Błędy powszechnie wykonywane podczas pomiarów parametrów elektrycznych multimetrami

Błędy powszechnie wykonywane podczas pomiarów parametrów elektrycznych multimetrami

Błędy powszechnie wykonywane podczas pomiarów parametrów elektrycznych multimetrami

Techniki pomiarowej uczymy się przez kolejne etapy edukacji: od szkoły podstawowej do studiów i szkoleń w trakcie pracy zawodowej. Mimo to powszechnie powielane są podstawowe (czy nawet trywialne) błędy w procesie pomiarowym. Niewłaściwie wykonane pomiary stają się z kolei przyczyną błędnej interpretacji stanu badanej infrastruktury i w praktyce często uniemożliwiają wykorzystanie wyników prac pomiarowych.

W artykule przedstawiono kilka przykładów niewłaściwego wykonania pomiaru, który prowadzi do rozbieżności pomiędzy pomiarem a wartością rzeczywistą.

Podstawowe błędy przy pomiarach multimetrami standardowymi

Multimetry pomiarowe nie są urządzeniem zbytnio skomplikowanym, niemniej jednak nastręczają wielu osobom problemów na etapie podłączenia ich do obwodu mierzonego. Bardzo często spotykanym błędem jest podłączenie sond pomiarowych przy konfigurowaniu miernika do pomiaru napięcia do wejścia pomiaru prądu. Takie złe podłączenie będzie sygnalizowane przez bardziej rozbudowane mierniki, jak np. APPA 305 zaprezentowany na rysunku 1. Gdy podłączymy sondy do wejść pomiaru prądu i nastawimy miernik do pomiaru „napięcie”, przyrząd będzie alarmował, że dokonaliśmy złego połączenia. Natomiast w przypadku gdy wykorzystujemy mierniki bez kontroli położenia sond pomiarowych, należy zwrócić szczególną uwagę na konfigurowanie połączeń.

Rys. 1. Multimetr APPA 305 z automatyczną zmianą zakresów i wykrywaniem niewłaściwego podłączenia sond pomiarowych

Przykładem przyrządów, które nie alarmują o błędnym podłączeniu sond, są mierniki analogowe, takie jak np. zaprezentowany na rysunku 2 miernik Protek HC-5050E. Warto jednak pamiętać, że mierniki cyfrowe w wielu wypadkach także nie są wyposażone w wykrycie błędnego podłączenia.

Rys. 2. Miernik analogowy PROTEK HC-5050E

Wykorzystanie wejścia do pomiaru prądu, w przypadku gdy mierzymy napięcie, skończy się w najlepszym wypadku przepaleniem wkładki topikowej w mierniku. Jeśli wejście jest niezabezpieczone, możemy uszkodzić miernik, a w skrajnych przypadkach także obwód, w którym chcieliśmy dokonać pomiaru. Odpowiednie podłączenie zacisków pomiarowych bywa czasami nieintuicyjne, co utrudnia podłączenie. Wejście miliamperomierza może być bowiem tym samym wejściem, co wejście woltomierza. Przykład takiej sytuacji zaprezentowano na rysunku 3.

Rys. 3. Zaciski miernika cyfrowego z wejściem do pomiaru napięcia i prądu

Innym błędem często popełnianym przez pomiarowców, który bywa związany z multimetrami, jest nieprawidłowe ustawianie zakresu pomiarowego. Błąd ten okazuje się praktycznie niemożliwy do wykonania podczas użycia mierników, które automatycznie dostosowują zakres pomiarowy (np. APPA 305). Jedynie wymuszenie manualnego ustawienia zakresu może spowodować tego rodzaju błędy pomiarowe. W miernikach bez automatycznej regulacji zakresu pomiarowego, takich jak analogowy Protek HC-5050E (rys. 2.) czy np. cyfrowy miernik UT-55 firmy UNI-T, gdy wartość mierzona będzie wyższa niż ustawiony zakres pomiarowy, może dojść do uszkodzenia urządzenia. Jeśli taka sytuacja nastąpi, miernik analogowy będzie wychylał swoją wskazówkę poza tarczę z podziałką, natomiast miernik cyfrowy wyświetli w skrajnym lewym rogu cyfrę 1, nie podając żadnych innych cyfr. Gdy dojdzie do takiej sytuacji, należy niezwłocznie zmienić zakres pomiarowy lub nawet odłączyć źródło napięcia lub prądu mierzonego, żeby nie uszkodzić miernika. Długotrwałe pozostawienie miernika w stanie przekroczenia zakresu pomiarowego praktycznie zawsze doprowadzi do uszkodzenia przyrządu pomiarowego.

