Ćwiczenie 15 Sprawdzanie watomierza i licznika energii

Ćwiczenie 15 Sprawdzanie watomierza i licznika energii Program ćwiczenia: 1. Sprawdzenie błędów podstawowych watomierza analogowego 2. Sprawdzanie jednofazowego licznika indukcyjnego 2.1. Sprawdzenie prądu rozruchu, 2.2. Sprawdzenie biegu jałowego, 2.3. Sprawdzenie przekładni (stałej) licznika 2.4. Wyznaczenie błędów wskazań, Wykaz przyrządów: • watomierz elektrodynamiczny ekranowany klasy 0.2 ; zakresy prądowe:0,5 A, 1 A, 2,5 A, 5 A, zakresy napięciowe: 60 V, 150 V, 300 V, 600 V, cos φ=1; • jednofazowy kalibrator mocy (prądów i napięć zmiennych) C200. • jednofazowy licznik kilowatogodzin typu A2, 220 V, 5 A, 50 Hz, 1 kWh = 2800 obrotów; • stoper Literatura: [1] Zatorski A., Rozkrut A. Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Wyd. AGH, Skrypty nr SU 1190, 1334, 1403, 1585, Kraków, 1990, 1992, 1994, 1999 [2] Zatorski A. Podstawy Metrologii i techniki eksperymentu. Wyd. AGH, Skrypt SU 1685, Kraków, 2006 [3] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1979, 1991, 1994, 2009 [4] Tumański S., Technika pomiarowa, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, 2007, Warszawa Załączniki: Nr 1. Instrukcja obsługi Kalibratora napięć i prądów przemiennych C200 Nr 2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7 stycznia 2008 w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego oraz szczegółowego zakresu sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych. Zakres wymaganych wiadomości do testu: • budowa i zasada działania watomierzy elektrodynamicznych i ferromagnetycznych, •
pomiar przyrządem analogowym; pojęcia: klasy, skali, podziałki, działki elementarnej; regulacja napięcia, prądu i fazy, •
wyznaczanie i obliczanie błędów granicznych w pomiarach przyrządem analogowym •
budowa i zasada działania indukcyjnych liczników energii czynnej, •
metody i zakres sprawdzania liczników energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego 1
Celem ćwiczenia jest poznanie techniki pomiarowej sprawdzania elektrycznych przyrządów pomiarowych ‐ na przykładzie wyznaczania błędów podstawowych watomierza analogowego i wybranych punktów sprawdzania jednofazowego licznika indukcyjnego. WPROWADZENIE Pomiary wykonywane w handlu, technice i nauce powinny być wiarygodne, czyli mieć odpowiednią dokładność. Dokładność pomiarów zależy głównie od dokładności stosowanych przyrządów pomiarowych, a więc od ich błędów. Poprawność wskazań nowego przyrządu gwarantuje jego producent, zaś przyrządu używanego – jego użytkownik (właściciel). Jest obowiązkiem użytkownika przyrządu poddanie go okresowemu sprawdzaniu. Czynności te wykonywane są przez regionalne placówki Głównego Urzędu Miar, czyli Okręgowe lub Obwodowe Urzędy Miar. Istnieją też laboratoria przemysłowe i naukowe, zwane laboratoriami akredytowanymi, które maja prawo sprawdzania przyrządów. Wymienione placówki, na podstawie przeprowadzonych pomiarów błędów przyrządu i porównaniu ich z błędami deklarowanymi przez producenta lub stosowne normy, wystawiają przyrządowi świadectwo legalizacyjne lub tzw. cechę legalizacyjną, czym potwierdzają jego sprawność pomiarową. Prawnej kontroli metrologicznej podlegają przyrządy pomiarowe stosowane: 1) w ochronie zdrowia, życia i środowiska, 2) w ochronie