POPRAWNE ODPOWIEDZI Z KOLOKWIUM
Z „METROLOGII ELEKTRYCZNEJ”,
które odbyło się 18.04.213 r.
GRUPY I i II
1. Jaką wartość rezystancji powinien mieć woltomierz idealny i dlaczego?
ODPOWIEDŹ
Idealny woltomierz powinien mieć rezystancję nieskończenie dużą, ażeby mierzył napięcie źródłowe, tzn. takie jakie występowało przed podłączeniem woltomierza (zobacz rysunek).
I
A
V
A
R
Rw
R
w
V
U
U
x
v
E
E
A
V
B
B
Przed podłączeniem woltomierza między punktami A i B nie płynął prąd, a napięcie między tymi punktami wynosiło Ux=E. Podłączenie woltomierza o rezystancji Rv spowodowało przepływ prądu
E
I =
V
R + R
w
V
i napięcie wskazywane przez woltomierz
R
U
E
I R
E 1
v =
− V w =
−
w
R
R
w +
V
R
Ponieważ zwykle
w
< < ,
1 to
R
V
R
U ≅ U
w
1−
= U 1+ δ
v
x
x (
U )
R
v
Rw
gdzie
U
δ
= −
x
R
V
jest błędem pomiaru napięcia, spowodowanym rezystancją woltomierza. Błąd ten będzie dążył do zera jeżeli rezystancja woltomierza RV → ∞
2. W jaki sposób mierzy się duże prądy (ok. 100 A) o częstotliwości sieciowej 50 Hz wykorzystując amperomierz elektromagnetyczny o zakresie 5 A? Narysuj schemat.
ODPOWIEDŹ
Amperomierze elektromagnetyczne maja impedancję o przeważającym udziale składowej reaktancyjnej (mają dużą indukcyjność własną) i nie można rozszerzać ich zakresów pomiarowych przez stosowanie rezystora bocznikującego (bocznika). Boczniki stosuje się tylko w amperomierzach, w których miernik ma impedancję o charakterze rezystancyjnym.
Jeżeli chcemy rozszerzyć zakres pomiarowy amperomierza elektromagnetycznego, to należy zastosować przekładnik prądowy (zobacz schemat poniżej). Przekładnia tego przekładnika powinna wynosić:
I
1
I
100 A
1
I2
n =
=
= 20
I
5 A
2
A
1
3. Dlaczego oscyloskopy cyfrowe nie mają lampy oscyloskopowej?
ODPOWIEDŹ
W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu sygnału jest wyświetlany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. plamka świetlna porusza się na ekranie śledząc aktualne zmiany rejestrowanej wielkości w funkcji czasu, lub jednej wielkości w funkcji drugiej wielkości.
W oscyloskopie cyfrowym następuje pobieranie próbek wartości chwilowych badanego sygnału w pewnych odstępach czasu, zapamiętanie ich w pamięci cyfrowej i następnie wyświetlanie na ekranie. Dlatego do wyświetlania obrazu nie jest tu konieczna lampa oscyloskopowa i najczęściej stosuje się ciekłokrystaliczny ekran sterowany cyfrowo.
4. Uniwersalny analogowy miernik magnetoelektryczny klasy 0,5 o liczbie działek α n = 75 dz na zakresie Un = 150 V wskazał α = 50,2 dz. Obliczyć niepewność pomiaru napięcia na poziomie ufności 0,95 i zapisać wynik z uwzględnieniem tej niepewności w postaci U = (..... ±...) V.
ODPOWIEDŹ
Dla analogowych przyrządów wielozakresowych, dla danego zakresu, stała przyrządu zakres
c =
α
, gdzie α n – nominalna (zakresowa) liczba działek.
n
W naszym zadaniu stała woltomierza
U
150 V
c =
n =
= 2 V/dz
α
.
75 dz
n
Wartość mierzonego napięcia
U = cα = 2 V/dz ⋅ 50 2
, dz = 100 4
, V .
