Instrukcja

Ćwiczenie 14 Sprawdzanie przyrządów analogowych i cyfrowych Program ćwiczenia: 1. Sprawdzenie błędów podstawowych woltomierza analogowego 2. Sprawdzenie błędów podstawowych amperomierza analogowego 3. Sprawdzenie błędów woltomierza cyfrowego Wykaz przyrządów: • zasilacz stabilizowany napięcia stałego • multimetr analogowy UM‐3a • multimetr cyfrowy HP34401A • woltomierz cyfrowy tablicowy V628 • rezystor suwakowy 44 Ω • rezystor suwakowy 105 Ω • rezystor suwakowy 250 Ω • dzielnik napięcia DNa‐18 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. Wyciąg z instrukcji obsługi multimetru HP34401A Nr 2. Wyciąg z instrukcji obsługi woltomierza V628 Zakres wymaganych wiadomości do testu: • budowa i zasada działania przyrządów analogowych magnetoelektrycznych, magnetoelektrycznych z prostownikiem i elektromagnetycznych, • pomiar przyrządem analogowym; pojęcia: klasy, skali, podziałki, działki elementarnej; regulacja napięcia i prądu, • budowa i zasada działania przyrządów cyfrowych, • pomiar przyrządem cyfrowym; pojęcia: liczby cyfr znaczących, rozdzielczości, czułości, • wyznaczanie i obliczanie błędów granicznych w pomiarach przyrządem analogowym i cyfrowym 1
Celem ćwiczenia jest poznanie techniki pomiarowej sprawdzania elektrycznych przyrządów pomiarowych ‐ na przykładzie wyznaczania błędów podstawowych mierników analogowych i cyfrowych – woltomierzy i amperomierzy. 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, 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. 2
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 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 dwukrotnie, 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) ± 2 % ‐ wahania częstotliwości wzg. wartości nominalnej ‐ 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 0,5 h 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: (1) ‐ dla woltomierzy δ = [(Ub ‐ Uk)/Uz] 100% 3
‐ dla amperomierzy δ = [(Ib ‐ Ik)/Iz] 100% (2) gdzie: Ub, Ib ‐ wartości wskazane przez mierniki sprawdzane, Uz, Iz – zakresy pomiarowe przyrządów sprawdzanych, Uk, Ik – wskazania przyrządu stosowanego do sprawdzania (kontrolnego), f. Błędy podstawowe (wartość bezwzględna) sprawdzanych 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. Dla sprawdzanych mierników sporządza się też wykres poprawek w funkcji wskazań. W danym punkcie pomiarowym poprawka p jest równa 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 (por. rys.1). Rys. 1. Przykładowy wykres poprawek amperomierza 1. Sprawdzenie błędów podstawowych woltomierza analogowego Przyrządem wzorcowym we wszystkich punktach tego ćwiczenia będzie multimetr Helwet Packard HP34401A. Wyciąg z dokumentacji technicznej tego multimetru jest załącznikiem nr 1 do niniejszej instrukcji. Z przedstawionej dokumentacji wynika że przyrząd ten spełnia wszystkie wymagania wymienione w instrukcji GUM. Na zakresie DC 10.00000 V przyrząd ten mierzy z błędem granicznym ±(0,0015% wartości mierzonej +0,0004% zakresu). Przyrządem sprawdzanym w tym punkcie będzie przyrząd magnetoelektryczny z prostownikiem, multimetr UM – 3a na zakresie Vz = 6 V. Klasa tego przyrządu, deklarowana przez producenta, wynosi 1. Maksymalny błąd bezwzględny (wartość bezwzględna) tego woltomierza można policzyć ze wzoru: ∆max = ( kl . Vz ) / 100 . Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 2. 4
Rys. 2 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania błędu podstawowego woltomierza napięcia stałego. U – zasilacz stabilizowany; R1 – rezystor suwakowy – 105 Ω; R2 – rezystor suwakowy; – 44 Ω, Vb –woltomierz badany; Vw – woltomierz wzorcowy Regulując rezystancjami R1 i R2 należy wskazówkę woltomierza badanego nastawiać na ocyfrowane działki (wartości Wm) i odczytywać odpowiadające im wartości na woltomierzu wzorcowym (wartości Ww). Pomiary należy wykonać przy zwiększaniu i zmniejszaniu napięcia. Uzyskane wyniki należy umieścić w tabeli. Wzór tabeli przedstawia tabela 1. Na podstawie wykonanych pomiarów należy sporządzić wykres poprawek i obliczyć czy błąd podstawowy badanego woltomierza uprawnia do stwierdzenia, że przyrząd spełnia warunki klasy ‐ Δmax ≤ (kl ∙Vz)/100 Tabela 1. Wm – oznacza wartość ustawioną na mierniku badanym, Ww – oznacza wartość odczytaną z miernika wzorcowego, Δ – obliczona wartość błędu bezwzględnego 2. Sprawdzenie błędów podstawowych amperomierza analogowego Przyrządem sprawdzanym w tym punkcie będzie przyrząd magnetoelektryczny z prostownikiem, multimetr UM – 3a na zakresie 0,6 A. Klasa tego przyrządu, deklarowana przez producenta, wynosi 1. Maksymalny błąd bezwzględny (wartość bezwzględna) tego woltomierza można policzyć ze wzoru: ∆max = ( kl • Iz ) / 100 5
