6. Metody i narzędzia pomiarowe

6.1 Metody pomiaru

      Metoda pomiarowa określa sposób porównania wielkości mierzonej z wzorcem tej wielkości zastosowanym w pomiarach, celem wyznaczenia wyniku pomiaru. Stosuje się różne zasady klasyfikacji metod. Praktycznie tę samą wielkość można mierzyć różnymi metodami.

      Wybór metody pomiarowej wynika przede wszystkim:

        - z uwarunkowań wykonania prób i pomiarów (laboratoryjne, przemysłowe, terenowe…,),        

        - znajomości obiektów mierzonych,        

        - rozpoznania dokumentacji technicznej obiektu,        

        - rodzaju wielkości mierzonej,        

        - wymaganej dokładności,        

       - sposobu opracowania wyników. 

      Metoda pomiarowa bezpośrednia – w metodzie bezpośredniej wartość wielkości mierzonej otrzymuje się bezpośrednio bez potrzeby dodatkowych obliczeń , np. pomiar napięcia woltomierzem, pomiar rezystancji – omomierzem, itd.

      Metoda pomiarowa pośrednia – w metodzie pomiarowej pośredniej nie mierzy bezpośrednio wielkość badaną Y, lecz wielkości A,B,C,… związane z nią zależnością funkcyjną Y = f (A,B,C), np. pomiar mocy lub rezystancji, metodą techniczną.

      Metoda pomiarowa różnicowa – jest metodą porównawczą, przy której w układzie pomiarowym występuje wzorzec wielkości o wartości zbliżonej do wartości mierzonej. Pomiar polega na określeniu różnicy ∆X między wartością wielkości mierzonej X_x a mało różniącą się od niej znaną wartością tej samej wielkości X_w, określony zależnością: X_x = X_w + ∆X.   A zatem, im mniejsza jest wyznaczona różnica ∆X, tym pomiar jest dokładniejszy.

6.2 Narzędzia pomiarowe

      Narzędzia pomiarowe są to środki techniczne służące do bezpośredniego porównania mierzonych wielkości. Narzędzia pomiarowe dzielą się na:

      1) Wzorce miary – są to narzędzia pomiarowe odtwarzające z określoną dokładnością jednej lub wielu znanych wartości danej wielkości w sposób niezmienny podczas jego stosowania. Wzorzec o największej dokładności nazywa się etalonem; przeznaczony wyłącznie do przekazywania jednostki miary innym wzorcom.

      Wzorce biorące bezpośredni udział w pomiarach nazywamy wzorcami użytkowymi.

      Wyróżnia się następujące wzorce miary:

      a) napięcia elektrycznego,

      b) napięcia stałego i przemiennego,

      c) rezystancji,

      e) indukcyjności własnej i wzajemnej,

      f) pojemności

      g) częstotliwości i czasu

      2) Przyrządy pomiarowe –są to narzędzia pomiarowe przeznaczone do przetwarzania wielkości mierzonej na wskazania lub inną równoważną informację. Pomiary przyrządem mogą być wykonywane samodzielnie lub w połączeniu z jednym lub z wieloma urządzeniami dodatkowymi. Proces przetwarzania wielkości mierzonej na wynik pomiaru odbywa się w układzie złożonym nieraz z wielu przetworników pomiarowych.

      Ze względu na rodzaj wejściowej informacji pomiarowej rozróżnia się analogowe lub cyfrowe przyrządy i przetworniki pomiarowe.

      Ze względu na rodzaj sygnału pomiarowego na wejściu i wyjściu przetwornika rozróżnia się przetworniki:

      - analogowo-analogowe (A/A)

      - analogowo-cyfrowe (A/C)

      - cyfrowo-analogowe (C/A)

      - cyfrowo-cyfrowe (C/C)

 6.3 Definicje i określenia stosowane w miernictwie elektrycznym:

      - Układy pomiarowe – zbiory przyrządów i przetworników pomiarowych umożliwiających
        pomiar wielkości mierzonej określonej na podstawie innych wielkości, pomiarów

      - Zbiory funkcjonalne przyrządów i przetworników pomiarowych objęte wspólnym sterowaniem

        umożliwiającym pobieranie i przetwarzanie informacji

      - Łańcuch pomiarowy - ciąg elementów przyrządu pomiarowego lub układu pomiarowego, tworzący drogę

        sygnału pomiarowego od wejścia do wyjścia.

