SPRAWOZDANIE

Z

LABORATORIUM

ELEKTROTECHNIKI

TEMAT: Podstawowe wiadomości o pomiarach i przyrządach pomiarowych.

Wykonał:

Tomasz Jurasz

sekcja 24 MT-WT

1. Wiadomości ogólne

Pomiarem nazywa się czynności doświadczalne mające na celu wyznaczenie wartości wielkości badanej. Istotą każdego pomiaru jest porównanie wartości mierzonej ze wzorcem miary tej wielkości.

Do wykonania pomiaru niezbędne jest:

- określenie jednostki miary,

- posiadanie odpowiedniego narzędzia pomiarowego.

Narzędzia pomiarowe są to środki techniczne przeznaczone do wykonania pomiarów. Zaliczamy do nich:

- wzorce miar,

- przyrządy pomiarowe.

Narzędzia pomiarowe przeznaczone do wykonywania pomiarów wielkości elektrycznych nazywa się elektrycznymi przyrządami pomiarowymi.

Wskazówkowym przyrządem pomiarowym nazywa się przyrząd służący do wskazywania za pomocą wskazówki wartości wielkości mierzonej z określoną dokładnością.

Wskazówkowym elektrycznym przyrządem pomiarowym jest przetwornik elektromechaniczny, w którym następuje zamiana doprowadzonej energii elektrycznej na energię mechaniczną ruchu obrotowego organu ruchomego przyrządu.

Wśród elektrycznych przyrządów pomiarowych wyróżniamy:

- mierniki analogowe i cyfrowe, które za pomocą jednego wskaźnika. wskazują wartość wielkości mierzonej

- liczniki, wskazujące stopniowo wartość wielkości mierzonej, gromadzące się w określonym czasie,

- rejestratory, zapisujące wskazania dla jednej lub kilku wielkości,

- mostki i kompensatory- są przyrządami służącymi do pomiarów za pomocą metod zerowych.

Do pomiaru napięcia elektrycznego przeznaczony jest woltomierz. Włącza się go do obwodu zawsze równolegle. Błąd pomiaru jest tym mniejszy im większa jest rezystancja wewnętrzna woltomierza.

Do pomiaru prądu przeznaczony jest amperomierz, który włącza się do obwodu zawsze szeregowo. Błąd pomiaru natężenia prądu jest tym mniejszy im mniejsza jest rezystancja wewnętrzna amperomierza.

Przyrządem przeznaczonym do pomiaru mocy czynnej jest watomierz. Ma on dwie cewki: nieruchomą cewkę prądową o małej rezystancji i ruchomą cewkę napięciową o dużej rezystancji. Cewkę prądową włącza się do układu poprzez zaciski prądowe, szeregowo z obciążeniem. Cewkę napięciową- poprzez zaciski napięciowe, równolegle z obciążeniem. Zaciski odpowiadające początkowi cewki prądowej i napięciowej oznaczone są gwiazdką i w czasie normalnej pracy powinny być zwarte.

Stałą podziałki watomierza oblicza się ze wzoru:

2. Rodzaje mierników.

Mierniki magnetoelektryczne.

Produkuje się dwa rodzaje tych mierników: z ruchomą cewką i nieruchomym magnesem oraz ruchomym magnesem i nieruchomą cewką.

Zasada działania miernika z ruchomą cewką jest następująca:

Miedzy nabiegunnikami magnesu trwałego w równomiernej szczelinie powietrznej umieszczona jest ruchoma cewka zawinięta na walcu wykonanym z miękkiej stali, osadzonym na osi. Prąd do cewki doprowadzony jest za pomocą dwóch spiralnych sprężyn, które wytwarzają jednocześnie moment zwrotny. do osi przymocowana jest wskazówka. Do ustawienia wskazówki w położeniu zerowym służy mimośród, zwany korektorem zera. Zasada działania miernika polega na dynamicznym oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu trwałego na ruchomą cewkę z prądem. Na boki cewki działa para sił wytwarzająca moment napędowy:

M_n = k_n I

gdzie: k_n - stała zależna od konstrukcji miernika.

