background image

 

W O J SK O W A  AK A DE M I A  T E C H N I C Z N A 

 

ZAKŁAD AWIONIKI I UZBROJENIA LOTNICZEGO 

 

 
 

 
 
 

 

 

 

 

 
 

Ćwiczenie laboratoryjne: 

 

POMIARY 

PARAMETRÓW 

OBWODU 

ELEKTRYCZNEGO 

PRĄDU STAŁEGO 

 

 

 

 

Prowadzący: mgr inż. Artur Kurnyta 

 
 
 

 
 
 

 
 
 

 
 
 

 
 
 

 

 

Warszawa 2013 

background image

 

I.         Cel ćwiczenia 
 

Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  metod  i  warunków  poprawnego  pomiaru  napięcia  i 

natężenia  prądu  stałego,  przyrządami  analogowymi  i  cyfrowymi,  oraz  kształtowanie 
umiejętności korzystania z przyrządów do takich pomiarów. 
 
II.        Wiadomości wstępne
 
 
POMIAR NAPIĘCIA 
 

Napięcie jest różnicą potencjałów występujących między dwoma zaciskami obwodu 

elektrycznego.  Stałość  napięcia  oznacza  jego  niezmienność  w  czasie.  Obwody,  w  których 
dokonywany jest pomiar napięcia lub prądu, mogą posiadać różną konfigurację i parametry. 
Przyłączenie  przyrządu  pomiarowego  do  badanego  obwodu  narusza  stan  energetyczny 
obwodu  powodując  zmianę  wartości  mierzonej.  Zmiana  ta  będzie  tym  mniejsza,  im 
mniejszą  moc  będzie  pobierał  włączony  do  obwodu  przyrząd.  Tak  więc  włączenie  do 
obwodu  przyrządu  pomiarowego  jest  zatem  jedną  z  przyczyn  systematycznego  błędu 
metody pomiaru napięcia lub prądu. 

 

W  celu  pomiaru  napięcia  występującego  na  elemencie  obwodu  elektrycznego  należy 
podłączyć woltomierz równolegle do tego elementu (rys. 1). 

Rys. 1. Sposób włączenia woltomierza do pomiaru napięcia na rezystancji Ro 

 

Obciążenie  obwodu  przyrządem  powoduje  systematyczny,  ujemny  błąd  pomiaru 

(zmniejszenie napięcia na mierzonym elemencie w wyniku pobierania prądu przez przyrząd 
pomiarowy)  zwany  błędem  metody.  Różnica  między  wartością  napięcia  Uv  zmierzoną 
woltomierzem,  a  rzeczywistą  wartością  napięcia  Uo  (przed  włączeniem  woltomierza),  jest 
błędem bezwzględnym metody pomiarowej: 

 

 

Natomiast względny błąd metody zostaje wyrażony zależnością: 
 

 

 
 

Jak  wynika  z  powyższego,  rezultat  pomiaru  napięcia  woltomierzem  obarczony  jest 

błędem  systematycznym  metody,  tym  mniejszym,  im  większa  jest  jego  rezystancja 
wewnętrzna R

v

 od rezystancji wewnętrznej źródła R

w

. 

background image

 

Jeśli  błąd  metody  nie  jest  pomijalnie  mały  (mniejszy  co  najmniej  o  jeden  rząd 

wielkości)  względem  błędu  podstawowego  przyrządu  (określonego  klasą  dokładności),  to 
wynik  pomiaru  należy  skorygować  dodając  do  niego  poprawkę  równą  bezwzględnemu 
błędowi metody ze znakiem przeciwnym (p=-A

m

). 

Błąd metody można znacznie zmniejszyć używając woltomierzy o dużej rezystancji 

wejściowej,  np. elektroniczne (analogowy  lub cyfrowy)  lub też zastosować kompensatory. 
Mierniki  te  charakteryzują  się  rezystancją  wejściową,  praktycznie  nie  obciążającą  źródła 
napięcia. 
 
