background image

 

 

1

MIERNICTWO ELEKTRYCZNE W ENERGETYCE 

 
 
 
 
 
Program wykładu 

•  Technika pomiarów i podstawy rachunku błędów  

•  Rodzaje mostków pomiarowych ze szczególnym uwzględnieniem mostków  

wysokonapięciowych  

•  Przekładnik prądowy i napięciowy  

•  Stany pracy normalnej i awaryjnej przekładników  

•  Pomiary mocy czynnej i biernej w układach z przekładnikami prądowymi 

i napięciowymi  

•  Pomiary energii  

•  Zasady pomiaru wielkości nieelektrycznych  

•  Przetworniki tensometryczne, temperatury, ciśnienia i drgań  

 

 

Literatura 

1.  Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A., Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa, 

1994 

2.  Zatorski A., Rozkrut A., Miernictwo elektryczne - materiały do ćwiczeń 

laboratoryjnych, Wydawnictwo AGH, 1994 

3.  Rylski A., Metrologia II, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2000 
4.  Ratyńska J., Zarys miernictwa elektrycznego i elektronicznego, Wydawnictwo 

Politechniki Radomskiej, Radom 2002 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

background image

 

 

2

Metrologia - dziedzina wiedzy, zajmująca się pomiarami. 
Pomiary
 - doświadczenia, których wynikiem są zarówno oceny jakościowe jak i ilościowe. 
Istotą każdego pomiaru jest porównanie wartości mierzonej z wzorcem miary tej wielkości. 
 
Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Od 
wzorców wymaga się niezmienności w czasie, dużej dokładności,  łatwego odtwarzania 
i stosowania.  
Wzorce charakteryzują się następującymi parametrami: 
• nominalna miara wzorca 
• niedokładność miary wzorca 
• okres zachowania niedokładności miary wzorca 
• warunki, w których miara i dokładność są zachowane 
 
Przykłady wzorców miar 

•  wzorce napięcia 

•  wzorce rezystancji 
•  wzorce pojemności i indukcyjności 

•  wzorce czasu i częstotliwości 

 
 
Ogniwo Westona 
Umieszczone jest w szklanym naczyniu, w które wtopione są platynowe elektrody. Dodatni 
i ujemny biegun ogniwa stanowią odpowiednio rtęć (Hg) i  amalgamat kadmu (Cd 9-Hg), 
natomiast elektrolitem jest nasycony roztwór siarczanu kadmowego (CdSO4 ). 

 

Ogniwo wzorcowe Westona 

Dla temperatury 20

0

C wartość napięcia na zaciskach ogniwa jest równa 1,018636V. 

Z ogniwa nie należy pobierać prądu przez dłuższy czas. Największy dopuszczalny, 
krótkotrwały prąd pobierany wynosi 1μA. Ogniwo wyładowywane w ciągu 3 min prądem 
20μA odzyskuje właściwe napięcie dopiero po 3h. Pobór prądu przekraczającego 100μA 
powoduje uszkodzenie ogniwa. Ogniwa nasycone Westona są wrażliwe na wstrząsy 
i wibracje. 
 
Oporniki wzorcowe 
Użytkowe wzorce rezystancji stanowią oporniki wykonane z drutu i taśm rezystancyjnych. 
Podział wzorców rezystancji: 
- wzorce  nienastawne,  odtwarzające jedną wartość rezystancji - zwane opornikami 
wzorcowymi
 
-  wzorce nastawne, odtwarzające wiele wartości rezystancji - zwane opornikami dekadowymi

background image

 

 

3

Elementy rezystancyjne oporników wzorcowych wykonuje się ze stopów miedzi znanych pod 
nazwami handlowymi manganin i nikrothal, charakteryzujące się niskim współczynnikiem 
temperaturowym rezystancji.  

 

Schemat elektryczny oraz budowa opornika wzorcowego 

 

Oporniki wzorcowe mają po dwie pary zacisków prądowych i napięciowych.  
Zaciski prądowe służą do doprowadzenia prądu do opornika, a zaciski napięciowe do pomiaru 
napięcia na oporniku. Stosowanie zacisków prądowych i napięciowych zmniejsza błędy 
spowodowane rezystancjami przejścia na styku przewodów łączących i zacisków, zwłaszcza 
tam, gdzie są one porównywalne z wartością rezystancji opornika wzorcowego. 
 
 
 
TECHNIKA WYKONYWANIA POMIARÓW PRZYRZĄDAMI ANALOGOWYMI 
 
Przyrząd magnetoelektryczny 
 

 

Zasada działania przyrządu magnetoelektrycznego opiera się na oddziaływaniu pola 
magnetycznego magnesu trwałego na cewkę z prądem elektrycznym, do którego 
przymocowana jest wskazówka. 
 