Pod wpływem momentu napędowego ustrój ruchomy obraca się wokół swojej osi o kąt α, powodując jednocześnie skręcanie sprężyn, które wytwarzają moment zwrotny

M_z = k_z αgdzie:

k_z - stała sprężyny.

Podziałka miernika jest równomierna. Kierunek wychylenia wskazówki jest zależny od kierunku przepływającego przez cewkę prądu.

Mierniki te przeznaczone są do pomiaru napięcia i natężenia prądu stałego.

Mierniki magnetoelektryczne są bardzo czułe, przeznaczone do pomiarów prądów od natężeń rzędu

μA i napięć od mV.

Mierniki elektromagnetyczne.

Są one stosowane głównie w obwodach prądu przemiennego o częstotliwości technicznej. Służą do pomiaru wartości skutecznych napięć i prądów.

Ustrój miernika składa się z nieruchomej cewki i rdzenia zamocowanego na osi. Prąd płynący przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które magnesuje rdzeń i wciąga go w głąb cewki. Ruch organu ruchomego hamowany jest przez sprężynki.

Mierniki elektrostatyczne.

Ustrój miernika elektrostatycznego jest kondensatorem, w którym jedna z okładzin jest ruchoma. W mierniku tym wykorzystuje się zjawisko powstawania między okładzinami kondensatora siły przyciągającej, jeśli doprowadzone jest napięcie elektryczne. Siła ta wprowadza w ruch obrotowy organ ruchomy i połączoną z nim wskazówkę. Odchylenie elektrody ruchomej ustali się wtedy gdy moment napędowy zostanie zrównoważony momentem zwrotnym wytworzonym przez sprężynki.

Mierniki te mogą pracować w obwodach prądu przemiennego, wskazując wartość skuteczną napięcia oraz w obwodach prądu stałego.

Mierniki elektrodynamiczne.

Ustrój miernika składa się z dwóch cewek: nieruchomej(zprądem I₁) i ruchomej (z prądem I₂). Cewka ruchoma znajduje się w polu magnetycznym wytworzonym przez cewkę nieruchomą. Kiedy wartości prądów I₁ i I₂ są różne od zera, to cewka ruchoma ulega obrotowi

hamowanemu przez dwie spiralne sprężynki. Obrót cewki jest wynikiem występowania sił elektrodynamicznych między długimi bokami cewek. Mierniki elektrodynamiczne pracują poprawnie przy prądzie stałym i przemiennym. W obwodach prądu przemiennego wskazują wartość skuteczną, nawet jeśli przebieg prądu jest odkształcony.

Mierniki indukcyjne.

Zasada działania przetworników indukcyjnych oparta jest na zjawisku indukowania się prądów wirowych w aluminiowej tarczy przez strumień magnetyczny wytworzony przez cewkę elektromagnesu. W celu zwiększenia momentu napędowego stosuje się mierniki dwustrumieniowe. Wzajemne oddziaływanie strumieni magnetycznych i prądów wirowych wytwarza moment napędowy.

Mierniki indukcyjne najczęściej stosuje się jako liczniki energii elektrycznej.

Stała znamionowa licznika jest to liczba obrotów, jaką musi wykonać tarcza, aby stan wskazań licznika zmienił się o jednostkę (np. 1kWh). Jest ona podawana w tabliczce oznaczeniowej licznika.

Analogowe mierniki elektroniczne.

W miernikach analogowych elektronicznych na wyjściu znajduje się zwykle elektromechaniczny przetwornik magnetoelektryczny o niezbyt dużej czułości, ale o dużej odporności mechanicznej na wstrząsy i przeciążenia oraz o stosunkowo długiej wskazówce i podziałce umożliwiającej łatwy odczyt wskazań.

Wadą mierników elektronicznych jest konieczność dostarczania do układu energii pomocniczej z baterii lub zasilacza sieciowego.

