WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Oddziaływanie przyrządu pomiarowego na
obiekt badany
Instrukcja do ćwiczenia
Nr 21
Opracował dr inż. Ryszard Piotrowski
_______________________________________________
Białystok 1998
2
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
1. Wprowadzenie
ddziaływanie elektrycznych przyrządów pomiarowych na obiekt badany
(sieć elektryczną) polega na zmianie rozkładu napię ć i rozpływu
O prądów, jaką wywołuje włączenie tych przyrządów do sieci. Włączenie
do sieci (obwodu elektrycznego) przyrządu pomiarowego oznacza bowiem w
istocie zmianę konfiguracji tego obwodu spowodowaną pojawieniem się w nim
dodatkowej impedancji (rezystancji). W rezultacie zniekształceniu ulega takż e
stan wielkoś ci, którą zamierzaliś my zmierzyć . Zmiany te mogą być w niektórych
wypadkach pomijalnie małe, w innych bardzo wyraź ne, zawsze jednak istnieją.
Planując pomiar, należ y wybrać taką metodę oraz takie narzę dzia pomiarowe,
które wspomniane zniekształcenie sprowadzą do pomijalnie małych rozmiarów.
Gdy jednak jest to niemoż liwe, należ y spróbować ustalić wartoś ć poprawki, jaka
powinna być wniesiona do wyniku pomiaru.
Niekiedy celem pomiaru nie jest okreś lenie wartoś ci rzeczywistej
mierzonej wielkoś ci, lecz kontrola jej stanu. Wystarczy wtedy, aby pomiar
wykonywany był za każ dym razem tym samym przyrządem, zawsze tak samo
zniekształcającym stan kontrolowanej wielkoś ci.
Na przykład producenci sprzę tu elektronicznego podają na schematach
serwisowych swoich urządzeń wartoś ci napię ć , jakie powinny wystąpić w
najważ niejszych punktach obwodu sprawnego urządzenia. Jednocześ nie podają
informację dotyczącą właś ciwoś ci woltomierza, którym należ y te napię cia
mierzyć . Podają mianowicie tzw. rezystancję wewnętrzną jednostkową woltomierza jednoznacznie charakteryzującą ten przyrząd, to znaczy nie
wymagającą jednocześ nie podawania jego zakresu pomiarowego i rezystancji
wewnę trznej.
Jest to rezystancja wewnętrzna woltomierza przypadają ca na jeden wolt zakresu pomiarowego, oznaczana często grecką literą „kappa” , np.
ℵ = 20 000 Ω/V.
Chodzi o to aby mierzący napię cia uż ytkownik zniekształcał w tym samym
stopniu istniejący stan rzeczy, w jakim był on zniekształcany u wytwórcy.
Problem oddziaływania przyrządów pomiarowych na obiekt badany daje
się bliż ej skonkretyzować . Wynika to z faktu, ż e podstawowymi przyrządami
pomiarowymi są amperomierze i woltomierze. Pozostałe przyrządy moż na uznać
za odmiany tych ostatnich lub ich złoż enia (np. watomierz).
3
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
Amperomierz włączany jest zawsze (lub prawie zawsze) szeregowo z ga-
łę zią sieci, zaś woltomierz równolegle do gałę zi (rys.1). Włącznie amperomierza
powię ksza rezystancję RG gałę zi, włączenie woltomierza zaś zmniejsza tę
rezystancję (dla prostoty ograniczamy rozważ ania do obwodów prądu stałego).
Jeż eli przed włączeniem amperomierza rezystancja gałę zi wynosiła RG, to
po włączeniu tego przyrządu bę dzie równa RG’
R’G = RG + RA
gdzie RA oznacza rezystancję wewnę trzną amperomierza
Chcąc, aby wpływ amperomierza na sieć był jak najmniejszy, czyli aby
R ≈
G R’G , musimy ż ądać , aby RA << RG.
