background image

T.3.

 

BŁĘDY

 

PRZY

 

POMIARACH

 

PRZYRZĄDAMI

 

 

CYFROWYMI

 

 

 
Wstęp teoretyczny  
 
Cel:  Nauczyć  wykorzystania  podstawowych  przyrządów  pomiarowych.  Zapoznać  z  zasadami  łączenia 
obwodów  elektrycznych,  metodami  zapisu  wyniku  pomiaru,  wyznaczaniem  błędu  granicznego  oraz 
dokładności przy pomiarach bezpośrednich i pośrednich przyrządami cyfrowymi. 
 
1. Odczyt wartości mierzonej z przyrządów cyfrowych  
 

Przyrządy cyfrowe są wygodniejsze w użyciu. Dzięki zastosowaniu wyświetlacza cyfrowego nie ma 

konieczności stosowania wzoru (2) lub (3), nie popełnia się także subiektywnych błędów związanych z 
odczytem  wskazań.  Niestety  zastosowanie  tego  rozwiązania  może  doprowadzić  do  powstania  błędów 
grubych. Na wyświetlaczu oprócz cyfr składających się na wynik  wyświetlany jest także przecinek lub 
kropka  dziesiętna.  Wyświetlacze  szczególnie  typu  LED  charakteryzują  się  dość  sporą  zawodnością  i 
bardzo  często  zdarza  się,  że  przecinek  znak  ten  nie  jest  wyświetlany  ze  względu  na  uszkodzenie 
wyświetlacza.  Warto  także  przyjrzeć  się  jak  skonstruowany  jest  wyświetlacz  pojedynczej  cyfry.  Jego 
wygląd przedstawiono na rys.4.  

 

Rys.4. Wyświetlacz siedmiosegmentowy  

 

Łatwo  zauważyć,  że  uszkodzenie  segmentu  7  spowoduje  nie  rozróżnianie  cyfr  8  i  0.  Natomiast 
uszkodzenie segmentu czwartego uniemożliwi rozróżnienie cyfr 6 i 8. Zanim użytkownik zorientuje się o 
takim uszkodzeniu może minąć sporo czasu a pomiary będą niewłaściwe. 
 
2. Błąd graniczny pomiaru przyrządów cyfrowych 
 

Dla  cyfrowych  przyrządów  pomiarowych  klasa  dokładności  nie  jest  zdefiniowana.  Właściwości 

dokładnościowe są opisywane za pomocą błędu bezwzględnego wyrażanego najczęściej w postaci (7) lub 
(8). 

)

(

%

n

X

a

X

m

g

 

 

 

 

 

(8) 

gdzie – liczba cyfr na najmniej znaczącej pozycji wyświetlacza.  

Znając zakres pomiarowy oraz rozdzielczość cyfrowego przyrządu pomiarowego można wyznaczyć 

przedział  kwantowania  q  wyrażany  w  jednostkach  wielkości  mierzonej.  Następnie  liczbę  q  mnoży  się 
przez liczbę n podaną w wyrażeniu (10). W ten sposób otrzymuje się składową błędu proporcjonalną do 
wartości nominalnej podzakresu. Wyrażenie (10) jest innym sposobem wyrażenia zależności (9). W tych 
wyrażeniach stałe a i b mogą być wyrażone w procentach lub nie.  

 
W  przypadku  cyfrowych  przyrządów  pomiarowych  popełniany  jest  jeszcze  błąd  dyskretyzacji 

wynoszący 

  1  cyfra  na  najmniej  znaczącej  pozycji  wyświetlacza.  W  prawidłowo  skonstruowanym 

mierniku błąd ten nie ma większego znaczenia, ponieważ jest mniejszy od błędu analogowego 2 do 5 razy 
a nawet więcej. Zasada ta nie dotyczy częstościomierzy-czasomierzy cyfrowych, które konstruuje się tak, 
aby właśnie błąd dyskretyzacji decydował o dokładności pomiaru. 

background image

 

3. Budowa i działanie przyrządów pomiarowych wykorzystywanych w ćwiczeniu  
 
3.1. Woltomierz cyfrowy 
 

Woltomierze  cyfrowe  są  przeznaczone  do  pomiaru  napięcia  stałego  lub  zmiennego.  

