Politechnika

𦤳

Bia ostocka

!

Wydzia Elektryczny

!

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu

"#

METROLOGIA 1

Kod przedmiotu:

F02021

$wiczenie pt.

ODDZIA YWANIE PRZYRZ DU PO

%

&

MIAROWEGO

NA OBIEKT BADANY

Numer wiczenia

#

21

Autor

Dr in . Ryszard Piotrowski

'

Bia ystok 2006

!

𧄃

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

2

1. Wprowadzenie

ddzia ywanie elektrycznych przyrz dów pomiarowych na obiekt

!

(

badany (sie elektryczn ) polega na zmianie rozk adu napi i

#

(

!

"#

rozp!

(

(

!

!(

(

ywu pr dów, jak wywo uje w czenie tych przyrz dów do sieci.

W czenie do sieci (obwodu elektrycznego) przyrz du pomiarowego oznacza

!(

(

bowiem w istocie zmian konfiguracji tego obwodu spowodowan pojawieniem

"

(

si w nim dodatkowej impedancji (rezystancji). W

"

rezultacie zniekszta ceniu

!

ulega tak e stan wielko ci, któr zamierzali my zmierzy . Zmiany te mog by

'

)

(

)

#

( #

w niektórych wypadkach pomijalnie ma e, w innych bardzo wyra ne, zawsze

!

*

jednak istniej . Planuj c pomiar, nale y wybra tak metod oraz takie

(

(

'

#

(

"

narz dzi

" a pomiarowe, które wspomniane zniekszta cenie sprowadz do

!

(

pomijalnie ma ych rozmiarów. Gdy jednak jest to niemo liwe, nale y

!

'

'

spróbowa ustali warto poprawki, jaka powinna by wniesiona do wyniku

#

#

)#

#

pomiaru.

Niekiedy celem pomiaru nie jest okre lenie war

)

to ci rzeczywistej

)

mierzonej wielko ci, lecz kontrola jej stanu. Wystarczy wtedy, aby pomiar

)

wykonywany by za ka dym razem tym samym przyrz dem, zawsze tak samo

!

'

(

zniekszta caj cym stan kontrolowanej wielko ci.

! (

)

Na przyk ad producenci sprz tu elektroniczne

!

"

go podaj na schematach

(

serwisowych swoich urz dze warto ci napi , jakie powinny wyst pi w

( +

)

"#

( #

najwa niejszych punktach obwodu sprawnego urz dzenia. Jednocze nie podaj

'

(

)

(

informacj dotycz c w a ciwo ci woltomierza, którym nale y te napi cia

"

( ( ! )

)

'

"

mierzy . Podaj

#

( mianowicie tzw. rezystancj wewn trzn jednostkow

"

"

(

(

woltomierza jednoznacznie charakteryzuj c ten przyrz d, to znaczy nie

( (

(

wymagaj c jednocze nie podawania jego zakresu pomiarowego i rezystancji

( (

)

wewn trznej.

"

Jest to rezystancja wewn trzna woltomierza p

"

rzypadaj ca na jeden

(

wolt zakresu pomiarowego, oznaczana cz sto greck liter kappa ,

"

(

( ,

- np.



= 20 000 :/V.

O

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

3

Chodzi o to aby mierz cy napi cia u ytkownik zniekszta ca w tym samym

(

"

'

! !

stopniu istniej cy stan rzeczy, w jakim by on zniekszta cany u wytwór

(

!

!

cy.

Problem oddzia ywania przyrz dów pomiarowych na obiekt badany daje

!

(

si bli ej skonkretyzowa . Wynika to z faktu, e podstawowymi przyrz dami

"

'

#

'

(

pomiarowymi s amperomierze i woltomierze. Pozosta e przyrz dy mo na

(

!

(

'

uzna za odmiany tych ostatnich lub ich

#

z o enia (np. watomierz).

! '

Amperomierz w czany jest zawsze (lub prawie zawsze) szeregowo z

!(

ga zi sieci, za woltomierz równolegle do ga zi (rys.1). W cznie

!" (

)

!"

!(

amperomierza powi ksza rezystancj R

"

"

*

ga zi, w czenie woltomierza za

!"

!(

)

zmniejsza t rezysta

"

ncj (dla prostoty ograniczamy rozwa ania do obwodów

"

'

pr du sta ego).

(

!

Je eli przed w czeniem amperomierza rezystancja ga zi wynosi a R

'

!(

!"

!

*

, to

po w czeniu tego przyrz du b dzie równa R

!(

(

"

*

.

R.

