P

OLITECHNIKA

Ś

WIĘTOKRZYSKA

W

K

IELCACH

W

YDZIAŁ

E

LEKTROTECHNIKI,

A

UTOMATYKI

I

I

NFORMATYKI

L

ABORATORIUM

M

ETROLOGII (I)

I

NSTRUKCJA

L

ABORATORYJNA

T

EMAT

Ć

WICZENIA:

POMIAR SEM METODĄ KOMPENSACYJNĄ

LABORATORIUM METROLOGII ELEKTRYCZNEJ (I)
Pomiar SEM metodą kompensacyjną.

2

1. Wprowadzenie.

Kompensacyjna metoda pomiarowa jest odmianą metody porównawczej, polega

ona na bezpośrednim porównaniu mierzonej wielkości z wielkością tego samego rodzaju,
obraną za jednostkę. W przypadku pomiaru napięcia, wielkością mierzoną jest napięcie, a
jednostką –wzorce napięcia. Stan kompensacji (zrównania) napięcia mierzonego z
napięciem wzorcowym stwierdza się na podstawie zaniku prądu w określonej gałęzi
układu pomiarowego. Zanik ten obserwuje się na podziałce odpowiednio czułego
wskaźnika np. galwanometru.

Całkowita niedokładność wyników uzyskanych w metodzie kompensacyjnej

pomiaru SEM składa się z błędu nieczułości, niedokładności źródła napięcia wzorcowego
oraz błędów wykonania oporników kompensacyjnych. Źródłami napięcia wzorcowego są
najczęściej nasycone ogniwa kadmowe tzw. ogniwa wzorcowe. Źródła te dostarczają
napięcia tylko o jednej nieregulowanej wartości, równej 1,01895 V ± 5µV. Na ogół
napięcia mierzone różnią się, co do wartości od napięć wzorcowych, dlatego też w
praktyce buduje się układy kompensacyjne, w których ogniwo wzorcowe pracuje
bezprądowo, a moc potrzebną do wykonania pomiarów dostarcza źródło pomocnicze.

Poszczególne kompensatory, zawierające źródło pomocnicze, różnią się tylko

sposobami wytwarzania i regulowania napięcia kompensującego.

2. Układy pomiarowe, sposób przeprowadzenia pomiaru.

2.1. Pomiar siły elektromotorycznej metodą kompensacji pojedynczej.

Układ połączyć według następującego schematu:

Rys.1 Pomiar siły elektromotorycznej metodą kompensacji pojedynczej –schemat

pomiarowy.

Podany na rysunku 1 układ składa się z obwodu prądu pomocniczego I

p

oraz tzw.

obwodu zerowania. Obwód prądu pomocniczego I

p

zasilany jest ze źródła o napięciu U

p

i

zamyka się przez opornik regulacyjny R

1

, opór normalny R

n

oraz miliamperomierz

magnetoelektryczny. Obwód zerowy stanowią połączone szeregowo galwanometr G z

LABORATORIUM METROLOGII ELEKTRYCZNEJ (I)
Pomiar SEM metodą kompensacyjną.

3

opornikiem zabezpieczającym R

d

oraz źródło mierzonej SEM E

x

. Regulowany przy

pomocy opornika R

1

i mierzony jednocześnie amperomierzem prąd pomocniczy I

p

wytwarza na oporze normalnym R

n

spadek napięcia I

p

·R

n

skierowany przeciwnie do

działającej w obwodzie SEM E

x

. Stan równowagi układu tzn. zanik prądu I

g

w obwodzie

zerowym osiąga się przez takie nastawienie prądu I

p

, przy którym galwanometr wskazuje

zero I

g

=0. W takich warunkach spełniona jest zależność:

E

x

=I

p

·R

n

Określająca wartość SEM E

x

.

Należy pamięta, że osiągnięcie stanu równowagi wymaga zachowania oznaczonej

na schemacie biegunowości U

p

i E

x

oraz spełnienia warunków U

p

>E

x

.