 

background image

 

 

4

Przyrząd elektromagnetyczny 

 

Zasada działania miernika elektromagnetycznego polega na oddziaływaniu pola 
magnetycznego cewki przewodzącej prąd, na ruchomy rdzeń ferromagnetyczny umieszczony 
w tym polu. Wskazówka połączona z rdzeniem wskazuje wartość prądu przepływającego 
przez cewkę. Im większy prąd przepływa przez cewkę, tym silniej jest wciągany rdzeń, tym 
większy jest moment i większe odchylenie wskazówki.

 

 
Symbole stosowane do opisu przyrządów analogowych 

Oznaczenie 

symboliczne 

Rodzaj mierzonego przez ustrój pomiarowy prądu 

 

Stały 

 

Przemienny 

 

Stały i przemienny 

 

Oznaczenie 

symboliczne 

 

 

Poziome położenie pracy przyrządu 

 

Pionowe położenie pracy przyrządu 

 

Skośne położenie pracy przyrządu, np. 60° 

1,5 

Wskaźnik klasy dokładności 

 

Napięcie probiercze 500V 

background image

 

 

5

 

Napięcie probiercze większe niż 500V (np. 2 kV) 

 

Przyrząd nie podlegający próbie wytrzymałości elektrycznej izolacji 

 

Oznaczenie 

symboliczne 

Nazwa ustroju pomiarowego 

 

Magnetoelektryczny z magnesem stałym 

 

Magnetoelektryczny z prostownikiem 

 

Magnetoelektryczny ilorazowy 

 

Elektromagnetyczny 

 

Elektrodynamiczny 

 

Ferrodynamiczny 

 

Typowe zastosowania 

 

 

 

Prąd stały 

 

 

 

Prąd przemienny 

 

 

      

 

 

 

      

 

 

      

 

 

 

      

 

 

Ω 

 

----------- 

 

     

 

 

 

    

 

 

Var 

-----------   

 

    

 

 

 

background image

 

 

6

Błąd pomiarów analogowych 
 

 

 

Rys. 1. Definicja błędu pomiaru 

 

 

)

(t

f

Δ

 - błąd statyczny,  

)

(t

f

=

Δ

 - błąd dynamiczny 

 
 
Błąd

 

Δ  pomiaru powstaje wskutek niedoskonałości narzędzi pomiarowych, nieodpowiednich 

warunków pomiaru oraz nieumiejętności obserwatora. 
 
 
 
BŁĘDY PRZYRZĄDÓW ANALOGOWYCH 
 
Błąd bezwzględny 

r

m

W

W

=

Δ

 

 
Błędem bezwzględnym posługujemy się do określenia dokładności wyniku pomiaru i jego 
zaokrąglenia. Błąd ten nie nadaje się do porównywania różnych wyników pomiarów lub 
porównywania narzędzi o różnych zakresach pomiarowych. 
 
 
Błąd względny 

%

100

Δ

=

m

W

δ

 

Błąd ten stosowany jest do określania dokładności narzędzi i metod pomiarowych 
 
Właściwości pomiarowe przyrządów pomiarowych określa się za pomocą klasy dokładności 
 
0.1, 0.2 – przyrządy laboratoryjne 
0.5, 1.0, 1.5 – przyrządy techniczne 
> 1.5 – wskaźniki 
 
 
Klasa dokładności  

%

100

max

Δ

=

zakres

kl

 

 

background image

 

 

7

Maksymalny błąd jaki może popełnić przyrząd w dowolnym miejscu skali, podzielony przez 
zakres pomiarowy przyrządu i pomnożony przez 100. 
 
Klasa dokładności określa błąd podstawowy przyrządu pomiarowego w jego normalnych 
warunkach użytkowania. 
Wskazania przyrządu pracującego w warunkach różniących się od normalnych mogą być 
obarczone błędami dodatkowymi 
 
 
Przykład 
Woltomierzem o klasie dokładności równej 0,5 i zakresie pomiarowym wynoszącym 100V 
zmierzono: 
a)  1V 
b)  20V 
c)  80V 
d)  100V 
Obliczyć błąd pomiaru napięcia dla każdego z powyższych przypadków. 
 

100

zakres

kl

=

Δ

=  

V

5

.

0

100

100

5

,

0

=

 

 

a) 

%

50

%

100

1

5

.

0

=

=

δ

 

b) 

%

5

.

2

%

100

20

5

.

0

=

=

δ

 

c) 

%

625

.

0

%

100

80

5

.

0

=

=

δ

 

d) 

%

5

.

0

%

100

100

5

.

0

=

=

δ

 

 
Wniosek 
Należy tak dobierać zakres pomiarowy przyrządów, aby wskazówka znajdowała się przy 
końcu skali. 
 
