instrukcja_cw8.pdf

Ćwiczenie – Sprawdzanie mierników analogowych i cyfrowych

1. Cel ćwiczenia

W celu zachowania jednolitości miar oraz zapewnienia wiarygodnej informacji pomiarowej wszystkie

mierniki używane do kontroli procesów technologicznych powinny być okresowo sprawdzane. Rezultatem

sprawdzania jest świadectwo legalizacji (certyfikat) ważne przez pewien określony czas lub świadectwo

sprawdzania. Sposób i warunki sprawdzania są określone przez odpowiednie normy, a sam proces legalizacji

może być przeprowadzony tylko w akredytowanym laboratorium. Sprawdzaniem mierników i wydawaniem

świadectw, na terenie Polski, zajmują się służby metrologiczne, którymi kieruje Główny Urząd Miar (GUM).

Realizowana w ćwiczeniu procedura sprawdzania wielozakresowych mierników analogowych ma zatem

znaczenie dydaktyczne i służy poznaniu podstawowych metod sprawdzania i kontroli aparatury pomiarowej.

2. Wprowadzenie teoretyczne

2.1. Błędy mierników analogowych, klasa dokładności

Błędem bezwzględnym miernika nazywa się różnicę między wartością wskazaną W w przez miernik

a wartością rzeczywistą W r wielkości mierzonej

∆

W −

w W

( 1 )

Wartość błędu ∆ przyjęta ze znakiem przeciwnym zwana jest poprawką p

−

∆

( 2)

Zatem wartość rzeczywistą otrzymuje się dodając poprawkę do wartości wskazywanej przez miernik

( 3)

Ponieważ wartość rzeczywista wielkości mierzonej jest nieznana eksperymentatorowi, więc w praktyce

zastępuje się ją wartością poprawną. Za wartość poprawną wielkości mierzonej przyjmuje się wartość liczbową

w takim stopniu przybliżoną do wartości rzeczywistej, że z punktu widzenia celu, do którego wartość ta jest

potrzebna, różnica między nimi może być pominięta. Inaczej mówiąc, wartość poprawna jest to wartość

zmierzona odpowiednio dokładnie.

Błąd względny miernika określa się ze wzoru:

∆

( 4)

w którym: W u – wartość umowna określona w następujący sposób:

W u = W max dla mierników o podziałkach 0 - W max (np. 0 - 100V)

W u = W max1 + W max2 dla mierników o podziałkach W max1 - 0 - W max2 (np. -10V - 0 - 100V)

W u = W max - W min dla mierników o podziałkach W min - W max (np. 45Hz – 55Hz)

W przypadku mierników o zakresie 0 - ∞ (np. omomierzach) lub miernikach o bardzo nierównomiernej

podziałce np. fazomierzach, błąd względny miernika określa się ze wzoru :

∆

( 5)

max

w którym :

∆ - błąd bezwzględny mierzony długością łuku podziałki,

α max - długość podziałki (długość linii przechodzącej przez środki najkrótszych kresek podziałki, zawarta

między pierwszą i ostatnią kreską podziałki).

Dla mierników o symbolu klasy w postaci cyfry otoczonej kołem błąd miernika określa się ze wzoru:

∆

( 6)

czyli tak samo jak błąd pomiaru.

Dla każdego miernika istotne są znamionowe warunki jego pracy (tzw. warunki odniesienia) i warunki

użytkowe.

Przez warunki znamionowe rozumie się wartości odniesienia wielkości wpływających na miernik.

Dotrzymanie warunków znamionowych oznacza, że miernik powinien spełniać określone wymagania

str. 1

Ćwiczenie – Sprawdzanie mierników analogowych i cyfrowych

dokładności. Błąd wskazań miernika występujący w warunkach znamionowych nosi nazwę błędu

podstawowego.

Dopuszczalna wartość błędu względnego podstawowego, wyrażona w procentach, jest liczbowo równa

klasie dokładności miernika, przy czym przez pojęcie klasa dokładności należy rozumieć zbiór właściwości

metrologicznych umownie oznaczonych wartością dopuszczalnego błędu podstawowego.

Polska Norma przewiduje dla mierników następujące klasy dokładności: 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1, 1.5, 2,

2.5, 3, 5 a dla omomierzy dodatkowo klasy 10 i 20.

Dla mierników klasy np. 0.5 błąd podstawowy nie powinien przekraczać ± 0.5% zaś dla mierników klasy 2.5

nie powinien przekraczać ±2.5% itd.