*

= R

*

+ R

$

gdzie R

$

oznacza rezystancj wewn trzn amperomierz

"

"

(

a

Chc c, aby wp yw amperomierza na sie by jak najmniejszy, czyli aby

(

!

# !

R

* 

|

R.

*

, musimy da , aby R

'( #

$

 R

*

.

Analogicznie, w przypadku woltomierza, je eli przed jego w czeniem

'

!(

rezystancja ga zi wynosi a R

!"

!

*

, to po w czeniu tego przyrz du wynie

!(

(

sie

'

G

R

G

R

V

R

G

R

V

R



lub po prostym przekszta ceniu

!

'

G

R

G

R

G

R

V

R



1

gdzie R

9

oznacza rezystancj wewn trzn woltomierza

"

"

(

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

4

𨱛

R

$

𨱛

R

*

𨱛

R

9

𨱛

R

*

𨱛

V

𨱛

A

Rys. 1. Typowe sposoby w czania podstawowych przyrz dów pomiarowych

!(

(

Je eli ch

'

cemy, aby woltomierz jak najmniej zniekszta ca pierwotny stan

! !

sieci, to znaczy aby R

*

. | R

*

, powinni my da spe nienia warunku:

)

'( #

!

G

R

V

R

|

0

to znaczy aby R

9

!! R

*

.

Zauwa my, e ograniczyli my si tu do badania jednej tylko ga zi siec

'

'

)

"

!"

i.

Jest to wystarczaj ce, bowiem niezmienno parametrów ga zi obarczonej

(

)#

!"

,

-

przyrz dem pomiarowym gwarantuje niezmienno stanu ca ej sieci.

(

)#

!

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

5

2. Pomiary I

2.1. Obliczenia przygotowawcze

Oblicz warto ci napi cia U

)

"



, jakie pojawi si na zaciskach re

"

zystora R



(rys.2) po przy czeniu do niego woltomierza V

!(



na zakresach U

Q

=1,5 V oraz

U

Q

=3 V, je eli wiadomo, Ze napi cie zasilaj ce U

'

"

(

]

=15V, za R

)



=R



=15 k:

oraz e rezystancja wewn trzna jednostkowa woltomierza V

'

"



jest równa

F

= 1000 :/V.

Celem tych oblicze jest sprawdzenie, czy próba pomiaru napi cia U

+

"



na podanych zakresach nie grozi przeci eniem woltomierza V

('



Tablica 1

Zakres pomiarowy

woltomierza

U

n

V

1,5

3

Rezystancja wew.

woltomierza

R

V

:

Obliczony spadek

napi cia

"

U

1

V

gdzie: R

9

= F U

n

2.2. Uk ad pomiarowy

!

Na wst pie nale y po czy uk ad, którego schemat przedstawiono na

"

'

!( #

!

rys.2.

Z S

220 V

R



R



U



U

1

W

U

]

=15V=const.

V

1

V

2

Rys.2. Schemat ideowy uk adu pomiarowego

!

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

6

ZS - zasilacz stabilizowany o napi ciu wyj ciowym co najmniej 15 V

"

)

V



, V

 

- woltomierze typu LM-3 klasy 0,5

R



= R



= 15 k: - rezystory zamkni te we wspólnej obudowie

"

W - wy cznik jednobiegunowy

!(

2.3. Kolejno czynno ci

)#

)

1. Przedstawi prowadz cemu wyniki oblicze z poprzedniego punktu

#

(

+

2. Przy otwartym wy czniku W (rys.2) nale y nast

!(

'

awi (kieruj c si

#

(

"

wskazaniami woltomierza V



) napi cie U

"

]

= 15 V.

3. Zamkn nast pnie wy cznik W i dokona pomiarów napi U

(#

"

!(

#

"#



, U



woltomierzem V



, przy czaj c go kolejno do zacisków rezystorów R

!(

(



,

R



. Pomiary powtórzy pi ciokrotnie, za ka dym razem nas

# "

'

tawiaj c inny

(

(wskazany w Tablicy 2) zakres pomiarowy.

4. Szósty pomiar wykona woltomierzem cyfrowym dowolnego typu

#

Tablica 2

𧄃

Lp.

U

Q

R

9

U



U



U



+U



k=(U



+U



)/U

]

R

9

/R



---

V

k:

V

V

V

-----

---

1

1,5

2

3

3

7,5

4

15

5

30

Szósty pomiar wykona woltomierzem cyfrowym

#

6

10

---

---

W sprawozdaniu nale y

'

:

1. Wyja ni , dlaczego przy pomiarze napi U

) #

"#



, U



za pomoc woltomierza

(

magnetoelektrycznego LM-3 suma tych napi by a mniejsza od napi cia

"# !