Na rys.12 przedstawiono schemat blokowy woltomierza napięcia stałego. Składa się on z bloków układu 
wejściowego, przetwornika A/C, dekodera, wskaźnika cyfrowego oraz układu sterującego. 

Uk ład 

wejściowy 

Przet wornik 

A/C 

Dek oder 

Wsk aźnik 

Uk ład 

sterujący 

 

Rys.12. Schemat funkcjonalny woltomierza cyfrowego  

 

Zadaniem  układu  wejściowego  jest  wzmocnienie  zbyt  słabych  sygnałów  lub  stłumienie  zbyt 

silnych. Przetwornik A/C służy do zamiany napięcia o postaci ciągłej na sygnał cyfrowy. Sygnał ten jest 
przetwarzany do postaci zrozumiałej dla wyświetlacza cyfrowego. Z pojęciem sygnału cyfrowego wiąże 
się pojęcie kodu, za pomocą którego sygnał analogowy jest zapisany cyfrowo. Na ogół kod sygnału na 
wyjściu przetwornika A/C jest inny niż kod, który jest zrozumiały przez wyświetlacz cyfrowy. Dekoder 
jest urządzeniem zmieniającym rodzaj kodu, w którym jest zapisywany sygnał analogowy. Całością pracy 
urządzenia  steruje  układ  sterujący.  Za  pomocą  tego  układu  zmienia  się  zakres  pomiarowy  woltomierza 
(przez wybór odpowiedniego tłumienia lub  wzmocnienia w układzie wejściowym).  Układ steruje także 
pracą przetwornika A/C zmieniając jego rozdzielczość oraz czas przetwarzania, itd. 

Podstawowym blokiem woltomierza jest przetwornik A/C. Obecnie wykorzystuje się przetworniki 

wielokrotnego  całkowania  i  przetworniki  kompensacyjne.  Woltomierze  cyfrowe  osiągają  większe 
dokładności  niż  woltomierze  analogowe.  Jednak  dokładność  tych  mierników  jest  nadal  ograniczona 
przede wszystkim przez część analogową przyrządu.  
 
3.2 Amperomierz cyfrowy 
 

Amperomierze cyfrowe wykonuje się na ogół w oparciu o woltomierze cyfrowe mierząc napięcie na 

wzorcowym  rezystorze  o  niewielkiej  wartości  (np.  1

),  przez  który  płynie  mierzony  prąd.  Rezystor 

wzorcowy jest oczywiścię integralną częścią przyrządu.  

Zgodnie  z  prawem  Ohma  napięcie  na  rezystorze  jest  wprost  proporcjonalne  do  przepływającego 

przez  niego  prądu.  Dokładność  amperomierzy  cyfrowych  jest  nieco  gorsza  (rząd  lub  dwa  rzędy)  od 
dokładności  woltomierzy  cyfrowych,  ponieważ  zgodnie  z  prawem  przenoszenia  błędów  dokładność 
pomiaru  prądu  jest  sumą  dokładności  woltomierza  cyfrowego  i  dokładności  użytego  rezystora 
wzorcowego. 

 

Woltomierz 

cyfrowy  

 

 

 

 

 

 

Rys.13. Amperomierz cyfrowy  

background image

 

3.3. Omomierz cyfrowy  
 

Omomierze  cyfrowe  wykonuje  w  różny  sposób.  Najpopularniejsze  metody  polegają  na 

przetwarzaniu  rezystancji  w  napięcie  lub  w  przedział  czasu.  Na  rys.  14  przedstawiono  to  pierwsze 
rozwiązanie.  