W oparciu o znajomość przybliżonej wartości E

x

i oporności R

n

określa się

przewidywalną wartość prądu pomocniczego I

p

≈E

x

/R

n

a stąd zakres amperomierza,

oporność R

1

oraz napięcie U

p

.

Graniczne błędy systematyczne, względny δ

g

E

x

i bezwzględny ∆

g

E

x

oblicza się

przez zróżniczkowanie zależności E

x

=I

p

·R

n

wzorów:

n

g

p

g

X

g

R

δ

δ

δ

+

Ι

=

Ε

[%]

100

X

g

X

X

g

Ε

⋅

⋅

Ε

=

Ε

⋅

∆

δ

[V]

gdzie:

Α

Ρ

Α

Ρ

Α

Ρ

⋅

=

⋅

Ι

Ι

=

Ι

kl

kl

g

α

α

δ

max

W powyższych wzorach:

I

A

-oznacza zakres pomiarowy amperomierza.

kl

A

-klasę dokładności.

∆

g

R

n

-błąd wyrównania opornika

Uchyb czułości δ

c

E

x

wyznacza się w oparciu o znajomość czułości wyrażonej np.

dz/V i założonej niedokładności ∆α odczytu „zera” na galwanometrze. Wartość δ

c

oblicza

się wg wzoru:

X

X

C

Ε

∆

±

=

Ε

δ

α

δ

Czułość układu δ wyznacza się doświadczalnie w toku pomiaru E

x

.

Głównym źródłem uchybów i zarazem wadą metody kompensacji pojedynczej jest

duża wartość błędu δ

g

I, związanego z klasą amperomierza. Mimo tej wady metoda ta

znajduje ze względu na jej prostotę szerokie zastosowanie w technice, w szczególności w
układach do pomiarów temperatur termoelementami.

LABORATORIUM METROLOGII ELEKTRYCZNEJ (I)
Pomiar SEM metodą kompensacyjną.

4

2.2. Pomiary

.

Wyniki pomiarów zanotować w tabeli:

Lp.

I

p

R

n

E

x

±∆

g

E

x

δ

α

C

A

mA

Ω

V

Dz/mV

∆

g

E

x

∆

c

E

x

Uwagi

Wyznaczanie czułości układu:

∆I=…

∆α=…

2.3. Pomiar siły elektromotorycznej metodą kompensacji podwójnej.

Układ połączyć według następującego schematu:

Rys.2

Pomiar siły elektromotorycznej metodą kompensacji podwójnej –schemat

pomiarowy.

Cechą odróżniającą metodę kompensacji podwójnej od pojedynczej jest to, że w

iloczynie prądu pomocniczego i oporności, określającym zbierany spadek napięcia,
wielkością zmienną (regulowaną) jest oporność, natomiast prąd pomocniczy posiada ściśle
założoną wartość stałą. Wartość I

p

=I

pn

tego prądu zakłada się na wstępie pomiarów,

kierując się wymaganiami dotyczącymi ilości miejsc, jakie odczytywać chcemy w wyniku
pomiaru E

x

. Dysponując np. opornikami dekadowymi o najmniejszej dekadzie 10×0,1 i

żądając jednocześnie, aby odczyt E

x

w woltach obejmował 5 miejsc po przecinku, należy

przyjąć:

I

pn

×0,1=10

-5

A

stąd:

I

pn

=10

-5

A/0,1=10

-4

A(10

-3

) –może być też taka wartość.

LABORATORIUM METROLOGII ELEKTRYCZNEJ (I)
Pomiar SEM metodą kompensacyjną.

