Politechnika
𦤳
Bia ostocka
!
Wydzia Elektryczny
!
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu
"#
METROLOGIA 1
Kod przedmiotu:
F02021
$wiczenie pt.
ODDZIA YWANIE PRZYRZ DU PO
%
&
MIAROWEGO
NA OBIEKT BADANY
Numer wiczenia
#
21
Autor
Dr in . Ryszard Piotrowski
'
Bia ystok 2006
!
𧄃
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
2
1. Wprowadzenie
ddzia ywanie elektrycznych przyrz dów pomiarowych na obiekt
!
(
badany (sie elektryczn ) polega na zmianie rozk adu napi i
#
(
!
"#
rozp!
(
(
!
!(
(
ywu pr dów, jak wywo uje w czenie tych przyrz dów do sieci.
W czenie do sieci (obwodu elektrycznego) przyrz du pomiarowego oznacza
!(
(
bowiem w istocie zmian konfiguracji tego obwodu spowodowan pojawieniem
"
(
si w nim dodatkowej impedancji (rezystancji). W
"
rezultacie zniekszta ceniu
!
ulega tak e stan wielko ci, któr zamierzali my zmierzy . Zmiany te mog by
'
)
(
)
#
( #
w niektórych wypadkach pomijalnie ma e, w innych bardzo wyra ne, zawsze
!
*
jednak istniej . Planuj c pomiar, nale y wybra tak metod oraz takie
(
(
'
#
(
"
narz dzi
" a pomiarowe, które wspomniane zniekszta cenie sprowadz do
!
(
pomijalnie ma ych rozmiarów. Gdy jednak jest to niemo liwe, nale y
!
'
'
spróbowa ustali warto poprawki, jaka powinna by wniesiona do wyniku
#
#
)#
#
pomiaru.
Niekiedy celem pomiaru nie jest okre lenie war
)
to ci rzeczywistej
)
mierzonej wielko ci, lecz kontrola jej stanu. Wystarczy wtedy, aby pomiar
)
wykonywany by za ka dym razem tym samym przyrz dem, zawsze tak samo
!
'
(
zniekszta caj cym stan kontrolowanej wielko ci.
! (
)
Na przyk ad producenci sprz tu elektroniczne
!
"
go podaj na schematach
(
serwisowych swoich urz dze warto ci napi , jakie powinny wyst pi w
( +
)
"#
( #
najwa niejszych punktach obwodu sprawnego urz dzenia. Jednocze nie podaj
'
(
)
(
informacj dotycz c w a ciwo ci woltomierza, którym nale y te napi cia
"
( ( ! )
)
'
"
mierzy . Podaj
#
( mianowicie tzw. rezystancj wewn trzn jednostkow
"
"
(
(
woltomierza jednoznacznie charakteryzuj c ten przyrz d, to znaczy nie
( (
(
wymagaj c jednocze nie podawania jego zakresu pomiarowego i rezystancji
( (
)
wewn trznej.
"
Jest to rezystancja wewn trzna woltomierza p
"
rzypadaj ca na jeden
(
wolt zakresu pomiarowego, oznaczana cz sto greck liter kappa ,
"
(
( ,
- np.
= 20 000 :/V.
O
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
3
Chodzi o to aby mierz cy napi cia u ytkownik zniekszta ca w tym samym
(
"
'
! !
stopniu istniej cy stan rzeczy, w jakim by on zniekszta cany u wytwór
(
!
!
cy.
Problem oddzia ywania przyrz dów pomiarowych na obiekt badany daje
!
(
si bli ej skonkretyzowa . Wynika to z faktu, e podstawowymi przyrz dami
"
'
#
'
(
pomiarowymi s amperomierze i woltomierze. Pozosta e przyrz dy mo na
(
!
(
'
uzna za odmiany tych ostatnich lub ich
#
z o enia (np. watomierz).
! '
Amperomierz w czany jest zawsze (lub prawie zawsze) szeregowo z
!(
ga zi sieci, za woltomierz równolegle do ga zi (rys.1). W cznie
!" (
)
!"
!(
amperomierza powi ksza rezystancj R
"
"
*
ga zi, w czenie woltomierza za
!"
!(
)
zmniejsza t rezysta
"
ncj (dla prostoty ograniczamy rozwa ania do obwodów
"
'
pr du sta ego).
(
!
Je eli przed w czeniem amperomierza rezystancja ga zi wynosi a R
'
!(
!"
!
*
, to
po w czeniu tego przyrz du b dzie równa R
!(
(
"
*
.
R.