bezpieczeństwa i porządku publicznego, 3) w ochronie praw konsumenta, 4) przy pobieraniu opłat i podatków oraz ustalaniu upustów, kar umownych, wynagrodzeń i odszkodowań, 5) przy dokonywaniu kontroli celnej, 6) w obrocie publicznym do rozliczeń towarów i usług, Prawnej kontroli metrologicznej podlega też każdy nowy typ przyrządu pomiarowego, gdy jego producent lub importer chce wprowadzić go na rynek (do handlu). Dla takiego przyrządu wykonywane są złożone pomiary i badania (nie tylko błędów podstawowych), w konsekwencji których zatwierdza się typ przyrządu i zezwala na wprowadzenie go do obrotu. Przykładami przyrządów pomiarowych wymagających legalizacji są: • „domowe” liczniki do pomiarów zużycia: energii elektrycznej, gazu (gazomierze), wody (wodomierze) i „ciepłej” wody (ciepłomierze wody), • wagi sklepowe i odważniki (wzorce masy), • „policyjne” alkoholomierze i „radary”, • analizatory gazów i mierniki drgań stosowane w kopalniach, • prędkościomierze, tachografy i taksometry samochodowe. • samochodowe analizatory spalin w stacjach diagnostycznych, • odmierzacze paliw na stacjach paliwowych. Przyrządy stosowane w laboratoriach uczelnianych nie podlegają obowiązkowi kontroli metrologicznej, jednak troska o zapewnienie wiarygodnych pomiarów wymaga ich okresowej kontroli. Celem sprawdzania przyrządu jest stwierdzenie, czy jego błędy podstawowe nie są większe od podanych przez producenta. Błędy miernika wyznacza się przez porównanie jego wskazań ze wskazaniami przyrządu kontrolnego lub nastawami odpowiedniego kalibratora. Pomiary powinny być wykonane w warunkach odniesienia przynależnych danemu przyrządowi. Metoda pomiarowa i kalibrator lub przyrządy pomiarowe kontrolne powinny być tak dobrane, aby pomiary zostały wykonane z odpowiednio dużą dokładnością względem dokładności badanego przyrządu. Na niedokładność pomiarów wpływa układ pomiarowy, warunki otoczenia i dokładność przyrządu kontrolnego. Układ pomiarowy powinien mieć wystarczającą regulację nastawianych wielkości i 2
gwarantować ich dużą stałość w czasie pomiarów. Zwykle jest wymagane wstępne nagrzewanie układu i przyrządów. Pomiary błędów podstawowych analogowych mierników wskazówkowych wykonuje się na wszystkich zakresach pomiarowych, w punktach (kreskach) podziałki opisanych cyframi. Wskazówkę badanego przyrządu nastawia się dokładnie na ocyfrowaną kreskę podziałki i odczytuje wskazanie przyrządu kontrolnego. W celu wykrycia w łożyskach miernika histerezy tarcia pomiar należy wykonać dwukrotny, najpierw w przypadku wzrastającej, a następnie malejącej wartości wielkości mierzonej. Dla bliższego zobrazowania warunków sprawdzania błędów podstawowych przyrządów poniżej w punktach przedstawiono takie warunki, które wymienia odpowiednia instrukcja GUM. a. Metoda pomiarowa i przyrządy pomiarowe stosowane do sprawdzania powinny być dobrane tak, aby niepewność rozszerzona pomiaru była co najmniej trzykrotnie mniejsza od błędu podstawowego miernika sprawdzanego. b. Rozdzielczość wskazań przyrządów pomiarowych stosowanych do sprawdzania powinna być co najmniej pięciokrotnie lepsza od rozdzielczości miernika sprawdzanego. c. Sprawdzania mierników dokonuje się w warunkach odniesienia, prądem i napięciem stałym lub sinusoidalnie przemiennym. Warunkami odniesienia są: ‐ temperatura otoczenia (23 ± 1) oC ‐ wilgotność wzg. powietrza (40 ÷ 60) % ‐ współczynnik tętnień prądu stałego ≤ 1% ‐ współczynnik zawartości harmonicznych 1% ‐ dla mierników „nie mierzących” wartości skutecznej i 5% ‐ dla pozostałych (True RMS) ‐ wahania częstotliwości wzg. wartości nominalnej ± 2% ‐ zewnętrzne pola elektryczne i magnetyczne pomijalnie małe ‐ niestabilność źródeł zasilania (5‐minutowa) ≤ 1/5 błędu podstawowego miernika ‐ czas wstępnego nagrzewania układu pomiarowego nie krócej niż 0,5h d. Wyróżnia się następujące klasy ( kl) dokładności mierników: 0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,5 ; 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 i 5. e. Błędy podstawowe mierników wyznacza się wg wzorów: ‐ dla woltomierzy δ = [(Ub ‐ Uk)/Uz] 100% ‐ dla amperomierzy δ = [(Ib ‐ Ik)/Iz] 100% gdzie: Ub, Ib ‐ wartości wskazane przez mierniki sprawdzane, Uz, Iz – ich zakresy pomiarowe, Uk, Ik – wskazania przyrządu stosowanego do sprawdzania. f. Błędy podstawowe sprawdzonych mierników – w przypadku ich sprawności metrologicznej – powinny spełniać warunek: δ≤ kl g. W wyniku stwierdzenia, że sprawdzany miernik odpowiada wymaganiom przepisów metrologicznych, wydaje się świadectwo uwierzytelnienia którego okres ważności wynosi 25 miesięcy. 3
Dla sprawdzanych mierników sporządza się też wykres poprawek w funkcji wskazań. W danym punkcie pomiarowym poprawka p jest równą błędowi bezwzględnemu miernika ze znakiem przeciwnym (p = –Δ). Poprawkę należy zaokrąglić do wartości rozdzielczości odczytu. Dla mierników laboratoryjnych rozdzielczość odczytu zwykle odpowiada 0,1 działki elementarnej. Wykres poprawek rysuje się linią łamaną łączącą punkty poprawek. Rys. 1. Przykładowy wykres poprawek amperomierza 1. Sprawdzenie błędów podstawowych watomierza analogowego Przyrządem sprawdzanym w tym punkcie ćwiczenia będzie watomierz elektrodynamiczny ekranowany klasy 0.2 na zakresie 300 V i 5 A . Maksymalny błąd bezwzględny (wartość bezwzględna) tego watomierza można policzyć ze wzoru: ∆max = ( kl . Wz ) / 100 . Watomierz ten będzie sprawdzany przy pomocy jednofazowego kalibratora mocy (prądów i napięć zmiennych) C200. Opis techniczny tego kalibratora zawiera jego instrukcja obsługi która jest załącznikiem nr 1 do niniejszej instrukcji. Przed wykonaniem ćwiczenia należy szczegółowo zapoznać się z instrukcją obsługi kalibratora. Następnie należy podłączyć badany watomierz zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 2. Na rysunku 2 początki cewek – napięciowej i prądowej, badanego przyrządu oznaczono gwiazdkami. Na watomierzach, w zależności od producenta, te oznaczenia mogą być inne np. strzałki. Po podłączeniu należy wykonać pomiary zgodnie zasadami wyznaczania błędów podstawowych miernika przedstawionych we Wprowadzeniu. Po włączeniu kalibratora (power) na zaciskach napięciowych kalibratora należy nastawić napięcie równe napięciu zakresowemu badanego watomierza, a wartość przesunięcia fazowego ustawić na zero. Włączyć oba wyjścia kalibratora (przyciski std) i wartość mocy czynnej odpowiadającą kolejnym ocyfrowanym działkom badanego watomierza należy uzyskiwać poprzez regulację prądu kalibratora. Pomiaru na kolejnych ocyfrowanych działkach (Wm ) należy dokonać dwukrotnie ‐ przy zwiększaniu (od zera w górę do końca zakresu watomierza) i zmniejszaniu prądu. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 1. Wartości mocy czynnej (Ww ) uzyskujemy poprzez wymnożenie wartości napięcia i prądu odczytanych z kalibratora. Na podstawie uzyskanych wyników należy wykonać wykres poprawek i obliczyć czy uzyskany błąd podstawowy badanego watomierza uprawnia do stwierdzenia, że przyrząd ten spełnia warunki klasy Δmax ≤ (kl ∙Wz)/100 4