Przyrządem wzorcowym jest multimetr Helwet Packard HP34401A. Wyciąg z dokumentacji technicznej tego multimetru jest Załącznikiem nr 1 do niniejszej instrukcji. Z przedstawionej dokumentacji wynika, że przyrząd ten spełnia wszystkie wymagania wymienione w instrukcji GUM. Na zakresie DC 1.000000 A przyrząd ten mierzy z błędem granicznym ±(0,05% wartości mierzonej +0,006% zakresu). Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania błędu podstawowego amperomierza prądu stałego. U – zasilacz stabilizowany, R1 – rezystor suwakowy – 250 Ω, R2 – rezystor suwakowy – 44 Ω, R3 – rezystor suwakowy – 105 Ω, Ab – amperomierz badany, Aw – amperomierz wzorcowy Regulując rezystancjami R1 , R3 i R2 należy wskazówkę amperomierza badanego nastawiać na ocyfrowane działki (wartości Wm) i odczytywać odpowiadające im wartości na amperomierzu wzorcowym (wartości Ww). Pomiary należy wykonać przy zwiększaniu i zmniejszaniu prądu. Uzyskane wyniki należy umieścić w tabeli wzorowanej na tabeli nr 1. Na podstawie pomiarów należy wykonać wykres poprawek i obliczyć czy błąd podstawowy badanego amperomierza uprawnia do stwierdzenia, że przyrząd spełnia warunki klasy ‐ Δmax ≤ (kl ∙Iz)/100 3. Sprawdzanie błędów podstawowych woltomierza cyfrowego prądu stałego Zgodnie z instrukcją GUM wymagania co do dokładności pomiarów przy sprawdzaniu woltomierzy multimetrów cyfrowych prądu stałego są podobne jak dla przyrządów analogowych. Błędy podstawowe woltomierzy cyfrowych należy sprawdzać w warunkach odniesienia. Woltomierz sprawdza się na wszystkich podzakresach pomiarowych dla obydwu polaryzacji. Liczbę punktów pomiarowych określa się według typu sprawdzanego woltomierza. Dobór punktów pomiarowych należy przeprowadzić w taki sposób aby w badaniu sprawdzić każdą dekadę miernika (odpowiada jej jedna cyfra wyświetlacza). Np. dla woltomierza z czteropozycyjnym wyświetlaczem, przy sprawdzaniu pięciu punktów dla każdej cyfry mogą być to punkty 0001, 0003, 0005, 0007, 0009, 0010, 0030, 0050, 0070, 0090, 0100, 0300, ..., itd. Zaleca się także wytypowanie do sprawdzenia dodatkowych punktów leżących na granicy przejścia pomiędzy kolejnymi cyframi np. 0009 a następnie 0010, 0099 a następnie 0100 itd. W niniejszym ćwiczeniu przyrządem sprawdzanym jest woltomierz cyfrowy tablicowy V628 , o zakresie 400 [mV] . Instrukcja użytkowania tego woltomierza jest załącznikiem nr 2 do niniejszej instrukcji. Błąd graniczny tego woltomierza jest określony dwuskładnikowo jako równy ±(0,1% wartości mierzonej + 0,025% wartości zakresowej). 6
Przyrządem wzorcowym jest multimetr Helwet Packard HP34401A. Wyciąg z dokumentacji technicznej tego multimetru jest Załącznikiem nr 1 do niniejszej instrukcji. Z przedstawionej dokumentacji wynika, że przyrząd ten spełnia wszystkie wymagania wymienione w instrukcji GUM. Na zakresie DC 1.000000 V przyrząd ten mierzy z błędem granicznym ±(0,0020% wartości mierzonej +0,0006% zakresu). Jeżeli błąd przyrządu cyfrowego jest wyrażany za pomocą sumy dwóch składowych: procentu wartości wskazanej x oraz procentu zakresu pomiarowego Zx (współczynniki procentowe a i b są podawane przez producenta w dokumentacji technicznej przyrządu) (a% wskazania +b% zakresu) to wzory obliczeniowe na błędy graniczne pomiaru tym przyrządem (bezwzględny i względny) mają postać: (3) Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 4. Na schemacie tym, precyzyjną regulację napięcia, zrealizowano poprzez kaskadowe połączenie dwóch dzielników napięcia typu DNa‐18. Pomiaru należy dokonać regulując napięcie dzielnikami w taki sposób, aby nastawić następujące wskazania na wyświetlaczu woltomierza badanego (V1): 0001, 0003, 0005, 0007, 0009, 0010, 0030, 0050, 0070, 0090, 0099, 0100, 0300, 0500, 0700, 0900, 0999, 1000, 2000, 3000, 3999 i odczytywać odpowiadające im wartości napięcia na woltomierzu wzorcowym (V2). Pomiary należy powtórzyć przeciwnej polaryzacji. Uzyskane wyniki należy umieścić w tabeli wzorowanej na tabeli 2. Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania błędu podstawowego woltomierza cyfrowego napięcia stałego. U – zasilacz stabilizowany R1 – dzielnik napięcia DNa‐18, R2 – dzielnik napięcia DNa‐
18, V1 – woltomierz badany; V2 – woltomierz wzorcowy 7
Tabela 2 Lp V1 [mV] polaryzacja „+” V2 [mV] polaryzacja „+” Δ [mV] (Δ/V1)∙ 100% 1 2 3 . . . V1 [mV] polaryzacja „‐” V2 [mV] polaryzacja „‐” 1 2 3 . . Na podstawie wykonanych pomiarów należy obliczyć błąd woltomierza w postaci: ±(a % wartości mierzonej +b % zakresu) gdzie: a = max (|Δ/V1|∙ 100% ) , b = (max |Δ| / ZV1) ∙100% (4) i sprawdzić czy tak obliczony błąd podstawowy badanego woltomierza uprawnia do stwierdzenia, że przyrząd spełnia warunki niepewności pomiaru określone przez producenta. 8