Rys. 4. Miernik cyfrowy UNI-T UT55 z ręczną zmianą zakresów

Inny problem będzie występował, gdy pomiar będzie wykonywany na zbyt wysokim zakresie pomiarowym lub w skrajnym wypadku na niewłaściwym wejściu pomiarowym. W przypadku zastosowania zbyt wysokiego zakresu będziemy mieli do czynienia z istotnym błędem pomiarowym. Kiedy mierzymy napięcie o wartości 25 mV, nie powinniśmy wykorzystywać do tego zakresu pomiarowego dedykowanego do pomiarów do 200 V. Oczywiście wartość 25 mV mieści się w tym zakresie, ale błąd pomiarowy będzie wtedy potężny, co więcej, może nawet okazać się, że wskazanie miernika będzie pokazywało 0,03 albo nawet 0,0 V. W związku z tym należy ustawić zakres najmniejszy do uzyskania, który nie będzie powodował przekroczenia wartości maksymalnej, czyli np. 200 mV. Jeśli kolejny niższy zakres będzie sięgał maksymalnie 20 mV, będzie już zbyt niski. Typowo, jeśli nie jesteśmy w stanie określić przed pomiarem, jaki zakres jest nam potrzebny, powinniśmy zacząć od najwyższego, jaki jest dostępny. Sukcesywnie obniżamy zakres pomiarowy do osiągnięcia optymalnego. Tak samo funkcjonują mierniki z automatycznym zakresem, co można nawet zauważyć podczas dostrajania się miernika do pomiaru.

Należy zawsze pamiętać o wykorzystywaniu najmniejszego możliwego zakresu pomiarowego, nawet jeśli wiąże się to z częstą zmianą zakresów lub nawet koniecznością rozpięcia obwodu pomiarowego. Jedynie wtedy osiągniemy optymalną dokładność pomiaru oferowaną przez zastosowane urządzenie.

Błędnym podejściem w wykonywaniu pomiarów jest także sytuacja, gdy wartości zmieniające się w szerokim zakresie mierzymy tylko za pomocą jednego zakresu. Przykładem jest np. pomiar prądu silnika elektrycznego od stanu pełnego obciążenia do stanu jałowego. W pierwszym z tych stanów silnik może pobierać np. 20 A, co zmusza nas do użycia najwyższego zakresu pomiarowego. W miarę odciążania silnika możemy zejść z pomiarem poniżej 2 A (np. w biegu jałowym). Nawet jeśli wiąże się to z odłączeniem silnika, by zmienić położenie sond pomiarowych z wejścia 20 A na wejście 2 A, powinniśmy to wykonać dodatkowo lub po prostu zmieniając zakres pomiarowy. Dzięki temu uzyskamy najlepszą możliwą dokładność pomiaru. To z kolei może pomóc przy diagnostyce silnika. Nawet niewielki wzrost prądu jałowego zaobserwowany w cyklicznie przeprowadzanych pomiarach może wskazywać np. na zużycie się łożysk silnika lub np. na uszkodzenie izolacji międzyzwojowej.

