Lekcja 6. Wzorcowanie przyrządów pomiarowych

Wstęp

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady wzorcowania i sprawdzania przyrządów pomiarowych stosowanych w pomiarach elektrycznych. Przyrządy pomiarowe powinny wskazywać wartości w sposób wiarygodny, ponieważ na podstawie ich wskazań podejmuje się decyzje techniczne, eksploatacyjne, jakościowe i bezpieczeństwa.

Wzorcowanie polega na porównaniu wskazań badanego przyrządu z wartościami dostarczonymi przez wzorzec lub kalibrator. Dzięki temu można określić błąd wskazania, ocenić wiarygodność przyrządu oraz zdecydować, czy może być dalej wykorzystywany do pomiarów.

W praktyce wzorcowaniu lub sprawdzaniu mogą podlegać między innymi multimetry, mierniki rezystancji izolacji, mierniki instalacji elektrycznych, mierniki cęgowe, luksomierze, kamery termowizyjne, mierniki bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych oraz inne przyrządy wykorzystywane podczas eksploatacji instalacji, maszyn i urządzeń elektrycznych.

Rysunek 1. Przykład stanowiska do wzorcowania i sprawdzania przyrządów pomiarowych z wykorzystaniem kalibratora wielkości elektrycznych oraz multimetrów cyfrowych.

W tej lekcji szczególną uwagę zwrócono na różnicę między wzorcowaniem a sprawdzeniem, znaczenie wzorca i kalibratora, błąd wskazania, niepewność pomiaru, spójność pomiarową, świadectwo wzorcowania oraz sposób zapisu wyników w tabeli lub protokole.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, czym jest wzorcowanie przyrządu pomiarowego,
• odróżnia wzorcowanie od sprawdzenia przyrządu,
• wyjaśnia, do czego służy kalibrator wielkości elektrycznych,
• opisuje znaczenie wzorca i wartości odniesienia,
• wyjaśnia pojęcie błędu wskazania przyrządu,
• opisuje znaczenie niepewności pomiaru,
• wyjaśnia znaczenie spójności pomiarowej,
• wskazuje podstawowe informacje zawarte w świadectwie wzorcowania,
• wykonuje proste porównanie wskazania multimetru z wartością zadaną przez kalibrator,
• zapisuje wyniki sprawdzenia przyrządu w tabeli,
• formułuje prosty wniosek dotyczący przydatności przyrządu do dalszego użytkowania.

1. Czym jest wzorcowanie?

Wzorcowanie to zespół czynności polegających na porównaniu wskazań przyrządu pomiarowego z wartościami wielkości dostarczonymi przez wzorzec lub kalibrator. Celem wzorcowania jest ustalenie, jaki błąd wskazania ma badany przyrząd oraz z jaką niepewnością wyznaczono wynik.

Wzorcowanie pozwala odpowiedzieć na pytania:

• czy przyrząd wskazuje wartość zbliżoną do wartości odniesienia,
• jaki jest błąd wskazania przyrządu,
• czy błąd mieści się w przyjętych granicach,
• czy przyrząd może być nadal używany,
• czy wyniki pomiarów wykonywanych tym przyrządem są wiarygodne,
• czy konieczna jest regulacja, naprawa albo wycofanie przyrządu z użytkowania.

Wynikiem wzorcowania jest najczęściej świadectwo wzorcowania. Dokument ten zawiera dane przyrządu, zastosowaną metodę, warunki pomiaru, wyniki, błędy wskazań, niepewności pomiaru oraz informacje o spójności pomiarowej.

Wzorcowanie nie polega tylko na stwierdzeniu, że przyrząd jest „dobry” albo „zły”. Podstawą oceny są wyniki porównania wskazań przyrządu z wartością odniesienia oraz przyjęte kryteria użytkownika lub procedury.

2. Po co wzorcuje się przyrządy pomiarowe?

Przyrządy pomiarowe są używane do oceny stanu instalacji, urządzeń, obwodów, stanowisk pracy i procesów technicznych. Jeżeli przyrząd wskazuje błędne wartości, osoba wykonująca pomiar może podjąć niewłaściwą decyzję.