Rys. 2. Podłączenie miernika mocy do kalibratora C200 Tabela 1. Wyniki sprawdzania watomierza elektrodynamicznego Wm – oznacza wartość ustawioną na mierniku badanym, Ww – oznacza wartość mocy odczytaną z kalibratora, Δ – obliczona wartość błędu bezwzględnego Lp
Wm [W]
Zwiększanie wskazania
Ww [ W ]
∆[W]
Zmniejszanie wskazania
Ww [ W ]
∆[W]
1
2
3
4
2. Sprawdzenie jednofazowego licznika indukcyjnego Sprawdzanie liczników energii elektrycznej reguluje Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7 stycznia 2008 (zwane dalej rozporządzeniem) w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej prądu przemiennego oraz szczegółowego zakresu sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych (Dz. U. Z dnia 23 stycznia 2008 r.). Tekst tego rozporządzenia jest załącznikiem Nr 2 do niniejszej instrukcji. Przed wykonaniem poszczególnych punktów ćwiczenia należy szczegółowo zapoznać się z tekstem tego rozporządzenia. W rozdziale 1 § 2 p.2 rozporządzenia określono przyporządkowanie starych i nowych nazw klas dokładności liczników energii. Nowym klasom C,B,A odpowiadają kolejno klasy 0.5,1 i 2. W §3 zdefiniowano ważne stosowane w rozporządzeniu określenia (definicje). Szczegółowy zakres badań i sprawdzeń oraz sposoby i metody ich przeprowadzania przedstawiono w rozdziale 4 rozporządzenia. Punkt 3 tego rozdziału określa jakie badania należy przeprowadzić podczas procesu sprawdzania licznika w okresie eksploatacji. Są to: 1) funkcjonowanie mechanizmu licznika; 2) czy obwody napięciowe poszczególnych systemów nie mają przerw; 3) czy kierunek wirowania tarczy licznika jest zgodny z oznaczeniami na tabliczce znamionowej ‐ w przypadku licznika indukcyjnego; 4) wytrzymałość elektryczną izolacji licznika ‐ tylko podczas legalizacji pierwotnej; 5) prąd rozruchu licznika; 6) bieg jałowy licznika; 7) przekładnię licznika; 8) błędy wskazań licznika w warunkach odniesienia określonych w załączniku nr 4 do rozporządzenia. 5
W ramach niniejszego ćwiczenia wykonamy kolejno punkty od 5 do 8. Sprawdzanym licznikiem będzie jednofazowy licznik indukcyjny typu A2, 220 V, 5 A, 50 Hz, 1 kWh = 2800 obrotów (odpowiada aktualnej klasie A). Sprawdzanie jednofazowego licznika indukcyjnego można przeprowadzić używając kalibratora mocy albo licznika wzorcowego. W niniejszym ćwiczeniu będziemy przeprowadzać sprawdzanie licznika przy użyciu kalibratora mocy C200. Opis techniczny tego kalibratora zawiera jego instrukcja obsługi która jest załącznikiem nr 1 do niniejszej instrukcji. 