 

Woltomierz 

cyfrowy  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.14. Omomierz cyfrowy z przetwarzaniem R/U 

 

Omomierz  cyfrowy  składa  się  z  woltomierza  cyfrowego  oraz  wzorcowego  źródła  prądowego  o 

stałej i znanej wydajności. Prąd z tego źródła płynie przez rezystor o rezystancji mierzonej. Podobnie jak 
w  przypadku  amperomierza  cyfrowego  wykorzystywane  jest  prawo  Ohma.  Omomierze  cyfrowe  są 
znacznie dokładniejsze od analogowych i osiągają dokładność rzędu części procenta i lepiej. Wadą tych 
mierników  jest  to,  że  rezystancja  mierzona  musi  być  znacznie  mniejsza  od  rezystancji  wewnętrznej 
woltomierza.  W  innym  wypadku  zależność  wskazań  przyrządu  od  rezystancji  mierzonej  przestaje  być 
liniowa, ponieważ rzeczywisty woltomierz ma skończoną rezystancję, która jest równolegle połączona z 
rezystancją badanego rezystora. 
 
 
3.4. Multimetr cyfrowy 
 

Przetwornik 

R/U 

Woltomierz 

cyfrowy 

Przetwornik 

I/U 

masa 

 

Rys.15. Schemat blokowy multimetru cyfrowego 

 

Multimetry  cyfrowe  mierzą  na  ogół  znacznie  więcej  wielkości  niż  multimetry  analogowe.  Ich 

budowa  oparta  jest  o  woltomierz  cyfrowy.  Ich  idea  polega  na  tym,  że  każdą  z  mierzonych  wielkości 
przetwarza się w napięcie stałe, a to napięcie mierzy się woltomierzem cyfrowym. 
 
 
 

.  

 

background image

 

Objaśnienia:  
Okre

ślanie  błędów  wskazań  przyrządów  analogowych  (wskazówkowych)  i  cyfrowych  różni 

si

ę  w  zasadniczy  sposób.  W  przypadku  przyrządów  cyfrowych  błędy  wykonywanych  nimi 

pomiarów  oblicza  się  w  odmienny  sposób.  Przede  wszystkim  nie  występuje  tu  pojęcie  klasy 
dokładności,  a informacje  dotyczące  dokładności  podawane  przez  producentów,  są  dość 
obszernym  zbiorem  różnorakich  liczb.  Dzieje  się  tak  dlatego,  że  produkowane  przyrządy 
cyfrowe skupiaj

ą w sobie wiele różnych funkcji pomiarowych – stąd ich nazwa – multimetry.   

Przeci

ętny  multimetr  pozwala  na  pomiar  napięć  i  prądów  stałych  i  zmiennych  oraz 

rezystancji.  Bardziej  złożone  przyrządy  tego  rodzaju  mierzą  dodatkowo  indukcyjność, 
pojemno

ść elektryczną, częstotliwość, temperaturę, itp.   

Dokładność  cyfrowych  przyrządów  pomiarowych  określana  jest  w  sposób bardziej  złożony 

niż  elektrycznych  mierników  wskazówkowych.  Nie  istnieje  tu  pojęcie  klasy  dokładności,  tak 
charakterystycznej  dla  przyrz

ądów  wskazówkowych.  Poza  tym  brak  jest  jednolitego  sposobu 

podawania  przez  różnych  wytwórców  granicznych  błędów  wskazań  charakteryzujących 
dokładność ich wyrobów. Sposób określania błędów jest w dodatku różny dla poszczególnych 
funkcji  pomiarowych  w  ramach  tego  samego  przyrz

ądu  (np.  inny  dla  pomiaru  napięć  stałych, 

a inny dla napi

ęć zmiennych).  

Należy  dodać,  że  renomowane  firmy  produkujące  aparaturę  pomiarową  najwyższej  klasy 

(np.  ameryka

ńska  firma  KITHLEY),  podają  wartości  błędów  wskazań  swoich  produktów, 

zastrzegaj

ąc  jednocześnie,  że  wartości  te  gwarantowane  są  tylko  w określonym  przedziale 

czasu, po upływie którego powinny być ponownie poddane sprawdzeniu u wytwórcy.  