      - Przyrządy pomiarowe analogowe - sygnał wyjściowy lub wskazanie jest ciągłą funkcją wielkości mierzonej

        lub sygnału wejściowego.

      - Przyrządy pomiarowe cyfrowe - sygnał wyjściowy lub wskazanie ma postać cyfrową.

      - Urządzenia rejestrujące - części przyrządu pomiarowego rejestrujące wskazanie.

      - Czujniki, sensory - elementy przyrządu pomiarowego lub łańcucha pomiarowego, na który oddziałuje

        bezpośrednio wartość mierzona.

      - Detektory, wskaźniki -urządzenia lub substancja wskazująca istnienie pewnego zjawiska, bez konieczności

        podawania wartości wielkości związanej z tym zjawiskiem.

      Narzędzia pomiarowe można podzielić również na:

      - użytkowe — przeznaczone do pomiarów użytkowych (lecz nie do sprawdzania innych narzędzi),

                           np. waga handlowa, licznik energii elektrycznej;

      - kontrolne — przeznaczone do sprawdzania innych narzędzi podlegających kontroli organów państwowej

                           służby metrologii prawnej (w Polsce — GUM). Kontrola taka obejmuje: badanie typu, legalizację

                           narzędzi pomiarowych oraz nadzór metrologiczny.   

6.4 Podział przyrządów pomiarowych

      Przyrządy pomiarowe pozwalają określić wartość mierzonej wielkości (np. napięcia elektrycznego, ciśnienia, wilgotności), zazwyczaj przy pomocy podziałki ze wskazówką lub wyświetlacza cyfrowego. Obejmują również urządzenia do rejestracji wartości, generatory pomiarowe, wzorce, analizatory itp.

      Pod względem budowy i zasady działania ustroju pomiarowego mierniki, w których wykorzystano do pomiaru pole magnetyczne prądu, dzieli się na mierniki:

      - magnetoelektryczne,

      - elektromagnetyczne,

      - elektrodynamiczne,

      - indukcyjne.

      Wyróżnia się także:

      - mierniki magnetoelektryczne z prostownikiem,

      - mierniki magnetoelektryczne ilorazowe,

      - mierniki ferrodynamiczne,

      - inne.

6.4.1 Elektryczne przyrządy analogowe

      Przyrządem pomiarowym analogowym jest narzędzie pomiarowe, które przetwarza mierzoną wielkość na wskazanie proporcjonalne do wartości wielkości mierzonej. W tym przypadku są to wychylenia wskazówki miernika określane względem skali przyrządu.

      Rozróżnia się przyrządy pomiarowe:

      - o działaniu bezpośrednim- bezpośrednim energia zużywana na wychylenie ruchomego elementu

        przyrządu jest pobierana bezpośrednio z obiektu badanego

      - o działaniu pośrednim - energia potrzebna do przemieszczenia ruchomego elementu przyrządu

        jest dostarczana ze źródła pomocniczego.

      Jednym z podstawowych parametrów przyrządów analogowych jest stała miernika. Jeżeli miernik jest wyposażony we wskaźnik, który ma naniesioną podziałkę liniową (równe odległości między kolejnymi działkami), to stała miernika jest równa stałej podziałki

      Stała podziałki S  jest to stosunek wartości nominalnej podzakresu pomiarowego X^N do maksymalnej liczby działek na podziałce miernika α^max,

S = X^N / α^max

      Podziałka jest to uporządkowany zbiór znaków (najczęściej kresek – wskazów). Dla ułatwienia odczytu niektóre z tych znaków mogą być opisane cyframi. Część podziałki między sąsiednimi wskazami nazywamy działką elementarną. Długość podziałki oraz liczba działek są ściśle zależne od klasy oraz gabarytów miernika. Im klasa wyższa tym podziałka dłuższa, a liczba działek większa.