Najczęściej spotykane mierniki elektroniczne mają postać multimetrów (mierniki wielozadaniowe) o dokładności odpowiadającej klasom mierników technicznych.

Cyfrowe mierniki elektroniczne.

Mierniki te są bardzo wygodne w użytkowaniu. Nie posiadają one części ruchomych. Pomiar odbywa się przy użyciu elektronicznych podzespołów analogowych o działaniu ciągłym, a wynik pomiaru jest przedstawiony w polu odczytowym podziałki cyfrowej miernika w postaci N jednostek miary wielkości mierzonej.

Mierniki cyfrowe zapewniają uzyskanie dużej dokładności pomiaru, zmniejszają możliwość pomyłek podczas odczytu oraz wykluczają błąd

paralaksy. Pozwalają one na automatyzację procesu pomiarowego, a także wprowadzenie wyników pomiarowych bezpośrednio do komputera. Najczęściej spotykanymi miernikami cyfrowymi są: czasomierze, mierniki częstotliwości, woltomierze i omomierze.

Oscyloskopy elektroniczne.

Oscyloskopy elektroniczne stosowane są do pomiarów oraz rejestracji przebiegów w bardzo szerokim paśmie częstotliwości. Oscyloskop składa się z lampy oscyloskopowej, zespołu wzmacniaczy, generatora podstawy czasu, urządzenia synchronizującego i zasilaczy. Lampa oscyloskopowa jest podstawowym elementem oscyloskopu. Ma ona postać rury szklanej opróżnionej z powietrza. Z jednej strony znajduje się zespół elektrod wytwarzających, ogniskujących i odchylających wiązkę elektronów, a z drugiej strony, rozszerzonej stożkowo, ekran pokryty od strony wewnętrznej luminoforem.

Produkowane są oscyloskopy jedno i dwustrumieniowe, które umożliwiają obserwację i porównanie dwóch niezależnych od siebie przebiegów.

3. Błędy wyników pomiarów

Błąd pomiaru, czyli wartość wielkości mierzonej X_m, zazwyczaj różni się od nieznanej wartości rzeczywistej X_r tej wielkości. Przyczyną tych różnic są niedoskonałości narzędzi pomiarowych, nieodpowiednie warunki pomiaru oraz nieumiejętność obserwatora. Wprowadza się pojęcie wartości poprawnej X_p, przez którą rozumie się wartość przybliżoną w takim stopniu do wartości rzeczywistej tej wielkości, że różnica między nimi może być pominięta z punktu widzenia celu, dla którego pomiar jest wykonany.

Błąd bezwzględny to różnica algebraiczna między wartością zmierzoną X_m a wartością poprawną X_p wielkości mierzonej:

ΔX = X_m - X_p

Błąd względny to stosunek błędu bezwzględnego do wartości poprawnej wielkości mierzonej:

X_m - X_p ΔX

δX = =

X_p X_p

Właściwości pomiarowe narzędzi odnośnie do dokładności określa klasa dokładności. Klasę dokładności miernika elektrycznego określa się jako największą wartość błędu bezwzględnego w dowolnym punkcie jego podziałki wyrażonego w procentach jego zakresu pomiarowego X_n

ΔX_max

X = 100

X_n

Błędy występujące przy pomiarach dzielimy na trzy rodzaje:

- systematyczny - który przy wielu pomiarach tej samej wartości pewnej wielkości wykonywany w tych samych warunkach pozostaje stały co do wartości i znaku lub zmienia się według określonego prawa wraz ze zmianą warunków,

- przypadkowy - zmienia się w sposób nieprzewidywany zarówno co do wartości, jak i co do znaku przy wykonywaniu pewnej liczby pomiarów tej samej wartości wielkości mierzonej w niezmienionych warunkach,

- nadmierny - wynikający z nieprawidłowego wykonania pomiaru, niesprawnego miernika lub z omyłkowego odczytania jego wskazania.

Opracowanie wyniku pomiaru polega na podaniu granic wartości, w jakich z określonym prawdopodobieństwem powinna się zawierać nieznana wartość rzeczywista.

---