Niżej  zaprezentowano  kilka  charakterystycznych  sposobów  określania  przez  wytwórców, 

zarówno  krajowych  jak  i  zagranicznych  dokładności  wskazań  produkowanych  przez  nich 
multimetrów cyfrowych. Podane przykłady, powinny w dostatecznym stopniu wyjaśnić sposoby 
korzystania przez u

żytkowników z informacji podawanych w instrukcjach fabrycznych cyfrowych 

przyrz

ądów pomiarowych.  

 
 

Multimetr cyfrowy typu V561 

Jest 

to 

produkt 

warszawskiego  Zakładu  Elektronicznej  Aparatury  Pomiarowej 

MERATRONIK.  Zwróćmy uwagę,  że multimetr jest wielofunkcyjnym przyrządem pomiarowym, 
dlatego  jego  dokładność  określona  jest  nie  w  postaci  jednej  liczby,  tak  jak  ma  to  miejsce  w 
przypadku  przyrz

ądów  wskazówkowych,  ale  stanowi  zwykle  stosunkowo  obszerny  zbiór 

informacji,  podaj

ący  różne  dokładności  wskazań  dla  poszczególnych  funkcji  pomiarowych 

(pomiar  napi

ęcia,  natężenia  prądu,  rezystancji,  itp.),  poszczególnych  rodzajów  mierzonych 

wielko

ści  (prąd  stały,  prąd  zmienny),  a  także  dla  poszczególnych  przedziałów  mierzonych 

warto

ści i poszczególnych przedziałów częstotliwości mierzonych wielkości zmiennoprądowych.  

 

1. Błąd pomiaru napięć stałych (DC) 

Na wstępie przytaczamy dosłownie informację podaną przez wytwórcę:  

Błąd pomiaru:  

0,5% w.m. ± 1 cyfra  

co  oznacza,  że  graniczny  (maksymalny)  błąd  bezwzględny  wskazań 

x

U

 

wyra

ża  się 

nast

ępująco:  

x

U

  =  0,5%  warto

ści  zmierzonej  ±  wartość  napięcia  odpowiadająca  ostatniej  cyfrze 

maksymalnego  wskazania 

max

W

  na  nastawionym  zakresie  pomiarowym  gdzie 

1 cyfra zwi

ązana jest z tzw. błędem dyskretyzacji.  

Dla omawianego multimetru wytwórca podaje jako maksymalne następujące wskazanie:  

max

W

= 1999  

 

(3,5 cyfry)  

To maksymalne  wskazanie  odpowiada  różnym  wartościom  napięcia  dla  różnych  zakresów 

pomiarowych,  a  wi

ęc  także  różnym  wartościom  napięcia  odpowiadającym  ostatniej  cyfrze 

wy

świetlanego wyniku pomiaru. Przedstawia to pokazana niżej Tabela. 

 

background image

 

Zakres 

pomiarowy Un 

 

Warto

ść napięcia 

odpowiadaj

ąca 

maksymalnemu wskazaniu 

(zakresowi pomiarowemu) 

 

Warto

ść napięcia 

odpowiadaj

ąca ostatniej 

cyfrze wy

świetlanego 

wyniku 

 

200 mV 

2 V 

20 V 

200 V 

1000 V 

 

199,9 mV 

1,999 V 
19,99 V 
199,9 V 

1999 V (teoretycznie

 

0,1 mV 

0,001 V 

0,01 V 

0,1 V 
1,0 V 

 

 
Przykład 1
.  

Oblicz  wzgl

ędny  błąd  maksymalny  (graniczny),  z  jakim  mierzone  jest  napięcie 

x

U

  =  12  V  na 

zakresie pomiarowym 

N

U

 = 20 V.  

