Wzorce - Praktycznymi realizacjami jednostek miar są wzorce (etalony).

Wzorzec definiujemy jako przyrząd (układ) pomiarowy lub materiał odniesienia przeznaczony do zdefiniowania, zrealizowania lub odtworzenia jednostki miary albo jednej lub wielu wartości pewnej wielkości, służący jako odniesienie.

Wartość jednostki miary przenosi się z wzorców naprzyrządy pomiarowe w procesie wzorcowania.

Wzorce w zależności od dokładności dzielimy na:

- pierwotne (definicyjne) - odniesienia - robocze

Wzorzec państwowy: kategoria prawna, wzorzec uznany za państwowy przez właściwy organ (w Polsce decyzja prezesa GUM)

Dla napięcia elektrycznego DC: - pierwotny: wzorzec kwantowy oparty o złącze Josephsona - odniesienia: źródło napięcia oparte o diodę Zenera, kalibrator napięcia DC - roboczy: multimetr wysokiej dokł. Dla oporu elektrycznego:

- pierwotny: wzorzec kwantowy oparty o efekt Halla - odniesienia: rezystor wzorcowy - roboczy: multimetr wysokiej dokładności, rezystor dekadowy Dla prądu elektrycznego DC:

- pierwotny: brak, realizacja poprzez wzorce napięcia i oporu - odniesienia: kalibrator prądu

- roboczy: multimetr wysokiej dokładności.

Spójność pomiarowa – właściwość pomiaru lub wzorca jednostki miary polegająca na tym, że można go powiązać z określonymi odniesieniami, na ogół z wzorcami państwowymi lub międzynarodowymi jednostkami miary, za pośrednictwem nieprzerwanego łańcucha porównań, z których wszystkie mają określone niepewności.

Zachowanie spójności pomiarowej jest warunkiem jednoznaczności wyników pomiarów, umożliwiającym ich wzajemne porównanie. Niepewność pomiaru - Nie ma pomiaru nieskończenie dokładnego, oznacza to, że każdy, nawet najdokładniejszy pomiar, przeprowadzony z największą starannością, przy użyciu najlepszych przyrządów pomiarowych, obarczony jest pewną niedokładnością. Miarą tej niedokładności jest niepewność pomiaru (uncertainty). Niepewność wyrażamy przy pomocy 2 liczb: wielkości niepewności oraz poziomu ufności. np. napięcie jest równe 1,02V ±0,01V przy poziomie ufności 95%.

Źródła niepewności pomiaru

*Przyrząd pomiarowy: dryft, starzenie, rozdzielczość odczytu, szumy

Obiekt/wielkość mierzony/a: brak stabilności

*Proces pomiaru (np. pomiar wagi żywych zwierząt)*Niepewności ze świadectwa wzorcowania przyrządu, które muszą być uwzględnione w budżecie niepewności pomiaru *Umiejętności operatora *Próbkowanie *Wpływ środowiskaNiepewności statystyczne i systematyczne: Nie zawsze można wyodrębnić poszczególne składniki niepewności. Można natomiast wyróżnić dwa sposoby w jaki się objawiają: Statystyczny: kiedy pomiar jest powtarzany, otrzymujemy wyniki różniące się w sposób losowy, w przypadku tym można się spodziewać się spodziewać lepszego odwzorowania rzeczywistego wyniku pomiaru dla większej ilości powtórzeń pomiaru

Systematyczny: ten sam czynnik wpływa na wszystkie pomiary, w tym przypadku powtarzanie pomiaru nie wpływa na poprawę jego wyniku.

Poczynione rozróżnienie pozwala na wyróżnienie 2 sposobów szacowania niepewności:

Typu A: szacowane metodami statystycznymi

Typu B: szacowane wszystkimi innymi metodami

Wyznaczanie niepewności

Dla składników niepewności typu A dobrym przybliżeniem jest odchylenie standardowe eksperymentalne średnie. Jest ono wyrażone wzorem: u=s/piern Przy czym, s – odchylenie standardowe, n – ilość pomiarów w serii

Składniki typu B przybliżamy w inny sposób np. odczytujemy ze świadectwa wzorcowania, z danych katalogowych przyrządów, ze znajomości historii przyrządów. W przypadku rozdzielczości miarą niepewności jest a/pier3

gdzie a, jest najmniejszą rozdzielczością

(wynika to z prostokątnego rozkładu prawdopodobieństwa).Podstawa działania przyrządu cyfrowego Przyrząd cyfrowy ma cyfrowe pole odczytowe, pozwalające na odczyt z dużą dokładnością. W przyrządzie cyfrowym, mierzony sygnał analogowy (ciągły) zamieniany jest w cyfrowy (dyskretny) sygnał wyjściowy. Dwa procesy pozwalają na zamianę sygnału analogowego w cyfrowy: Próbkowanie (ang. sampling) - pobieranie kolejnych próbek wartości sygnału w określonych chwilach czasowych Kwantowanie (ang. quantization) - przyporządkowanie każdej wartości sygnału pewnej skwantowanej wartości dyskretnej (dyskretyzacja amplitudy) Digitalizacja sygnału następuje w przetworniku Analogowo-Cyfrowym (A/C) (ang. ADC, Analog to Digital Converter)

Pomiar dużych napięć i prądów

Problem do rozwiązania: - Pomiar napięć powyżej 1 kV i prądów powyżej 1 kA Typowe maksymalne zakresy pomiarowe to 750 V i 10 A, część przyrządów posiada zakresy 1 kV i 20 A.

