Politechnika Śląska

w

Gliwicach

 

 

 

 

 

Laboratorium

Elektryczne Pomiary Dokładne

 

Temat: Badanie dokładności multimetru cyfrowego dla funkcji prądu zmiennego.

 

 

 

 

 

 

Systemy Pomiarowe

Sekcja IV

 

Rafał Gryc

Dariusz Chmiel

Szymon Łuska

 

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z multimetrami wysokiej klasy i sprawdzenie dokładności multimetru HP ( w dalszej części sprawozdania zwany w skrócie HP) za pomocą multimetru FLUKE ( dalej zwany FLUKE ).

2. Przebieg ćwiczenia

Dane multimetrów:

Multimetr 8506A firmy FLUKE używany jako multimetr wzorcowy. Pozwala on mierzyć napięcie i prąd AC i DC z różną dokładnością : high accuracy mode ( najwyższa dokładność ) czas pomiaru wynosi 6 s, enhanced mode ( średnia dokładność ) i normal mode ( najniższa dokładność ). Ilość wyświetlanych cyfr 6 ½ , a w trybie AVG ( uśrednianie ) 7½ cyfry. Zakres pomiarowy napięcia DC wynosi od 100mV do 1000 V, dla napięcia AC 100mV , 300mV, 1V 3V, 10V , 30V , 100V, 500 V. Napięcie zmienne może mieć częstotliwość w granicach od 10Hz do 500 kHz. Zakres temperatury w jakiej może pracować multimetr 0°C do 70°C.

Pozostałe dane znajdują się w instrukcji lub skrypcie.

Multimetr 34401A firmy HEWLETT PACKARD używany jako multimetr badany. Jest to uniwersalny przyrząd pomiarowy posiadający bardzo wiele funkcji. Zakres pomiarowy napięcia AC 100mV, 1V, 10V, 100V , 1000V przy częstotliwości od 3Hz do 300 kHz.

Rozdzielczość 6½ cyfry. Więcej informacji można znaleźć w instrukcji.

W ćwiczeniu mieliśmy za zadanie przeprowadzić badania pełne multimetru HP, jednak z powodów technicznych wykonaliśmy tylko część badań.

Badania pełne

Badania pełne są zazwyczaj poprzedzone badaniem wstępnym. Badanie to obejmuje oględziny przyrządu próby sprawności , sprawdzenie błędów w krytycznych punktach i adjustacja.

Badanie pełne dokładności dotyczy sprawdzenia dokładności przyrządu w różnych okolicznościach fizycznych. Ponadto wymaga się, żeby granice błędu realizowanej wzorcowej wielkości przy badaniu dokładności stanowiły nie więcej niż 1/3 deklarowanego przez wytwórcę błędu dopuszczalnego przyrządu. Dodatkowym postulatem jest aby rozróżnialność nastawiana wzorcowej wielkości była o rząd lepsza od rozróżnialności wskazań badanego przyrządu.

Sprawdzanie błędów podstawowych odbywa się w warunkach odniesienia. Pełne sprawdzenie dokładności wykonuje się na podzakresie podstawowym , na którym błędy są najmniejsze. Najczęściej jest to 10V lub 1V.

W trakcie ćwiczenia wykonaliśmy badania niepełne. Wynikało to z ograniczeń związanych z generatorem HP, który generował max napięcie skuteczne ok. 7V , a to nie wystarcza aby zbadać zakres 10V , wiec nasze badania ograniczyły się do zakresu 1V. Ponadto nie zdołaliśmy zbadać całego zakresu częstotliwości , co również wynikało z ograniczeń generatora. W trakcie badań mierzyliśmy napięcie zmienne przy częstotliwości 1 KHz

Nasze badania zaczęliśmy od zbadania dokładności wskazania napięcia przez woltomierz HP. Badanie obyło się na zakresie 1V w 18 punktach pomiarowych - skok wynosił 0,05 V. Wyniki badań przedstawia poniższy wykres, na którym umieszczona jest średnia z wszystkich pomiarów. Multimetr FLUKE ustawiony był na dokładność odczytu z włączoną funkcja AVG i dodatkowo każdy pomiar wykonywany był na innym zakresie dokładności.

Wykres przedstawiają wskazanie FLUKE w funkcji błędu HP.