Wzorcowanie przyrządów pomiarowych wykonuje się między innymi w celu:

• zapewnienia wiarygodności wyników pomiarów,
• potwierdzenia poprawnego działania przyrządu,
• ograniczenia ryzyka błędnej oceny technicznej,
• spełnienia wymagań systemów jakości,
• zachowania spójności pomiarowej,
• kontroli przyrządów używanych w eksploatacji,
• porównania wskazań przyrządu z wartością odniesienia,
• udokumentowania stanu przyrządu w określonym dniu.

W praktyce wzorcowanie jest szczególnie ważne wtedy, gdy wyniki pomiarów mają wpływ na bezpieczeństwo ludzi, dopuszczenie urządzenia do eksploatacji, jakość produkcji, rozliczenia, odbiory techniczne albo ocenę zgodności z wymaganiami.

Przykład:

Jeżeli miernik rezystancji izolacji wskazuje zawyżone wartości, może błędnie sugerować, że izolacja badanego urządzenia jest w dobrym stanie. Jeżeli miernik napięcia wskazuje zaniżone wartości, osoba wykonująca pomiar może nieprawidłowo ocenić obecność napięcia w obwodzie.

3. Wzorcowanie a sprawdzenie przyrządu

W praktyce należy odróżniać wzorcowanie od sprawdzenia przyrządu. Oba działania polegają na porównaniu wskazania przyrządu z wartością odniesienia, ale mają inny zakres i inną rangę dokumentacyjną.

Wzorcowanie jest czynnością metrologiczną wykonywaną według określonej procedury. Jego wynikiem jest zwykle świadectwo wzorcowania. W świadectwie podaje się między innymi wyniki pomiarów, błędy wskazań, niepewności pomiaru i informacje o spójności pomiarowej.

Sprawdzenie przyrządu ma zwykle prostszy charakter. Może być wykonywane wewnętrznie, na potrzeby bieżącej kontroli przyrządu. Sprawdzenie pozwala ocenić, czy przyrząd działa poprawnie w wybranych punktach pomiarowych i czy może być dalej używany do określonych zadań.

W ćwiczeniach dydaktycznych często wykonuje się uproszczone sprawdzenie przyrządu. Polega ono na zadaniu znanej wartości z kalibratora i porównaniu jej ze wskazaniem badanego miernika.

4. Wzorzec, kalibrator i wartość odniesienia

Wzorzec to przyrząd, urządzenie lub układ, który dostarcza wartość wielkości uznaną za odniesienie podczas wzorcowania lub sprawdzania. Wzorzec powinien mieć znane właściwości metrologiczne i być powiązany z wyższymi wzorcami w łańcuchu spójności pomiarowej.

Kalibrator jest urządzeniem, które wytwarza znane wartości wybranych wielkości fizycznych. W elektrotechnice kalibrator może zadawać między innymi napięcie, prąd, rezystancję, częstotliwość, pojemność albo symulować czujniki temperatury.

Kalibrator wielkości elektrycznych może być wykorzystywany do sprawdzania:

• multimetrów cyfrowych,
• woltomierzy,
• amperomierzy,
• mierników rezystancji,
• mierników cęgowych z odpowiednim adapterem,
• torów pomiarowych,
• wybranych funkcji przyrządów wielofunkcyjnych.

Wartość odniesienia to wartość zadana przez wzorzec lub kalibrator, z którą porównuje się wskazanie badanego przyrządu.

Przykład:

Jeżeli kalibrator ustawia napięcie:

a badany multimetr wskazuje:

to wartość 10,000 V jest wartością odniesienia, a 10,006 V jest wskazaniem badanego przyrządu.

5. Spójność pomiarowa

Spójność pomiarowa oznacza możliwość powiązania wyniku pomiaru z odpowiednim wzorcem przez nieprzerwany łańcuch porównań lub wzorcowań. Każdy etap takiego łańcucha powinien mieć określoną niepewność pomiaru.