Analogicznie, w przypadku woltomierza, jeż eli przed jego włączeniem
rezystancja gałę zi wynosiła RG , to po włączeniu tego przyrządu wyniesie
R
'
G V
R
R G = RG +
V
R
lub po prostym przekształceniu
RG
'
R
=
G
RG +1
RV
gdzie RV oznacza rezystancję wewnę trzną woltomierza
RA
A
RG
RV
V
RG
Rys. 1. Typowe sposoby włączania podstawowych przyrządów pomiarowych
4
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
Jeżeli chcemy, aby woltomierz jak najmniej zniekształcał pierwotny stan
sieci, to znaczy aby RG’ ≈ RG, powinniś my żą dać spełnienia warunku:
RG ≈ 0
V
R
to znaczy aby RV >> RG.
Zauważmy, że ograniczyliś my się tu do badania jednej tylko gałę zi sieci.
Jest to wystarczają ce, bowiem niezmiennoś ć parametrów gałę zi „obarczonej”
przyrzą dem pomiarowym gwarantuje niezmiennoś ć stanu całej sieci.
2. Przebieg pomiarów
Na wstę pie należy połą czyć układ, którego schemat przedstawiono na
rys.2.
W
R1
U1
U
220 V
Z S
z=15V=const.
V1
V2
R2
U2
Rys.2. Schemat ideowy układu pomiarowego
ZS - zasilacz stabilizowany dowolnego typu o napię ciu wyjś ciowym co
najmniej 15 V
V1, V2 - woltomierze typu LM-3 klasy 0,5
R1= R2 = 15 kΩ - rezystory umocowane na wspólnej płytce
W - dowolny wyłą cznik jednobiegunowy
5
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
2.1. Obliczenia przygotowawcze
Oblicz wartości napię cia U1, jakie pojawi się na zaciskach rezystora R1
(rys.2) po przyłą czeniu do niego woltomierza V2 na zakresach Un =1,5 V oraz Un
=3 V, jeż eli wiadomo, Ze napię cie zasilają ce Uz =15V, zaś R1=R2=15 kΩ oraz ż e
rezystancja
wewnę trzna
jednostkowa
woltomierza
V2
jest
równa
χ = 1000 Ω/V.
Celem tych obliczeń jest sprawdzenie, czy próba pomiaru napię cia U1
na podanych zakresach nie grozi przecią ż eniem woltomierza V2
Tablica 1
Zakres pomiarowy
Un V
1,5
3
woltomierza
Rezystancja wewnę trzna. RV Ω
woltomierza
Obliczony spadek
U1 V
napię cia
gdzie: RV = χ Un
2.2. Kolejność czynności
1. Przedstawić prowadzą cemu wyniki obliczeń z poprzedniego punktu
2. Przy otwartym wyłą czniku W (rys.2) należ y nastawić (kierują c się wskaza-niami woltomierza V1) napię cie Uz= 15 V.
Tablica 2
Lp.
Un
RV
U1
U2
U1+U2 k=(U1+U2)/Uz RV/R1
---
V
kΩ
V
V
V
-----
---
1.
1,5
2.
3
3.
7,5
4.
15
5.
30
Szósty pomiar wykonać woltomierzem cyfrowym
6.s
10
---
---
6
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
3. Zamknąć nastę pnie wyłącznik W i dokonać pomiarów napię ć U1, U2
woltomierzem V2, przyłączając go kolejno do zacisków rezystorów R1,
R2. Pomiary powtórzyć pię ciokrotnie, za każ dym razem nastawiając inny
(wskazany w Tablicy 2) zakres pomiarowy.
4. Szósty pomiar wykonać woltomierzem cyfrowym dowolnego typu
W sprawozdaniu należ y:
1. Wyjaś nić, dlaczego przy pomiarze napię ć U1, U2 za pomocą woltomierza
magnetoelektrycznego LM-3 suma tych napię ć była mniejsza od napię cia
zasilającego Uz. Czy wyniki pomiarów nie zaprzeczają drugiemu prawu
Kirchhoffa?
2. Dlaczego wspomniana wyż ej suma napię ć była równa napię ciu zasilającemu
Uz w przypadku pomiaru napię ć woltomierzem cyfrowym?