 
 
Błędy pomiarów pośrednich 
 

)

...,

,

,

(

2

1

n

x

x

x

f

- relacja pośrednia określająca wielkość mierzoną 

n

- liczba przyrządów pomiarowych 

 
dla 3

n

 

n

n

x

x

f

x

x

f

x

x

f

F

Δ

+

+

Δ

+

Δ

=

Δ

...

2

2

1

1

 

 
dla 

3

>

n

 

background image

 

 

8

2

2

2

2

2

1

1

...

⎟⎟

⎜⎜

Δ

+

+

⎟⎟

⎜⎜

Δ

+

⎟⎟

⎜⎜

Δ

=

Δ

n

n

x

x

f

x

x

f

x

x

f

F

 

 
 
Przykład 
Obliczyć  błąd pośredniego wyznaczenia wartości rezystancji w oparciu o pomiar napięcia 
i prądu. 
 

I

U

R

=

 

 

I

I

U

U

I

I

I

R

U

U

R

R

Δ

+

Δ

=

Δ

+

Δ

=

Δ

2

1

 

 

I

I

U

U

I

R

Δ

+

Δ

=

Δ

2

1

                / 

R

1

⋅  

 

I

I

U

R

U

I

R

R

R

Δ

+

Δ

=

Δ

2

1

1

1

 

 

I

I

U

U

I

U

I

U

I

R

R

Δ

+

Δ

=

Δ

2

1

 

 

I

I

U

U

R

R

Δ

+

Δ

=

Δ

 

 

I

U

R

δ

δ

δ

+

=

 

 
 
 
 
TECHNIKA WYKONYWANIA POMIARÓW PRZYRZĄDAMI CYFROWYMI 
 

 

W porównaniu z przyrządami analogowymi przyrządy cyfrowe charakteryzuje: 
- duża liczba funkcji i zakresów pomiarowych 
-  wygoda odczytu (nie występuje błąd paralaksy) 
-  duża szybkość pomiaru 
-  niska cena 
-  możliwość automatyzacji pomiarów (interfejs) 
 
Podstawowe parametru przyrządów cyfrowych: 
- liczbę cyfr znaczących,  
- rozdzielczość (czułość)  
- niepewność pomiaru 
 

background image

 

 

9

Liczba cyfr znaczących 

oznacza ile pełnych cyfr (z zakresu od 0 do 9) może być pokazanych 

na wyświetlaczu przyrządu. Dodatkowe oznaczenie ułamkowe w postaci 

4

3

,

2

1

 oznacza, 

że na najbardziej znaczącej pozycji wyświetlacza może pojawić się cyfra odpowiednio z 
zakresu 

.

3

0

,

1

0

÷

÷

 

 
Rozdzielczość 

miernika cyfrowego to najmniejsza wartość jaka może być wyświetlona na 

danym zakresie pomiarowym i odpowiada najmniej znaczącej cyfrze wyświetlacza. Często 
definicja ta jest rozumiana jako iloraz najmniejszej wartości jaka może być wyświetlona na 
danym zakresie do wartości tego zakresu. 
 
Czułość 

przyrządu związana jest z jego rozdzielczością i określa jego zdolność do 

reagowania na najmniejszą zmianę wielkości mierzonej. Czułość jest podawana w 
jednostkach wielkości mierzonej. 
 
Przykład 
Przyrząd cyfrowy 

2

1

3

 pracujący na zakresie 250 mV ma czułość 0,1mV. 

 

 
Schemat blokowy przyrządu cyfrowego 

 

 

 
 
 

Obwody wejściowe 

umożliwiają zmianę zakresu pomiarowego przyrządu, a ich funkcja 

uzależniona jest od funkcji realizowanych przez przyrząd cyfrowy: 
- woltomierze - dzielniki napięcia 
- amperomierze - boczniki 
Funkcje układu sterowania

- automatyczny dobór zakresu 
- wyzwalanie cyklu pomiarowego 
- zapisywanie wyniku do pamięci 
 
Interfejsy

 umożliwiają włączenie przyrządu cyfrowego w strukturę komputerowego systemu 

pomiarowego (GPIB, RS‐232C, USB). 
 
