Laboratorium podstaw miernictwa

Pomiary miernikami wychyłowymi

Grupa wykonawcza:

Rafał Wojszczyk

Krzysztof Majkowski

Informatyka, sem. III

1. Wstęp.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem magnetoelektrycznych woltomierzy i amperomierzy z doborem parametrów mierników do określonych warunków pracy oraz prawidłowym wykonywaniem pomiarów prądów i napięć stałych.

Mierniki wskazówkowe są przetwornikami elektrycznych wartości mierzonych na kątowe lub liniowe przemieszczenie wskazówki, które obserwowane na odpowiedniej podziałce umożliwia określenie wielkości mierzonej. Stała zależność między wartością wielkości wejściowej X, a wartością wielkości wyjściowej, czyli kątem odchylenia układu α jest warunkiem poprawnej pracy miernika.

Klasę dokładności wyznacza się doświadczalnie przez wprowadzenie na wejście miernika szeregu wzorcowych wartości wielkości mierzonej, odczytanie poszczególnych wskazań i obliczenie wartości błędów bezwzględnych Δ.

Prowadzący zlecił nam wykonanie trzech zadań:

1. Skalowanie amperomierza.

2. Przebudować amperomierz tak by mierzył prąd do 5 mA.

3. Zbudować z amperomierza woltomierz do pomiaru napięć 5V.

Dodatkowo wykonaliśmy badania nad wpływem zakłócającego pola elektromagnetycznego na poprawność wskazań mierników wychyłowych.

2. Spis aparatury pomiarowej:

1. Zasilacz stabilizowany ZL-01, nr 05;

2. Amperomierz MER 72TM, nr 5558, klasa 2,5;

3. Woltomieterz cyfrowy B7-34A nr 664/3073/79;

4. Amperomierz wzorcowy ML20, nr 5562023, klasa 0,1;

5. Opornica suwakowa bez oznaczeń;

6. Opornik dekadowy OD2, nr 478, klasa 0,2;

7. Opornik dekadowy D14, nr 508008;

8. Rezystor wzorcowy RN-1, nr 68-617, klasa 0,01;

3. Pomiary

3.1. Skalowanie miernika magnetoelektrycznego jako amperomierza prądu stałego.

Przeprowadzono dwukrotne skalowanie badanego miernika, dla prądów narastających oraz dla prądów opadających, wg. schematu przedstawionego na rysunku A.

Rys. A

Ponieważ moment napędowy (w rezultacie ustalone odchylenie wskazówki w stanie równowagi momentów) jest wprost proporcjonalny do płynącego prądu, możemy przeprowadzić skalowanie miernika zastępując odchylenie wskazówki (mierzone w działkach) prądem.

Rezystancja rezystora wzorcowego wynosiła 1000Ω.

Wyniki pomiaru dla prądów narastających zostały przedstawione w tabeli 1. Rysunek 1 przedstawia wykres zależności prądu badanego do prądu wzorcowego. Rysunek 2 przedstawia wykres względnego błędu pomiaru.

Wyniki pomiaru dla prądów malejących zostały przedstawione w tabeli 2. Rysunek 3 przedstawia wykres zależności prądu badanego do prądu wzorcowego. Rysunek 4 przedstawia wykres względnego błędu pomiaru.

Tabela 1 (dla prądów narastających).

U [V]	0,00604	0,05633	0,10454	0,15102	0,20045	0,24667	0,30117	0,36054	0,40655	0,45867
Iw [mA]	0,00604	0,05633	0,10454	0,15102	0,20045	0,24667	0,30117	0,36054	0,40655	0,45867
Ib [działki]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
Ib [mA]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
δ	0	11,23735	4,342835	0,675407	0,224495	1,349982	0,388485	2,923393	1,611118	1,890248

U [V]	0,50543	0,55723	0,6064	0,65258	0,69706	0,74836	0,79587	0,8463	0,89196	0,94075	0,95011
Iw [mA]	0,50543	0,55723	0,6064	0,65258	0,69706	0,74836	0,79587	0,8463	0,89196	0,94075	0,95011
Ib [działki]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
Ib [mA]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
δ	1,074333	1,297489	1,055409	0,395354	0,421771	0,219146	0,518929	0,437197	0,901386	0,983258	5,250971

Znaczny błąd względny dla prądu 0,05mA może być spowodowany zbyt małym napiciem w układzie, podobnie dla prądu 0,1mA, gdzie wynosi około 4% co wykracza poza klasę miernika. Błędy dla wartości prądu 0,35mA i 0,95mA to błędy grube, które nie zostały zauważone podczas pomiaru.

