: dualitatea structurală cristalin-amorf, determinată<br />
de posibilitatea formării legăturilor intermoleculare; prezenţa zonelor amorfe în cadrul<br />
cărora grupările polare fixează apa de hidratare în materialele textile;<br />
– structura histomorfologică a fibrelor: prezenţa unor capilare sau pori, care explică<br />
efectul de creştere a umidităţii prin fenomene de capilaritate;<br />
– structura textilă: compactitatea şi porozitatea determinate prin tehnologia de<br />
prelucrare, modelul structural şi parametrii de structură, tehnologia de finisare.<br />
– prezenţa substanţelor însoţitoare /adausurilor tehnologice.<br />
Mecanismele de fixare a moleculelor de apă şi de îmbibare cu vapori definesc:<br />
– higroscopicitatea: se manifestă prin capacitatea de a absorbi şi a ceda vapori de apă<br />
din / în mediul înconjurător, determinată de structura moleculară şi supramoleculară (grad de<br />
cristalinitate şi orientare) a fibrelor componente;<br />
– hidrofilia (capacitatea de udare): determinată de însoţitori naturali; adausuri tehnologice<br />
şi de formele de organizare structurală, de la nivel histomorfologic până la nivel textil.<br />
Observaţii:<br />
1. Variaţia parametrilor atmosferei ambiante determină dezechilibrul sorbţie- desorbţie<br />
la nivelul materialului textil; restabilirea acestuia se realizează treptat, în timp, determinat<br />
de structura şi forma de prezentare a materialului şi de parametrii de climă (φ [%], t [ o C]) –<br />
figura IX.2.10.<br />
2. Timpul de stabilire al echilibrului sorbţie-desorbţie, tc (cantităţile de vapori absorbiţi<br />
şi cedaţi devin egale şi constante) justifică necesitatea perioadelor de climatizare în procesele<br />
tehnologice de prelucrare (fig. IX.2.11) şi depinde de natura materialului, de structura textilă şi<br />
de modul de prezentare a acestuia.<br />
3. Histereza caracterizează fenomenele de sorbţie/desorbţie de la nivelul materialelor<br />
textile şi se concretizează prin faptul că, la echilibru, acestea conţin mai multă apă dacă au<br />
ajuns în această stare prin desorbţie (fig. IX.2.12); fibrele de lână prezintă cea mai mare valoare<br />
a histerezei la sorbţie (2, 5%).<br />
4. Structura textilă constituie un factor determinant asupra timpului de stabilire al<br />
echilibrului sorbţie-desorbţie, te. Dinamica procesului de sorbţie este determinată de structura<br />
chimică a materialului, de umiditatea relativă a aerului şi de temperatura mediului ambiant; la<br />
temperatură determinată, fiecare material se caracterizează prin izoterma de sorbţie care descrie<br />
evoluţia stărilor de echilibru în raport cu umiditatea relativă a aerului (fig. IX.2.12).<br />
IX.2.2.1. Influenţa umidităţii asupra proprietăţilor<br />
fizico-mecanice ale materialelor textile<br />
Modificarea conţinutului de umiditate a materialelor textile implică variaţii ale caracteristicilor<br />
fizice şi mecanice ale acestora: dimensiuni, masă, densitate, proprietăţi electrice şi<br />
dielectrice, proprietăţi mecanice, care se reflectă în prelucrabilitate; din acest motiv, de<br />
conţinutul de umiditate se ţine seama atât în recepţia cantitativă cât şi în recepţia calitativă.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 85<br />
Fig. IX.2.10. Echilibrul sorbţie-desorbţie la<br />
materialul textil uscat.<br />
Fig. IX.2.11. Histereza în fenomenele de<br />
sorbţie - desorbţie.<br />
Fig. IX.2.12. Izoterme de sorbţie pentru diferite<br />
materiale textile:<br />
1 – celofibră; 2 – lână; 3 – mătase; 4 – in; 5 – bumbac;<br />
6 – acetat; 7 – fibre poliamidice; 8 – fibre poliacrilice).<br />
Dependenţa caracteristicilor fizice şi mecanice de conţinutul de umiditate se manifestă<br />
diferenţiat, în funcţie de higroscopicitatea fibrelor componente şi de gradul de complexitate al<br />
produsului textil; influenţa sa este mai mare în cazul înşiruirilor de fibre cu grad de afânare mai<br />
accentuat şi descreşte la creşterea compactităţii.<br />
Interdependenţa proprietăţi - umiditate este determinată de compoziţia fibroasă prin<br />
mecanismul de absorbţie, iar consecinţele imediate sunt: creştere de masă şi fenomene de<br />
gonflare, care produc modificări superficiale sau de profunzime.<br />
Observaţii:<br />
1. Gonflarea constituie:<br />
– efect de suprafaţă, determinând modificări ale proprietăţilor de stare (netezime, luciu,<br />
comportare tribologică; proprietăţi electrice şi dielectrice);<br />
– efect intern, reflectat prin modificarea proprietăţilor mecanice, comportarea la solicitări<br />
de tracţiune, încovoiere, compresie, torsiune sau comportarea la acţiunea agenţilor fizici.<br />
2. Efectul de gonflare se dezvoltă fără restricţii în structurile deschise (fibre, semifabricate)<br />
şi mai limitat de bariere structurale, de contextură, în cazul textilelor plane, prin
86<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
consecinţe diferite ca sens şi formă a variaţiei caracteristicilor; modificarea proprietăţilor<br />
fizico-mecanice se reflectă în variaţia prelucrabilităţii produselor textile în cadrul proceselor<br />
tehnologice.<br />
3. Existenţa unor relaţii de determinare între proprietăţile, prelucrabilitatea materialelor<br />
textile şi conţinutul de umiditate al acestora motivează importanţa acordată în domeniul<br />