Rozwi

ązanie: 

Bior

ąc pod uwagę dane producenta, napiszemy: 

x

U

 = 0,

5 % w.m. ± 1 cyfra 

U nas: w.m. = 12 V 
1 cyfra odpowiada 0,01 V, st

ąd: 

x

U

 = 0,5 % * 

12 V ± 0,01 V = 

= 0,005 * 

12 V ± 0,01 V = 

= 0,

06 V ± 0, 01 V 

Zakładając  skrajnie  niekorzystny  z  punktu  widzenia  dokładności  pomiaru  przypadek, 

przyjmiemy, 

że błąd dyskretyzacji 0,01 V ma znak dodatni, skąd ostatecznie: 

x

U

 

= 0,07 V.  

Znajomo

ść tego błędu pozwala na określenie przedziału, w którym z wysoką ufnością  

(P = 0,9973) zawiera si

ę wartość rzeczywista mierzonego napięcia: 

12 [V] - 0, 07 [V] 

≤ 

x

U

 

≤ 12 [V] + 0, 07 [V] 

albo:   

 

 

11,93 [V] 

≤ 

x

U

 

≤ 12,07 [V] 

 
Poszukiwany błąd względny natomiast wyniesie: 

 
 

 

 
Uwaga:  

ścisłej  (teoretycznej)  definicji  błędu  względnego  w  mianowniku  powinna  znaleźć  się 

warto

ść  rzeczywista  wielkości  mierzonej.  Jak  wiadomo,  nigdy  jej  nie  znamy,  dlatego  wartość 

rzeczywist

ą  zstępuje  się  wartością,  która  najlepiej  ją  przybliża.  Najczęściej  jest  to  średnia 

arytmetycz

na  wyników  wielokrotnie  powtórzonego  pomiaru.  W  szczególnym  przypadku,  gdy 

dysponujemy  jednym  tylko  wynikiem  pomiaru  (jak  to  ma  miejsce  w  powy

ższym  przykładzie), 

wynik ten uznajemy za przybli

żoną wartości rzeczywistą wielkości mierzonej. 

Łatwo  sprawdzić,  że  gdyby  na  zakresie  20  V  mierzone  było  napięcie 

x

U

  =  1  V, 

błąd 

wzgl

ędny  wyniósłby  7  %.  Widzimy  więc,  że  w  przyrządach  cyfrowych,  podobnie  jak  w 

analogowych  (wskazówkowych),  błąd  względny  pomiaru  zależy  od  stosunku  wskazań  do 
zakresu pomiarowego. Mierz

ąc przy pomocy przyrządu cyfrowego należy więc zadbać o to, by 

jego zakres pomiarowy jak najmniej 

różnił się od wartości mierzonej wielkości.  

 

 
 

%

58

,

0

%

100

]

[

12

]

[

7

,

0

%

100

V

V

U

U

U

X

X

x

background image

 

Multimetr cyfrowy typu V-560 
 
Jest to produkt warszawskich Zakładów Elektronicznej Aparatury Pomiarowej MERATRONIK.  
Błąd pomiaru napięć stałych (DC):  
Wytwórca podaje w tym wypadku następującą informację: 

Uchyby pomiaru (oryginalna terminologia 

wytwórcy

a) dla podzakresów 100 mV i 1 V:    

± 0,1 % w.m. ± 0,05 % w.z. 

b) dla podzakresów 10 V, 100 V, 1000 V:   ± 0,2 % w.m. ± 0,05 % w.z. 

co  oznacza, 

że  graniczny  (maksymalny)  błąd  bezwzględny  wskazań 

x

U

 

wyra

ża  się 

nast

ępująco, (np. dla podzakresu 

N

U

 = 10 V): 

x

U

 

= ± 0,2 % wartości mierzonej ± 0,05 % wartości zakresu 

 
Przykład.  
Oblicz  wzgl

ędny  błąd  maksymalny  (graniczny),  z  jakim  mierzone  jest  napięcie 

x

U   =  8  V  na 

zakresie pomiarowym 

N

U

 = 10 V.  