Tabela 2 (dla prądów malejących).

U [V]	0,00604	0,05633	0,10454	0,15102	0,20045	0,24667	0,30117	0,36054	0,40655	0,45867
Iw [mA]	0,00604	0,05633	0,10454	0,15102	0,20045	0,24667	0,30117	0,36054	0,40655	0,45867
Ib [działki]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
Ib [mA]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
δ	0	11,23735	4,342835	0,675407	0,224495	1,349982	0,388485	2,923393	1,611118	1,890248

U [V]	0,50543	0,55723	0,6064	0,65258	0,69706	0,74836	0,79587	0,8463	0,89196	0,94075	0,95011
Iw [mA]	0,50543	0,55723	0,6064	0,65258	0,69706	0,74836	0,79587	0,8463	0,89196	0,94075	0,95011
Ib [działki]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
Ib [mA]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
δ	1,074333	1,297489	1,055409	0,395354	0,421771	0,219146	0,518929	0,437197	0,901386	0,983258	5,250971

3.2. Rozszerzanie zakresu miliamperomierza.

Pomiar oporności wewnętrznej miernika badanego metodą podstawienia.

Żeby rozszerzyć zakres pomiarowy miernika trzeba wyznaczyć jego rezystancję wewnętrzną (Rw). Rysunek B przedstawia schemat, jaki zbudowana aby wyznaczyć rezystancję wewnętrzną. Pomiar ten miał dwa etapy, w pierwszym etapie do układu podłączony był miernik badany, w drugim zaś zastąpiono go opornikiem dekadowym na którym zmieniane były nastawy pokręteł aby uzyskać identyczne parametry jak w pierwszym etapie.

Rys. B

Wykazano, że rezystancja wewnętrzna wynosi 144 Ω.

Uz [V]	I [mA]	Rw [Ω]
6	0,985	144

3.3. Skalowanie miliamperomierza o rozszerzonym zakresie pomiarowym.

Aby rozszerzyć zakres pomiarowy miliamperomierza należy dołączyć równolegle do ustroju pomiarowego opornik zwany bocznikiem. W wyniku tego prąd płynący przez układ pomiarowy „rozdzieli” się na prąd płynący przez ustrój oraz prąd płynący przez bocznik.

Ustalono wartość bocznika dla 5-krotnego rozszerzenia zakresu korzystając ze wzoru (1).

(1)

gdzie: - opór wewnętrzny amperomierza

n - krotne rozszerzenie zakresu

dla n= 5: = 36 .

Aby wykonać pomiar należy zbudować układ według schematu przedstawionym na rysunku C.

Rys. C

Po przeprowadzonym pomiarze zauważono, że wskazania miernika badanego i wzorcowego są identyczne. Co za tym idzie zbędne byłoby wyliczanie błędu względnego, ponieważ w każdym przypadku wynosił by 0%. Wyniki pomiaru przedstawiono w tebeli 3. Rysunek 5 przedstawia wykres zależności prądu badanego do prądu wzorcowego.

Tabela 3.

Iw [mA]	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5
Ib [dz]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
Ib [mA]	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5

3.4. Skalowanie woltomierza o rozszerzonym zakresie pomiarowym.

Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza uzyskuje się poprzez szeregowe dołączenie rezystacji, zwanej posobnikiem. Powoduje to spadek napięcia na ustroju pomiarowym, bowiem część napięcia odłoży się na posobniku.

W celu obliczenia wartości posobnika Rp' konieczną dla n-krotnego rozszerzenia zakresu woltomierza należy wykorzystać wzór (2).

Rp' = (n-1) Rw (2)

gdzie: - opór wewnętrzny amperomierza

n - krotne rozszerzenie zakresu

Wyliczono, że n=34,72

Rp' = 4856

Prąd dopuszczalny przez miernik wynosi 1mA, dopuszczalny spadek napięcia na mierniku: 0,144V, ale na posobniku: 4.856V, razem 5V. Wyniki pomiaru dla wartości wzrastających przedstawia tabela 4.

Rysunek 6 przedstawia wykres zależności napięcia badanego do napięcia wzorcowego. Rysunek 7 przedstawia wykres względnego błędu pomiaru.