*
= R
*
+ R
$
gdzie R
$
oznacza rezystancj wewn trzn amperomierz
"
"
(
a
Chc c, aby wp yw amperomierza na sie by jak najmniejszy, czyli aby
(
!
# !
R
*
|
R.
*
, musimy da , aby R
'( #
$
R
*
.
Analogicznie, w przypadku woltomierza, je eli przed jego w czeniem
'
!(
rezystancja ga zi wynosi a R
!"
!
*
, to po w czeniu tego przyrz du wynie
!(
(
sie
'
G
R
G
R
V
R
G
R
V
R
lub po prostym przekszta ceniu
!
'
G
R
G
R
G
R
V
R
1
gdzie R
9
oznacza rezystancj wewn trzn woltomierza
"
"
(
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
4
𨱛
R
$
𨱛
R
*
𨱛
R
9
𨱛
R
*
𨱛
V
𨱛
A
Rys. 1. Typowe sposoby w czania podstawowych przyrz dów pomiarowych
!(
(
Je eli ch
'
cemy, aby woltomierz jak najmniej zniekszta ca pierwotny stan
! !
sieci, to znaczy aby R
*
. | R
*
, powinni my da spe nienia warunku:
)
'( #
!
G
R
V
R
|
0
to znaczy aby R
9
!! R
*
.
Zauwa my, e ograniczyli my si tu do badania jednej tylko ga zi siec
'
'
)
"
!"
i.
Jest to wystarczaj ce, bowiem niezmienno parametrów ga zi obarczonej
(
)#
!"
,
-
przyrz dem pomiarowym gwarantuje niezmienno stanu ca ej sieci.
(
)#
!
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
5
2. Pomiary I
2.1. Obliczenia przygotowawcze
Oblicz warto ci napi cia U
)
"
, jakie pojawi si na zaciskach re
"
zystora R
(rys.2) po przy czeniu do niego woltomierza V
!(
na zakresach U
Q
=1,5 V oraz
U
Q
=3 V, je eli wiadomo, Ze napi cie zasilaj ce U
'
"
(
]
=15V, za R
)
=R
=15 k:
oraz e rezystancja wewn trzna jednostkowa woltomierza V
'
"
jest równa
F
= 1000 :/V.
Celem tych oblicze jest sprawdzenie, czy próba pomiaru napi cia U
+
"
na podanych zakresach nie grozi przeci eniem woltomierza V
('
Tablica 1
Zakres pomiarowy
woltomierza
U
n
V
1,5
3
Rezystancja wew.
woltomierza
R
V
:
Obliczony spadek
napi cia
"
U
1
V
gdzie: R
9
= F U
n
2.2. Uk ad pomiarowy
!
Na wst pie nale y po czy uk ad, którego schemat przedstawiono na
"
'
!( #
!
rys.2.
Z S
220 V
R
R
U
U
1
W
U
]
=15V=const.
V
1
V
2
Rys.2. Schemat ideowy uk adu pomiarowego
!
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
6
ZS - zasilacz stabilizowany o napi ciu wyj ciowym co najmniej 15 V
"
)
V
, V
- woltomierze typu LM-3 klasy 0,5
R
= R
= 15 k: - rezystory zamkni te we wspólnej obudowie
"
W - wy cznik jednobiegunowy
!(
2.3. Kolejno czynno ci
)#
)
1. Przedstawi prowadz cemu wyniki oblicze z poprzedniego punktu
#
(
+
2. Przy otwartym wy czniku W (rys.2) nale y nast
!(
'
awi (kieruj c si
#
(
"
wskazaniami woltomierza V
) napi cie U
"
]
= 15 V.
3. Zamkn nast pnie wy cznik W i dokona pomiarów napi U
(#
"
!(
#
"#
, U
woltomierzem V
, przy czaj c go kolejno do zacisków rezystorów R
!(
(
,
R
. Pomiary powtórzy pi ciokrotnie, za ka dym razem nas
# "
'
tawiaj c inny
(
(wskazany w Tablicy 2) zakres pomiarowy.
4. Szósty pomiar wykona woltomierzem cyfrowym dowolnego typu
#
Tablica 2
𧄃
Lp.
U
Q
R
9
U
U
U
+U
k=(U
+U
)/U
]
R
9
/R
---
V
k:
V
V
V
-----
---
1
1,5
2
3
3
7,5
4
15
5
30
Szósty pomiar wykona woltomierzem cyfrowym
#
6
10
---
---
W sprawozdaniu nale y
'
:
1. Wyja ni , dlaczego przy pomiarze napi U
) #
"#
, U
za pomoc woltomierza
(
magnetoelektrycznego LM-3 suma tych napi by a mniejsza od napi cia
"# !