 

R

ozwiązanie 

x

U

 

= ± 0,2 % x 8 V ± 0,05 % x 10 V = 

= ± 0,002 × 8 V ± 0,0005 × 10 V = 
= ± 0,016 V ± 0,005 V = ± 0,021 V 

 
Założono  tu  skrajnie  niekorzystny  przypadek,  gdy  oba  składniki  błędu mają  ten  sam  znak. 

Znajomo

ść  tego  błędu  pozwala  na  określenie  przedziału,  w  którym  z  wysoką  ufnością  (P  = 

0,9973) zawiera si

ę wartość rzeczywista mierzonego napięcia: 

8 [V] - 0,021 [V] 

≤ 

x

 ≤ 8 [V] + 0,021 [V] 

albo:   

7,979 [V] 

≤ 

x

 ≤ 8,021 [V] 

 
Poszukiwany błąd względny natomiast wyniesie: 

 
 
 
 

 
 
Multimetr cyfrowy firmy KITHLEY MODEL 2000 
 
Błąd pomiaru napięć stałych (DC):  

Rozpatrywany  przyrz

ąd  jest  najwyższej  klasy  multimetrem  cyfrowym  o  wielu 

skomplikowanych  funkcjach  pomiarowych.  Przykładowo  obliczymy  tu  błąd  pomiaru  napięcia 
stałego (DC) na zakresie 10 V. Dla zakresu 10 V (DC) producent podaje dokładność wskazań 
multimetru w nast

ępującej formie: 

Accuracy = ± (30 ppm of reading + 5 ppm of range) 

co  oznacza, 

że  graniczny  (maksymalny)  błąd  bezwzględny  wskazań 

x

U

 

wyra

ża  się 

nast

ępująco: 

x

U

 

= ± (30 ppm wartości odczytanej ± 5 ppm zakresu pomiarowego) 

Wyja

śnimy na wstępie znaczenie skrótu ppm. 

ppm - parts per million (cz

ęści na milion) 

1 ppm = 0,000 001 = 0,0001% (jedna milionowa cz

ęść) 

10 ppm = 0,000 010 = 0,001% (dziesi

ęć milionowych części) 

 

%

26

,

0

%

2625

,

0

%

100

]

[

*

8

]

[

*

021

,

0

%

100

V

V

U

U

U

X

X

x

background image

 

Przykład.  

Oblicz wzgl

ędny błąd maksymalny (graniczny), z jakim multimetr mierzy napięcie 

x

U

 = 5 V 

na zakresie pomiarowym 

N

U

 = 10 V. 

Rozwiązanie 

Bior

ąc pod uwagę dane producenta, napiszemy: 

x

U

 

= ± (30 ppm * 5 V + 5 ppm * 10 V) = 

= ± (0,000 030 × 5 V + 0,000 005 × 10 V) = 
= ± (0,000 150 V + 0,000 050 V) = 
= ± (150 µV + 50 µV) = ± 200 µV = ± 0,0002 V 

 
Znajomo

ść tego błędu pozwala na określenie przedziału, w którym z wysoką ufnością (P = 

0,9973) zawiera si

ę wartość rzeczywista mierzonego napięcia: 

5 [V] - 0,0002 [V] 

≤ 

x

U

 

≤ 5 [V] + 0,0002 [V] 

albo: 

4,9998 [V] 

≤ 

x

U

 

≤ 5,0002[V] 

 
Poszukiwany błąd względny natomiast wyniesie:  

 

 
 
 

Otrzymana w przykładzie wartość granicznego (maksymalnego) błędu wskazań świadczy o 

rzeczywi

ście wysokiej klasie rozpatrywanego przyrządu.  

 

onego 

%

004

,

0

%

100

]

[

*

5

]

[

*

10

*

200

%

100

6

V

V

U

U

U

X

X

x