tehnologiei textile acestei mărimi şi impune desfăşurarea următoarelor activităţi într-un cadru<br />
legislativ adecvat:<br />
– definirea atmosferei de referinţă, clima standard, pentru condiţionare, prelucrare sau<br />
încercare;<br />
– condiţionarea materialelor şi a probelor (la parametrii climei standard, înainte de<br />
efectuarea încercărilor şi analizelor; la parametrii climatului de prelucrare, în vederea<br />
introducerii în procesul de prelucrare);<br />
– efectuarea analizelor şi încercărilor de materiale textile în condiţii standard de climă;<br />
– efectuarea unor corecţii pentru încercările şi analizele de materiale textile care nu au<br />
avut loc în condiţii standard;<br />
– determinarea riguroasă a conţinutului de umiditate.<br />
IX.2.2.2. Atmosfera standard de condiţionare<br />
Atmosfera standard de condiţionare şi încercare este definită prin SR EN 20139:1999,<br />
care prescrie parametrii de climat pentru laboratoarele de încercări fizico-mecanice precum şi<br />
procedurile de condiţionare a materialelor textile. Standardul prescrie umiditatea relativă şi<br />
temperatura aerului la valori apropiate atmosferei ambiante:<br />
– pentru climat temperat, temperatura prescrisă este t = 20±2 o C; umiditatea relativă a<br />
aerului este φ = 65±2 %;<br />
– pentru climat tropical, temperatura prescrisă este t = 27±2 o C; umiditatea relativă a<br />
aerului este φ = 65±2 %;<br />
Deoarece este necesar ca materialul să ajungă la starea de echilibru prin absorbţie, şi nu<br />
prin desorbţie, se recomandă precondiţionarea materialelor a căror umiditate depăşeşte<br />
repriza (uscare la T = 50 o C şi φ = 7-20 %).<br />
Condiţionarea se obţine prin expunerea materialelor textile în atmosfera standard timp<br />
de 24 -72 h, prin ventilaţie liberă, pentru stabilirea echilibrului sorbţie-desorbţie şi are ca efect<br />
omogenizarea conţinutului de umiditate, reflectându-se pozitiv în prelucrare şi măsurare. Se<br />
folosesc incinte prevăzute cu sisteme de control şi reglare a temperaturii şi umidităţii aerului<br />
(camere de climatizare, termohigrostate) şi exicatoare care permit realizarea unei valori<br />
controlabile a umidităţii acestuia.<br />
Observaţii:<br />
1. Materialul se află în echilibru cu atmosfera standard dacă, la două cântăriri succesive<br />
efectuate la interval de o oră, nu prezintă o diferenţă de masă mai mare de 0,1% din masa<br />
iniţială.<br />
2. Atmosfera de încercare trebuie să fie la fel cu atmosfera de condiţionare; dacă această<br />
condiţie nu este îndeplinită, parametrii (φ [%] şi T [ o C]) vor fi menţionaţi în protocolul de<br />
analiză.<br />
3. Climatizarea probelor se execută diferenţiat, cu exicatoare (probe mici) şi cu termohigrostate<br />
(probe mari):<br />
– exicatoarele permit obţinerea unui regim determinat de umiditate relativă, la temperatura<br />
T = 20 0 C (tabelul IX.2.2), prin utilizarea unor soluţii de concentraţie determinată ale<br />
unor substanţe chimice ca acizi, baze sau săruri;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 87<br />
– termohigrostatele automate constituie instalaţii complexe care permit stabilirea şi<br />
menţinerea parametrilor de climat în limitele dorite, fără să necesite o supraveghere specială.<br />
4. Umiditatea aerului este produsă prin pulverizarea apei – reglată cu relee prin<br />
intermediul unui higrometru, iar temperatura obţinută prin intermediul unor baterii de încălzire<br />
este menţinută la valoare constantă prin intermediul instalaţiilor de răcire.<br />
Substanţa<br />
Clorura de<br />
magneziu<br />
Clorura de calciu<br />
Hidroxid de sodiu<br />
Hidroxid de potasiu<br />
Clorura de zinc<br />
Clorura de litiu*<br />
Clorura de calciu*<br />
Azotat de zinc*<br />
* hidratat.<br />
Valori de umiditate relativă a aerului menţinute cu soluţiile<br />
unor săruri la T = 20 0 C<br />
Formula<br />
chimică<br />
MgCl2<br />
CaCl2 NaOH<br />
KOH<br />
ZnCl2<br />
LiCl2·H2O CaCl2·6H2O Zn(NO3) 2· 6H2O φ, % Substanţa<br />
0,5<br />
2.5<br />
3<br />
7<br />
10<br />
15<br />
32<br />
48<br />
Sulfat acid de<br />
sodiu*<br />
Azotat de amoniu<br />
Clorit de sodiu<br />
Clorura de amoniu<br />
Bromura de potasiu<br />
Sulfat zinc, hidrat*<br />
Azotat de plumb<br />
Sulfat de potasiu<br />
Formula<br />
chimică<br />
NaHSO4· H2O NO2(NH4) NaClO3<br />
NH4Cl<br />
KBr<br />
ZnSO4.7H2O Pb(NO3) 2<br />
K2SO4 IX.2.2.3. Indici pentru aprecierea umidităţii materialelor textile<br />
Tabelul IX.2.2<br />
Recepţia cantitativă şi calitativă a materialelor textile impune determinarea umidităţii<br />
reale a materialelor textile şi cunoaşterea umidităţii legale (repriza).<br />
Umiditatea reală a unui produs textil (u) reprezintă cantitatea de apă conţinută de acesta<br />
la un moment dat şi se exprimă în procente din masa produsului uscat. Conform definiţiei,<br />
umiditatea reală a unui produs textil este:<br />
u = 100 (mi – mu) / mu [%] (IX.2.11)<br />
unde: mi este masa iniţială a materialului textil [g]; mu – masa materialului după uscare [g].<br />
Umiditatea normală a unui produs textil este exprimată în acelaşi mod ca şi umiditatea<br />
reală, dar se determină după climatizare timp de 24 -72 h, în condiţii de climă standard.<br />
