MIERNICTWO ELEKTRYCZNE W ENERGETYCE
Program wykładu
" Technika pomiarów i podstawy rachunku błędów
" Rodzaje mostków pomiarowych ze szczególnym uwzględnieniem mostków
wysokonapięciowych
" Przekładnik prądowy i napięciowy
" Stany pracy normalnej i awaryjnej przekładników
" Pomiary mocy czynnej i biernej w układach z przekładnikami prądowymi
i napięciowymi
" Pomiary energii
" Zasady pomiaru wielkości nieelektrycznych
" Przetworniki tensometryczne, temperatury, ciśnienia i drgań
Literatura
1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A., Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa,
1994
2. Zatorski A., Rozkrut A., Miernictwo elektryczne - materiały do ćwiczeń
laboratoryjnych, Wydawnictwo AGH, 1994
3. Rylski A., Metrologia II, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2000
4. Ratyńska J., Zarys miernictwa elektrycznego i elektronicznego, Wydawnictwo
Politechniki Radomskiej, Radom 2002
1
Metrologia - dziedzina wiedzy, zajmująca się pomiarami.
Pomiary - doświadczenia, których wynikiem są zarówno oceny jakościowe jak i ilościowe.
Istotą każdego pomiaru jest porównanie wartości mierzonej z wzorcem miary tej wielkości.
Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Od
wzorców wymaga się niezmienności w czasie, dużej dokładności, łatwego odtwarzania
i stosowania.
Wzorce charakteryzują się następującymi parametrami:
" nominalna miara wzorca
" niedokładność miary wzorca
" okres zachowania niedokładności miary wzorca
" warunki, w których miara i dokładność są zachowane
Przykłady wzorców miar
" wzorce napięcia
" wzorce rezystancji
" wzorce pojemności i indukcyjności
" wzorce czasu i częstotliwości
Ogniwo Westona
Umieszczone jest w szklanym naczyniu, w które wtopione są platynowe elektrody. Dodatni
i ujemny biegun ogniwa stanowią odpowiednio rtęć (Hg) i amalgamat kadmu (Cd 9-Hg),
natomiast elektrolitem jest nasycony roztwór siarczanu kadmowego (CdSO4 ).
Dla temperatury 200C wartość napięcia na zaciskach ogniwa jest równa 1,018636V.
Z ogniwa nie należy pobierać prądu przez dłuższy czas. Największy dopuszczalny,
krótkotrwały prąd pobierany wynosi 1źA. Ogniwo wyładowywane w ciągu 3 min prądem
20źA odzyskuje właściwe napięcie dopiero po 3h. Pobór prądu przekraczającego 100źA
powoduje uszkodzenie ogniwa. Ogniwa nasycone Westona są wrażliwe na wstrząsy
i wibracje.
Oporniki wzorcowe
Użytkowe wzorce rezystancji stanowią oporniki wykonane z drutu i taśm rezystancyjnych.
Podział wzorców rezystancji:
- wzorce nienastawne, odtwarzające jedną wartość rezystancji - zwane opornikami
wzorcowymi
- wzorce nastawne, odtwarzające wiele wartości rezystancji - zwane opornikami dekadowymi.
2
Elementy rezystancyjne oporników wzorcowych wykonuje się ze stopów miedzi znanych pod
nazwami handlowymi manganin i nikrothal, charakteryzujące się niskim współczynnikiem
temperaturowym rezystancji.
Schemat elektryczny oraz budowa opornika wzorcowego
Oporniki wzorcowe mają po dwie pary zacisków prądowych i napięciowych.
Zaciski prądowe służą do doprowadzenia prądu do opornika, a zaciski napięciowe do pomiaru
napięcia na oporniku. Stosowanie zacisków prądowych i napięciowych zmniejsza błędy
spowodowane rezystancjami przejścia na styku przewodów łączących i zacisków, zwłaszcza
tam, gdzie są one porównywalne z wartością rezystancji opornika wzorcowego.