W praktyce oznacza to, że wynik uzyskany przyrządem pomiarowym można odnieść do wzorców wyższego rzędu, a ostatecznie do wzorców krajowych lub międzynarodowych.

Przykładowy łańcuch spójności może wyglądać następująco:

Spójność pomiarowa jest ważna, ponieważ pozwala porównywać wyniki pomiarów wykonanych w różnych miejscach, różnym sprzętem i w różnym czasie. Bez spójności pomiarowej trudno byłoby ocenić, czy dwa przyrządy wskazują zgodnie, czy różnica wynika z błędu jednego z nich.

6. Błąd wskazania przyrządu

Błąd wskazania jest różnicą między wskazaniem badanego przyrządu a wartością odniesienia.

Można go zapisać wzorem:

gdzie:

ΔX - błąd wskazania,

X_wsk - wskazanie badanego przyrządu,

X_ref - wartość odniesienia zadana przez wzorzec lub kalibrator.

Jeżeli błąd jest dodatni, przyrząd wskazuje wartość większą od wartości odniesienia. Jeżeli błąd jest ujemny, przyrząd wskazuje wartość mniejszą od wartości odniesienia.

Przykład:

Kalibrator ustawił napięcie:

Multimetr wskazał:

Błąd wskazania wynosi:

Oznacza to, że multimetr wskazuje o 0,006 V więcej niż wartość zadana przez kalibrator.

7. Dopuszczalny błąd graniczny

Dopuszczalny błąd graniczny to największy błąd wskazania, który można zaakceptować dla danego przyrządu, zakresu i zastosowania. Wartość ta może wynikać z dokumentacji producenta, procedury wewnętrznej, wymagań użytkownika albo instrukcji stanowiskowej.

Jeżeli wartość bezwzględna błędu wskazania jest mniejsza lub równa dopuszczalnemu błędowi granicznemu, wynik można uznać za pozytywny w zakresie danego punktu sprawdzenia.

Warunek można zapisać:

gdzie:

|ΔX| - wartość bezwzględna błędu wskazania,

ΔX_dop - dopuszczalny błąd graniczny.

Przykład:

Jeżeli dopuszczalny błąd dla sprawdzanego punktu wynosi:

a obliczony błąd wskazania wynosi:

to warunek jest spełniony, ponieważ:

W zakresie tego punktu pomiarowego multimetr można ocenić pozytywnie.

8. Niepewność pomiaru

Niepewność pomiaru opisuje przedział, w którym z określonym prawdopodobieństwem może znajdować się wartość wielkości mierzonej. W praktyce oznacza to, że nawet wartość odniesienia dostarczona przez wzorzec lub kalibrator nie jest idealna, lecz ma określoną dokładność i niepewność.

Na niepewność pomiaru podczas wzorcowania mogą wpływać między innymi:

• dokładność kalibratora,
• stabilność wartości zadanej,
• rozdzielczość badanego przyrządu,
• powtarzalność wskazań,
• warunki środowiskowe,
• jakość przewodów pomiarowych,
• sposób podłączenia,
• doświadczenie osoby wykonującej pomiar.

W pełnym wzorcowaniu niepewność pomiaru powinna być określona i podana w świadectwie wzorcowania. W prostym ćwiczeniu dydaktycznym nie zawsze oblicza się pełną niepewność. Należy jednak pamiętać, że każdy wynik porównania ma ograniczoną dokładność.

Przykład:

Jeżeli dwa multimetry wskazują różne wartości tego samego napięcia, nie musi to od razu oznaczać uszkodzenia jednego z nich. Różnica może wynikać z dokładności przyrządów, rozdzielczości wskazania, warunków pomiaru albo niepewności wartości zadanej.

9. Kalibrator wielkości elektrycznych

Kalibrator wielkości elektrycznych jest przyrządem, który wytwarza znane wartości wybranych wielkości elektrycznych. Może być stosowany jako źródło wartości odniesienia podczas sprawdzania lub wzorcowania przyrządów pomiarowych.