Bezwzględny błąd graniczny pomiaru napięcia obliczamy ze wzoru definicyjnego klasy:
∆ U
c ⋅ ∆ α
∆ α
g
kl =
100
g
=
100
g
=
100 .
U
c ⋅α
α
n
n
n
Stąd
kl ⋅ U
0 5
, ⋅150 V
∆ U
n
=
=
= 0 7
, 5 V .
g
100
100
Przyjmuje się, że w granicach błędu granicznego rozkład błędów wskazań przyrządu jest równomierny (prostokątny), zatem niepewność standardowa wskazań woltomierza
∆
u( U )
U
g
0 7
, 5
=
=
= 0 4
, 3 V .
3
1 7
, 3
Współczynnik rozszerzenia dla rozkładu prostokątnego na poziomie ufności 0,95
k = P 3 = 0 9
, 5 ⋅1 7
, 3 = 1 6
, 4 .
p
Niepewność rozszerzona na poziomie ufności 0,95
U ( U ) = k ⋅ u
=
⋅
=
.
p
( U ) 16 , 4 0 4 , 3 0 7 , 1 V
Lub prościej
∆
U ( U ) = k ⋅ u
=
=
⋅ ∆
=
⋅
=
p
( U)
U
0 9
, 5 3
g
0 9
, 5
U
0 9
, 5 0 7
, 5
0 7
, 1 V
g
3
Zapis wyniku:
U = (100 4
, ± 0 7
, ) V .
Wynik pomiaru napięcia odczytano z przyrządu analogowego z rozdzielczością do jednego miejsca po przecinku i dalsze cyfry po przecinku nie są znane mierzącemu. Dlatego niepewność w zapisie wyniku też zaokrąglono do tego samego miejsca po przecinku, do 2
którego odczytano wynik pomiaru. Zapis wyniku U = (100 4
, ± 0 7
, )
1 V jest nieprawidłowy,
ponieważ w niepewności cyfry 1, na drugim miejscu po przecinku, nie ma do czego odnieść, gdyż w odczytanym wyniku z woltomierza nie jest ona znana. Nie można też w odczytanym wyniku dopisywać po cyfrze 4 zera, tzn. zapis U = (100 4
, 0 ± 0 7
, )
1 V , gdyż jest to również
niepoprawne.
Uwaga: Nie należy przy wartościach liczbowych zapisywać jednostek w nawiasach kwadratowych, np. U = 100,4 [V], ponieważ wynik jest iloczynem wartości liczbowej i jednostki miary. Jednostka jest integralną częścią wyniku, a nie jakąś dodatkową
wtrąconą informacją. Jednostki też nie można pominąć w wyniku, bo sama liczba nie jest wynikiem (poza wielkościami bezwymiarowymi).
5. Woltomierz cyfrowy o błędzie podstawowym ±0,02 % od wartości mierzonej i
±0,01 % od wartości końcowej zakresu, na zakresie 200 V wskazał wartość 100,02 V.
Ile wynosi niepewność standardowa wskazań woltomierza?
ODPOWIEDŹ
Niepewność standardowa bezwzględna pomiaru napięcia woltomierzem cyfrowym 2
2
2
2
u( U )
δ
δ
1
U
U
g
g
n
1
0 0
, 2
0 0
, 1
=
U
+
U
=
100 0
, 2 +
200 = 0 0
, 16 V .
n
3
100
100
3
100
100
Niepewność standardowa względna
(
0 016
w U ) u( U )
,
=
100 =
100 = 0 , 016 % .
U
100 , 02
3
POPRAWNE ODPOWIEDZI Z KOLOKWIUM
Z „METROLOGII ELEKTRYCZNEJ”,
które odbyło się 18.04.2013 r.