      W przyrządach o podziałce liniowej odczytu wartości mierzonej dokonuje się mnożąc liczbę działek α, o którą wychyliła się wskazówka miernika od położenia początkowego przez stałą podziałki S.

      Jeżeli miernik ma podziałkę silnie nieliniową (różne odległości między kolejnymi działkami), to należy określić stałą fragmentu podziałki.

      Taka sytuacja zachodzi w omomierzach analogowych (Rys. 1 i 2). Przyjmuje się założenie, że na podziałce nieliniowej można określić pewne przedziały, w których jest ona liniowa. Na ogół granice takich przedziałów są opisane działkami oznaczonymi liczbowo.

Rys. 1 Skala omomierza szeregowego               Rys. 2 Skala omomierza równoległego

     Dokładność mierników wskazówkowych

     Na dokładność wykonywanych pomiarów miernikami wskazówkowymi głównie wpływają błędy związane:

     1. z urządzeniem pomiarowym,

     2. z dokładnością odczytu oraz

     3. z metodą pomiaru.

Ad.1 Błędy związane z urządzeniem pomiarowym

Błędy związane z urządzeniem pomiarowym określa się tzw. metodą odchyleniową zwaną też metodą bezpośredniego odczytu. Wartość wielkości mierzonej określa się w niej na podstawie odchylenia wskazówki narzędzia pomiarowego.

Niedokładność pomiaru wykonywanego tą metodą wynika głównie z istnienia dopuszczalnego błędu systematycznego narzędzia pomiarowego określonego jego klasą dokładności. Istnienie błędów systematycznych można stwierdzić w wyniku zastosowania innej metody pomiarowej lub zastosowania innego narzędzia pomiarowego.

Graniczny błąd względny procentowy jest to największy dopuszczalny błąd względny miernika który jest podstawą do zaliczenia go do odpowiedniej klasy dokładności oraz określa błąd miernika w normalnych warunkach użytkowania. Błąd względny miernika umożliwia porównanie dokładności przyrządów pomiarowych różnych typów pracujących na różnych zakresach pomiarowych, np.

   

Klasa dokładności przyrządu jest to maksymalny błąd bezwzględny ΔX popełniany w dowolnym miejscu skali, obliczony jako błąd procentowy w stosunku do pełnego zakresu pomiarowego, zaokrąglony do jednej szeregu znormalizowanych klas dokładności, np: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 i 5:

      Błędy związane z urządzeniem pomiarowym powstają:

        - przy użyciu narzędzi w warunkach różnych od warunków odniesienia,

        - przy użyciu narzędzia z przesuniętym położeniem zerowym lub błędnie  wykonaną podziałką oraz

        - przy przepływie mierzonego prądu nagrzewającego sprężyny wytwarzające moment zwrotny miernika

         i w konsekwencji wzrost wychylenia wskazówki.

Ad. 2 Błędy związane z dokładnością odczytu:

    - pomiary przyrządami analogowymi wymagają starannych odczytów położenia wskazówki względem podziałki;  

   - mierniki wielozakresowe wyposażone są w zasadzie w kilka skal o różnych podziałkach ułatwiających uzyskanie
     optymalnej rozdzielczości odczytu i określenie wartości mierzonej  

   - oprócz podziałek skale wyposażone są w lusterko pozwalające na eliminację tzw. efektu paralaksy,     

     który prowadzi do różnych, zależnych od kąta obserwacji, odczytów położenia wskazówki względem skali;   

   - w celu uniknięcia efektu paralaksy w czasie odczytu, należy tak dobrać pozycje obserwatora, aby obraz wskazówki

     w lusterku znajdował się na jednej linii wzroku ze wskazówką.

Ad. 3 Błędy związane z metodą pomiarową wynikają:

     - z wyboru niewłaściwej metody pomiarowej, nie odpowiadającej ściśle zależnościom między

      występującymi wielkościami,

     - z oddziaływania przyrządów pomiarowych na obiekt pomiaru, powodowane najczęściej poborem energii

       przez przyrząd ze źródła sygnału mierzonego,

     - ze stosowania przybliżonych modeli badanych zjawisk lub wyznaczenia wielkości mierzonej na podstawie

       wszelkich wzorów przybliżonych (empirycznych).

