1
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
2
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
3
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)
o
C
‐ 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 = [(U
b
‐ U
k
)/U
z
] 100%
‐ dla amperomierzy
δ = [(I
b
‐ I
k
)/I
z
] 100%
gdzie: U
b
, I
b
‐ wartości wskazane przez mierniki sprawdzane, U
z
, I
z
– ich zakresy pomiarowe, U
k
, I
k
–
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.
4
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 . W
z
) / 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 (W
m
) 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 (W
w
) 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
Δ
max
≤ (kl ∙W
z
)/100
5
Rys. 2. Podłączenie miernika mocy do kalibratora C200
Tabela 1. Wyniki sprawdzania watomierza elektrodynamicznego
W
m
– oznacza wartość ustawioną na mierniku badanym, W
w
– oznacza wartość mocy odczytaną z
kalibratora, Δ – obliczona wartość błędu bezwzględnego
Lp
W
m
[W]
Zwiększanie wskazania
Zmniejszanie wskazania
W
w
[ W ]
∆ [ W ]
W
w
[ 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.
6
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:
7
a. łączymy licznik do kalibratora wg rysunku 2
b. Włączamy kalibrator (power)
c. na zaciskach napięciowych kalibratora nastawiamy nominalną wartość napięcia licznika 220 V
d. na zaciskach prądowych kalibratora nastawiamy maksymalną wartość prądu dla
sprawdzanego licznika równą 125 % wartości prądu nominalnego czyli 6,25 A
e. wartość przesunięcia fazowego nastawiamy na zero
f. włączamy wyjścia kalibratora (przyciski std)
g. używając stopera mierzymy czas t
s
[s] w którym tarcza licznika wykona 100 obrotów
h. z nastaw kalibratora (wartość mocy) i stopera (czas)wyliczamy energię a następnie stałą
licznika wg wzoru :
]
/
[
375
.
1
3600
100
kWh
obr
t
c
s
⋅
⋅
=
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 N
kn
odpowiadających impulsom (obrotom tarczy) licznika badanego i porównaniu jej ze
zmierzoną liczbą takich impulsów (obrotów tarczy) licznika kontrolnego N
k
.
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 t
n
, 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 t
n
, 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.
8
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). I
b
‐ 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 t
n
przyjmujemy wartość stałej
licznika 2800 obr/kWh. Wyniki obliczeń P, t
n
oraz δ zamieszczamy w tabeli 3 i porównujemy z danymi
z tabeli 2.
Tabela 3.
lp
Wartość prądu
obciążenia
licznika [ A ]
Wartość kąta
przesunięcia
fazowego φ [
O
]
N [ obr ]
t [ s ]
P [ w ]
t
n
[ s ]
δ [% ]
1
0.5
0
2
5
0
3
5
60 ind
4
6.25
0