 
POMIAR PRĄDU 
 
W podobny sposób można przeanalizować pomiar natężenia prądu. Pomiar natężenia prądu 
płynącego  w  obwodzie  lub  przez  dany  element  obwodu  wymaga  szeregowego  włączenia 
amperomierza bądź to w obwód lub bądź z danym elementem (rys.2). 
 

 

Rys.2. Sposób włączenia amperomierza w celu pomiaru natężenia prądu płynącego przez odbiornik R. 

 

Włączenie  amperomierza  powoduje,  że  natężenie  prądu  I

o

  płynącego  w  obwodzie 

(przed  włączeniem  amperomierza)  ulegnie  zmniejszeniu  do  wartości  I

A

 

(którą  wskazuje 

włączony w obwód amperomierz). 

Błąd bezwzględny metody pomiaru natężenia prądu amperomierzem wyniesie: 

 

 

A błąd względny: 
 

 

gdzie: Ro=R

w

+R - rezystancja wypadkowa obwodu bez amperomierza, zwykle R

W

«R. 

 

Zatem,  im  mniejsza  rezystancja  wewnętrzna  R

A

 

amperomierza  w  stosunku  do 

wypadkowej  rezystancji  obwodu  R

o

,  tym  błąd  metody  pomiaru  natężenia  prądu  będzie 

mniejszy. Jeśli błąd metody nie jest mały względem błędu podstawowego przyrządu, należy 
wynik skorygować dodając do niego poprawkę. 

background image

 

Niekiedy,  natężenie  prądu  mierzy  się  metodą  pośrednią,  poprzez  pomiar  spadku 

napięcia  na  wzorcowym  rezystorze  R

wz

,  przez  który  płynie  mierzony  prąd.  Wartość 

rezystancji  wzorcowej,  ze  względu  na  błąd  metody,  powinna  być  jak  najmniejsza,  ale 
jednocześnie taka, aby błąd pomiaru napięcia był możliwie mały. 

W  przypadku  mierników  elektromechanicznych  wielozakresowych  zmiana 

rezystancji  wewnętrznej  następuje  ze  zmianą  zakresu  pomiarowego  miernika,  zaś  w 
przypadku mierników elektronicznych zależy to od ich konstrukcji. Zwykle dla woltomierzy 
elektronicznych jest duża i niezależna od zakresu pomiarowego. 
 
POMIAR REZYSTANCJI 
 

Metody  techniczne  pomiaru  rezystancji  oparte  są  na  prawie  Ohma.  Wyróżnia  się: 

pomiar  rezystancji  w  układzie  poprawnie  mierzonego  napięcia  i  pomiar  rezystancji  w 
układzie poprawnie mierzonego prądu. 

Układ poprawnie mierzonego napięcia (rys. 3) stosowany jest do pomiaru rezystancji 

o wartości małej w stosunku do rezystancji woltomierza. 

 

 

Rys. 3. Układ poprawnie mierzonego napięcia 

 
Rezystancję R, którą chcemy wyznaczyć, można zapisać: 
 

   

 

 

 

 

 

Przez amperomierz płynie prąd: 
 

 

 

   

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Jeśli  wyznaczymy  rezystancję  dzieląc  wskazanie  woltomierza  przez  wskazania 
amperomierza włączonego jak na rys. 3., to obliczymy: 
 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

Błąd systematyczny poprawnie mierzonego napięcia wyniesie: 
 

  

    

   

      

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

     

 

 

 

  

   

 

 

 

 

Błąd systematyczny jest ujemny. 
 
Wynik pomiaru po usunięciu błędu systematycznego: 
 

 

    

   

      

    

    

   

      

 

 

   

 

 

 

 

 
 

Układ poprawnie mierzonego prądu (rys. 4.) stosowany jest do pomiaru rezystancji o 

wartościach dużych w porównaniu z rezystancją amperomierza. 
 