     Błędy metody można na ogół sprowadzić do wartości pomijalnych przez stosowanie odpowiednich poprawek rachunkowych lub właściwy dobór warunków pomiaru.

     Charakterystyczną cechą mierników analogowych jest zdolność rozdzielcza, która określa najmniejszą część działki możliwą do odczytania. W zależności od odległości między sąsiednimi wskazami, przyjmuje się, że zdolność rozdzielcza wynosi 0.5, 0.2 lub 0.1 mm (działki). Przyjęcie przez obserwatora zbyt małej zdolności rozdzielczej zwiększa błąd odczytu.

     Wadą przyrządów analogowych jest możliwość niedokładnego odczytu wartości wskazywanej przez urządzenie odczytowe miernika. Urządzenie to składa się z podzielni, na której naniesiona jest podziałka oraz wskazówki – materialnej (rys.3) lub świetlnej (rys.4).

Rys. 3 Wskazówka, lusterko, skale pomiarowe                               Rys. 4 Skala, wskazówka świetlna

     Wskazówka świetlna powstaje na zasadzie odbicia światła z żarówki od lusterka, na którym jest naniesiony znacznik wskazówki. Lusterko jest przymocowane do osi, której kąt odchylenia od położenia równowagi zależy od wartości wielkości mierzonej. Przemieszczająca się wzdłuż podziałki plamka uniemożliwia powstanie błędu paralaksy, ponieważ cień wskazówki znajduje się bezpośrednio na podzielni. Rys. 4.

     Dla poprawnego odczytania zmierzonej wartości w mierniku wskazówkowym należy:

     1) dokonać wyboru skali,

     2) ustalić zakres pomiaru

     Wybór skali podyktowany jest w pierwszej kolejności rozdzielczością i łatwością dokonywania przeliczeń wartości z uwzględnieniem zakresu. Zwykle skale odpowiadają dostępnym zakresom miernika w ten sposób, że liczba końcowa skali odpowiada wielokrotności (2x;3x;5x; l0x;l00x) lub podwielokrotności (1/2; 1/3; 1/5) zakresów miernika.

      Zakres pomiaru powinien być tak wybrany, by wychylenie wskazówki znajdowało sie w obszarze 50 - 90 % skali, co zapewni optymalne wykorzystanie rozdzielczości i dokładności przyrządu.

6.4.2 Mierniki cyfrowe

     Mierniki cyfroweopierają swe funkcjonowanie na przetwarzaniu ciągłego sygnału wejściowego na wartość liczbową wielkości mierzonej, zapisaną w odpowiednim kodzie cyfrowym.

    Mierniki cyfrowe są wygodniejsze w użyciu. Dzięki zastosowaniu wyświetlacza cyfrowego:

    - nie popełnia się subiektywnych błędów związanych z odczytem wskazań oraz

    - nie dokonuje się obliczeń podziałki.

    Cyfrowe metody pomiarowe mogą być zastosowane do pomiaru niemal wszystkich wielkości fizycznych zarówno elektrycznych, jak i nieelektrycznych.

    Zastosowanie tego rozwiązania może doprowadzić do powstania tzw.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.

Rys. 5 Wyświetlacz 7 segmentowy

    Łatwo zauważyć, że uszkodzenie segmentu 7 spowoduje nie rozróżnianie cyfr 8 i 0. Natomiast uszkodzenie segmentu czwartego uniemożliwi rozróżnienie cyfr 6 i 8. Zanim wykonujący pomiar zorientuje się o takim uszkodzeniu może minąć sporo czasu a pomiary będą niewłaściwe.

    Rozróżnia się dwa rozwiązania wyświetlaczy:

    2) niepełne, na których na najwyższej pozycji (pierwsza cyfra z lewej strony), może być wyświetlana

        jedynie cyfra 1 lub nie wyświetlana żadna cyfra.