Warunki użytkowe są zbiorem zakresów wartości wielkości wpływających, dla których właściwości

metrologiczne miernika ulegają zmianom (na ogół pogorszeniu) w określonych granicach. To pogorszenie

właściwości polega głównie na pojawieniu się dodatkowych błędów wskazań. Oceny ilościowej pogorszenia

dokładności dokonuje się na podstawie błędu granicznego dodatkowego, przez który rozumie się wartość,

o jaką może wzrosnąć błąd graniczny (powyżej podstawowego) przy zmianie warunków pracy w stosunku do

znamionowych wewnątrz zakresów użytkowych. Błędy dodatkowe określa się dla każdej wielkości

wpływającej osobno i nazywa się je, zależnie od przyczyn powstawania np. błędami temperaturowymi, czę-

stotliwościowymi itp. Przykładowo dla mierników analogowych każda z przyczyn takich jak zmiana

temperatury o ∆ T = ±10°C, zmiana częstotliwości o ±10%, odchylenie od znamionowej pozycji pracy o 5°, nie

powinna powodować powstawania błędów dodatkowych większych niż wartości dopuszczalne błędów

podstawowych (np. ±1% dla klasy 1).

2.2. Warunki znamionowe

Błąd miernika, na podstawie którego miernik jest zaliczany do jednej z klas dokładności, powinien być

określony w warunkach znamionowych. Z najważniejszych wielkości wpływających podawanych w warunkach

znamionowych można wymienić:

a) temperatura otoczenia (o ile nie podano na mierniku innej)

(23 ± 1) o C dla miernika o wskaźniku klasy 0.3 lub mniejszym

(23 ± 2) o C dla miernika o wskaźniku klasy 0.5 lub większym

b) wilgotność względną powietrza 40 ÷ 60 %

c) pozycja pracy miernika zgodna z oznaczeniem na skali z tolerancją ±1° w dowolną stronę. Mierniki

z poziomicą powinny być podczas badań wypoziomowane.

d) częstotliwość wielkości mierzonej prądu przemiennego ( 45 ÷ 60)Hz z tolerancją ± 2 %

e) pole magnetyczne zewnętrzne - miernik powinien być ustawiony w miejscu praktycznie wolnym od

zewnętrznych pól magnetycznych z wyjątkiem pola ziemskiego.

f) pole elektryczne zewnętrzne - miernik powinien być ustawiony w miejscu praktycznie wolnym od

zewnętrznych pól elektrycznych. Dopuszcza się prowadzenie badań w polach o natężeniu do 1kV/m

o częstotliwości od prądu stałego do 65Hz i o dowolnym kierunku.

g) kształt krzywej prądu zmiennego powinien być zbliżony do sinusoidy. Współczynnik zawartości

harmonicznych dla mierników prostownikowych, mierników elektronicznych nie mierzących poprawnie

wartości skutecznej oraz przyrządów z układami do przesuwania fazy w torach pomiarowych nie powinien być

większy niż 0. 01 zaś dla pozostałych mierników 0.05. Współczynnik szczytu przebiegu mierzonego powinien

być równy 2 z tolerancją ±0.05.

2.3. Wyznaczanie błędu podstawowego miernika

Wyznaczanie błędu podstawowego miernika polega na porównaniu jego wskazań ze wskazaniami

wzorcowego urządzenia pomiarowego. Porównanie to powinno być przeprowadzone w warunkach

znamionowych. Jako wartość rzeczywistą wielkości mierzonej należy przyjąć wynik pomiaru urządzeniem

wzorcowym. Błąd podstawowy urządzenia wzorcowego powinien być nie większy niż 1/4 wskaźnika klasy

miernika badanego. Zaleca się stosowanie przyrządów kontrolnych, których błąd podstawowy nie przekracza

1/10 wskaźnika klasy miernika badanego. Np. jeżeli miernikiem sprawdzanym jest miernik klasy 0.5 to

urządzenie wzorcowe powinno mieć błąd podstawowy co najwyżej ±0.125% zaś zaleca się stosowanie urządzeń

wzorcowych o błędzie ≤ ±0.05%.

Jeżeli w celu sprawdzenia błędu podstawowego jest wymagane obciążenie wstępne, wytwórca powinien

określić czas tego obciążenia i wartość wielkości mierzonej. Czas obciążenia wstępnego nie powinien

przekraczać 30 min.

Błędy miernika sprawdzanego wyznacza się, zgodnie z normą, w co najmniej pięciu równoodległych

punktach podziałki łącznie z granicą dolną i granicą górną zakresu pomiarowego. W praktyce (zgodnie

str. 2

Ćwiczenie – Sprawdzanie mierników analogowych i cyfrowych

z instrukcją wydaną przez GUM) błędy miernika wyznacza się we wszystkich ocyfrowanych punktach

podziałki.