Kalibrator może umożliwiać między innymi zadawanie:

• napięcia stałego DC,
• napięcia przemiennego AC,
• prądu stałego DC,
• prądu przemiennego AC,
• rezystancji,
• częstotliwości,
• pojemności,
• sygnałów symulujących czujniki temperatury,
• wybranych sygnałów do sprawdzania oscyloskopów lub przetworników.

Przed użyciem kalibratora należy:

• sprawdzić stan techniczny urządzenia,
• sprawdzić stan przewodów pomiarowych,
• ustawić kalibrator na stabilnej powierzchni,
• zapewnić właściwe warunki pracy,
• wybrać odpowiednią funkcję,
• wybrać odpowiedni zakres,
• ustawić wartość zadaną,
• upewnić się, że wyjście kalibratora jest początkowo wyłączone,
• podłączyć badany przyrząd zgodnie z instrukcją,
• dopiero po sprawdzeniu połączeń włączyć wyjście.

Kalibrator może generować napięcia i prądy niebezpieczne dla użytkownika oraz badanego przyrządu. Dlatego obsługa powinna odbywać się zgodnie z instrukcją stanowiskową i pod nadzorem prowadzącego.

10. Przygotowanie do sprawdzenia multimetru

Przed rozpoczęciem sprawdzania multimetru należy określić, jaka funkcja przyrządu będzie sprawdzana. Może to być na przykład pomiar napięcia DC, napięcia AC, prądu, rezystancji albo częstotliwości.

Przygotowanie obejmuje:

1. Ustalenie celu sprawdzenia.
2. Wybór sprawdzanej funkcji multimetru.
3. Wybór punktów sprawdzenia.
4. Przygotowanie kalibratora.
5. Sprawdzenie przewodów pomiarowych.
6. Ustawienie multimetru na właściwy zakres.
7. Podłączenie multimetru do odpowiednich zacisków kalibratora.
8. Sprawdzenie poprawności połączeń.
9. Włączenie wyjścia kalibratora.
10. Odczytanie wskazania multimetru.
11. Obliczenie błędu wskazania.
12. Porównanie błędu z dopuszczalnym błędem granicznym.
13. Zapis wyniku i wniosku.

Podczas sprawdzania należy zwrócić uwagę, aby funkcja ustawiona w multimetrze była zgodna z funkcją ustawioną w kalibratorze. Błędem jest na przykład podłączenie multimetru ustawionego na pomiar rezystancji do wyjścia napięciowego kalibratora.

11. Przykład sprawdzenia multimetru w punkcie napięcia DC

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący sprawdzenia wskazania multimetru cyfrowego przy pomiarze napięcia stałego.

Dane do przykładu

Przyjęto:

• badany przyrząd: multimetr cyfrowy,
• sprawdzana funkcja: pomiar napięcia DC,
• wartość zadana przez kalibrator: U_ref = 10,000 V,
• wskazanie multimetru: U_wsk = 10,006 V,
• dopuszczalny błąd graniczny w tym punkcie: ΔU_dop = ±0,020 V.

Obliczenie błędu wskazania

Błąd wskazania obliczamy ze wzoru:

Podstawienie danych:

Ocena wyniku

Warunek oceny:

Podstawienie:

Warunek jest spełniony.

Przykładowy wniosek

Dla wartości zadanej U_ref = 10,000 V multimetr wskazał U_wsk = 10,006 V. Błąd wskazania wynosi ΔdeltaU = 0,006 V i nie przekracza dopuszczalnego błędu granicznego ±0,020 V. W zakresie sprawdzonego punktu pomiarowego multimetr można ocenić pozytywnie.

12. Przykład tabeli sprawdzenia multimetru

W praktyce przyrząd sprawdza się zwykle w kilku punktach pomiarowych. Dzięki temu można ocenić, czy wskazania są poprawne nie tylko dla jednej wartości, ale w większej części zakresu.