    Dla wyświetlaczy pełnych rozdzielczość odczytu wyznacza się z zależności:

    gdzie:

    N – ilość wyświetlonych cyfr,

    Z – wybrany zakres pomiarowy.

    W niektórych miernikach cyfrowych dobór zakresu i określenie polaryzacji sygnału  dokonuje się automatycznie, stosownie do poziomu wartości mierzonej.

6.5 Symbole umieszczone na przyrządzie

Rys. 6 Płyta czołowa miernika wskazówkowego

6.6 Budowa przyrządów pomiarowych wskazówkowych

    Zasadniczą częścią każdego miernika elektrycznego jest ustrój pomiarowy, tj. ta część przyrządu, w której mierzona wielkość elektryczna zostaje przekształcona na wychylenie wskazówki.

    Organ ruchomy wytwarza moment zwracający(zwrotny), który równoważy moment napędowy. Do wytworzenia momentu zwracającego służą sprężynki spiralne.

    Pod działaniem momentu napędowego wskazówka wychyla się o kąt α, przy którym następuje zrównoważenie momentu napędowego przez moment zwracający. Wskutek bezwładności organu ruchomego osiągnięcie stanu równowagi nie następuje natychmiast, lecz po pewnej liczbie wahnięć. Dla skrócenia czasu wahań stosuje się tłumiki,wytwarzające moment tłumiącyw czasie ruchu organu ruchomego. Najczęściej stosuje się tłumienia: powietrzne i wiroprądowe

6.6.1 Mierniki magnetoelektryczne

    Budowane: z ruchomą cewką i nieruchomym magnesem, lub nieruchomą cewką i ruchomym magnesem.

Rys. 7 Budowa miernika magnetoelektrycznego

Oznaczenia:1. magnes trwały, 2. cewka pomiarowa na ramce aluminiowej,
3. aluminiowa ramka i rdzeń, 4. sprężynki zwrotne, 5. Nabiegunnik

    Kierunek wychylenia wskazówki zależy od kierunek przepływu prądu, zatem podczas pomiarów takim przyrządem ważna jest biegunowość. Gdy natężenie prądu podlega szybkim zmianom wychylenie wskazówki jest proporcjonalne do wartości średniej prądu. Przy przepływie prądu przemiennego, momenty działające na ceweczkę znosiłyby się w obu półokresach i w konsekwencji wskazówka pokazywałaby zero.

    Mierniki magnetoelektryczne służą zatem do pomiaru prądów stałych albo pulsujących jednokierunkowych. Dodanie prostownika umożliwia pomiar napięć i pradów przemiennych.

    Mierniki magnetoelektryczne są stosowane jako:

    - galwanometry

    - woltomierze

    - amperomierze

    Cewki mierników magnetoelektrycznych nawinięte drutem o bardzo małym przekroju ograniczają użycie mierników tego typu do pomiaru niewielkich prądów (rzędu kilkudziesięciu miliamperów), natomiast ze względu na małą rezystancję cewki – zakres napięć jest niewielki.

    W celu rozszerzenia zakresów pomiarowych stosuje się rezystory włączane równolegle do amperomierzy (boczniki) albo szeregowo do woltomierzy (posobniki).

Bocznik                                                 Posobnik

      R_pI_p = (I – I_p) R_b                               U_p = R_p∙I oraz U – U_p= R_d∙ I

6.6.2 Mierniki elektromagnetyczne

    Budowane są jako: jednordzeniowe i dwurdzeniowe.

Rys. 8 Budowa miernika elektromagnetycznego

Oznaczenia: a) jednordzeniowy, b) dwurdzeniowy, 1. aluminiowa ramka
i rdzeń wykonany z materiału miękkiego magnetycznie , 2. cewka płaska,.
3. blaszka ruchoma, 4. cewka cylindryczna, 5. blaszka nieruchoma

    W miernikach jednordzeniowych rdzeń z miękkiego materiału ferromagnetycznego jest wciągany w głąb cewki elektromagnesu, a połączona z nim wskazówka wychyla się tym bardziej, im większe jest natężenia prądu płynącego przez cewkę.