 

Rys. 4. Układ poprawnie mierzonego prądu 

 
Jeżeli  wskazania  woltomierza obliczymy  dzieląc  wskazania  amperomierza to  w tym  przypadku 
otrzymamy: 
 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 
Błąd systematyczny w układzie poprawnie mierzonego prądu wyniesie: 
 

  

    

   

      

     

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

   

 

 

 
Błąd  systematyczny  jest dodatni, czyli wynik pomiaru tą metodą jest zawyżony o wartość 
rezystancji amperomierza. Wynik pomiaru po uwzględnieniu błędu systematycznego: 
 

 

    

   

      

   

 

 

 
Wyniki  pomiaru  rezystancji  metodą  poprawnie  mierzonego  napięcia  i  metodą  poprawnie 

background image

 

mierzonego prądu różnią się, jeśli nie wprowadzono poprawek. 
 
PRZYRZĄDY POMIAROWE 
 
Do    pomiarów        napięć    i    prądów    stałych    stosuje    się    najczęściej    przyrządy 
magnetoelektryczne  i  elektromagnetyczne  oraz  elektroniczne  analogowe  i  cyfrowe. 
Niedokładność  przyrządów  pomiarowych  podawana  jest  przez  wytwórcę   i  służy  do 
określenia  niepewności  pomiaru  wielkości  mierzonej  w  warunkach  znamionowych. 
Najczęściej    niedokładność    przyrządów    elektromechanicznych    charakteryzowana    jest 
klasą dokładności (kl), czyli liczbą wyrażającą względną wartość graniczną błędu wskazań 
w odniesieniu do wartości umownej: 
 

 

 
gdzie:  
Δ

max

   –  maksymalny błąd bezwzględny pomiaru,  

W

max

–W

min

  –  zakres pomiarowy.  

 
Dla  przyrządów  magnetoelektrycznych  i  elektromagnetycznych  wartością  umowną  
najczęściej jest zakres pomiarowy.   
W przyrządach cyfrowych producent określa  inaczej niepewność pomiaru, mianowicie  
poprzez podanie jej wartości bezwzględnej wg zależności np.: 
 

 

 
gdzie:  
δ

Z

   –  względna niepewność graniczna odniesiona do zakresu pomiarowego XZ;  

δ

X

  –  względna niepewność graniczna odniesiona do wartości mierzonej napięcia X;  

X  –  cyfrowy wynik pomiaru (wynik surowy);  
X

Z

  –  zakres pomiarowy (podzakres). 

 

Woltomierze    i    amperomierze    magnetoelektryczne    stosowane    do    pomiarów  

napięć    i  prądów    stałych    budowane    są    najczęściej    jako    przyrządy    wielozakresowe.  
Podziałki przyrządów  magnetoelektrycznych  są  liniowe.  Klasy  dokładności  przyrządów 
magnetoelektrycznych    mieszczą    się    w    przedziale    od    0,2    do    1,5.    Rezystancja  
wewnętrzna woltomierzy Rv elektromechanicznych  jest zależna od zakresu pomiarowego  i 
określana  jest jako  rezystancja przypadająca na 1 V napięcia, np. zapis 1000 Ω/V oznacza, 
że    rezystancja  wewnętrzna    Rv    woltomierza    na    zakresie    50    V    wynosi    50    kΩ.  
Rezystancja    jednostkowa  woltomierza  magnetoelektrycznego  wynosi  5÷50  kΩ/V. 
Rezystancja    R

A

    wewnętrzna    amperomierzy    jest    podawana    najczęściej    pośrednio, 

poprzez  podanie  spadku  napięcia  dla  odpowiedniego  zakresu  pomiarowego,  np.  30 mV  
dla  zakresu    0,6  A;    stąd  R

A

=0,05  Ω.  Rezystancja    amperomierza    zależy    od    zakresu  

prądowego  i wynosi  od  ok.  kilku  miliomów  dla  zakresów  10  A,  do  ok.  kilku  kΩ  dla  
zakresu mikroamperowego. 

Woltomierze    i    amperomierze    zbudowane    z    wykorzystaniem    przetwornika 

elektromagnetycznego  charakteryzują  się  poborem  mocy  zdecydowaniem  większym  niż  
przyrządy  magnetoelektryczne  (nawet  do  kilku  VA).  Produkowane  są  w  klasach 

background image

 

dokładności  od  0,5  do  1,5.  Podziałki    tych  przyrządów    są  nieliniowe.  Przedział 
nieliniowości  (ok. 10 %) znajduje  się  najczęściej  na  początku  podziałki.  Rezystancję  
wewnętrzną    woltomierzy    i  amperomierzy  tego  typu  określa  się  podobnie  jak  dla 
przyrządów magnetoelektrycznych. 

Przystąpienie    do    pomiarów    przyrządami    „wskazówkowymi”    wymaga    często 

wyznaczenia  tzw.  stałej  c  podziałki  (zakresu).  Jest  to  wartość  wielkości  mierzonej 
odpowiadająca działce elementarnej podziałki. Oblicza się ją z zależności:  
 

 

 
Zakres    pomiarowy,    czyli  wartość  wielkości  mierzonej    odpowiadająca  maksymalnemu 
odchyleniu  wskazówki,  jest  podany  przy  zaciskach  przyrządu  lub  przy  przełączniku 
zakresów.  Liczbę  działek  obliczeniowych  określa   liczba  umieszczona  przy  ostatniej  
kresce podziałki.  
 
III 

Pomiary 

 

A.  Dobór elementów układu 

 
Dla jednego z wariantów (przedstawionych poniżej) wyznaczyć wartości rezystancji i  mocy  
rezystorów  (wartości  U  i  I  zostaną  podane  przez  wykładowcę  w  czasie ćwiczenia) 
oraz  wartości  prądów  w  poszczególnych  gałęziach  obwodów    i  spadków  napięć  na 
poszczególnych rezystancjach. 
 

 

 
Zbudować  obwód,  zgodnie  z  wybranym  wariantem  obliczeniowym,  wykorzystując 
rezystory  o  obliczonych  wartościach.  Dokonać    pomiaru    wartości    napięć    i    prądów    w  
poszczególnych    punktach  zbudowanego  obwodu  i  porównać  je  z  wartościami 
obliczeniowymi. Przeprowadzić analizę błędów pomiarowych. 
 
 
 

background image

 

B.  Pomiary rezystancji metodą poprawnie mierzonego napięcia i prądu 

 
Należy  mierzyć  5-krotnie  rezystancję  dwu  oporników.  Przed  pomiarami,  znając  moc  i 
orientacyjną wartość rezystancji określić dopuszczalne wartości prądu i napięcia dla danego 
opornika. Na podstawie znanych rezystancji amperomierza i woltomierza wybrać właściwy 
układ pomiarowy.  
 

 

  

  √ 

 

   

 

 

gdzie: 
R

gr

 – wartość mierzonej rezystancji, przy której błędy obu metod będą takie same; 

R

A

 – opór wewnętrzny amperomierza; 

R

V

 – opór wewnętrzny woltomierza; 

 
Następnie  połączyć  układ  pomiarowy  według  schematu  podanego  na  rys.  3.  lub  rys.  4. 
Wyniki  zanotować  w  tabeli  wg  poniższego  wzoru.  Obliczyć  odpowiednie  poprawki 
rezystancji i wyznaczyć R

popr

 
Tabela 1. Pomiar rezystancji metodą techniczną  

Lp. 

U

z

 

R

zmierz

 

ΔR

syst

 

R + ΔR

syst

 

R

popr

 

Ω 

Ω 

Ω 

Ω 

Ω 

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

… 

  

  

  

  

  

  

  

  

 
 

C.  Na  specjalnie  przygotowanym  układzie,  odnaleźć  elementy  elektroniczne  z 

wykorzystaniem  multimetru  oraz  zanotować  ich  wartość  (układ  zostanie 
przedstawiony w trakcie zajęć). 

 
 
IV 

Sprawozdanie 

 
Sprawozdanie powinno zawierać: 

  Podpisany przez prowadzącego ćwiczenie protokół pomiarów; 

 

Wykaz przyrządów wraz z niezbędnymi danymi (klasa, zakres pomiarowy, opór) 

  Tabele pomiarowe; 

 

Przykładowe obliczenia; 

 

Niezbędne wykresy i rysunki; 

  Wnioski.