GRUPY II i IV
1. Jaką wartość rezystancji powinien mieć idealny amperomierz i dlaczego?
ODPOWIEDŹ
Idealny amperomierz powinien mieć rezystancję równą zero, ponieważ rezystancja amperomierza zwiększa rezystancję obwodu i zmniejsza wartość prądu płynącego w tym obwodzie (zobacz poniższy rysunek).
A
IA
A
R
I
R
x
RA
E
E
A
B
B
E
Prąd w obwodzie przed włączeniem amperomierza
I =
x .
R
E
E
Prąd w obwodzie po włączeniu amperomierza I
A
= = .
R + R
R
A
R1+ A
1
R
A
R
Zatem
I = I
≅ I 1−
= I 1+ I
δ
A
x
x
x (
x )
R
R
A
1 + R
R
gdzie
δ I
=
− A
x
jest błędem pomiaru prądu spowodowanym włączeniem w obwód R
amperomierza o skończonej wartości rezystancji. Wartość tego błędu będzie równa zeru, jeżeli RA = 0.
2. W jaki sposób mierzy się duże napięcia (ok. 50 kV) o częstotliwości sieciowej 50 Hz wykorzystując woltomierz elektromagnetyczny o zakresie 100 V? Narysuj schemat.
ODPOWIEDŹ
Woltomierze elektromagnetyczne maja impedancję o przeważającym udziale składowej reaktancyjnej (mają dużą indukcyjność własną) i nie można rozszerzać ich zakresów pomiarowych przez stosowanie rezystancyjnych dzielników napięcia. Dzielniki rezystancyjne stosuje się tylko do rozszerzania zakresów napięciowych woltomierzy, w których miernik ma impedancję o charakterze rezystancyjnym, m.in. woltomierzy cyfrowych.
Jeżeli chcemy rozszerzyć zakres pomiarowy woltomierza elektromagnetycznego, to należy zastosować przekładnik napięciowy (zobacz schemat poniżej). Przekładnia tego przekładnika powinna wynosić:
Jeżeli chcemy rozszerzyć zakres pomiarowy amperomierza elektromagnetycznego, to należy zastosować przekładnik prądowy (zobacz schemat poniżej). Przekładnia tego przekładnika powinna wynosić:
U
50000 V
1
m =
=
= 500
U
100 V
2
4
3. W co musi być wyposażony multimetr cyfrowy aby mógł przesyłać wyniki do komputera?
ODPOWIEDŹ
Multimetr cyfrowy współpracujący z komputerem jest najprostszym systemem pomiarowym, a sterowanie pracą każdego systemu pomiarowego odbywa się za pośrednictwem interfejsu. Obowiązuje w nim ustalony zbiór reguł obejmujących zasady zarządzania systemem pomiarowym przez komputer, a także sposób kodowania informacji i jej przesyłania. Reguły te określają:
• parametry elektryczne sygnałów i metody transmisji,
• protokoły komunikacyjne i metody kodowania sygnałów,
• wymagania mechaniczne na gniazda połączeniowe i rozmieszczenie w nich poszczególnych sygnałów.
Komunikacją zarządza się za pomocą odpowiedniego oprogramowania, ale sprzętowo musi być zapewnione dopasowanie i połączenie urządzeń systemu. Zatem multimetr cyfrowy musi być wyposażony w interfejs.
Rozróżnia się interfejsy:
• szeregowe, w których przesyła się kolejno bit po bicie (RS-232C, RS-485, USB, FireWire).
• równoległe, w których przesyła się informację w postaci słów wielobitowych (GPIB).
4. Uniwersalny analogowy miernik magnetoelektryczny klasy 0,5 o liczbie działek α n = 75 dz na zakresie In = 1,5 A wskazał α = 25,1 dz. Obliczyć niepewność pomiaru prądu na poziomie ufności 0,95 i zapisać wynik z uwzględnieniem tej niepewności w postaci I = (..... ±...) A.