    W częściej używanych miernikach dwurdzeniowych wewnątrz cewki o kształcie cylindrycznym umieszczone są dwie blaszki: jedna nieruchoma przymocowana do cewki, druga ruchoma połączona z organem ruchomym.

    W polu magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w zwojach cewki blaszki magnesują się jednoimiennie i odpychają się niezależnie od kierunku prądu, zarówno przy prądzie stałym jak i przemiennym. Mierniki elektromagnetyczne służą do pomiaru prądów stałych i przemiennych i są stosowane jako woltomierze i amperomierze.

Właściwości mierników elektromagnetycznych:

    Woltomierze i amperomierze elektromagnetyczne różnią się od siebie uzwojeniem cewki:

    - cewka woltomierza jest wykonana z drutu nawojowego o bardzo małym przekroju i ma dużą liczbę zwojów

      (duża rezystancję wewnętrzną), przez którą przepływa mały prąd,

    - cewka amperomierza ma małą rezystancję wewnętrzną dzięki małej liczbie zwojów wykonanych z drutu   

      nawojowego o dużym przekroju.

    Mierniki elektromagnetyczne włączane bezpośrednio do mierzonego obwodu mają zakres napięciowy od kilku woltów do około 600 V, a mierzone prądy mogą mieć wartość od 50 mA do ok. 300 A.

    3) Zakres pomiarowy woltomierzy zmienia się przez zastosowanie dodatkowych rezystorów

    4) Zakres pomiarowy amperomierzy zmienia się przez zastosowanie cewek z odczepami o różnej liczbie zwojów.

Do pomiaru wysokich napięć albo bardzo dużych natężeń prądów stosuje się transformatory pomiarowe o odpowiednio dobranych przekładniach, nazywane:
    - przekładnikami napięciowymi
    - przekładnikami prądowymi.

6.6.3 Mierniki elektrodynamiczne

    Miernik elektrodynamiczny zbudowany jest z dwóch cewek:
a) cewka nieruchoma – włączona szeregowo w obwód mierzonego prądu (cewka prądowa).
b) cewka ruchoma – z włączonym szeregowo oporem dodatkowym przyłączona
równolegle do odbiornika (cewka napięciowa).

    Przez cewkę napięciową płynie prąd I_v proporcjonalny do napięcia.

Rys. 9 Budowa miernika elektrodynamicznego

Oznaczenia:1. cewka nieruchoma,. 2. cewka ruchoma, 5. sprężyna

    Obie cewki łączy się odpowiednio szeregowo (amperomierz) albo równolegle (woltomierz) i włącza do obwodu pomiarowego. Wychylenie wskazówki jest proporcjonalne do kwadratu prądu płynącego przez ustrój pomiarowy.

    Główną dziedziną zastosowań mierników elektrodynamicznych jest pomiar mocy prądu przemiennego. Przyrząd taki nazywa się watomierzem elektrodynamicznym. Mierniki elektrodynamiczne służą do pomiaru prądów stałych i przemiennych. Stosowane są jako:

    - amperomierze

    - woltomierze

    - watomierze.

    Amperomierze i woltomierze elektrodynamiczne mają bardziej złożoną budowę, są droższe od mierników magnetoelektrycznych i elektromagnetycznych, dlatego rzadziej są stosowane, głównie jako laboratoryjne przyrządy wzorcowe o dużej dokładności.

6.6.4 Mierniki indukcyjne

    Zasada działania

    Prądy I₁ i I₂ płynące w cewkach elektromagnesów wytwarzają strumienie magnetyczne pulsujące, które indukują prądy wirowe w tarczy umieszczonej w szczelinie powietrznej elektromagnesów. Na prądy płynące w tarczy umieszczonej w polu magnetycznym elektromagnesów działają siły, które powodują jej obrót. Dla zwiększenia momentu napędowego stosuje się mierniki dwustrumieniowe.

Rys. 10 Budowa miernika indukcyjnego

Prądy I₁ i I₂ płynące w cewkach elektromagnesów

    Mierniki indukcyjne są obecnie używane wyłącznie jako liczniki energii elektrycznej w obwodach prądu przemiennego.