Posługiwanie się miernikami elektrycznymi

1. Błędy

              Pomiar jest doświadczeniem fizycznym. Ograniczona dokładność narzędzi pomiarowych, zmienność warunków, w których odbywa się doś­wiadczenie, niedostateczna znajomość wszystkich okoliczności związanych z badanym zjawiskiem wywołują zniekształcenia wyników.

Wartość otrzymana z wyniku pomiaru różni się od wartości rzeczywistej wielkości mierzonej. Różnica między tymi wartościami, zwana błędem lub uchybem pomiaru, jest miarą niedokładności pomiaru. Różnicę między wartością Wo otrzymaną z pomiaru, a wartością rzeczywistą Wr mierzonej wielkości nz. błędem bezwzględnym pomiaru.

Dla oceny jakości pomiaru bardziej odpowiednie jest pojęcie błędu względnego pomiaru – jest to wyrażony w procentach stosunek błędu bezwzględnego do wartości rzeczywistej.

Dokładność przyrządu pomiarowego określa się za pomocą błędu charakterystycznego miernika (klasa niedokładności), który jest wyrażony w procentach stosunkiem największego błędu bezwzględnego, jaki stwierdzono podczas skalowania miernika, do końcowej wartości Wmax zakresu pomiarowego przyrządu.

Klasy niedokładności określone przez Polskie Normy PN/E-06501 są następujące:

0,1              0,2              0,5              1              1,5              2,5              5

Błąd względny pomiaru wywołany przez błąd miernika wyraża się wzorem:

              Z powyższego wzoru wynika wniosek, że wykonując pomiary należy tak dobierać zakresy przyrządów, aby mierzyły one wartości zbliżone do ich zakresu pomiarowego, gdyż w takich warunkach pomiar obarczony jest najmniejszym błędem.

              Błędy występujące w pomiarach wielkości fizycznych dzielimy ze względu na ich istotę:

a)     błędy systematyczne – są to takie błędy, których pochodzenie jest znane mierzącemu. Błędy te mogą mieć wartość stałą lub też zmieniającą się wg skreślonego prawa. Obecność błędów systematycznych może być wykryta doświadczalnie. Wpływ błędów systematycznych na wynik pomiaru daje się wyeliminować przez specjalne podejście do pomiaru lub też przez określenie wartości błędów za pomocą doświadczenia i uwzględnienia tych wartości w trakcie matematycznego opracowywania wyników.

b)     błędy przypadkowe – są to błędy, których pochodzenie i wartość nie są znane mierzącemu. Obecność błędów przypadkowych dostrzega się otrzymując przy wielokrotnym powtórzeniu pomiaru odczytu różniące się między sobą ostatnimi znaczącymi wartościami, nie mogą być wyeliminowane na drodze doświadczalnej. Posługując się teorią prawdopodobieństwa i metodami statystyki matematycznej można określić wpływ tych błędów na wynik pomiaru.

c)     błędy grube – czyli omyłki są to bardzo duże błędy, zniekształcające w sposób rażący wynik pomiaru. Omyłki spowodowane są zwykle przez nieuwagę obserwatora. Przy matematycznym opracowywaniu wyników pomiaru należy odrzucać odczyty obarczone błędami grubymi.

2. Oznaczenia na skalach przyrządów

              Dla ułatwienia użytkownikowi orientacji, co do właściwości przyrządów pomiarowych przepisy polskie przewidują umieszczenie na skalach względnie na obudowie mierników następujących oznaczeń i symboli:

a)     nazwa lub znak wytwórni

b)     numer fabryczny

c)     rok wykonania

d)     oznaczenie jednostki wielkości mierzonej np. V, A

e)     symboli ustroju pomiarowego np.

f)      klasa dokładności

g)     symbol rodzaju prądu

h)     częstotliwość znamionowa lub znamionowy zakres częstotliwości (dla przyrządów na prąd zmienny o częstotliwości różnej od 50Hz)

i)       symbol ustawienia miernika

j)       oznaczenie napięcia probierczego

k)     normalna temperatura otoczenia, jeśli różni się od 20oC

l)       przekładnia przekładnika ( w przypadku mierników przeznaczonych do pracy z przekładniami)