Wyniki pomiaru dla napięć malejących zostały przedstawione w tabeli 5. Rysunek 8 przedstawia wykres zależności napięcia badanego do napięcia wzorcowego. Rysunek 9 przedstawia wykres względnego błędu pomiaru.

Dla napięcia wzrastającego łatwo zauważyć bardzo duży błąd względy dla wartości 209mV, który wynosi aż 19,61%. Może to być spowodowane zbyt małym napięciem w układzie. Podobnie ma się sytuacja dla wartości 473mA i 727mA. W pozostałych przypadkach błąd względny mieści się w klasie miernika.
Przy wartościach opadających też łatwo zauważyć błąd dla dwóch pierwszych pomiarów.

Tabela 4 (dla wzrastających wartości)

Uw [V]	0	0,209	0,473	0,727	0,976	1,231	1,484	1,729	1,981	2,238
Ub [dz]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
Ub [V]	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25
δ	0	19,61722	5,708245	3,163686	2,459016	1,543461	1,078167	1,214575	0,959112	0,536193

Uw [V]	2,468	2,732	2,988	3,224	3,473	3,4701	3,924	4,174	4,418	4,661	4,925
Ub [dz]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
Ub [V]	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5
δ	1,296596	0,658858	0,401606	0,806452	0,777426	8,06605	1,936799	1,820795	1,856043	1,909461	1,522843

Tabela 5(dla opadających wartości):

Uw [V]	0	0,225	0,456	0,734	0,9751	1,209	1,4751	1,721	1,966	2,194
Ub [dz]	0	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45
Ub [V]	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25
δ	0	11,11111	9,649123	2,179837	2,553584	3,391232	1,688021	1,685067	1,7294	2,552416

Uw [V]	2,452	2,689	2,945	3,19	3,427	3,676	3,916	4,161	4,426	4,646	4,9251
Ub [dz]	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1
Ub [V]	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5
δ	1,957586	2,268501	1,867572	1,880878	2,130143	2,013058	2,145046	2,138909	1,671939	2,238485	1,520781

3. 5. Badanie wpływu zakłócającego pola elektromagnetycznego na poprawność wskazań mierników wychyłowych.

Do przeprowadzenia tego pomiaru należało zbudować dwa układy, zakłócający i badany.
Pierwszy według schematu przedstawionego na rysunku D.

Rys. D

Gdzie opornica suwakowa (RS) była ustawiona na około ¼. Cewka miała kształt okręgu o średnicy 25,5cm. Zawierała około 110 zwoi.

Drugi układ zbudowano według schematu przedstawionego na rysunku E.

Rys. E

Wartość napięcia była ustawiona tak, aby wskazówka na badanym amperomierzu wskazywała około ¾ skali. Obserwowano jakie są odchylenia wskazówki w zależności od położenia badanego miernika w polu zakłócającym. Dla ustawień w dwóch kierunkach nie było żadnej różnicy, dla kierunku X wskazówka drgnęła. Kierunki ustawień przedstawia poniższy rysunek:

Kierunek pola zakłócającego	Wskazanie miernika badanego
	bez pola zakłócającego
X	0,8
Y	0,8
Z	0,8

4. Wnioski.

Wykresy zależności prądowych, czy napięciowych mają zbliżony kształt do linii prostej Charakterystyki wykreślone dla prądów lub napięć narastających nie różnią się zasadniczo od charakterystyk dla wartości opadających; ich drobne odchyłki są jedynie wynikiem niestabilności napięć wywołanych złym stanem technicznym przewodów połączeniowych. Największa różnica pomiędzy pomiarem dla wartości opadających a dla wartości wzrastających jest różnica 205mV, dla wartości napięcia 3,75V przy skalowaniu woltomierza o poszerzonym zakresie.

Charakterystyka błędu względnego w zależności od prądu płynącego przez miernik jest funkcją nieliniową, malejącą. Kierunek zmian prądu nie ma wpływu na kształt krzywej, zmienia się nieznacznie tylko wartość błędu [dla prądów malejących mniejsze wartości błędów].

Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza nie wprowadziło wyraźnych zmian w charakterystyce zależności skalowania. Ale wyraźnie można zauważyć dość duży błąd względy dla małych wartości napięcia. Przy Uw = 209mV wynosi to nawet 19,6%

Charakterystyka skalowania miernika magnetoelektrycznego jako woltomierza prądu stałego nie różni się zasadniczo od zależności skalowania miernika jako miliamperomierza - jest funkcją liniową o dodatnim współczynniku nachylenia.