TECHNIKA WYKONYWANIA POMIARÓW PRZYRZ
DAMI ANALOGOWYMI
Przyrząd magnetoelektryczny
Zasada działania przyrządu magnetoelektrycznego opiera się na oddziaływaniu pola
magnetycznego magnesu trwałego na cewkę z prądem elektrycznym, do którego
przymocowana jest wskazówka.
3
Przyrząd elektromagnetyczny
Zasada działania miernika elektromagnetycznego polega na oddziaływaniu pola
magnetycznego cewki przewodzącej prąd, na ruchomy rdzeń ferromagnetyczny umieszczony
w tym polu. Wskazówka połączona z rdzeniem wskazuje wartość prądu przepływającego
przez cewkę. Im większy prąd przepływa przez cewkę, tym silniej jest wciągany rdzeń, tym
większy jest moment i większe odchylenie wskazówki.
Symbole stosowane do opisu przyrządów analogowych
Symbol Znaczenie Symbol Znaczenie
Przyrząd
Przyrząd prądu
magnetoelektryczny
stałego
o ruchomej cewce
Przyrząd
Przyrząd prądu
magnetoelektryczny
przemiennego
ilorazowy
Przyrząd
magnetoelektryczny Napięcie probiercze
Z prostownikiem izolacji (2kV)
Symbol klasy
dokładności (1,5),
Przyrząd wyrażonej w %
elektromagnetyczny końcowej wartości
zakresu
pomiarowego
Symbol klasy
Przyrząd dokładności (1,5),
elektrodynamiczny wyrażonej w %
końcowej wartości
wielkości mierzonej
Symbol klasy
Przyrząd dokładności (1,0),
ferromagnetyczny wyrażonej w %
długości podziałki
4
Przyrząd Ekran magnetyczny
elektrostatyczny
Ekran
Pionowe położenie
elektrostatyczny
przyrządu
Poziome położenie
przyrządu
Błąd pomiarów analogowych
Rys. 1. Definicja błędu pomiaru
" = f (t) - błąd statyczny, " `" f (t) - błąd dynamiczny
Błąd " pomiaru powstaje wskutek niedoskonałości narzędzi pomiarowych, nieodpowiednich
warunków pomiaru oraz nieumiejętności obserwatora.
BA

DY PRZYRZ
DÓW ANALOGOWYCH
Błąd bezwzględny
" =Wm -Wr
Błędem bezwzględnym posługujemy się do określenia dokładności wyniku pomiaru i jego
zaokrąglenia. Błąd ten nie nadaje się do porównywania różnych wyników pomiarów lub
porównywania narzędzi o różnych zakresach pomiarowych.
Błąd względny
"
� = �"100%
Wm
Błąd ten stosowany jest do określania dokładności narzędzi i metod pomiarowych
5
Właściwości pomiarowe przyrządów pomiarowych określa się za pomocą klasy dokładności
0.1, 0.2  przyrządy laboratoryjne
0.5, 1.0, 1.5  przyrządy techniczne
> 1.5  wskaz
niki
Klasa dokładności
"max
kl = �"100%
zakres
Maksymalny błąd jaki może popełnić przyrząd w dowolnym miejscu skali, podzielony przez
zakres pomiarowy przyrządu i pomnożony przez 100.
Klasa dokładności określa błąd podstawowy przyrządu pomiarowego w jego normalnych
warunkach użytkowania.
Wskazania przyrządu pracującego w warunkach różniących się od normalnych mogą być
obarczone błędami dodatkowymi
Przykład
Woltomierzem o klasie dokładności równej 0,5 i zakresie pomiarowym wynoszącym 100V
zmierzono:
a) 1V
b) 20V
c) 80V
d) 100V
Obliczyć błąd pomiaru napięcia dla każdego z powyższych przypadków.
kl �" zakres 0,5�"100
" = = = 0.5V
100 100
0.5
a) � = �"100% =50%
1
0.5
b) � = �"100% = 2.5%
20
0.5
c) � = �"100% = 0.625%
80
0.5
d) � = �"100% =0.5%
100
Wniosek
Należy tak dobierać zakres pomiarowy przyrządów, aby wskazówka znajdowała się przy
końcu skali.