Przykład oznaczenia

3. Pomiary podstawowych wielkości obwodu elektrycznego

3.1.Pomiary natężenia prądu

              Do pomiaru prądu służy amperomierz. Aby przez organ pomiarowy miernika i odbiornik przepływał ten sam prąd, amperomierz powinien być połączony szeregowo z odbiornikiem (rys.1.). W celu uniknięcia zmiany prądu w obwodzie, wynikającej z włączenia amperomierza, jego oporność wewnętrzna powinna być bardzo mała.

Rys. 1. Schemat pomiaru natężenia prądu elektrycznego

W przypadku posługiwania się amperomierzem magnetoelektrycznym, w celu pomiaru natężenia prądu stałego, należy dołączyć zacisk + amperomierza do miejsca obwodu elektrycznego wyższym potencjale, zaś zacisk – do miejsca o niższym potencjale.

              Rozszerzenie zakresu pomiarowego amperomierzy magnetoelektrycznych odbywa się przez równoległe włączenie do miernika opornika zwanego bocznikiem (rys.2.). Rezystancję bocznika określa zależność:

gdzie: - krotność zwiększenia zakresu pomiarowego,

              Ra- rezystancja wewnętrzna miernika.

Do rozszerzenia zakresu pomiarowego amperomierzy elektromagnetycznych (pomiar natężenia prądu przemiennego) stosuje się przekładniki prądowe (rys.2b) o odpowiednio dobranej przekładni. Przekładnię definiuje się jako stosunek znamionowego prądu pierwotnego do znamionowego prądu wtórnego o znormalizowanej wartości – najczęściej 5A np. 50/5A, 75/5A, itp. Przy pomiarach z przekładnikiem prądowym należy pamiętać, że nie może być włączony do obwodu z rozwartym uzwojeniem wtórnym.

3.2.Pomiary napięcia

              Woltomierz dołącza się do zacisków, między którymi ma być pomierzone napięcie, a więc równolegle do rozpatrywanego elementu obwodu (rys.3.).

Rys. 3. Schemat pomiaru napięcia prądu elektrycznego

              Ażeby prąd płynący przez miernik był jak najmniejszy, woltomierz posiada dużą oporność wewnętrzną Rv. W przypadku posługiwania się woltomierzem magnetoelektrycznym należy dołączyć zacisk + miernika do miejsca obwodu elektrycznego o wyższym potencjale, zaś zacisk – do miejsca o niższym potencjale. Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierzy magnetoelektrycznych odbywa się przez włączenie z miernikiem opornika dodatkowego Rd – zwanego posobnikiem (rys.4a.).

Dla n-krotnego rozszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza posobnik powinien mieć rezystancję:

gdzie:

W celu rozszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza przy pomiarze napięć przemiennych stosuje się przekładniki napięciowe (rys.4b.) o odpowiedniej przekładni.

Przekładnię przekładnika napięciowego nazywa się stosunek znamionowego napięcia wtórnego znormalizowanej wartości – 100V.

              W praktyce laboratoryjnej do pomiaru napięcia lub natężenia prądu elektrycznego stosuje się najczęściej mierniki wielozakresowe lub mierniki uniwersalne. Przy pomiarach miernikami wielozakresowymi z odczytem pośrednim lub miernikami uniwersalnymi wartości wielkości mierzonej należy obliczyć korzystając z proporcji.

gdzie: Zp – wybrany zakres pomiarowy miernika,

              – ilość działek, o którą odchyliła się wskazówka,

              – znamionowa liczba działek skali.

3.3.Pomiary mocy w obwodach prądu przemiennego

              Pomiaru mocy czynnej odbiornika w obwodzie jednofazowym dokonuje się watomierzem. Układ do pomiaru mocy czynnej przedstawiono na rys. 5.