2.1 Sprawdzenie prądu rozruchu W rozdziale 3 rozporządzenia § 10 definiuje, że wartość prądu rozruchu licznika, określająca jego czułość, przy obciążeniu symetrycznym, napięciu nominalnym i współczynniku mocy równym jedności, nie powinna przekraczać wartości określonych w załączniku nr 2 do rozporządzenia. Dla licznika indukcyjnego klasy A wartość prądu rozruchu nie powinna przekraczać 0,5 % wartości prądu bazowego (nominalnego). § 14 rozporządzenia określa sposób sprawdzenia prądu rozruchu licznika. Dla badanego licznika wartość prądu rozruchu możemy określić w następujący sposób: a. podłączamy licznik zgodnie z rysunkiem 2. b. Włączamy kalibrator (power) c. napięcie na zaciskach napięciowych kalibratora nastawiamy na wartość nominalną licznika – 220 V, a kąt przesunięcia fazowego na zero d. włączamy oba wyjścia kalibratora kalibrator (przyciski std) i zmieniamy wartość prądu do momentu aż tarcza licznika wykona płynnie co najmniej jeden pełny obrót. e. sprawdzamy czy uzyskana wartość prądu jest zgodna z podaną w rozporządzeniu. Dla badanego licznika wartość prądu rozruchu nie powinna być wyższa niż 0,025 A (moc odbiornika nie większa niż 5,5 W) 2.2 Sprawdzenie biegu jałowego § 15 rozporządzenia mówi, że podczas sprawdzania biegu jałowego licznika indukcyjnego należy do obwodów napięciowych licznika klasy A, przy otwartych obwodach prądowych, przyłożyć kolejno napięcie równe: a. 80 % wartości napięcia nominalnego (czyli 176 V) oraz b. 110 % wartości napięcia nominalnego (czyli 242 V). Podczas sprawdzania, wirnik licznika indukcyjnego nie powinien wykonać pełnego obrotu a barwny znak na tarczy licznika powinien ustawić się w wycięciu tabliczki znamionowej. Wykonując ten punkt ćwiczenia do licznika należy dołączyć tylko zaciski napięciowe kalibratora (rysunek 2) i nastawić wartości napięcia zgodnie z punktami a i b. Należy obserwować zachowanie tarczy licznika w każdym przypadku przez co najmniej jedną minutę. 2.3.
Sprawdzenie przekładni (stałej) licznika § 16 rozporządzenia mówi, że sprawdzenie przekładni licznika obejmuje ustalenie z uwzględnieniem niepewności jej wyznaczenia, czy jej wartość jest zgodna ze stałą licznika podaną na tabliczce znamionowej licznika. Jeżeli licznik posiada liczydło mechaniczne, czas sprawdzania przekładni licznika przy maksymalnym obciążeniu licznika powinien być tak dobrany, aby: zapewnić odczytanie wskazania zużytej energii z błędem nieprzekraczającym błędów granicznych dopuszczalnych licznika w tym punkcie obciążenia, a ostatni bębenek liczydła wykonał co najmniej pół obrotu. Wyznaczenie stałej licznika przy wykorzystaniu kalibratora można przeprowadzić w następujący sposób: 6
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
łączymy licznik do kalibratora wg rysunku 2 Włączamy kalibrator (power) na zaciskach napięciowych kalibratora nastawiamy nominalną wartość napięcia licznika 220 V na zaciskach prądowych kalibratora nastawiamy maksymalną wartość prądu dla sprawdzanego licznika równą 125 % wartości prądu nominalnego czyli 6,25 A wartość przesunięcia fazowego nastawiamy na zero włączamy wyjścia kalibratora (przyciski std) używając stopera mierzymy czas ts [s] w którym tarcza licznika wykona 100 obrotów z nastaw kalibratora (wartość mocy) i stopera (czas)wyliczamy energię a następnie stałą licznika wg wzoru : 100 ⋅ 3600
c=
1.375 ⋅ ts
[ obr / kWh ]