ODPOWIEDŹ
Dla analogowych przyrządów wielozakresowych, dla danego zakresu, stała przyrządu zakres
c =
α
, gdzie α n – nominalna (zakresowa) liczba działek.
n
W naszym zadaniu stała amperomierza
I
1 5
, A
c
n
=
=
= 0 0
, 2 A/dz
α
.
75 dz
n
Wartość mierzonego napięcia
I = cα = 0 0
, 2 A/dz ⋅ 251
, dz = 0 5
, 02 A .
Bezwzględny błąd graniczny pomiaru napięcia obliczamy ze wzoru definicyjnego klasy:
∆ I
c ⋅ ∆ α
∆ α
g
kl =
100
g
=
100
g
=
100 .
I
c ⋅α
α
n
n
n
Stąd
kl ⋅ I
0 5
, ⋅1 5
, A
∆ I
n
=
=
= 0 0
, 075 V .
g
100
100
Przyjmuje się, że w granicach błędu granicznego rozkład błędów wskazań przyrządu jest równomierny (prostokątny), zatem niepewność standardowa wskazań amperomierza
∆
u( I )
I
g
0 0
, 075
=
=
= 0 0
, 043 V .
3
1 7
, 3
Współczynnik rozszerzenia dla rozkładu prostokątnego na poziomie ufności 0,95
k = P 3 = 0 9
, 5 ⋅1 7
, 3 = 1 6
, 4 .
p
Niepewność rozszerzona na poziomie ufności 0,95
5
=
⋅
=
.
p
( I) 16 , 4 0 0 , 043 0 0 , 071 A Lub prościej
∆
U ( I ) = k ⋅ u
=
=
⋅ ∆ =
⋅
=
p
( I)
I
0 9
, 5 3
g
0 9
, 5
I
0 9
, 5 0 0
, 075
0 0
, 071 A
g
3
Zapis wyniku:
I = (0 5
, 02 ± 0 0
, 07) A .
Wynik pomiaru prądu odczytano z przyrządu analogowego z rozdzielczością do trzeciego miejsca po przecinku i dalsze cyfry po przecinku nie są znane mierzącemu. Dlatego niepewność w zapisie wyniku też zaokrąglono do tego samego miejsca po przecinku, do którego odczytano wynik pomiaru. Zapis wyniku I = (0 5
, 02 ± 0 0
, 07 )
1 A jest nieprawidłowy,
ponieważ w niepewności cyfry 5 na czwartym miejscu po przecinku nie ma do czego odnieść, gdyż w odczytanym wyniku z amperomierza nie jest ona znana. Nie można też w odczytanym wyniku dopisywać po cyfrze 2 zera, tzn. zapis I = (0 5
, 020 ± 0 0
, 07 )
5 A jest również
niepoprawny.
Uwaga: Nie należy przy wartościach liczbowych zapisywać jednostek w nawiasach kwadratowych, np. I = 0502 [A], ponieważ wynik jest iloczynem wartości liczbowej i jednostki miary. Jednostka jest integralną częścią wyniku, a nie jakąś dodatkową
wtrąconą informacją. Jednostki też nie można pominąć w wyniku, bo sama liczba nie jest wynikiem (poza wielkościami bezwymiarowymi).
5. Woltomierz cyfrowy o błędzie podstawowym ±0,05 % od wartości mierzonej i rozdzielczości ±1 cyfra, na zakresie 200 V wskazał wartość 50,01 V. Obliczyć
niepewność standardową pomiaru napięcia.
ODPOWIEDŹ
Niepewność standardowa bezwzględna pomiaru napięcia woltomierzem cyfrowym 2
2
2
2
∆
u( U )
δ
1
U
g
n
1
0 0
, 5
1
=
U
+
U =
50 0
, 1 +
50 0
, 1 = 0 0
, 16 V
.
3
100
n
3
100
5001
Niepewność standardowa względna
(
0 016
w U ) u( U )
,
=
100 =
100 = 0 , 032 %
U
50 , 01
6