 

 

Tabela przedstawiająca błędy przedstawione na wykresie

Błąd z serii 1	Błąd z serii 2	Błąd z serii 3	Średnia z serii	Błąd FLUKE	Błąd HP+FLUK
-0,000197999	-7,00355E-06	-2,89977E-05	-7,80001E-05	9,49816E-06	-6,8502E-05
0	0,000112012	9,80049E-05	7,00057E-05	1,02503E-05	8,0256E-05
-3,99351E-06	0,000067994	6,09905E-05	4,16637E-05	1,09999E-05	5,26636E-05
0,000126004	0,000181004	-9,19998E-05	7,16696E-05	1,17506E-05	8,34203E-05
8,29995E-05	0,000133008	0,000125021	0,000113676	1,25012E-05	0,000126177
0,000140011	0,000193	0,00018698	0,00017333	1,32521E-05	0,000186582
0,000130028	0,000203013	0,000178009	0,00017035	1,40018E-05	0,000184352
0,000115991	0,000194013	0,000184	0,000164668	1,47517E-05	0,00017942
0,000160992	0,000259012	0,000241011	0,000220339	1,55026E-05	0,000235841
9,10163E-05	0,000188053	0,000185013	0,000154694	1,62516E-05	0,000170946
0,000158012	0,000271022	0,000277996	0,000235677	1,70031E-05	0,00025268
5,60284E-05	0,000196993	-8,69632E-05	5,53529E-05	1,77501E-05	7,31029E-05
0,000136972	0,000280976	0,00027895	0,000232299	1,85032E-05	0,000250802
4,19617E-05	0,000212967	-0,000171006	2,79745E-05	1,92445E-05	4,7219E-05
0,000105023	0,000265956	0,000280976	0,000217319	1,99988E-05	0,000237317
4,79817E-05	0,000223994	0,000234008	0,000168661	2,07475E-05	0,000189409
3,80278E-05	0,000230968	0,000198007	0,000155668	2,1496E-05	0,000177164
5,00083E-05	0,000271022	0,000270009	0,000197013	2,22488E-05	0,000219262
-2,19941E-05	0,000173032	-0,000526965	-0,000125309	2,2994E-05	-0,000102315

Tabela przedstawia błędy częstotliwościowe zobrazowane poniżej

Błąd dla 1V	Błąd dla 0,8V	średnia z serii	Bł. producenta	Bł. HP+FLUKE
0,001744986	0,000465989	0,001105487	0,00077987	-0,000174211
0,000682056	0,000353992	0,000518024	0,00077987	0,00022597
0,000657022	0,00049001	0,000573516	0,000779852	0,000361971
0,002115011	0,000316024	0,001215518	0,000779943	0,000187988
0,000145018	0,000235021	0,00019002	0,000779889	0,000107013
0,00011301	0,00020802	0,000160515	0,001459459	-0,000271834
0,000407994	0,000444055	0,000426024	0,00145844	-3,54318E-05
0,000657022	0,000643015	0,000650019	0,00559046	0,000483204
0,000817001	0,000761986	0,000789493	0,005590562	0,000602148
-0,001046002	-0,000735998	-0,000891		-0,003260437
-0,003495932	-0,002606988	-0,00305146

Następnym etapem badań było sprawdzenie wrażliwości multimetru na zmianę częstotliwości. Częstotliwość była sprawdzana w zakresie 20 Hz - 300 kHz , bowiem na tyle pozwalał generator. Poniższe wykresy przedstawiają zależność błędu wskazania od częstotliwości. Został również przedstawiony błąd powodowany przez FLUKE. Pierwszy wykres powstał dla wskazania napięcia 1V , a drugi dla wskazania 0,8 V. Wskazania napięcia były ustawiane przy częstotliwości 1 kHz.

Na powyższych wykresach widać, że dysproporcja miedzy błędami nie jest duża, jak to było w poprzednim przypadku, a zwłaszcza na początku zakresu. Koniec zakresu dla błędu max deklarowanego przez producenta został obcięty ze względu na dużą wartość.

.

Błędy były liczone w następujący sposób:

Błąd wskazania multimetru HP Δ = wskazanie FLUKE - wskazanie HP [V]

Granice błędów zostały wyznaczone: błąd HP + błąd FLUKE

Błąd deklarowany przez producenta HP dla napięcia - dla 1 roku.

Δ = % odczytu + % zakresu ( 0,06 + 0,03 ) dla częstotliwości 1 kHz

Błąd deklarowany przez producenta FLUKE

Δ = % odczytu + błąd kwantyzacji ( 0,0015 + 8 dla trybu NORM do 90 dni )

( 0,0012 +6 dla trybu AVG do 90 dni )

Błędy związane ze zmianą częstotliwości zostały obliczone w analogiczny sposób - dane liczbowe znajdują się w instrukcjach.