"

zasilaj cego U

(

]

. Czy wyniki pomiarów nie zaprzeczaj drugiemu prawu

(

Kirchhoffa?

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

7

2. Dlaczego wspomniana wy ej suma napi by a równa napi ciu zasilaj cemu

'

"# !

"

(

U

]

w przypadku pomiaru napi woltomierzem cyfrowym?

"#

3. Wyja ni sens parametru k zdefiniowanego w Tablicy 2.

) #

4. Sporz( #

dzi na papierze milimetrowym wykresy (o rozmiarach 11cm x 11cm)

zale no ci

' )

a) k = f



(R

9

),

b) k = f



(R

9

/R



).

Zinterpretowa otrzymane krzywe.

#

2. Pomiary II

Ten punkt programu przebiega b dzie analogicznie do poprze

# "

dniego,

z t ró nic , e u yty zostanie inny zestaw rezystorów. Ich rezystancja

( ' ( '

'

wynosi 5,1 M , co stworz

/

a zupe nie odmienne warunki pomiaru.

!

Schemat uk adu pomiarowego przedstawiono na rysunku 2.

!

U

=

= 15 V

W

5,1 M/

5,1 M/

R

R

U



U



Z

S

𧄃

Rys. 2. Schemat uk adu pomia

!

rowego

𧄃

ZS 0 zasilacz stabilizowany co najmniej 15 V

V



0 woltomierz magnetoelektryczny o zakresie pomiarowym 15 V

V, V 0 identyczne woltomierze magnetoelektryczne o zakresach 7, 5 V

W 0 wy cznik jednobiegunowy

!(

R, R 0 rezystory o jednakowych rezystancjach 5,1 zamkni

/

"te we wspólnej

obudowie

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

8

Przy zamkni tym wy cznik W nale y podnosi stopniowo napi cia U

"

!(

'

#

"

=

a do osi gni cia 15 V. Odczyta wskazania woltomierz przy czonych do

'

( "

#

!(

rezystorów R. Zapisa wskazania tych przyrz dów w Tablicy 3.

#

(

Nast pnie,

"

nie zmieniaj c warto ci napi cia U

(

)

"

=

, nale y

' otworzy wy cznik W

#

!(

i ponownie zapisa wskazania obydwu woltomierzy.

#

Tablica 3

U

=

U



U



V

V

V

15

WY CZNIK

%&

ZAMKNI TY

1

U

=

U



U



V

V

V

15

WY CZNIK

%&

OTWARTY

W sprawozdaniu nale y

'

:

1. Skomentowa wskazania ob

#

ydwu woltomierzy

a) przy zamkni tym wy czniku

"

!(

b) przy otwartym wy czniku

!(

c) wyja nij, dlaczego przy otwartym wy czniku W dolny woltomierz

)

!(

wskazuje zero ?

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

9

3. Pytania i zadania kontrolne

1. Podaj rozwi zania

(

Zada 1, 2, 3

+

.

Zadanie 1

𧄃

𪏋

W

R

1

R

2

A

𪏋

V

𪏋

R

3

U

Z

Rys. 3. Schemat uk adu do zadania 1

!

Jak zmieni si wskazanie

"

amperomierza A (rys.3) po zamkni ciu

"

wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy

!(

)

zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie

'

"

wy cznika nie zmieni warto ci

!(

)

napi cia zasilaj cego U

"

(

]

.

Zadanie 2

𪞳

R

2

R

1

W

U

z

V



V



𪞳

Rys. 4. Schemat uk adu do zadania 2

!

Jak zmieni si wskazanie

"

woltomierza V



(rys.4) po zamkni ciu

"

wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy

!(

)

zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie

'

"

wy cznika nie zmieni warto ci

!(

)

napi cia zasilaj cego.

"

(

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

10

Zadanie 3

𪾃

R



R



W

A

𪾃

V

𪾃

U

]

R



Rys. 5. Schemat uk adu do zadania 3

!

Jak zmieni si wskazanie

"

amperomierza A (rys.5) po zamkni ciu

"

wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy

!(

)

zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie

'

"

wy cznika nie zmi

!(

eni warto ci

)

napi cia zasilaj cego U

"

(

]

.

2. Narysuj i obja nij schemat woltomierza magnetoelektrycznego o trzech

)

zakresach pomiarowych.