Nowoczesne przyrządy wyposażone są w monolityczne układy scalone (wzmacniacze 
operacyjne)  i realizują pomiary napięć i prądów przemiennych w oparciu o definicję wartości 
skutecznej 

background image

 

 

10

=

T

0

2

sk

dt

)

t

(

u

T

1

U

 

Przyrządy takie oznacza się symbolem “TrueRMS” (ang. True Root Mean Square) dla 
podkreślenia, że mierzą prawdziwą wartość skuteczną sygnałów o różnych kształtach. 
Nie uwzględniają one jednak zawartości składowej stałej w sygnale mierzonym. 
Wyznaczenie wartości skutecznej sygnału przemiennego ze składową stałą (oznaczenie 
TrueRMS AC+DC)

 wymaga wykonania dwóch niezależnych pomiarów: dla prądu stałego 

i przemiennego. W takim przypadku wartość skuteczną oblicza się według zależności: 

2

DC

2

AC

DC

AC

U

U

U

+

=

+

 

 

 

Sposoby zapisu dokładności przyrządów cyfrowych 

 

Dokładność podstawową przyrządu cyfrowego, określającą jego dopuszczalny błąd graniczny 
przedstawia najczęściej wyrażenie 

 

   

 

±(a% 

x

U

 + b cyfr) 

 

x

U

 - 

wartość mierzona  

 

 
Pierwszy składnik przedstawia składową analogową o wartości względnej a%, a drugi 
składową cyfrową

 błędu.  

W zależności od potrzeb, przedstawione wyrażenie służy do obliczania wartości 
bezwzględnej lub względnej błędu granicznego.  
Składnik ,,b cyfr” oznacza wartość wynikającą ze zwielokrotnienia b razy rozdzielczości  
przyrządu cyfrowego - 

x

r

U

Δ

 

 

 

b cyfr  

≡ b

x

r

U

Δ

 

 

Rozdzielczość jest parametrem, określającym zdolność przyrządu do rozróżniania bliskich 
sobie wartości wielkości mierzonej 

x

U

. Dla przyrządów cyfrowych rozdzielczość określona 

jest wartością jednostki (pojedynczego kwantu) wielkości mierzonej, wskazywanej przez 
ostatnie pole odczytowe wyświetlacza.  
Dla przyrządów wielozakresowych rozdzielczość uzależniona jest od zakresu pomiarowego, 
dla którego wykonywany jest pomiar 
np. dla odczytu 115,2V przyrząd ma rozdzielczość  

x

r

U

Δ

 =0,1V 

      dla odczytu 32,86mV przyrząd ma rozdzielczość  

x

r

U

Δ

 = 0,01mV = 10

μV 

Dopuszczalne błędy graniczne wyrażone odpowiednio wartością bezwzględną i względną  
wielkości mierzonej, wyznacza się z zależności: 

)

U

b

%

100

U

%

a

(

U

x

r

x

x

g

Δ

+

=

Δ

  

%

100

U

U

b

%

a

%

100

U

U

U

x

x

r

x

x

g

x

g

Δ

+

=

Δ

=

δ

 

background image

 

 

11

Przykład

  

Dokładność podstawową przyrządu przedstawiono zależnością: 0,5%U

+ 3 cyfry. Pomiar 

wykonano na zakresie pomiarowym 

,

V

10

U

z

=

 natomiast odczyt wynosi  U

= 8,242V. 

Wyznaczyć błędy graniczne dla tego pomiaru.  
 

 

Dla wykonanego pomiaru rozdzielczość wynosiła 

.

V

001

,

0

U

x

r

=

Δ

 

Zatem 

%

,

%

V

,

V

,

U

V

,

,

,

V

,

,

%

V

,

%

,

U

x

g

x

g

8

0

=

100

242

8

066

0

=

066

0

=

0247

0

+

0412

0

=

242

8

001

0

3

+

100

242

8

5

0

=

Δ

δ

 

 
 
Drugi sposób zapisu błędów przyrządów cyfrowych przedstawia wyrażenie 

 

 

± (a

 

x

U

 + c % 

z

U

 

 
W tym przypadku dopuszczalne błędy graniczne wyznacza się w oparciu o relacje: 

+

=

Δ

%

100

U

%

c

%

100

U

%

a

U

z

x

x

g

 

%

)

U

U

%

c

%

a

(

U

x

z

x

g

+

=

δ

 

 
Przykład  
Dokładność przyrządu o zakresie 250mV przedstawiono zależnością     

z

x

U

%

1

,

0

U

%

5

,

0

+

Wskazanie wyniosło 230,5mV.  
 
Błędy graniczne wynoszą: 
 

%

58

,

1

%

085

,

1

%

5

,

0

mV

5

,

230

mV

250

%

1

,

0

%

5

,

0

U

mV

40

,

1

25

,

0

1525

,

1

%

100

mV

250

%

1

,

0

%

100

mV

5

,

230

%

5

,

0

U

x

g

x

g

=

+

=

+

=

δ

=

+

=

+

=

Δ

 

 
 
Wniosek 
W pomiarach wartości bliskich zakresowi w błędzie granicznym dominuje składowa 
analogowa, natomiast w pomiarach wartości małych względem zakresu przeważa  składowa 
cyfrowa błędu.