"
zasilaj cego U
(
]
. Czy wyniki pomiarów nie zaprzeczaj drugiemu prawu
(
Kirchhoffa?
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
7
2. Dlaczego wspomniana wy ej suma napi by a równa napi ciu zasilaj cemu
'
"# !
"
(
U
]
w przypadku pomiaru napi woltomierzem cyfrowym?
"#
3. Wyja ni sens parametru k zdefiniowanego w Tablicy 2.
) #
4. Sporz( #
dzi na papierze milimetrowym wykresy (o rozmiarach 11cm x 11cm)
zale no ci
' )
a) k = f
(R
9
),
b) k = f
(R
9
/R
).
Zinterpretowa otrzymane krzywe.
#
2. Pomiary II
Ten punkt programu przebiega b dzie analogicznie do poprze
# "
dniego,
z t ró nic , e u yty zostanie inny zestaw rezystorów. Ich rezystancja
( ' ( '
'
wynosi 5,1 M , co stworz
/
a zupe nie odmienne warunki pomiaru.
!
Schemat uk adu pomiarowego przedstawiono na rysunku 2.
!
U
=
= 15 V
W
5,1 M/
5,1 M/
R
R
U
U
Z
S
𧄃
Rys. 2. Schemat uk adu pomia
!
rowego
𧄃
ZS 0 zasilacz stabilizowany co najmniej 15 V
V
0 woltomierz magnetoelektryczny o zakresie pomiarowym 15 V
V, V 0 identyczne woltomierze magnetoelektryczne o zakresach 7, 5 V
W 0 wy cznik jednobiegunowy
!(
R, R 0 rezystory o jednakowych rezystancjach 5,1 zamkni
/
"te we wspólnej
obudowie
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
8
Przy zamkni tym wy cznik W nale y podnosi stopniowo napi cia U
"
!(
'
#
"
=
a do osi gni cia 15 V. Odczyta wskazania woltomierz przy czonych do
'
( "
#
!(
rezystorów R. Zapisa wskazania tych przyrz dów w Tablicy 3.
#
(
Nast pnie,
"
nie zmieniaj c warto ci napi cia U
(
)
"
=
, nale y
' otworzy wy cznik W
#
!(
i ponownie zapisa wskazania obydwu woltomierzy.
#
Tablica 3
U
=
U
U
V
V
V
15
WY CZNIK
%&
ZAMKNI TY
1
U
=
U
U
V
V
V
15
WY CZNIK
%&
OTWARTY
W sprawozdaniu nale y
'
:
1. Skomentowa wskazania ob
#
ydwu woltomierzy
a) przy zamkni tym wy czniku
"
!(
b) przy otwartym wy czniku
!(
c) wyja nij, dlaczego przy otwartym wy czniku W dolny woltomierz
)
!(
wskazuje zero ?
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
9
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Podaj rozwi zania
(
Zada 1, 2, 3
+
.
Zadanie 1
𧄃
𪏋
W
R
1
R
2
A
𪏋
V
𪏋
R
3
U
Z
Rys. 3. Schemat uk adu do zadania 1
!
Jak zmieni si wskazanie
"
amperomierza A (rys.3) po zamkni ciu
"
wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy
!(
)
zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie
'
"
wy cznika nie zmieni warto ci
!(
)
napi cia zasilaj cego U
"
(
]
.
Zadanie 2
𪞳
R
2
R
1
W
U
z
V
V
𪞳
Rys. 4. Schemat uk adu do zadania 2
!
Jak zmieni si wskazanie
"
woltomierza V
(rys.4) po zamkni ciu
"
wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy
!(
)
zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie
'
"
wy cznika nie zmieni warto ci
!(
)
napi cia zasilaj cego.
"
(
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
10
Zadanie 3
𪾃
R
R
W
A
𪾃
V
𪾃
U
]
R
Rys. 5. Schemat uk adu do zadania 3
!
Jak zmieni si wskazanie
"
amperomierza A (rys.5) po zamkni ciu
"
wy cznika W, to znaczy wzro nie, czy
!(
)
zmaleje i dlaczego, je eli zamkni cie
'
"
wy cznika nie zmi
!(
eni warto ci
)
napi cia zasilaj cego U
"
(
]
.
2. Narysuj i obja nij schemat woltomierza magnetoelektrycznego o trzech
)
zakresach pomiarowych.
2. Czy zmienia si nat enie pr du pobieranego przez woltomierz przy zmianie
"
"'
(
zakresu pomiarowego, je eli za o ymy, e napi
'
! '
'
"
!
cie przyk adane do zacisków
tego woltomierza nie ulega zmianie?