Do pomiaru wysokich napięć i prądów przemiennych stosowane są przekładniki (transformatory pomiarowe), natomiast do pomiaru napięć i prądów stałych stosowane są dzielniki rezystancyjne.

Przekładniki :Pomiar dużych prądów i napięć AC

Transformatory pomiarowe o dużej dokładności:

–Dokładne wykonanie: nawinięcie drutu, dokładna ilość zwojów –Praca przy małej mocy czyli przekładnik prądowy przy małym napięciu (w stanie zwarcia) a przekładnik napięciowy przy małym prądzie (w stanie rozwarcia) Transformator pomiarowy do pomiaru dużych prądów .jego rolą jest dopasowanie mierzonego prądu (o wysokim natężeniu) do zakresu pomiarowego amperomierza (bądź cewki prądowej watomierza) .Strona pierwotna włączona bezpośrednio do obwodu prądu mierzonego (o b. wysokim natężeniu) .Strona wtórna podłączona do amperomierza

Dzięki dużej różnicy ilości zwojów strony pierwotnej i strony wtórnej

N1<<N2 J=N1/N2=I2/I1

możliwe jest dopasowanie do zakresu pomiarowego amperomierza

typowe prądy znamionowe strony wtórnej to 1A i 5A .Przekładnik prądowy pracuje przy bardzo małej mocy, oznacza to pracę w stanie zwarcia strony wtórnej.Rozwarcie może spowodować przepalenie rdzenia i porażenie prądem elektrycznym.

Przekładniki napięciowy

Transformator pomiarowy do pomiaru dużych napięć

Strona pierwotna przekładnika podłączona do źródła w. n. (poprzez bezpieczniki)

Strona wtórna podłączona do woltomierza.

Dzięki dużej różnicy liczby zwojów znamionowe napięcie strony pierwotnej (typowo 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 110 kV, 220 kV bądź 400 kV) dopasowywane jest do napięcia znamionowego strony wtórnej (zwykle 100 – 150 V)

Pomiar dużych napięć i prądów DC

Dla prądów stałych nie można zastosować przekładników, konieczne jest stosowanie dzielników rezystancyjnych, bądź mierzenie spadku napięcia na boczniku spowodowanego przepływem prądu DC o wysokim natężeniu

Dwie zasadnicze wady:

→ brak izolacji galwanicznej

→ straty energii

Mierniki energii elektrycznej

Watomierz elektrodynamiczny:

Urządzenie 4 zaciskowe (czwórnik)

Dwie cewki: - cewka prądowa o małej rezystancji (nieruchoma) - cewka napięciowa o dużej rezystancji (ruchoma)

Zaciski prądowe włączone szeregowo w obwód urządzenia

Zaciski napięciowe podłączone równolegle

Liczniki cyfrowe

zawierają specjalizowane układy scalone, które generują impulsy o częstotliwości proporcjonalnej do iloczynu prądu i napięcia w monitorowanym obwodzie elektrycznym. Ilość impulsów jest przeliczana i zamieniana na informacją o ilości pobranej energii.Analogowy licznik energii :Licznik indukcyjny jest maszyną indukcyjną w której aluminiowa tarcza porusza się pod wpływem wirowego pola magnetycznego wytworzonego przez dwie cewki. W jednej cewce płynie prąd proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez odbiorcę, w drugiej do napięcia. Cewki są tak umieszczone, że powstający moment napędowy jest proporcjonalny do iloczynu chwilowej wartości prądu i napięcia (a więc licznik "mierzy" moc czynną), a ten z kolei jest równoważony poprzez moment hamujący, który powstaje w wyniku obrotu tarczy między biegunami magnesu trwałego i jest proporcjonalny do szybkości ruchu tarczy. Zalety: • prosta konstrukcja, • niska cena, • stałe wskazanie przy zaniku poboru energii.

Wady: • brak sygnału wyjściowego, • konieczność obsługi przez inkasenta, • zafałszowanie wskazań pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego,

• duży wpływ wyższych harmonicznych

Oscyloskop to przyrząd pozwalający na obserwację przebiegów czasowych sygnałów elektrycznych. Jest on używany głównie do:

pomiarów, obserwacji i analizy kształtu czasowych przebiegów okresowych lub nieokresowych napięcia i prądu pomiaru wartości częstotliwości, kąta fazowego lub wyznaczania charakterystyk elementów nieliniowych. Oscyloskopy charakteryzują się dużą rezystancją wejściową (oscyloskop może być traktowany jako specyficzny typ woltomierza pozwalający na śledzenie przebiegu sygnałów czasowych) Oscyloskopy charakteryzują się dużą czułością napięciową a także dużym zakresem częstotliwości badanych przebiegów (od sygnału stałoprądowego do MHz, a w specjalnych wykonaniach do 20 GHz). Używane są zarówno oscyloskopy analogowe, jak i cyfrowe.

Oscyloskop analogowy

Charakterystyka: → Konstrukcja tradycyjna, obecnie wypierana przez o. cyfrowe Mniejsza czułość Mniejsza częstotliwość maksymalna Trudność w prezentacji i zapisie wyników Trudność w integracji o. analogowego z systemami pomiarowymi