6
Błędy pomiarów pośrednich
f (x1, x2,..., xn ) - relacja pośrednia określająca wielkość mierzoną
n - liczba przyrządów pomiarowych
dla n d" 3
"f "f "f
"F = �" "x1 + �" "x2 + ... + �" "xn
"x1 "x2 "xn
dla n > 3
2 2 2
�# ś# �# ś# �# ś#
"f "f "f
ś# ź# ś# ź# ś# ź#
"F = �" "x1 ź# + �" "x2 ź# + ... + �" "xn ź#
ś# ś#
"x1 # ś# "x2 # "xn #
�# �# �#
Przykład
Obliczyć błąd pośredniego wyznaczenia wartości rezystancji w oparciu o pomiar napięcia
i prądu.
U
R =
I
"R "R 1 -U
"R = �" "U + �" "I = �" "U + �" "I
2
"U "I I
I
1 U 1
"R = �" "U + �" "I / �"
2
I R
I
"R 1 1 1 U
= �" �" "U + �" �" "I
2
R R I R
I
"R I 1 I U
= �" �" "U + �" �" "I
2
R U I U
I
"R "U "I
= +
R U I
� =�U +�
R I
7
TECHNIKA WYKONYWANIA POMIARÓW PRZYRZ
DAMI CYFROWYMI
W porównaniu z przyrządami analogowymi przyrządy cyfrowe charakteryzuje:
- duża liczba funkcji i zakresów pomiarowych
- wygoda odczytu (nie występuje błąd paralaksy)
- duża szybkość pomiaru
- niska cena
- możliwością automatyzacji pomiarów (interfejs)
Podstawowe parametru przyrządów cyfrowych:
- liczbę cyfr znaczących,
- rozdzielczość (czułość)
- niepewność pomiaru
Liczba cyfr znaczących oznacza ile pełnych cyfr (z zakresu od 0 do 9) może być pokazanych
na wyświetlaczu przyrządu. Dodatkowe oznaczenie ułamkowe w postaci 1 2, 3 4 oznacza,
że na najbardziej znaczącej pozycji wyświetlacza może pojawić się cyfra odpowiednio z
zakresu 0 �1, 0 � 3.
Rozdzielczość miernika cyfrowego to najmniejsza wartość jaka może być wyświetlona na
danym zakresie pomiarowym i odpowiada najmniej znaczącej cyfrze wyświetlacza. Często
definicja ta jest rozumiana jako iloraz najmniejszej wartości jaka może być wyświetlona na
danym zakresie do wartości tego zakresu.
Czułość przyrządu związana jest z jego rozdzielczością i określa jego zdolność do
reagowania na najmniejszą zmianę wielkości mierzonej. Czułość jest podawana w
jednostkach wielkości mierzonej.
Przykład
1
Przyrząd cyfrowy 3 pracujący na zakresie 250 mV ma czułość 0,1mV.
2
Schemat blokowy przyrządu cyfrowego
8
Obwody wejściowe umożliwiają zmianę zakresu pomiarowego przyrządu, a ich funkcja
uzależniona jest od funkcji realizowanych przez przyrząd cyfrowy:
- woltomierze - dzielniki napięcia
- amperomierze - boczniki
Funkcje układu sterowania:
- automatyczny dobór zakresu
- wyzwalanie cyklu pomiarowego
- zapisywanie wyniku do pamięci
Interfejsy umożliwiają włączenie przyrządu cyfrowego w strukturę komputerowego systemu
pomiarowego (GPIB, RS 232C, USB).
Nowoczesne przyrządy wyposażone są w monolityczne układy scalone (wzmacniacze
operacyjne) i realizują pomiary napięć i prądów przemiennych w oparciu o definicję wartości
skutecznej
T
1
Usk = u2 (t)dt
+"
T
0
Przyrządy takie oznacza się symbolem  TrueRMS (True Root Mean Square) dla
podkreślenia, że mierzą prawdziwą wartość skuteczną sygnałów o różnych kształtach.