4. Czy zmienia si nat enie pr du pobieranego przez woltomierz przy zmianie
"
"'
(
zakresu pomiarowego, je eli za o ymy, e w ka dym przypadku wskazówka
'
! '
'
'
woltomierza odchyla si do ko ca zakresu po
"
+
miarowego?
5. Podaj definicj parametru kappa (
"
,
- F). Wyj tkowo podajemy tu prawid ow
(
! (
odpowied .*
F
= V
R
n
U
n
U
V
R
I
1
1
0
[1/A] = [:/V] ,
gdzie R
9
oznacza rezystancj wewn trzn woltomierza, U
"
"
(
Q
- jego zakres
pomiarowy, za I
)
- pr d znamionowy ustro
(
ju magnetoelektrycznego, to znaczy
pr d wywo uj cy pe ne odchylenie wskazówki ustroju.
(
! (
!
Tak wi c parametr
"
F
jest to rezystancja wewn trzna jednostkowa woltomierza
"
przypadaj ca na jeden wolt zakresu pomiarowego tego przyrz du.
(
(
Jak wida z powy szego równan
#
'
ia, parametr ten zale y wy cznie od pr du
'
!(
(
znamionowego I
ustroju ME u ytego do budowy woltomierza.
'
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
11
6. Oblicz, jak warto powinien mie pr d znamionowy I
(
)#
#
(
ustroju
magnetoelektrycznego, by mo na by o zbudowa w oparciu o ten ustrój
'
!
#
woltomierz o parametrze F = 20 000 :/V.
7. Czy twoim zdaniem parametr F (kappa) jest identyczny dla ka dego zakresu
'
pomiarowego woltomierza wielozakresowego ?
4. Literatura
1. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 2003
2. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972
𧄃
$
!
(
wicz. Nr 21 Oddzia ywanie przyrz du pomiarowego ...
12
Wymagania BHP
Warunkiem przyst pienia do praktycznej realizacji wiczenia jest
(
#
zapoznanie si z instrukcj BHP i instrukcj przeciw po arow oraz
"
(
(
'
(
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urz dzenia dost pne na
(
"
stanowisku laboratoryjnym mog posiada instrukcje stanowiskowe. Przed
(
#
rozpocz ciem pracy nale y zapozna si z instrukcjami stanowiskowymi
"
'
# "
wskazanymi przez prowadz cego.
(
W trakcie zaj laboratoryjnych nale y przestrzega nast puj cych zasad.
"#
'
#
" (
i
Sprawdzi ,# czy urz dzenia dost pne na stanowisku laboratoryjnym s w
(
"
(
stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie.
(
i
Sprawdzi prawid owo po cze urz dze .
#
!
)# !( +
( +
i
Za czenie napi cia do uk adu pomiarowego mo e si odbywa po
!(
"
!
'
"
#
wyra eniu zgody przez prowadz ceg
'
( o.
i
Przyrz dy pomiarowe nale y ustawi w sposób zapewniaj cy sta
(
'
#
(
!(
obserwacj , bez konieczno ci nachylania si nad innymi elementami
"
)
"
uk adu znajduj cymi si pod napi ciem.
!
(
"
"
i
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek prze cze oraz wymiana
!( +
elementów sk adowyc
!
h stanowiska pod napi ciem.
"
i
Zmiana konfiguracji stanowiska i po cze w badanym uk adzie mo e si
!( +
!
' "
odbywa wy cznie w porozumieniu z prowadz cym zaj cia.
#
!(
(
"
i
W przypadku zaniku napi cia zasilaj cego nale y niezw ocznie wy czy
"
(
'
!
!( #
wszystkie urz dzenia.
(
i
Stwierdzone wszelkie braki w wyposa eniu stanowiska oraz
'
nieprawid owo ci w funkcjonowaniu sprz tu nale y przekazywa
!
)
"
'
#
prowadz cemu zaj cia.
(
"
i
Zabrania si samodzielnego w czania, manipulowania i korzystania z
"
!(
urz dze nie nale cych do danego wiczenia.
( +
'(
#
i
W przypadku wyst pienia pora enia pr dem elektrycznym nale y
(
'
(
'
niezw ocznie wy czy zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomoc
!
!( #
(
wy cznika bezpiecze stwa, dost pnego na ka dej tablicy rozdzielczej w
!(
+
"
'
laboratorium. Przed od czeniem napi cia nie dotyka pora onego.
!(
"
#
'
𧄃