Umiditatea legală (comercială) a unui produs textil (repriza, ul) reprezintă procentul de<br />
umiditate admis convenţional în tranzacţiile comerciale.<br />
Valoarea reprizei este apropiată de valoarea umidităţii normale şi este reglementată<br />
prin SR ISO / TR 6741-4: 1999; a fost introdusă denumirea de indici comerciali de condiţionare şi<br />
de repriză (tabelul IX.2.3).<br />
Umiditatea legală a amestecului de diferite materii prime se stabileşte pe baza mediei<br />
ponderate a reprizelor componentelor:<br />
ua = ai · uli / 100 (IX.2.12)<br />
unde: ua este repriza amestecului; ai – cotele de participare a componenţilor i în amestec; uli –<br />
repriza componenţilor, %.<br />
φ, %<br />
52<br />
65<br />
75<br />
80<br />
84<br />
91<br />
98<br />
99
88<br />
Categorie<br />
produse<br />
Fibre<br />
proteice<br />
Fibre<br />
celulozice<br />
naturale<br />
Fibre<br />
minerale<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Tipul de fibră; modul<br />
de prelucrare<br />
Indici comerciali de repriză<br />
Reprize<br />
Categorie<br />
produse<br />
Tipul de fibră;<br />
modul de prelucrare<br />
Tabelul IX.2.3<br />
Reprize<br />
Lână şi păruri<br />
Acetat 9<br />
– pieptănate 18,25 Triacetat 7<br />
– cardate 17 Fibre Cupro 13<br />
Păruri artificiale Proteice 17<br />
– pieptănate 18,25 Triacetat 7<br />
– cardate 17 Viscoza 13<br />
Mătase naturală 11<br />
Acrilice 2<br />
Bumbac 8,5 Poliamidice, filamente 5,75<br />
Bumbac, fibre<br />
mercerizate<br />
10,5 Poliamidice, fibre 6,25<br />
Capoc 10,9 Poliamida 11, filamente,<br />
fibre<br />
3,5<br />
In<br />
Cânepă<br />
12<br />
12<br />
Fibre<br />
sintetice<br />
Poliester, filamente, fibre<br />
Polietilena<br />
1,5<br />
2<br />
Iută 17 Polipropilena 2<br />
Ramie albită 8,5 Poliuretanice, filamente 3<br />
Sisal 14 Poliuretanice, fibre 3,5<br />
Metalice 2 Elastan 1,5<br />
Azbest 2 Sticlă, d > 55 2<br />
IX.2.2.4. Masa comercială a unui produs textil<br />
Deoarece materialele textile sunt higroscopice, în tranzacţiile comerciale trebuie să se<br />
ţină seama de faptul că fluctuaţiile de umiditate pot influenţa negativ posibilitatea de a controla<br />
sub aspect cantitativ producţia realizată.<br />
Masa comercială, Mc, reprezintă masa corectată la conţinutul legal de umiditate şi<br />
asigură un criteriu unic de abordare a aspectului cantitativ, între furnizor şi beneficiar.<br />
Standardul SR ISO 6741 -1: 1998 prevede determinarea masei comerciale pentru loturi<br />
omogene de fibre şi fire textile, plecând de la masa netă sau masa facturată:<br />
Mc = MU × F1 (IX.2.13)<br />
unde: MU este masa netă a lotului; F1 – valoarea medie ponderată a factorului de corecţie:<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
F1 = ⎜ Moi × fi/ M<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜ oi ⎟<br />
⎝ n ⎠ ⎝ n ⎠<br />
∑ ∑ (IX.2.14)<br />
unde: Moi este masa netă a coletului; coletul este definit ca unitate de ambalare într-un lot (cutie<br />
de carton, ladă, balot); n – numărul de colete din eşantionul lotului; fi – factor de corecţie<br />
pentru coletul i, pentru fiecare eşantion de laborator separat;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 89<br />
mSi 100 + Rc<br />
fi= × , 1≤i ≤ n,<br />
(IX.2.15)<br />
m 100<br />
oi<br />
unde: mSi este masa deshidratată (curăţată şi deshidratată) a eşantionului prelevat pentru<br />
laborator, din coletul i; m0i – masa netă a eşantionului prelevat din coletul i; Rc – indice<br />
comercial de condiţionare sau indice comercial de repriză adecvat.<br />
Masa comercială necorectată, MC, trebuie corectată pentru un conţinut stabilit de materii<br />
extractibile nevolatile:<br />
100 + Rc 100 + RX<br />
C = ( A− B)<br />
× × ,<br />
(IX.2.16)<br />
100 100<br />
unde: C este masa comercială corectată; A – masa deshidratată a lotului;<br />
100<br />
A = MC ,<br />
R<br />
×<br />
(IX.2.17)<br />
+<br />
100 c<br />
unde: B este masa materialelor extractibile din lot; Bi – masa materialelor extractibile din<br />
eşantion:<br />
MU × Bi<br />
B =<br />
(IX.2.18)<br />
m<br />
RX – conţinut de materiale extractibile acceptat, în %.<br />
Pentru anumite categorii de produse există prescripţii de neincludere în masa comercială a<br />
conţinutului de avivaj, ulei, grăsimi, impurităţi, apret.<br />
IX.2.2.5. Metode pentru determinarea umidităţii<br />
materialelor textile<br />
Determinarea umidităţii materialelor textile se efectuează prin metode de măsurare:<br />
– directe /gravimetrice – conţinutul de umiditate este stabilit prin diferenţa dintre masa<br />
probei înainte şi după uscare; laborioase, metodele directe furnizează cele mai precise<br />
informaţii asupra umidităţii produselor textile;<br />
– indirecte-conţinutul de umiditate din material este apreciat prin influenţa sa asupra<br />
unor mărimi fizice caracteristice ca permitivitatea dielectrică, conductibilitatea electrică;<br />
acestea permit aprecieri operative ale conţinutului de umiditate şi prezintă avantajul utilizării<br />
aparatelor portabile, deci, se poate efectua control „on line“ şi sunt aplicabile la orice formă de<br />
prezentare a materialului textil.<br />
Aparate pentru determinarea gravimetrică a umidităţii produselor textile.<br />
Determinarea umidităţii produselor textile se realizează cu aparatul pentru determinarea<br />
umidităţii (fig. IX.2.13), cu termoregulator (în limitele de temperatură de 90...110 o C, eroarea<br />
tolerată fiind de 1 o C).<br />
Determinarea se efectuează pe probe prelevate în conformitate cu standardele în<br />
vigoare; una dintre cele 3 părţi ale probei este supusă uscării, în condiţii metrologice impuse:<br />
temperatura curentului de aer, T, de 105...110 °C; debitul curentului de aer care trece prin<br />
probă, W, de 1,5–2 m 3 / min; cântăriri succesive, la intervale egale de timp.<br />
Si
90<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Fig. IX.2.13. Aparat pentru determinarea<br />
umidităţii materialelor textile:<br />
1 – camera de preuscare; 2 – camera de<br />
uscare; 3 – sursa de aer cald (baterie de<br />
rezistenţe, ventilator); 4 – balanţa tehnică<br />
cu precizie de cântărire de 0,02 g;<br />
5 – suport sită pentru probă.<br />
Determinarea se încheie la masă constantă, când diferenţa dintre două cântăriri<br />
succesive este mai mică de 0,05% din masa iniţială, pentru probe de 200 g, 0,1% din masa<br />
iniţială, pentru probe de 100 g.<br />
Pentru determinările efectuate în spaţii necondiţionate, rezultatele se corectează cu<br />
relaţia:<br />
⎛ 622 −ϕ⋅p<br />
⎞<br />
C = k −<br />
1<br />
⎜9,5 ⎟<br />
⎝ 760 −ϕ⋅p2<br />
⎠<br />
(IX.2.19)<br />
în care: ps este presiunea vaporilor la saturaţie (torr) la temperatura t o C, din laborator; j –<br />
umiditatea relativă a aerului, %; k – constantă de material<br />
Aparate pentru determinarea indirectă a umidităţii materialelor textile. Sunt<br />
construite pe principii rezistive sau capacitive; se bazează pe dependenţa caracterisicilor:<br />
electrice: R = f(u)/măsurare rezistivă şi respectiv dielectrice: ε = f(u) / măsurare capacitivă a<br />
materialelor textile, a conţinutului de umiditate.<br />
Metoda capacitivă are întrebuinţare mai largă, măsurarea fiind posibilă în domeniul<br />
frecvenţelor joase şi înalte, deoarece alimentarea instalaţiilor de măsură în curent alternativ<br />
elimină/ reduce erorile generate prin fenomene de polarizare (fig. IX.2.14).<br />
Principiul fizic: variaţia umidităţii materialului textil determină variaţia permitivităţii<br />
dielectrice (εmt = 2-6; εa = 80,1; εmt< ε* < εa) şi a capacităţii condensatorului de măsură:<br />
Cx = ε*·S/d (IX.2.20)<br />
Traductorul (celula de măsură), prezentat în figura IX.2.15, este adaptat necesităţilor<br />
determinării fiind realizat în diferite variante constructive; astfel, celulele sunt utile în controlul<br />
umidităţii materialului fibros prelucrat sau brut (a), în controlul direct al baloţilor de material<br />
fibros (b) sau în controlul formatelor de fir sau al ţesăturilor (c); metoda nu impune contact<br />
ferm între electrozi şi dielectric, iar sensibilitatea traductorului este mare.<br />
Curba de etalonare se trasează pentru fiecare material analizat şi, cu ajutorul ei, se<br />
divizează şi gradează scala instrumentului indicator. Domeniul de măsură pentru traductorul<br />
capacitiv este u = 3-30 %.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 91<br />
Fig. IX.2.14. Traductoare capacitive pentru umiditatea materialelor textile:<br />
1 – electrod; 2 – suport izolator; 3 – fire de conexiune.<br />
Instalaţia de măsură (fig. IX.33): o punte de impedanţe, pe braţele căreia se instalează<br />
celula de măsură capacitivă, condensatorul C1, condensatorul etalon C2 şi rezistenţele R3; R4.<br />
Puntea echipată cu detector de nul serveşte măsurării prin compensare; echilibrul iniţial se<br />
stabileşte cu ajutorul rezistenţei variabile R3, iar în procesul de măsurare, cu ajutorul<br />
condensatorului etalon C2, care compensează variaţia capacităţii condensatorului de măsură Cx.<br />
(Efectele rezistenţei electrice a materialului testat se minimizează prin frecvenţa semnalului de<br />
alimentare provenit de la generatorul de semnal GS).<br />
Din condiţia de echilibru:<br />
rezultă:<br />
sau<br />
Z1Z3 = Z2Z4<br />
X1R3 = X2R4<br />
R3/C1 = R4/C2.<br />
În absenţa materialului, DN indică zero.<br />
În prezenţa materialului, C1 devine Cx, iar variaţia<br />
capacităţii condensatorului de măsură se compensează<br />
prin cea a condensatorului etalon, a cărui scală este<br />
gradată direct în unităţi de umiditate (citirea umidităţii<br />
materialului testat se face direct).<br />
Metoda rezistivă este bazată pe faptul că fenomenele de conducţie în materialele textile sunt<br />
determinate de mobilitatea purtătorilor de sarcini electrice / dependentă de conţinutul de umiditate.<br />
Principiul fizic (fig. IX.2.16): rezistenţa electrică a unei probe de material textil (pentru<br />
domeniul u = 2-20 %) este:<br />
R = a · u –b<br />
Fig. IX.2.15. Instalaţia de măsură.<br />
(IX.2.21)<br />
unde: a este constanta constructivă a traductorului; b – constantă de material.<br />
Ue= R/(Rx + R)Ua Ue= R/(Rx + R)Ua Ue = k·Ua/liniarizare<br />
a b c<br />
Fig. IX.2.16. Principiul instalaţiei rezistive pentru măsurarea umidităţii<br />
materialelor textile:<br />
a – pentru umiditatea straturilor de material textil (la ieşirea din uscător); b – pentru<br />
Ua < 60 V, rezistenţa electrică a materialului textil este dependentă de tensiune; c – prin<br />
introducerea rezistenţei Rn, ca element neliniar se obţine liniarizarea Ua = k·u.