5

W oparciu o ustaloną w ten sposób wartość prądu pomocniczego I

p

=I

pn

oraz

znajomość napięcia zasilającego U

p

wyznacza się orientacyjną wartość sumy oznaczonych

na schematach oporności R

1

+R

2

, a mianowicie

pn

X

Ι

Ε

>

≈

+

pn

P

2

1

I

U

R

R

Przyjęta w ten sposób i ewentualnie zaokrąglona wartość sumy R

1

+R

2

jest

wielkością niezmienną przy wszystkich dalszych czynnościach pomiarowych. Pierwszy
etap pomiaru obejmuje nastawienie prądu pomocniczego na ustaloną uprzednio wartość
I

p

=I

pn

. Należy w tym celu nastawić oporniki R

1

i R

2

na wartość:

pn

n

Ι

Ε

=

=

1n

1

R

R

Gdzie:

E

n

-siła SEM ogniwa normalnegoE

n

=1,0189V.

I

pn

-10

-4

Po nastawieniu oporności R

1

=R

1n

i R

2

=R

2n

włącza się układ przez regulację prądu

pomocniczego opornikami regulacyjnymi R

3

i R

4

do stanu równowagi (I

g

=0). W

warunkach takich równowaga układu oznacza, że prąd pomocniczy I

p

osiągnął dokładnie

wartość:

1n

R

n

n

Ε

=

Ι

=

Ι

Ρ

Ρ

Po skompensowaniu przełącza się układ na mierzoną E

x

i tym razem równoważy

się go wyłącznie przez regulacje oporności R

1

i R

2

przy jednoczesnym spełnieniu warunku

R

1

+R

2

=const. Podczas tej czynności nie może ulec zmianie nastawienie oporników

regulacyjnych R

3

, gdyż powodowałoby to zmianę nastawionego w pierwszym etapie prądu

pomocniczego I

p

=I

pn.

Przy spełnieniu wszystkich wyżej wymienionych warunków

mierzona SEM E

x

określona będzie wzorem:

E

x

=I

pn

·R

1×5

Gdzie: R

1×

-oznacza nastawioną na oporniku wartość oporności przy kompensacji

Bezwzględny błąd graniczny oblicza się ze wzoru:

100

R

R

2

)

R

(R

100

R

R

1n

1n

1

1n

1

δ

δ

−

Ε

+

Ε

Ε

=

Ε

∆

×

×

n

n

n

X

g

Natomiast względny błąd graniczny wynosi:

R

R

)

R

R

(

2

100

1n

1n

1

δ

δ

δ

⋅

−

+

Ε

=

⋅

Ε

Ε

⋅

∆

=

Ε

⋅

×

n

X

X

g

X

g

gdzie:

δE

n

-klasa dokładności ogniwa normalnego

δR

-klasa dokładności oporników dekadowych

LABORATORIUM METROLOGII ELEKTRYCZNEJ (I)
Pomiar SEM metodą kompensacyjną.

6

Wyniki pomiarów zanotować w tabeli:

Lp.

I

pn

E

n

R

1

+R

2

R

1n

,R

1×

R

2n

,R

2×

E

x

±∆

g

·E

x

δ

∆

g

E

x

Uwagi

V

Ω

Ω

Ω

V

Dz/mV

%

∆α=…

∆R

1

=…

3. Pytania kontrolne:

1. Na czym polega zasada kompensacji pojedynczej?
2. Co jest źródłem błędów?
3. Jak oblicz się stałą amperomierza?
4. Jak dobrać opór R

d

, aby galwanometr tłumił się prawidłowo?

5. Według jakich zasad dobiera się wartość prądu pomocniczego I

p

?

6. Jak nastawia się prąd I

p

na żądaną wartość?

7. Na czym polega wyższość metody kompensacji podwójnej nad kompensacją

pojedynczą?

8. Jak dobrać oporność w obwodzie galwanometru, aby otrzymać krytyczne

warunki tłumienia jego organu ruchomego?

4. Literatura.

1. Jelonek A., Gąszczak J. –Podstawa miernictwa elektrycznego dla elektroników

Wrocław 1969r.

2. Lebson S., Szczepaniak Cz. –Kompensatory prądu stałego Warszawa 1972r.