Błąd dla każdej ze sprawdzanych kresek podziałki należy wyznaczyć dwukrotnie: raz zmieniając wielkość

mierzoną od wartości odpowiadającej początkowi podziałki do wartości odpowiadającej danej kresce

ocyfrowanej, drugi raz - od wartości odpowiadającej końcowej kresce podziałki. Nastawianie wartości

wielkości mierzonej należy wykonywać w ten sposób, aby wskazówka miernika sprawdzanego dochodziła do

danej kreski podziałki jednostronnie.

O przyporządkowaniu miernika do określonej klasy dokładności decyduje największy spośród

wyznaczonych błędów.

Na podstawie wyników sprawdzania wykreśla się krzywą poprawek (rys. 1) lub podaje się tablicę poprawek.

Błędy mierników wielozakresowych według przepisów normy należy wyznaczyć dla wszystkich zakresów

pomiarowych. Zważywszy na fakt, że obecnie produkowane mierniki mają od kilku do kilkunastu zakresów,

czynność sprawdzania może być bardzo pracochłonna. Dotyczy to przede wszystkim wielozakresowych

mierników magnetoelektrycznych mających wspólną podziałkę dla wszystkich zakresów. W takim przypadku

norma zezwala na uproszczony sposób sprawdzania. Polega on na wyznaczeniu błędów we wszystkich

punktach podziałki określonych przepisami normy (w co najmniej 5 punktach lub we wszystkich

ocyfrowanych) dla jednego z zakresów (zwanego podstawowym) oraz na wyznaczeniu błędu dla końcowej

kreski podziałki na pozostałych zakresach (zwanych zakresami dodatkowymi). Błędy w pozostałych punktach

podziałki zakresów dodatkowych określa się rachunkowo ze wzoru:

∆

(

∆

−

∆

)

( 7)

max

w którym:

α - dowolne odchylenie wskazówki miernika,

α max - odchylenie wskazówki odpowiadające końcowej kresce podziałki,

∆ α 1 - błąd przy odchyleniu α dla zakresu podstawowego na którym sprawdzono wszystkie wymagane

przepisami punkty podziałki,

∆ α 2 - błąd przy odchyleniu α dla zakresu dodatkowego na którym sprawdzono tylko końcową kreskę

podziałki,

∆ α 1max - błąd przy odchyleniu α max dla zakresu podstawowego,

∆ α 2max - błąd przy odchyleniu α max dla zakresu dodatkowego.

p [działki]

0.4

0.3

0.2

0.1

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

100

działki

Rys. 1 Przykładowy wykres poprawek woltomierza

Poprawki dla zakresów dodatkowych oblicza się z zależności:

p ∆

−

( 8)

2.4. Przebieg sprawdzania

Sprawdzanie mierników obejmuje następujące czynności :

- oględziny zewnętrzne,

- sprawdzenie wstępne,

- wyznaczenie błędów podstawowych.

str. 3

Ćwiczenie – Sprawdzanie mierników analogowych i cyfrowych

Oględziny zewnętrzne polegają na wizualnym sprawdzeniu, czy miernik nie ma uszkodzeń mechanicznych,

czy oznaczenia oraz instrukcja obsługi i wyposażenie miernika spełniają wymagania przepisów normy.

W przypadku stwierdzenia uszkodzeń utrudniających obsługę, należy odstąpić od dalszego sprawdzania.

Sprawdzanie wstępne mierników obejmuje następujące czynności :

- sprawdzenie elementów służących do regulacji i przełączania,

- sprawdzenie urządzenia wskazującego.

Sprawdzenie elementów do regulacji polega na stwierdzeniu możliwości wybrania w sposób niezawodny

żądanej funkcji i zakresu pomiarowego, nastawienia zera mechanicznego i zera elektrycznego. Sprawdzenia

urządzenia wskazującego należy dokonać na każdym podzakresie, obserwując czy wskazówka porusza się

płynnie przy zwiększających i zmniejszających się wartościach wielkości mierzonej. Jeżeli w wyniku

sprawdzania wstępnego stwierdzono niezgodność z wymaganiami przepisów o miernikach, należy odstąpić od

dalszego sprawdzania.

Wyznaczenia błędów podstawowych mierników należy dokonać w warunkach znamionowych w sposób

opisany w p. 2.3. Wyniki sprawdzania należy udokumentować w protokóle pomiarów, którego wzór określają

przepisy Głównego Urzędu Miar.