92<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Metoda se aplică în regim de măsurare static (laborator) şi dinamic (proces productiv);<br />
traductorul format din doi electrozi metalici închide un circuit prin materialul testat; la<br />
conectarea cu sursa, la bornele acestuia se produce căderea de tensiune Ue, care permite<br />
evaluarea Rx şi u [%].<br />
Observaţii:<br />
1. Precizia metodelor conductometrice poate fi afectată de: conţinut foarte redus de<br />
umiditate / mai mic de 2%, contraindicaţie; materiale din fibre naturale, cu conţinut foarte mare<br />
de umiditate /mai mare de 20%; variaţia temperaturii în mediul ambiant; variaţia pH-ului<br />
materialului testat; distribuţia neuniformă a umidităţii în materialul testat; astfel, media<br />
aritmetică a valorilor individuale nu corespunde valorii medii reale a u % şi se recurge la media<br />
geometrică.<br />
2. Instalaţia de măsură se bazează pe faptul că fenomenele de conducţie în materialele<br />
textile sunt date de mobilitatea purtătorilor de sarcini electrice şi sunt în funcţie atât de<br />
conţinutul de umiditate cât şi de temperatură.<br />
3. Pentru măsurile efective, materialul textil este introdus în celule de măsură<br />
conductometrice care constituie, împreună cu acestea, rezistenţa electrică supusă măsurării;<br />
circuitul echivalent al celulei conductometrice implică necesitatea reducerii efectelor<br />
capacităţilor determinate de alimentarea instalaţiilor de măsură potenţiometrice sau în punte în<br />
c.a. de joasă frecvenţă.<br />
4. Instalaţiile de măsurare se realizează în prezent pe baza amplificatoarelor operaţionale.<br />
IX.2.3. Temperatura mediului ambiant.<br />
Metode şi aparate pentru determinare<br />
Temperatura influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale materialelor textile şi<br />
prelucrabilitatea acestora; din acest motiv, măsurarea şi menţinerea ei în limite strict determinate<br />
prezintă o deosebită importanţă pentru industria textilă.<br />
Temperatura este mărimea fizică fundamentală definită în fenomenele de transfer<br />
termic de:<br />
– conducţie: în interiorul mediilor lipsite de mişcări aparente, în corpuri solide şi straturi<br />
fluide foarte subţiri;<br />
– convecţie: în fluide care se deplasează de-a lungul unei suprafeţe;<br />
– radiaţie termică: emisă de corpuri incandescente sau calde.<br />
Măsurarea temperaturii se realizează în baza principiului „două medii în echilibru<br />
termic cu un al treilea sunt în echilibru şi între ele”, din care rezultă posibilitatea comparării<br />
temperaturii a două medii prin intermediul „scărilor de temperatură”, ale căror limite sunt<br />
valori reproductibile, specifice pentru diferite fenomene fizice.<br />
Scara termodinamică absolută este definită cu ajutorul punctului triplu al apei; unitatea<br />
de măsură, Kelvin [K], iar simbolul temperaturii este T.<br />
Scara termodinamică Celsius are originea în punctul de topire al gheţii; unitatea de<br />
temperatură este gradul Celsius [ o C], iar simbolul temperaturii este t sau θ.<br />
Observaţii:<br />
1. Unitatea de măsură, Kelvin [K] reprezintă fracţiunea de 1/273,16 din temperatura<br />
termodinamică a punctului triplu al apei.<br />
2. Gradul Celsius este egal cu 1/100 din intervalul de temperatură dintre punctul de<br />
topire al gheţii şi punctul de fierbere al apei pure, la presiunea p de 101325 Pa.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 93<br />
3. O scară de temperatură se defineşte în raport cu şase puncte fixe fundamentale şi primare:<br />
t = T – 273,16 (IX.2.22)<br />
4. Între scările Celsius, Réaumur (R) şi Fahrenheit (F) există relaţia:<br />
C / 5 = R / 4 = (F – 32) / 9 (IX.2.23)<br />
5. Scările de temperatură sunt produse cu ajutorul mijloacelor de măsurare denumite<br />
termometre, construite ca aparate sau instalaţii de măsurare de contact sau de telemăsurare,<br />
pe baza următoarelor fenomene de transfer de energie termică: dilatare concomitentă variaţiilor<br />
de temperatură, în corpuri solide, lichide sau gaze; schimbări de stare: topire, termocromie;<br />
variaţia rezistenţei electrice în funcţie de temperatură la conductor / semiconductor; emisie<br />
termoelectrică (Seebeck); absorbţie şi emisie de radiaţii calorice.<br />
6. În funcţie de precizie, termometrele se împart în două categorii: de verificare sau<br />
etalon; de lucru (de laborator şi tehnice).<br />
IX.2.3.1. Mijloace de măsurare pentru temperatură<br />
Termometre mecanice de contact. Temperatura se determină pe baza efectului de<br />
dilatare diferenţiat aplicat în următoarele variante constructive (tabelul IX.2.4).<br />
Termometre mecanice de contact<br />
Variante constructive/Relaţii analitice Principii constructive:<br />
a. Temometre de sticlă cu lichid<br />
l = Vα(t2 – t1)/A Diferenţa de dilatare: lichid – capilar<br />
Lichide utilizate: mercur; alcool; pentan; toluen<br />
Utilizare: termometre de cameră, precizie<br />
1 diviziune<br />
b. Termometru cu metal; lamă bimetalică<br />
∆l = l1 – l2 = l(α1 – α2)(t2 – t1) Diferenţa de dilatare: tijă-suport; metal-metal;<br />
Utilizare: termometru industrial, precizie 1 %<br />
termograf, precizie 2%<br />
c. Termometre cu element elastic şi lichid<br />
Diferenţa de dilatare: lichid-vas de umplere<br />
Utilizare: termometru industrial, precizie 1 %<br />
A<br />
ϑ1<br />
ϑ2<br />
l<br />
∆l<br />
α1> α2 α2 .<br />
a . b . c .<br />
Termometre electrice de contact. Utilizează elemente sensibile:<br />
– traductoare rezistive de temperatură: termorezistenţe şi termistoare;<br />
– termoelemente: termocuplu (tabelul IX.2.5).<br />
Termorezistenţele. Sunt sensibile la variaţia temperaturii:<br />
Tabelul IX.2.4<br />
Rt = R0(1 + α·t + β·t 2 ). (IX.2.24)<br />
Sunt construite ca bobine bifilare din filamente de Cu; Ni; Pt cu diametrul de (0,1-0,2) mm,<br />
caracterizate prin valori semnificative ale coeficienţilor α şi β�(exemplu: αPt = 0,385·10 –2 grd –1 ;<br />
αNi = 0,617·10 –2 grd –1 );
94<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
Măsurarea temperaturii presupune determinarea rezistenţei variabile Rt cu ajutorul unui<br />
circuit de măsurare potenţiometric sau în punte; semnalul de ieşire / tensiune variabilă / este<br />
dependent de variaţia rezistenţei sub influenţa temperaturii de măsurat; indicarea se realizează<br />
cu ajutorul unui voltmetru a cărui scară gradată este divizată în unităţi de temperatură, la<br />