2.3 Wyznaczenie błędów wskazań licznika Zgodnie z § 19. p.1. rozporządzenia błędy wskazań licznika wyznacza się metodą: 1) mocy i czasu, polegającą na obliczeniu czasu trwania N obrotów (impulsów) i porównaniu go z czasem zmierzonym przy znanej, stałej podczas pomiaru, mocy obciążenia licznika, 2) licznika kontrolnego, polegającą na obliczeniu liczby impulsów (obrotów tarczy) licznika kontrolnego Nkn odpowiadających impulsom (obrotom tarczy) licznika badanego i porównaniu jej ze zmierzoną liczbą takich impulsów (obrotów tarczy) licznika kontrolnego Nk. W niniejszym ćwiczeniu błędy badanego licznika będziemy wyznaczać metodą mocy i czasu z godnie z procedurami opisami w rozporządzeniu w §§ 20, 22,23. Błędy wskazań licznika indukcyjnego, wyznaczane metodą mocy i czasu, określa się przez pomiar czasu t, w którym tarcza przy danym obciążeniu mocą P wykonuje N obrotów, następnie wyliczenie wartości nominalnej czasu tn, w którym tarcza licznika powinna wykonać N obrotów przy obciążeniu P, gdyby licznik wskazywał bezbłędnie, i obliczeniu błędu wskazania według wzoru: Stosując podczas sprawdzania metodę mocy i czasu, wartość nominalną czasu tn, oznaczającą wartość liczbową czasu trwania N obrotów lub impulsów wyrażoną w sekundach, należy wyznaczyć zgodnie z wzorem: gdzie: N — liczba obrotów lub liczba impulsów, C — wartość liczbowa stałej licznika wyrażonej w obrotach na kilowatogodzinę lub w impulsach na kilowatogodzinę, P — wartość liczbowa mocy licznika wyrażonej w watach. Podczas sprawdzania błędu wskazań licznika metodą mocy i czasu powinno się stosować urządzenie do pomiaru czasu, sterowane przez urządzenie z głowicą fotoelektryczną lub przez elektryczne wyjście impulsowe licznika. Przy sprawdzaniu błędu wskazań licznika klasy dokładności A i B dopuszcza się wykonanie pomiarów czasu urządzeniem do pomiaru czasu sterowanym ręcznie. W takim wypadku czas pomiaru nie może być krótszy niż 50 sekund. Błędy graniczne dopuszczalne wskazań licznika w zależności od rodzaju licznika oraz punkty obciążenia licznika zawiera Załącznik nr 1 rozporządzenia. Wartości błędów dla liczników indukcyjnych jednofazowych przedstawiono w tabeli 2. 7
Tabela 2. Błędy graniczne dopuszczalne wskazań oraz punkty obciążenia licznika indukcyjnego jednofazowego Badanego przez nas jednofazowego licznika kilowatogodzin typu A2, dotyczy ostatnia kolumna tabeli (klasa A, wprowadzony do obrotu przed 7.01.2007). Ib ‐ prąd bazowy ‐ jest wartość prądu (zgodnie z rozporządzeniem) dla której ustalane są istotne cechy licznika. Dla licznika badanego jest to wartość nominalna prądu. W ramach ćwiczenia wykonamy sprawdzenie błędów licznika badanego dla kolejnych punktów obciążenia z tabeli 2. Podłączamy licznik do kalibratora zgodnie z rysunkiem 2. Włączamy kalibrator (power). Na zaciskach napięciowych kalibratora ustawiamy nominalną wartość napięcia nominalnego licznika – 220 [V ]. Na zaciskach prądowych kalibratora , dla kolejnych punktów pomiarowych nastawiamy wartości prądu i fazy zgodnie tabelą 3. Włączamy wyjścia kalibratora (przyciski std) i dla kolejnych punktów mierzymy stoperem‐ t – czas N= 50 obrotów tarczy licznika. Dla każdego punktu pomiarowego z nastaw kalibratora wyliczamy moc P obciążającą licznik. W obliczeniach czasu tn przyjmujemy wartość stałej licznika 2800 obr/kWh. Wyniki obliczeń P, tn oraz δ zamieszczamy w tabeli 3 i porównujemy z danymi z tabeli 2. Tabela 3. Wartość kąta lp Wartość prądu N [ obr ] t [ s ] P [ w ] tn [ s ] δ [% ] przesunięcia obciążenia fazowego φ [O] licznika [ A ] 1 0.5 0 2 5 0 3 5 60 ind 4 6.25 0 8