3. Wyjaś nić sens parametru k zdefiniowanego w Tablicy 2.
4. Sporządzić na papierze milimetrowym wykresy (o rozmiarach 11cm x 11cm)
zależ noś ci:
a) k = f1 (RV),
b) k = f2 (RV/R1).
Zinterpretować otrzymane krzywe.
3. Pytania i zadania kontrolne
I. Podaj rozwiązania zadań 1, 2, 3.
Zadanie 1
W
Jak
zmieni
się
wskazanie
amperomierza A (rys.3) po zamknię ciu
wyłącznika W, to znaczy wzroś nie, czy
R1
V
zmaleje i dlaczego, jeż eli zamknię cie
wyłącznika nie zmieni wartoś ci napię cia
zasilającego U
U
z.
z
R
2
R3
A
Rys.3. Schemat układu do Zadania 1
7
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
Zadanie 2
Jak
zmieni
się
wskazanie
woltomierza V1 (rys.4) po zamknięciu
R1
V1
wyłą cznika W, to znaczy wzroś nie, czy
U
zmaleje i dlaczego, jeż eli zamknięcie
z
wyłą cznika nie zmieni wartoś ci napięcia
zasilają cego.
R2
V2
W
Rys. 4. Schemat układu do Zadania 2
Zadanie 3
Jak
zmieni
się
wskazanie
W
R1
R2
amperomierza A (rys.5) po zamknięciu
wyłą cznika W, to znaczy wzroś nie, czy
V
zmaleje i dlaczego, jeż eli zamknięcie
A
wyłą cznika nie zmieni wartoś ci napięcia
Uz = const.
zasilają cego Uz.
R3
Rys. 5. Schemat układu do Zadania 3.
II.. Narysuj i objaś nij schemat woltomierza magnetoelektrycznego o trzech
zakresach pomiarowych.
III.. Czy zmienia się natęż enie prą du pobieranego przez woltomierz przy zmianie
zakresu pomiarowego, jeż eli założ ymy, ż e napięcie przykładane do zacisków
tego woltomierza nie ulega zmianie?
IV. Czy zmienia się natęż enie prą du pobieranego przez woltomierz przy zmianie
zakresu pomiarowego, jeż eli założ ymy, ż e w każ dym przypadku wskazówka
woltomierza odchyla się do koń ca zakresu pomiarowego?
8
Ć wi c z . N r 2 1 O d d z i a ł y wa n i e p r z y r z ą d u p o m i a r o we g o . . .
V. Podaj definicję parametru „kappa” (χ). Wyją tkowo podajemy tu prawidłową
odpowiedź .
χ
1
1
= V
R
=
=
[1/A] = [Ω/V] ,
U n
U n
I 0
V
R
gdzie RV oznacza rezystancję wewnętrzną woltomierza, Un - jego zakres
pomiarowy, zaś I0 - prą d znamionowy ustroju magnetoelektrycznego to
znaczy prą d wywołują cy pełne odchylenie wskazówki ustroju.
Tak więc parametr χ jest to rezystancja wewnętrzna jednostkowa woltomierza
przypadają ca na jeden wolt zakresu pomiarowego tego przyrzą du.
Jak widać z powyż szego równania, parametr ten zależy wyłą cznie od prą du znamionowego I0 ustroju ME uż ytego do budowy woltomierza.
VI. Oblicz, jaką wartoś ć powinien mieć prą d znamionowy I0 ustroju
magnetoelektrycznego, by moż na było zbudować w oparciu o ten ustrój
woltomierz o parametrze χ = 20 000 Ω/V.
VII. Czy twoim zdaniem parametr χ jest identyczny dla każ dego zakresu
pomiarowego woltomierza wielozakresowego ?
4. Literatura
1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa, 1972
2. Łapiń ski M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa, 1967
3 . Chwaleba A. , Poniń ski M. , Siedlecki A. Metrologia elektryczna WNT, Warszawa, 1979
4. Jellonek A. , Gą szczak J. , Orzeszkowski J. , Rymaszewski R. Podstawy metrologii elektrycznej i elektronicznej PWN, Warszawa,1980