Nie uwzględniają one jednak zawartości składowej stałej w sygnale mierzonym.
Wyznaczenie wartości skutecznej sygnału przemiennego ze składową stałą (oznaczenie
TrueRMS AC+DC) wymaga wykonania dwóch niezależnych pomiarów: dla prądu stałego
i przemiennego. W takim przypadku wartość skuteczną oblicza się według zależności:
UAC+DC = U2 + U2
AC DC
Sposoby zapisu dokładności przyrządów cyfrowych
Dokładność podstawową przyrządu cyfrowego, określającą jego dopuszczalny błąd graniczny
przedstawia najczęściej wyrażenie
ą(a% �" Ux + b cyfr)
Ux - wartość mierzona
Pierwszy składnik przedstawia składową analogową o wartości względnej a%, a drugi
składową cyfrową błędu.
W zależności od potrzeb, przedstawione wyrażenie służy do obliczania wartości
bezwzględnej lub względnej błędu granicznego.
Składnik ,,b cyfr oznacza wartość wynikającą ze zwielokrotnienia b razy rozdzielczości
przyrządu cyfrowego - "r Ux
b cyfr a" b�" "r Ux
9
Rozdzielczość jest parametrem, określającym zdolność przyrządu do rozróżniania bliskich
sobie wartości wielkości mierzonej Ux . Dla przyrządów cyfrowych rozdzielczość określona
jest wartością jednostki (pojedynczego kwantu) wielkości mierzonej, wskazywanej przez
ostatnie pole odczytowe wyświetlacza.
Dla przyrządów wielozakresowych rozdzielczość uzależniona jest od zakresu pomiarowego,
dla którego wykonywany jest pomiar
np. dla odczytu 115,2V przyrząd ma rozdzielczość "r Ux =0,1V
dla odczytu 32,86mV przyrząd ma rozdzielczość "rUx = 0,01mV = 10źV
Dopuszczalne błędy graniczne wyrażone odpowiednio wartością bezwzględną i względną
wielkości mierzonej, wyznacza się z zależności:
a % �" Ux
"gUx = ( + b �" "r Ux )
100%
" U
b �" " U
g x
r x
�g U = �"100 % = a % + 100 %
x
U U
x x
Przykład
Dokładność podstawową przyrządu przedstawiono zależnością: 0,5%Ux + 3 cyfry. Pomiar
wykonano na zakresie pomiarowym Uz = 10V, natomiast odczyt wynosi Ux = 8,242V.
Wyznaczyć błędy graniczne dla tego pomiaru.
Dla wykonanego pomiaru rozdzielczość wynosiła "r Ux = 0,001V.
Zatem
0,5% �"8,242V
"gUx = + 3�" 0,001V = 0,0412 + 0,003 = 0,0442V
100%
0,0442V
�gUx = �"100% = 0,54%
8,242V
Drugi sposób zapisu błędów przyrządów cyfrowych przedstawia wyrażenie
ą (a % �" Ux + c % �" Uz )
W tym przypadku dopuszczalne błędy graniczne wyznacza się w oparciu o relacje:
a % �" Ux c% �" Uz
�# ś#
"gUx = +
ś# ź#
100% 100%
�# #
Uz
�gUx = (a % + c% �" )%
Ux
Przykład
Dokładność przyrządu o zakresie 250mV przedstawiono zależnością 0,5% Ux + 0,1% Uz .
Wskazanie wyniosło 230,5mV.
10
Błędy graniczne wynoszą:
0,5%�"230,5mV 0,1% �" 250mV
"gUx = + = 1,1525 + 0,25 = 1,40mV
100% 100%
250mV
�gUx = 0,5% + 0,1% = 0,5% +1,085% = 1,58%
230,5mV
Wniosek
W pomiarach wartości bliskich zakresowi w błędzie granicznym dominuje składowa
analogowa, natomiast w pomiarach wartości małych względem zakresu przeważa składowa
cyfrowa błędu.
11