etalonare; înregistrarea presupune utilizarea unei punţi cu echilibrare automată.<br />
Se utilizează în domeniul de variaţie al temperaturii (–200... + 1600 o C), cu subdomenii<br />
dependente de natura traductorului Rt cu precizie de măsurare de 1%.<br />
Termistoarele sunt traductoare a căror rezistenţă variază în funcţie de valoarea<br />
temperaturii:<br />
Rθ = ae b/θ (IX.2.25)<br />
unde: θ este temperatura supusă procesului de măsurare; a, b – constante de material.<br />
Coeficientul de variaţie al rezistenţei în raport cu temperatura este cu un ordin de<br />
mărime mai mare decât al termorezistenţelor:<br />
α = (1/R) dR/dt = – b / t (IX.2.26)<br />
Se obţin prin sinterizarea pulberilor unor oxizi metalici (oxizi de Ni, Mn, Co, Fe, Ti), la<br />
temperaturi ridicate.<br />
Se utilizează în limitele (–70...+ 200 o C); precizia la măsurare este 0,5%.<br />
Instalaţiile de măsură sunt structurate identic cu cele<br />
echipate cu termorezistenţe.<br />
Utilizarea semiconductoarelor în construcţia termometrelor<br />
se justifică prin rezistivitate şi coeficienţii de temperatură<br />
mai mari, care permit reducerea dimensiunilor (1...5 mm) şi a<br />
inerţiei traductorului de temperatură / termistoare.<br />
Termoelementele permit generarea unei tensiuni electromotoare între punctele de<br />
sudură ale unui cuplu format din două metale plasate pe un gradient de temperatură; cuplul<br />
poate fi folosit ca traductor de temperatură, fiind cunoscut sub denumirea de termocuplu.<br />
Prezintă avantajul simplităţii instalaţiei de măsură, la bornele căreia se obţine un<br />
semnal tensiune, măsurat direct cu un milivoltmetru magnetoelectric sau cu un compensator de<br />
tensiune continuă (tabelul IX.2.5).<br />
Tensiunea termoelectromotoare depinde de structura termocuplului şi este determinată<br />
de diferenţa de temperatură, conform relaţiei:<br />
E∆t = a·∆t + b·∆t 2 + c·∆t 3 + …. (IX.2.27)<br />
în care: a, b, c sunt constante de material.<br />
Termocuplul standardizat corespunde următoarelor domenii de temperatură: Co-constantan,<br />
t = –200...+ 600 o C; Ni Cr-Ni, t = –200...+ 1200 o C; Pt Rh -Pt, t = –100...+ 1600 o C.<br />
Precizia de măsurare creşte prin menţinerea la nivel constant a temperaturii de referinţă<br />
(punctul rece) şi diminuarea influenţei punctului cald (conductoare de compensare).<br />
Pirometre de radiaţie. Telemăsurarea temperaturii. Pentru domeniile de măsurare<br />
t >1000 o C, precum şi pentru determinarea temperaturii unor surse de radiaţii termice mobile, se<br />
utilizează măsurarea la distanţă, care se execută cu ajutorul unor instalaţii denumite pirometre<br />
(tabelul IX.2.5):<br />
– determinarea temperaturii cu pirometrul se efectuează pe baza măsurării radiaţiei<br />
emise de corpurile încălzite / radiante;<br />
– corpul radiant poate fi:<br />
• corp negru /radiator integral: absoarbe toate radiaţiile incidente, indiferent de lungimea<br />
de undă, direcţia sau starea de polarizare;
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 95<br />
Termometrul electric / Principiul constructiv<br />
Termometre electrice<br />
Tabelul IX.2.5<br />
Schema instalaţiei de măsură.Relaţia<br />
analitică a semnalului de ieşire<br />
Termometre electrice de contact<br />
Cu termorezistenţă Circuit potenţiometric<br />
Principiul instalaţiei de măsură se aplică în mod identic şi pentru termistoare.<br />
Cu termoelement Instalaţie de măsură cu milivoltmetru<br />
Pirometre de radiaţii/telemăsurare<br />
De radiaţie totală<br />
Instalaţie de măsură cu termoelement<br />
Radiaţiile spectrului, provenite de la<br />
obiectul măsurării M, sunt captate prin<br />
intermediul lentilei Ob, absorbite pe<br />
suprafaţa corpului negru şi transformate în<br />
semnal tensiune de termocuplul T.<br />
Semnalul este proporţional cu temperatura<br />
corpului radiant.<br />
Cu domeniul spectral parţial<br />
Instalaţia de măsură compară emitanţa<br />
sursei M, cu emitanţa variabilă a unei<br />
lămpi, L<br />
Imaginea corpului vizat se suprapune pe<br />
imaginea filamentului încălzit (filtrul IR)
96<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
• corp cenuşiu / radiator neselectiv: emisiunea radiantă proporţională cu cea a corpului<br />
negru care are aceeaşi temperatură; emisivitatea spectrală este subunitară;<br />
• radiator selectiv: emisiune radiantă ce depinde de lungimea de undă λ şi diferă de cea<br />
a radiatorului integral;<br />
– temperatura unui corp radiant se determină în funcţie de emitanţa sa energetică;<br />
pentru corpurile negre, legătura dintre emitanţa energetică Me şi temperatura absolută T este<br />
dată de relaţia Stefan-Boltzman:<br />
Me 0 = σ · T 4 (IX.2.28)<br />
în care σ = 5, 68·10 –8 W/m 2 K 4 ;<br />
– emitanţa energetică Me a unei suprafeţe radiante este raportul dintre fluxul energetic<br />
emis de suprafaţa elementară, dA, şi aria acesteia:<br />
Me = dΦe/ dA [W/m 2 ] (IX.2.29)<br />
unde: Φe este fluxul energetic printr-o suprafaţă orientată şi reprezintă energia radiantă, termică<br />
dW, care străbate aria suprafeţei în intervalul de timp elementar dt:<br />
Φe = dW/dt [J/s] (IX.2.30)<br />
Pirometrele de radiaţie totală funcţionează pe principiul măsurării puterii emise de<br />
corpul cald într-un domeniu spectral larg; măsurarea constă în detectarea, cu ajutorul unui<br />
termoelement, a temperaturii unui corp negru, pe suprafaţa căruia are loc captarea energiei<br />
radiate de corpul cald, M.<br />
Pirometrele de radiaţie parţială funcţionează pe principiul comparării emitanţei sursei<br />
de analizat cu emitanţa etalon; comparaţia se face la nivelul radiaţiei IR, utilizându-se un filtru<br />
corespunzător.<br />
Aprecierea temperaturii prin efecte termocromice. Termocromia este proprietatea<br />
unor substanţe de a-şi schimba culoarea iniţială în urma variaţiei de temperatură. Se folosesc<br />
substanţe termocromice organice (termocromia este cauzată de slăbirea unor valenţe, pierderea<br />
apei sau a unor compuşi: CO2; NH3), anorganice (termocromia se datorează modificării<br />
parametrilor reţelei cristaline) din care se pot realiza mărci termocromice sub formă de<br />
creioane, soluţii, hârtie. Culoarea obţinută prin încălzire se compară cu o scară cromatică, iar<br />
domeniul de măsurare acoperit este de 40...1350°C, cu o precizie de 5°C.<br />
IX.2.4. Măsurarea presiunii<br />
În cadrul proceselor industriale presiunea este un parametru de influenţă a calităţii,<br />