2.5. Układy do sprawdzania amperomierzy i woltomierzy

Podstawowym układem stosowanym przy sprawdzaniu amperomierzy analogowych jest układ jak na rys. 2.

Amperomierz

sprawdzany

Wzorcowy

miernik prądu

Nastawne źródło

prądu

Rys. 2 Układ do sprawdzania amperomierzy

W układzie tym wzorcowym miernikiem prądu może być wysokiej klasy amperomierz analogowy lub

multimetr cyfrowy z funkcją pomiaru prądu. W obu przypadkach błąd podstawowy miernika wzorcowego nie

powinien być większy niż 1/4 wskaźnika klasy sprawdzanego amperomierza (zaleca się, aby nie przekraczał on

1/10 wskaźnika klasy).

Jeżeli sprawdzający nie dysponuje odpowiednio dokładnym wzorcowym miernikiem prądu to może

stosować układ jak na rys. 3.

Wzorcowy

miernik napięcia

Amperomierz

sprawdzany

Nastawne źródło

prądu

R N

Rys. 3 Układ do sprawdzania amperomierzy za pomocą miernika napięcia

W układzie tym prąd jest mierzony metodą pośrednią - przez pomiar spadku napięcia na oporniku

wzorcowym. Miernikiem mierzącym spadek napięcia jest zazwyczaj woltomierz cyfrowy o odpowiednio

małych błędach i dużej rezystancji wejściowej. Rezystancja wejściowa woltomierza powinna być co najmniej

1000 razy większa od rezystancji opornika wzorcowego. Błąd metody jest wówczas ≤ 0.1%.

Wartość opornika wzorcowego dobiera się w zależności od zakresu miernika sprawdzanego tak, aby moc

wydzielana na oporniku nie przekraczała 1W zaś spadek napięcia był możliwie duży (tabl. 1).

str. 4

Ćwiczenie – Sprawdzanie mierników analogowych i cyfrowych

Tabela 1 Dobór opornika wzorcowego do zakresu sprawdzanego amperomierza

Górna granica zakresu pomiarowego

amperomierza sprawdzanego [A]

Opornik wzorcowy [Ω]

10 -5 ÷ 10 -4

10000

10 -4 ÷ 10 -3

1000

10 -3 ÷ 10 -2

100

10 -2 ÷ 10 -1

10 -1 ÷ 1

1 ÷ 3

0.1

3 ÷ 10

0.01

10 ÷ 30

0.001

Często spotykanym układem do sprawdzania amperomierzy jest układ ja na rys. 4.

Kalibrator

prądu

Rys. 4 Układ do sprawdzania amperomierzy za pomocą kalibratora

W układzie tym kalibrator pełni rolę regulowanego źródła prądu i miernika wzorcowego. Zwykle kalibratory

poprzez interfejs mogą współpracować z komputerem. Umożliwia to wizualizację wyników pomiarów

w postaci wykresów lub tablic poprawek.

Woltomierze analogowe sprawdza się najczęściej w układzie jak na rys. 5.

Wzorcowy

miernik napięcia

Nastawne źródło

napięcia

Woltomierz

sprawdzany

Rys. 5 Układ do sprawdzania woltomierzy

W układzie tym nastawnym źródłem napięcia może być zasilacz stabilizowany o regulowanej wartości

napięcia lub zasilacz przystosowany do współpracy z urządzeniem regulującym albo kalibrator napięcia. W tym

ostatnim przypadku zbędny jest wzorcowy miernik napięcia. Wzorcowym miernikiem napięcia może być

woltomierz analogowy odpowiedniej klasy, woltomierz cyfrowy lub multimetr z funkcją pomiaru napięcia.

Jeżeli zakres pomiarowy wzorcowego miernika napięcia jest mniejszy od zakresu woltomierza sprawdzanego to

można zastosować dzielnik napięcia uwzględniając jego błąd.

3. System pomiarowy do sprawdzania mierników

3.1. Układ pomiarowy

Na rys. 6 przedstawiono schemat układu pomiarowego do sprawdzania wielozakresowych woltomierzy

i amperomierzy prądu stałego.

Układy zasilania i regulacji napięcia oraz prądu umieszczone są w stole pomiarowym. Źródłami zasilania są

stabilizowane zasilacze prądu stałego. Zasilacz oznaczony I jest źródłem prądu dla sprawdzanych

amperomierzy, a zasilacz oznaczony II jest źródłem napięcia dla woltomierzy. Wyboru odpowiedniego

zasilacza dokonuje się za pomocą oznaczonego przełącznika. Badany miernik dołącza się do odpowiednich

zacisków w stole pomiarowym.

str. 5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: