Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów, ZSS
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pracownia elektrotechniki i elektroniki – Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie parametrów typowych woltomierzy napicia stałego ich
eksploatacji, metod pomiaru rezystancji elementów liniowych i nieliniowych o wartościach
od pojedynczych omów do kilku megaomów oraz poznanie źródeł błędów w tych pomiarach.
Szczególną uwagę zwrócono na optymalizację warunków pomiaru.
2.WIADOMOŚCI OGÓLNE O POMIARACH
Pomiar jest doświadczeniem fizycznym, polegającym na porównaniu wielkości fizycznej z pewną jej
wartością obraną za jednostkę.
W wyniku pomiaru otrzymuje się stosunek liczbowy świadczący o tym ile razy wielkość mierzona jest
większa od jednostki. Zapisując wynik należy podać zarówno stosunek liczbowy jak i jednostkę użytą do
porównania.
Porównanie wielkości mierzonej z wzorcem wymaga najczęściej użycia specjalnych urządzeń
pomiarowych. Na przykład dla określenia masy jakiegoś ciała przez porównanie jej z masą odważnika,
stanowiącego wzorzec jednostki masy, korzysta się z urządzenia pomocniczego
Dla porównania wielkości mierzonych z wzorcami urządzenia pomocnicze są niezbędne. W technice
pomiarów wielkości elektrycznych takie urządzenia pomocnicze nazywają się elektrycznymi układami po-
miarowymi.
Elektryczny układ pomiarowy stanowi na przykład mostek Wheatstone'a (czytaj —Witstona), za pomocą,
którego porównuje się oporność mierzoną z opornością wzorca.
Pomiaru można dokonać również i za pomocą przyrządu wskazówkowego, wyskalowanego uprzednio przez
porównanie z wzorcem.
Waga wskazówkowa przeznaczona do pomiaru masy, manometr do pomiaru ciśnienia, amperomierz — do
pomiaru prądu są przyrządami wskazówkowymi.
Wzorce jednostek elektrycznych, elektryczne układy pomiarowa i elektryczne przyrządy wskazówkowe,
obejmuje się wspólną nazwą elektrycznych przyrządów pomiarowych.
Nauka o budowie elektrycznych przyrządów pomiarowych i o ich zastosowaniu do pomiaru wielkości
elektrycznych nazywa się miernictwem elektrycznym.
Klasyfikacja pomiarów
Pomiary można klasyfikować wg rozmaitych cech charakterystycznych, np.:
—
wg wielkości mierzonej: pomiary długości, masy, prądu elektrycznego itp.,
—
wg dokładności wyniku,
Strona
1
z
17
Pracownia elektrotechniki i elektroniki – Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
—
wg warunków, w których dokonywany jest pomiar: pomiary laboratoryjne, warsztatowe
itp.,
—
wg przeznaczenia: pomiary naukowe, techniczne itp.,
—
wg sposobu otrzymania wyniku pomiaru,
—
wg sposobu przeprowadzenia pomiaru, tzn. wg metody pomiarowej.
Biorąc pod uwagę sposób otrzymania wyniku dzieli się pomiary na :
pomiary bezpośrednie
pomiary pośrednie.
Przy pomiarze bezpośrednim określa się wartość parametru szukanego bezpośrednio w wyniku pomiaru
parametru badanego.
Do tej grupy zaliczyć można np. pomiar długości metrem, czasu - zegarem, prądu elektrycznego -
amperomierzem.
UCHYBY
Doświadczenia fizyczne nie są doskonałe. Powodem tego jest niemożliwość uwzględnienia wszystkich
czynników wpływających na wynik doświadczenia oraz niedoskonałość zmysłów ludzkich. Wartość
otrzymana w wyniku doświadczenia zwanego pomiarem różni się od wartości rzeczywistej wielkości
mierzonej. Różnica ta nazywa się
uchybem bezwzględnym
pomiaru
Δ.
Zapisujemy to następująco:
Δ
= W
0
-W
r
gdzie:
W
0
— wartość otrzymana w wyniku pomiaru
Wr
— wartość rzeczywista wielkości mierzonej.
Uchyb bezwzględny pomiaru wyraża się w jednostkach wielkości mierzonej.
Rozpatrzmy teraz dwa przykłady.
Przykład 1
. W wyniku pomiaru prądu otrzymano wartość 5,05 A.