2. Czy zmienia si nat enie pr du pobieranego przez woltomierz przy zmianie

"

"'

(

zakresu pomiarowego, je eli za o ymy, e napi

'

! '

'

"

!

cie przyk adane do zacisków

tego woltomierza nie ulega zmianie?

4. Czy zmienia si nat enie pr du pobieranego przez woltomierz przy zmianie

"

"'

(

zakresu pomiarowego, je eli za o ymy, e w ka dym przypadku wskazówka

'

! '

'

'

woltomierza odchyla si do ko ca zakresu po

"

+

miarowego?

5. Podaj definicj parametru kappa (

"

,

- F). Wyj tkowo podajemy tu prawid ow

(

! (

odpowied .*

F

= V

R

n

U

n

U

V

R

I

1

1

0

[1/A] = [:/V] ,

gdzie R

9

oznacza rezystancj wewn trzn woltomierza, U

"

"

(

Q

- jego zakres

pomiarowy, za I

)



- pr d znamionowy ustro

(

ju magnetoelektrycznego, to znaczy

pr d wywo uj cy pe ne odchylenie wskazówki ustroju.

(

! (

!

Tak wi c parametr

"

F

jest to rezystancja wewn trzna jednostkowa woltomierza

"

przypadaj ca na jeden wolt zakresu pomiarowego tego przyrz du.

(

(

Jak wida z powy szego równan

#

'

ia, parametr ten zale y wy cznie od pr du

'

!(

(

znamionowego I



ustroju ME u ytego do budowy woltomierza.

'

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

11

6. Oblicz, jak warto powinien mie pr d znamionowy I

(

)#

#

(



ustroju

magnetoelektrycznego, by mo na by o zbudowa w oparciu o ten ustrój

'

!

#

woltomierz o parametrze F = 20 000 :/V.

7. Czy twoim zdaniem parametr F (kappa) jest identyczny dla ka dego zakresu

'

pomiarowego woltomierza wielozakresowego ?

4. Literatura

1. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 2003

2. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972

𧄃

$

!

(

wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...

12

Wymagania BHP

Warunkiem przyst pienia do praktycznej realizacji wiczenia jest

(

#

zapoznanie si z instrukcj BHP i instrukcj przeciw po arow oraz

"

(

(

'

(

przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urz dzenia dost pne na

(

"

stanowisku laboratoryjnym mog posiada instrukcje stanowiskowe. Przed

(

#

rozpocz ciem pracy nale y zapozna si z instrukcjami stanowiskowymi

"

'

# "

wskazanymi przez prowadz cego.

(

W trakcie zaj laboratoryjnych nale y przestrzega nast puj cych zasad.

"#

'

#

" (

i 

Sprawdzi ,# czy urz dzenia dost pne na stanowisku laboratoryjnym s w

(

"

(

stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie.

(

i 

Sprawdzi prawid owo po cze urz dze .

#

!

)# !( +

( +

i 

Za czenie napi cia do uk adu pomiarowego mo e si odbywa po

!(

"

!

'

"

#

wyra eniu zgody przez prowadz ceg

'

( o.

i 

Przyrz dy pomiarowe nale y ustawi w sposób zapewniaj cy sta

(

'

#

(

!(

obserwacj , bez konieczno ci nachylania si nad innymi elementami

"

)

"

uk adu znajduj cymi si pod napi ciem.

!

(

"

"

i 

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek prze cze oraz wymiana

!( +

elementów sk adowyc

!

h stanowiska pod napi ciem.

"

i 

Zmiana konfiguracji stanowiska i po cze w badanym uk adzie mo e si

!( +

!

' "

odbywa wy cznie w porozumieniu z prowadz cym zaj cia.

#

!(

(

"

i 

W przypadku zaniku napi cia zasilaj cego nale y niezw ocznie wy czy

"

(

'

!

!( #

wszystkie urz dzenia.

(

i 

Stwierdzone wszelkie braki w wyposa eniu stanowiska oraz

'

nieprawid owo ci w funkcjonowaniu sprz tu nale y przekazywa

!

)

"

'

#

prowadz cemu zaj cia.

(

"

i 

Zabrania si samodzielnego w czania, manipulowania i korzystania z

"

!(

urz dze nie nale cych do danego wiczenia.

( +

'(

#

i 

W przypadku wyst pienia pora enia pr dem elektrycznym nale y

(

'

(

'

niezw ocznie wy czy zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomoc

!

!( #

(

wy cznika bezpiecze stwa, dost pnego na ka dej tablicy rozdzielczej w

!(

+

"

'

laboratorium. Przed od czeniem napi cia nie dotyka pora onego.

!(

"

#

'

𧄃