Przykładowa tabela sprawdzenia funkcji napięcia DC:

Wniosek powinien odnosić się do całego zakresu sprawdzenia. Jeżeli wszystkie punkty spełniają przyjęte kryterium, przyrząd można ocenić pozytywnie w zakresie wykonanej kontroli. Jeżeli jeden z punktów nie spełnia kryterium, należy wskazać, którego zakresu dotyczy niezgodność.

13. Świadectwo wzorcowania

Świadectwo wzorcowania jest dokumentem potwierdzającym wykonanie wzorcowania przyrządu pomiarowego. Nie jest ono tylko potwierdzeniem, że przyrząd został dostarczony do laboratorium. Zawiera konkretne wyniki pomiarów oraz informacje potrzebne do oceny przyrządu.

Świadectwo wzorcowania może zawierać między innymi:

• nazwę i dane laboratorium,
• numer świadectwa,
• nazwę i typ przyrządu,
• numer seryjny przyrządu,
• dane właściciela lub użytkownika,
• datę wzorcowania,
• miejsce wzorcowania,
• warunki środowiskowe,
• zastosowaną metodę,
• użyte wzorce lub kalibratory,
• wyniki pomiarów,
• błędy wskazań,
• niepewności pomiaru,
• informacje o spójności pomiarowej,
• podpis osoby wykonującej lub zatwierdzającej.

Ważne jest, aby rozumieć, że świadectwo wzorcowania nie zawsze oznacza automatyczne dopuszczenie przyrządu do użytkowania. Decyzję o dalszym użytkowaniu podejmuje użytkownik przyrządu na podstawie wyników wzorcowania i własnych kryteriów akceptacji.

14. Częstotliwość wzorcowania

Częstotliwość wzorcowania zależy od rodzaju przyrządu, sposobu użytkowania, warunków pracy i znaczenia wykonywanych pomiarów. Nie dla każdego przyrządu okres między wzorcowaniami musi być taki sam.

Na częstotliwość wzorcowania wpływają między innymi:

• intensywność użytkowania przyrządu,
• warunki pracy,
• narażenie na uszkodzenia mechaniczne,
• wymagana dokładność pomiarów,
• zalecenia producenta,
• wymagania systemu jakości,
• wyniki wcześniejszych wzorcowań,
• ryzyko związane z błędnym wynikiem pomiaru.

Przykład:

Multimetr używany codziennie w trudnych warunkach warsztatowych może wymagać częstszej kontroli niż multimetr używany sporadycznie w pracowni dydaktycznej. Przyrząd stosowany do pomiarów odbiorczych lub bezpieczeństwa może wymagać bardziej rygorystycznego nadzoru niż przyrząd używany wyłącznie do celów orientacyjnych.

15. Najczęstsze błędy podczas sprawdzania i wzorcowania przyrządów

Podczas sprawdzania lub wzorcowania przyrządów pomiarowych można popełnić błędy, które wpływają na wiarygodność wyniku.

Do najczęstszych błędów należą:

• brak sprawdzenia stanu technicznego przyrządu przed pomiarem,
• użycie uszkodzonych przewodów pomiarowych,
• wybór niewłaściwej funkcji w multimetrze,
• wybór niewłaściwej funkcji w kalibratorze,
• nieprawidłowe podłączenie przewodów,
• włączenie wyjścia kalibratora przed sprawdzeniem połączeń,
• pomylenie zakresów pomiarowych,
• brak czasu na ustabilizowanie wskazania,
• odczytanie wyniku z niewłaściwą rozdzielczością,
• brak jednostki przy wyniku,
• brak obliczenia błędu wskazania,
• porównanie wyniku z niewłaściwym kryterium,
• pominięcie warunków środowiskowych,
• brak zapisu numeru badanego przyrządu,
• zbyt ogólny wniosek.

Wynik wątpliwy należy sprawdzić. Często pierwszym krokiem jest powtórzenie pomiaru, sprawdzenie przewodów, ustawień kalibratora i multimetru oraz upewnienie się, że odczyt został wykonany po ustabilizowaniu wskazania.