Błędy przy pomiarach multimetrami cęgowymi

Podstawowym i ciągle spotykanym błędem przy pomiarach miernikami cęgowymi jest zastosowanie miernika o cęgach przeznaczonych do dużych wartości prądu w pomiarach prądów o niewielkich wartościach. Przykładem urządzenia przeznaczonego do pomiarów prądów znacznych wartości jest miernik APPA 39MR zaprezentowany na rysunku 5. Już sam wygląd cęgów tego miernika wskazuje, że jest przeznaczony do pomiarów dużych prądów, gdyż można wyobrazić sobie przekrój przewodu, na który uda się ten miernik założyć. Jeśli wykorzystamy ten miernik do pomiaru prądów o wartości kilku amperów, pomiar będzie obarczony dużym błędem. W takie sytuacji należy wykorzystać miernik cęgowy o mniejszym prądzie nominalnym lub lepiej miernik z bezpośrednim pomiarem prądu. Jeśli wykorzystujemy miernik cęgowy o znacznie większym prądzie maksymalnym niż prąd mierzony, taki pomiar możemy traktować jedynie jako wskaz, a nie jako rzeczowy pomiar. Taki wskaz może być użyty do szybkiej oceny stanu pracy układu bez konieczności rozpinania obwodu mierzonego, ale nie nadaje się do wyciągania np. wniosków diagnostycznych dotyczących pracy urządzeń czy instalacji.

Rys. 5. Miernik cęgowy APPA 39MR

Kolejnym błędem popełnianym często podczas wykorzystywania mierników cęgowych jest nienależyte zakładanie cęgów, kończące się niedomknięciem ich obwodu magnetycznego. Jeśli istnieje chociażby niewielka szczelina powietrzna w obwodzie magnetycznym tworzonym przez cęgi, to skończy się to niestety znacznym błędem pomiarowym. Producenci mierników walczą z tym problemem np. przez instalowanie zatrzasków, wskaźników zamknięcia czy poprzez takie skonstruowanie mechaniczne cęgów, że podczas domykania wydają charakterystyczny dźwięk kliknięcia.

Wykonywanie pomiarów miernikami cęgowymi jest bardzo wygodne, ponieważ nie wymaga odłączania obwodu mierzonego, natomiast samo zamknięcie cęgów, a co za tym idzie − obwodu mierzonego, może czasami być trudne. Na przykład, gdy zapinamy miernik na płaskie szyny, może okazać się, że okno pomiarowe w obwodzie magnetycznym jest niewystarczające. Dociskanie cęgów dużą siłą nie jest wskazane, ponieważ bardzo często są wykonane z kruchego materiału magnetycznego i może to sprawić, że materiał ten zwyczajnie popęka i miernik będzie nadawał się do naprawy lub wyrzucenia.

Innym powszechnie powielanym błędem w użyciu mierników cęgowych jest niewłaściwe ich ułożenie na przewodzie mierzącym prąd. Akurat ten błąd jest często ciężko wyrugować ze względu na warunki prowadzenia pomiarów. Zawsze natomiast należy się starać, aby przewód z prądem mierzonym przechodził przez środek okna pomiarowego i w miarę możliwości prostopadle do powierzchni wytwarzanej przez okno pomiarowe. Jeśli wybieramy przewód z wiązki innych przewodów, takie zapięcie cęgów będzie często ciężkie. Co więcej, jeśli przewód mierzony ma przekrój znacznie mniejszy od okna pomiarowego, ciężko jest ustawić go centralnie w oknie. Natomiast można do tego posłużyć się np. różnego rodzaju dielektrykami jak np. pianki. Przewód przechodzący centralnie przez okno pomiarowe pozwoli osiągnąć najwyższą dokładność pomiaru.

Podsumowanie

W trakcie prowadzenia prac pomiarowcy mają tendencję do upraszczania sobie zadania. Tego typu zachowania powodują często wykonanie pomiarów o zerowej przydatności na etapie ich analizowania. Stosowanie prostych, opisanych w artykule zasad, pozwala na uzyskanie najlepszej możliwej w danym urządzeniu dokładności pomiarów. Trzeba pamiętać, że wykonywanie pomiarów jest czynnością wymagającą dużej staranności, gdyż jedynie wtedy ich wyniki mogą być wykorzystywane do celów, do których są przeznaczone.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec absolwent studiów magisterskich i doktoranckich na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, specjalista w zakresie układów zasilania rezerwowego, rozproszonych źródeł energii, jakości energii elektrycznej, a także energoelektroniki