Wartość rzeczywista prądu wynosi 5 A.
Uchyb bezwzględny pomiaru jest równy Δ = 5,05 A — 5 A = 0,05 A.
Przykład 2
. W wyniku pomiaru prądu otrzymano wartość 19,9 A
.
Wartość rzeczywista prądu wynosi 20 A
Uchyb bezwzględny pomiaru Δ = 19,9 A — 20 A = —0,1 A.
Przy porównaniu powyższych wyników narzuca się pytanie, który z dwu pomiarów jest przeprowadzony
z większą starannością, jest bardziej doskonały, albo jak to się mówi w technice pomiarowej, który po-
miar jest dokładniejszy. Wartość bezwzględna uchybu w pierwszym przykładzie jest mniejsza
(0,05 A < 0,1 A), ale mierzona wartość prądu też jest mniejsza (5 A < 20 A).
Uchyb względny
jest wartością bezwymiarową (stanowi liczbę oderwaną).
Strona
2
z
17
Pracownia elektrotechniki i elektroniki – Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
Uchyb względny pomiaru w przykładzie pierwszym równy jest
Porównanie pomiarów pod względem dokładności umożliwia uchyb względny pomiaru. Jest to stosunek
uchybu bezwzględnego do wartości rzeczywistej wielkości mierzonej
*) Nie należy utożsamiać uchybu pomiaru z błędem; uchyb powstaje wskutek niedokładności przyrządu i
metody pomiarowej, błąd zaś — wskutek nieprawidłowego przeprowadzenia pomiaru. a w przykładzie
drugim
Pomiar w przykładzie drugim został więc wykonany z większą dokładnością.
Uchyb względny pomiaru wyraża się często w procentach
ą = A.. 100%
W przykładzie pierwszym uchyb względny wyrażony w procentach równy jest
8% = 0,01 • 100% = 1% a w przykładzie drugim 8% = -0,005 • 100% = -0,5%
2.Błędy pomiarowe.
Określanie błędów przy pomiarze rezystancji, napięcia i prądu
Wszystkie rodzaje wprowadzanych podczas dokonywania pomiaru błędów pomiarowych można udzielić na
trzy grupy:
1.
BŁĘDY SYSTEMATYCZNE,
2.
BŁĘDY PRZYPADKOWE
3.
BŁĘDY NADMIAROWE (grube).
Błędy systematyczne mają stalą wartość podczas wykonywania pomiarów i powodują zazwyczaj
przesunięcie wyników pomiarów w jedną stronę. Wstępnie można je oszacować na podstawie pojedynczego
pomiaru.
Błędy przypadkowe pojawiają się podczas wykonywania serii pomiarów, podlegają prawom statystyki
matematycznej i jedynie na podstawie starannej analizy zjawisk fizycznych towarzyszących) pomiarowi
można wnioskować o źródłach tych błędów. Jedną z metod szacowania błędów przypadkowych
Błędy nadmiarowe są wynikiem ewidentnej pomyłki człowieka lub awarii sprzętu pomiarowego.
Błędy takie należy wykreślić z serii wyników pomiarów.
Strona
3
z
17
Pracownia elektrotechniki i elektroniki – Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
3. Pomiary natężenia prądu i napięcia
w obwodach prądu stałego należą do najczęściej
spotykanych w praktyce pomiarowej. Woltomierze napięcia stałego stanowią zatem podstawowe
wyposażenie laboratoriów. Zakresy typowych przyrządów pozwalają na pomiary bezpośrednie napięć rzędu
kilkudziesięciu mili woltów do setek woltów.
Obwody, w których mierzone jest napięcie, mogą mieć różną konfigurację i parametry.
Dołączenie woltomierza może powodować znaczną zmianę napięcia, które miało być mierzone. Zmiana ta
będzie tym mniejsza , im mniejsza jest moc pobierana przez przyrząd. Moc pobierana przez woltomierz
zależy od rezystancji wewnętrznej woltomierza i wynosi :
Zatem idealny woltomierz powinien mieć rezystancję
R
v
=
Zmiana wartości mierzonej,
wskutek
włączenia
przyrządu
pomiarowego
do
obwodu
jest
przyczyną
powstania
systematycznego błędu metody. Określenie wartości tego błędu wymaga znajomości parametrów przyrządu
i obwodu , w którym mierzone jest napięcie.