Badanie wpływu wypełnienia na wskazanie multimetru HP

Wypełnienie 50 %

Wskazanie HP - 0,999973 V wskazanie FLUKE - 1,00023 V

Δ = 0,000327 V

Δ1 = 0,000499 V - błąd deklarowany przez producenta ( 0,05 % odczytu )

wypełnienie 20 %

wskazanie HP - 0,80091 wskazanie FLUKE - 0,801425

Δ = 0,00051 V

Δ1 = 0,0012 V - błąd deklarowany przez producenta

wypełnienie 80 %

wskazanie HP - 0,8024 wskazanie FLUKE - 0,8027

Δ = 0,0003 V

Δ1 = 0,0012 V - błąd deklarowany przez producenta

Wyniki dla wypełnienia 20 % i 80 % powinny się pokrywać.

3) Wnioski

Na laboratorium badaliśmy multimetr HP za pomocą multimetru FLUKE, który jest przyrządem wysokiej jakości nadającym się do tego typu badań. Niestety nie zdołaliśmy wykonać badań pełnych ze względu na ograniczenia wynikające z generatora HP. Mogliśmy przebadać tylko zakres 1 V, bowiem max napięcie skuteczne podawane przez generator wynosiło niewiele powyżej 7 V. Zakresy 1V i 10 V są najbardziej reprezentatywne, bowiem na nich są najmniejsze błędy i co za tym idzie przyrząd jest najdokładniejszy.

Multimetr HP badaliśmy wykorzystując wartość skuteczną napięcia przemiennego, która była przez niego realizowana jako True RMS, tzn. jest obliczana na podstawie parametrów przebiegu. Napięcie było nastawiane w 18 punktach zakresu począwszy od

0,05 V do 1 V, zawsze z niedomiarem. Badania powtórzyliśmy trzy razy, za każdym razem ustawiając inny zakres dokładności multimetru FLUKE. Wyniki badań okazały się bardzo dobre, bowiem obliczony błąd był ok. dwa , trzy razy mniejszy od błędu deklarowanego przez producenta. Najmniejsza różnica wskazań była dla zakresu dokładności NORMAL, a błędy na pozostałych zakresach pokrywają się. Można z tego wyciągnąć wniosek, że na zakresie NORMAL FLUKE lekko zaniża wyniki lub mogło to również być spowodowane błędem odczytu, bowiem ostatnia cyfra na obu multimetrach zmieniała się w dość dużym zakresie.

Błędy wprowadzane przez multimetr FLUKE są małe w porównaniu z błędami HP deklarowanymi przez producenta. Tym samym zostało spełnione wymaganie, że granice błędu wielkości wzorcowej powinny być 3 razy mniejsze od błędu dopuszczalnego badanego przyrządu.

Badanie wpływu częstotliwości na błąd wskazania napięcia również nie zostało wykonane w pełnym zakresie, bowiem nie pozwalał na to generator. Wykonaliśmy dwie serie pomiarów dla napięcia 1 V i 0,8 V. Napięcie było ustawiane przy częstotliwości 1 kHz.

W tym przypadku jednak , błędy przez nas obliczone były niewiele mniejsze od błędów deklarowanych przez producenta. Ważnym zjawiskiem jest to , że błędy wprowadzane przez multimetr FLUKE w większości zakresu są trochę mniejsze od obliczonych błędów dla HP, a dla niektórych częstotliwości nawet je przewyższają. Potwierdza to opinie użytkowników, że multimetr FLUKE źle zachowuje się przy pomiarze napięć zmiennych poniżej 20 Hz i przy bardzo dużych częstotliwościach, wprowadzając duży błąd. Jednak jeśli przyjmiemy najbardziej pesymistyczny wariant, że oba błędy są max to ich suma nie przekroczy błędu deklarowanego przez producenta.

Ostatnim etapem badań było sprawdzenie jak na wynik pomiaru wpływa wypełnienie. W tym celu wygenerowaliśmy fale prostokątna o wypełnieniu 50 % , 20 % i 80 %. Napięcie zostało ustawione na poziomie 1 V przy częstotliwości 1 kHz. Wyniki przedstawione powyżej obrazują, że obliczone błędy bez uwzględnienia FLUKE mieszczą się w granicach błędu deklarowanego przez producenta. Możemy zauważyć, że dla wypełnienia 20% i 80 % wskazywane napięcie spadło do wartości ok. 0,8 V.

Ogólnie podsumowując multimetr HP okazał się solidnym produktem, którego parametry okazały się o wiele lepsze niż deklaruje to producent, a w obliczeniach przyjmowaliśmy najgorszy wariant, czyli błąd dopuszczalny dla 1 roku.

Elektryczne Pomiary Dokładne

1

8

Strona

---