randamentului şi siguranţei în funcţionare a instalaţiilor care folosesc ca agenţi de lucru: apă,<br />
ulei, abur, aer comprimat; gaze; căderile de presiune influenţează valorile debitelor acestor<br />
agenţi, prin conducte.<br />
Expresia presiunii este:<br />
p = F/S (IX.2.31)<br />
Unităţile de măsură sunt:<br />
– SI: 1 Pa = 1 N/1m 2 ;<br />
– tolerate: 1 atm = 101325 N/m 2 = 760 torr = 1,033 at; 1 torr = 133,32 N/m 2 ; 1 at =<br />
= 1 kgf/cm 2 = 98100 N/m 2 ; 1 mm H2O = 9, 8 N/m 2 = 10 –4 at.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 97<br />
Mijloacele de măsurare pentru presiune sunt structurate şi denumite în funcţie de<br />
domeniul de variaţie al acesteia: manometre, pentru 10 –4 -10 4 at (timp de răspuns: mare);<br />
vacuummetre, pentru 1 torr-10 –8 torr:<br />
– principii constructive – principii mecanice/ traductoare primare sau asociate cu:<br />
traductoare electrice de dimensiuni mici reostatice, tensometrice sau inductive (tabelul IX.2.6).<br />
Principii de măsurare utilizate în construcţia manometrelor mecanice<br />
Manometru cu tub<br />
Manometru cu capsulă<br />
metalică<br />
Manometru cu<br />
membrană<br />
Tabelul IX.2.6<br />
Manometru cu<br />
burduf<br />
0-200; 0-6000 mm Hg 0.....10 0....600 0...1000<br />
5·10 6 N/m 2<br />
Timp de răspuns: mare<br />
0- 25·10 5 0...10⋅10 5<br />
Precizie 0,5-1% 0,5-2 % 0,5-1,5%<br />
Nesigur la suprapresiuni Nesigur la suprapresiuni şi<br />
gaze agresive<br />
Sigur la suprapresiuni<br />
şi medii corosive<br />
Traductor<br />
diferenţial<br />
– principii de conversie a mărimii mecanice în mărimi electrice / cu traductoare<br />
piezoelectrice; piezorezistive; de ionizare / joje de vid (traductoare pentru presiuni scăzute).<br />
Determină presiunea în domeniul 10 –3 -10 –11 torr /pe baza dependenţei intensităţii ionizării<br />
gazelor de presiunea lor. Moleculele de gaz se ionizează prin<br />
ciocnire cu electronii ce formează curentul anodic Ia; ionii sunt<br />
culeşi de electrodul colector, generează curentul Ic, a cărui valoare<br />
este: Ic = p·k·Ia. Curentul Ic este direct proporţional cu presiunea,<br />
iar valoarea presiunii este indicată direct, pe scala ampermetrului /<br />
etalonată în unităţi ale acesteia.<br />
– modificarea termoconductivităţii gazelor în funcţie de<br />
presiunea acestora: la presiuni scăzute, conductivitatea termică a<br />
gazelor (dependent de transportul efectuat de moleculele de gaz din<br />
unitatea de volum) este în funcţie de presiune, care determină<br />
Ic Ia<br />
Uc Ua<br />
Colector<br />
Joja de ionizare<br />
numărul de molecule din unitatea de volum; traductorul constă dintr-un fir încălzitor din Pt şi<br />
un sistem pentru măsurarea temperaturii, plasate în incinta sub presiunea de măsurat. Efectul<br />
termic al curentului de intensitate determinată, I, şi debitul caloric cedat de gaz stabilesc<br />
temperatura de regim a filamentului:<br />
tf = t0 + R·I 2 /λ·A (IX.2.32)<br />
unde: A este suprafaţa de răcire a firului; λ – coeficientul de transmisie a căldurii, dependent de<br />
presiunea şi compoziţia gazului.<br />
Măsurarea temperaturii filamentului se asigură cu termocuplul / semnal tensiune.<br />
p<br />
Catod<br />
Anod
98<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
IX. 2.5. Măsurarea debitelor şi a vitezei<br />
curenţilor de aer<br />
Debitul şi viteza curenţilor de aer constituie parametrii de funcţionare în instalaţiile<br />
de condiţionare şi de transport pneumatic al materialului fibros al instalaţiilor de absorbţie<br />
a scamei sau impurităţilor din întreprinderile textile. Buna funcţionare a acestor instalaţii<br />
este caracterizată prin încadrarea valorilor acestor parametri în limitele prescrise;<br />
depăşirea limitelor de control se reflectă prin diminuarea randamentelor utilajelor, prin<br />
creşterea frecvenţei şi duratei staţionărilor cu cauze tehnologice şi diminuarea calităţii<br />
produselor realizate.<br />
Debitul de fluid reprezintă cantitatea de fluid care trece printr-o secţiune determinată, în<br />
unitatea de timp; debitul se exprimă în două forme:<br />
– debit masic, exprimat în kg/s; kg/h; t/h;<br />
– debit volumetric, exprimat în m 3 /s; m 3 /min; m 3 /h.<br />
Mijloacele de măsurare pentru:<br />
– debite (debitmetrele) sunt structurate ca: traductoare pentru măsurarea presiunii<br />
diferenţiale; traductoare pentru presiune dinamică;<br />
– viteza medie de deplasare a fluidelor sunt concepute ca traductoare de viteză.<br />
Metodele de măsurare aplică o mare diversitate de principii fizice, stabilind denumirea<br />
mijloacelor de măsurare; utilizările în domeniul textil sunt industriale şi de laborator:<br />
– metoda sustentaţiei: rotametre;<br />
– metoda măsurării forţei de deplasare: anemometre cu palete sau cu cupe;<br />
– metoda variaţiei rezistenţei ohmice: termoanemometre; metoda reducerii secţiunii:<br />
dispozitive de laminare(diafragme; ajutaje; tuburiVenturi);<br />
– metoda măsurării presiunii dinamice: tubul Pitot-Prandtl;<br />
– metoda volumetrică: contoare volumetrice;<br />
– metoda ultrasonică: debitmetre ultrasonice.<br />
Măsurarea debitului volumetric cu rotametrul se bazează pe măsurarea forţei exercitate de<br />
fluid asupra plutitorului aflat în curent de aer. Rotametrul constă dintr-un tub conic, de sticlă,<br />
vertical, cu secţiune de curgere variabilă, în care se află un plutitor. Curentul de gaz care<br />
străbate tubul conic în sens ascendent ridică plutitorul până când<br />
pe aria secţiunii inelare S (dintre plutitor şi suprafaţa interioară a<br />
h<br />
tubului conic) se stabileşte echilibrul forţelor ascendente şi descendente:<br />
– forţele ascendente sunt determinate de: presiunea statică<br />
sub plutitor; presiunea dinamică datorită deplasării gazului; frecarea<br />
fluid-plutitor; forţa arhimedică;<br />
– forţele descendente sunt: presiunea statică deasupra plutitorului; greutatea sa.<br />
Din condiţia de echilibru rezultă relaţia:<br />
V =α⋅S<br />
0<br />
2 gVp(<br />
ρ p − ρ)<br />
,<br />
ρ⋅Ap<br />
(IX.2.33)<br />
în care: α este factorul de debit; S0 – aria secţiunii inelare a tubului conic; Vp – volumul rotametrului;<br />
ρp – densitatea rotametrului; ρ – densitatea fluidului; Ap – aria secţiunii expuse de rotametru.<br />
Deoarece soluţia constructivă este S0 = k × h, rezultă că: v = k·h, unde: h este cota de<br />
stabilire a rotametrului.