Złożony z wielu elementów (źródeł napięcia, źródeł prądu, oporników) obwód prądu
stałego, można przedstawić między punktami pomiarowymi (punkty a i b) jako obwód zastępczy składający
się ze źródła napięcia E
zast
i rezystancji wewnętrznej R
w
=R
Zast
Wyznaczenie schematu zastępczego opiera się
na twierdzeniu Thcvenina
Na przykład : układ z rys.1a, w którym mierzone jest napięcie U
ab
. ma schemat zastępczy
przedstawiony na rys.3b, o parametrach określonych wzorami:
Rys.1a. Obwód pomiarowy
Rys.1b Schemat zastępczy obwodu
Woltomierz włączony na zaciski a i b wskazuje napięcie U
v
-- które może się różnić od napięcia U
ab
.
Różnica między napięciem wskazywanym przez woltomierz Uy a napięciem U
ab
zależy od prądu jaki
pobiera z układu pomiarowego woltomierz oraz rezystancji wewnętrznej źródła .
Strona
4
z
17
Pracownia elektrotechniki i elektroniki – Ćwiczenie 2.2 Wykonywanie pomiarów
Uv - U
ab
= - IR
W
= - Uv
.
R
w
/R
v
Różnica ta powoduje, że wynik pomiaru napięcia woltomierzem jest obarczony systematycznym błędem
metody, który zależy zarówno od rezystancji woltomierza jak i rezystancji obwodu R
W
Nieznajomość wartości oporności R
w
i R
v
uniemożliwia oszacowanie poprawności wyniku pomiar.
Jeśli znamy parametry obwodu i woltomierza to należy określić błąd systematyczny pomiar i ocenić
konieczność wprowadzenia poprawki. Poprawienie wyniku jest konieczne jeśli błąd metody nie jest o rząd
mniejszy od błędu granicznego woltomierza. Do oceny konieczności stosowania poprawki wygodne jest
porównanie względnego błędu granicznego przyrządu ze względnym błędem systematycznym
Rozważając pomiary napięcia i prądów stałych przyrządami analogowymi lub cyfrowymi
założono, że mierzony sygnał jest stały w czasie, tj. U (t) = const oraz i(t) = const.
W rzeczywistości powyższe warunki nie zawsze są spełnione. Obwód mierzony może być
zasilany ze źródła o niewysokim stopniu stabilizacji, lub być podany wpływom zakłóceń mających swe
źródło poza rozpatrywanym układem. Często sam przyrząd pomiarowy, zwłaszcza cyfrowy o dużej
rezystancji wejściowej, może wprowadzać zakłócenia do obwodu mierzonego. Zakłócenia zewnętrzne mogą
oddziaływać zarówno na obiekt pomiaru jak i na przewody połączeniowe. Efektem tych oddziaływań jest
ekwiwalentne źródło zakłóceń U
s
szeregowo włączone z mierzonym obiektem Ux- Podstawową przyczyną
zakłóceń jest oddziaływanie sieci elektrycznej doprowadzającej do stanowisk pomiarowych energii
niezbędnej do pracy urządzeń pomiarowych, wykonawczych, komputerów, oświetlenia, itp. Sprzężenie
między źródłem mierzonym i obwodami wejściowymi woltomierza z jednej strony a kablem energetycznym
z drugiej .Drugim czynnikiem powodującym zakłócenie mierzonego sygnału jest wadliwa konstrukcja szyny
uziemiającej, do której w punkcie (1) dołączone jest mierzone źródło a w punkcie (2) woltomierz. Jeżeli
między punktami (1) i (2) występuje oporność R szyny i przez szynę płynie prąd J
s
- to pomiędzy punktami
przyłączenia pojawi się napięcie zakłócające U
g
. Nawet nieznaczna oporność szyny (miliomy) przy dużych
prądach Js może powodować istotne zakłócenia.
Rys 2 schemat zastępczy obwodu z woltomierzem dwuzakresowym
Mierzone obiekty w wielu przypadkach posiadają, złożona, strukturę wewnętrzna.
chronioną. przed zewnętrznymi zakłóceniami ekranem magnetycznym i elektrostatycznym. W takich
przypadkach możemy do połączenia woltomierza z obiektem, wykorzystać ekranowany tabel, chroniący
doprowadzone napięcie przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi. Większość
Strona
5
z
17
[ Pobierz całość w formacie PDF ]