16. Bezpieczeństwo podczas pracy z kalibratorem

Kalibrator wielkości elektrycznych może wytwarzać napięcia i prądy, które są niebezpieczne dla użytkownika oraz badanego przyrządu. Dlatego każda czynność powinna być wykonywana zgodnie z instrukcją stanowiskową, instrukcją obsługi kalibratora i zasadami BHP.

Podczas pracy z kalibratorem należy:

• pracować pod nadzorem prowadzącego,
• sprawdzić stan stanowiska,
• sprawdzić stan przewodów pomiarowych,
• używać przewodów odpowiednich do zadawanej wielkości,
• przed podłączeniem przewodów upewnić się, że wyjście kalibratora jest wyłączone,
• nie dotykać nieosłoniętych części przewodzących,
• nie zmieniać połączeń przy włączonym wyjściu,
• dobrać właściwy zakres kalibratora,
• dobrać właściwy zakres badanego przyrządu,
• zwrócić uwagę na ostrzeżenia dotyczące wysokiego napięcia i wysokiego prądu,
• nie przekraczać dopuszczalnych wartości dla badanego przyrządu,
• wyłączyć wyjście kalibratora przed zmianą połączeń,
• po zakończeniu pracy uporządkować przewody i stanowisko.

Szczególną ostrożność należy zachować przy napięciach powyżej wartości bezpiecznych oraz przy dużych prądach. Błędne podłączenie badanego miernika do kalibratora może spowodować uszkodzenie przyrządu albo stworzyć zagrożenie porażeniowe.

17. Przykład protokołu sprawdzenia przyrządu pomiarowego

Po zakończeniu sprawdzenia przyrządu należy zapisać wyniki w tabeli lub protokole. Dokumentacja powinna umożliwiać odtworzenie warunków sprawdzenia oraz sposobu oceny wyniku.

Przykładowy układ protokołu:

Przykładowy wniosek:

Na podstawie porównania wskazań badanego multimetru z wartościami zadanymi przez kalibrator stwierdzono, że błędy wskazań w sprawdzonych punktach nie przekraczają przyjętych wartości dopuszczalnych. W zakresie wykonanego sprawdzenia przyrząd można dopuścić do dalszego użytkowania.

Jeżeli wynik jest negatywny, wniosek powinien wskazywać zakres lub punkt, w którym stwierdzono niezgodność.

Przykład:

W punkcie 100 V DC błąd wskazania badanego multimetru przekroczył przyjętą wartość dopuszczalną. Przyrząd wymaga dodatkowej kontroli, regulacji albo przekazania do wzorcowania lub naprawy. Do czasu wyjaśnienia niezgodności nie powinien być stosowany do pomiarów wymagających potwierdzonej dokładności w tym zakresie.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady wzorcowania i sprawdzania przyrządów pomiarowych. Wyjaśniono, że wzorcowanie polega na porównaniu wskazań przyrządu z wartościami dostarczonymi przez wzorzec lub kalibrator oraz na określeniu błędów wskazań i niepewności pomiaru.

Przedstawiono różnicę między wzorcowaniem a sprawdzeniem przyrządu. Wzorcowanie ma charakter formalny i zwykle kończy się wydaniem świadectwa wzorcowania, natomiast sprawdzenie może być prostszą kontrolą wykonywaną na potrzeby bieżącej eksploatacji.

Omówiono znaczenie wzorca, kalibratora, wartości odniesienia, błędu wskazania, dopuszczalnego błędu granicznego, niepewności pomiaru i spójności pomiarowej. Pokazano, że przyrząd pomiarowy można ocenić tylko wtedy, gdy jego wskazanie zostanie porównane z wartością odniesienia i odpowiednim kryterium oceny.

W części praktycznej przedstawiono przykład sprawdzenia multimetru cyfrowego dla napięcia stałego. Pokazano sposób obliczenia błędu wskazania oraz porównania go z dopuszczalnym błędem granicznym.

Lekcja podkreśla, że wiarygodność pomiarów zależy nie tylko od osoby wykonującej pomiar, ale również od stanu technicznego przyrządu, aktualności jego sprawdzenia lub wzorcowania, poprawności podłączenia oraz właściwego udokumentowania wyników.