Condiţii metrologice specifice încercărilor de materiale în industria textilă 99<br />
Măsurarea forţelor de deplasare cu anemometrele cu palete / cupe – acestea sunt<br />
constituite dintr-un rotor foarte uşor, realizat fie cu palete, fie cu cupe semisferice, ce poate fi<br />
antrenat în mişcare de rotaţie; turaţia rotorului este dependentă de viteza curentului de aer.<br />
Rotoarele cu palete impun orientarea cu axul perpendicular pe direcţia curentului de aer;<br />
prin intermediul unui contor de turaţii se poate determina direct viteza curenţilor în limitele:<br />
v = 10 cm/s - 20 m/s, cu o precizie de 1%.<br />
Măsurarea variaţiei rezistenţei ohmice cu termoanemometrele asigură determinarea<br />
vitezei locale, la volume mari de fluide (în special gaze) aflate în mişcare. Fenomenul de<br />
convecţie dependent de viteza curentului fluid determină variaţia temperaturii / rezistenţei unui<br />
filament parcurs de un curent constant; dependenţa este neliniară: t = f(v); R = f(v) şi impune<br />
trasarea curbelor etalon.<br />
Fenomenul de convecţie, dependent de viteza curentului de fluid, determină variaţia<br />
temperaturii / rezistenţei unui filament parcurs de un curent constant; t = f(v); R = f(v) şi<br />
impune trasarea curbelor etalon.<br />
Fig. IX.2.17. Elementul sensibil al unui termoanemometru<br />
şi curba de etalonare.<br />
Filamentul F are diametrul de 10 µm şi lungimea de 5 mm (din platină sau tungsten);<br />
este fixat pe doi electrozi (E) montaţi în suportul izolat (S) şi conectat în circuitul de măsurare<br />
prin elementele de conexiune (C).<br />
Traductorul permite determinarea vitezelor maxime de 100 m/s, în cazul în care curentul<br />
de alimentare este constant; de 500 m/s, în cazul în care curentul de alimentare este variabil.<br />
Măsurarea vitezei curenţilor de aer cu anemometre sonice se bazează pe faptul că<br />
durata propagării undelor sonore într-un jet de fluid este determinată de viteza de curgere<br />
a fluidului şi de viteza sunetului în mediul respectiv. Anemometrul sonic conţine un<br />
emiţător şi un receptor de ultrasunete formate din cristale de cuarţ piezoelectric; emiţătorul<br />
transformă tensiunea alternativă de frecvenţă ridicată în vibraţii de aceeaşi frecvenţă;<br />
receptorul, expus la vibraţie, reacţionează vibrând şi generează un semnal electric proporţional.<br />
Determinarea vitezei curenţilor de aer presupune două moduri de instalare (fig. IX.2.18):<br />
– anemometria de fază (IX.2.18,a) presupune determinarea diferenţei dintre duratele<br />
propagării undelor sonore în acelaşi sens şi în sens contrar faţă de direcţia de deplasare a<br />
curentului de aer;<br />
– anemometria de reflexie (IX.2.18,b) presupune determinarea distanţei E-R pentru<br />
care durata de deplasare a undelor sonore este identică.
100<br />
Fig. IX.2.19. Catatermometrul<br />
Hill.<br />
MANUALUL INGINERULUI TEXTILIST – METROLOGIE TEXTILĂ<br />
L<br />
E R<br />
w<br />
L<br />
E R<br />
L 1<br />
a b<br />
Fig. IX.2.18. Anemometrie:<br />
a – de fază; b –de reflexie.<br />
Măsurarea vitezei curenţilor de aer cu catatermometrul Hill<br />
(fig. IX.2.19) se bazează pe construcţia similară unui termometru cu<br />
lichid, prevăzut cu două rezervoare.<br />
Timpul mediu de răcire al lichidului termometric este dependent<br />
de viteza curenţilor de aer din mediul supus determinării.<br />
Având în vedere principiul determinării, cronometrarea timpului<br />
de răcire între două limite de temperatură, pe scara aparatului sunt<br />
indicate doar limitele de 35-38.<br />
Prin încălzire în apă, la 60...80 o C, lichidul termometric se ridică<br />
la nivelul rezervorului superior 2; prin răcirea în curentul de aer, nivelul<br />
său se reduce în timpul T(s) determinat de viteza acestuia.<br />
Viteza curentului de aer v [m/s] este:<br />
⎡ F<br />
⎤<br />
v = 4,16 ⎢ −0,14⎥<br />
⎣tmed (36,5 −θ)<br />
⎦<br />
2<br />
L 1<br />
[m/s] (IX.2.34)<br />
unde: F este factorul catatermometrului (dependent de forma şi starea<br />
suprafeţei rezervoarelor sale); θ – temperatura mediului ambiant; tmed –<br />
timpul mediu de răcire în limitele 38...35 o C.