Właściwe dobranie przyrządów pomiarowych wymaga wiedzy o spełnianiu przez nie wymagań odpowiednich norm, a także znajomości ograniczeń wynikających z ich błędów pomiarowych. W artykule przedstawiono najistotniejsze zagadnienia dotyczące zgodności urządzeń z polskimi i unijnymi regulacjami. Druga część publikacji jest poświęcona zasadom interpretacji błędów pomiarowych.

Odpowiednio dopasowane do warunków eksploatacji przyrządy pomiarowe pozwalają określić zgodne ze stanem faktycznym wartości mierzone, a tym samym zapewnić bezpieczeństwo zarówno funkcjonowania badanych instalacji, jak i pracujących osób. Na rynku są dostępne produkty różnych wytwórców, stąd wybór odpowiedniego urządzenia nie jest sprawą prostą. Jednym z najistotniejszych kryteriów jest zgodność ze standardami i normami obowiązującymi w Polsce oraz Unii Europejskiej.

Aspekty prawne

Urządzenie pomiarowe powinno posiadać znak CE. Po przystąpieniu Polski do struktur Unii Europejskiej znak ten oznacza zgodność z dyrektywami UE w zakresie bezpieczeństwa (dyrektywa niskonapięciowa (LVD) 73/23/EEC, 93/68/EEC) oraz kompatybilności elektromagnetycznej (dyrektywa EMC 89/336/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC), których szczegóły zawarte są w PN-EN 61326: 2006-1 (U). Istotne wymagania odnośnie bezpieczeństwa przyrządów pomiarowych podczas eksploatacji jak i zastosowanego osprzętu znajdują się w PN-EN 61010-1: 2004 oraz PN-EN 61010-031: 2005. Wymagania stawiane samym przyrządom, w zależności od ich przeznaczenia, opisane są w wieloarkuszowej normie IEC 61557 (w obecnej chwili w Polsce PN-EN 61557). Wszystkie te informacje powinny być zawarte w instrukcji obsługi, a także umieszczone na samym przyrządzie pomiarowym (np. obowiązek podawania zakresu pomiarowego, rys. 1).

Rys. 1. Wyspecyfikowany zakres pomiarowy dla pomiaru impedancji pętli zwarciowej miernika MIE-500 produkcji Sonel

Certyfikat kalibracji
Dokumentem potwierdzającym (dla danego egzemplarza przyrządu) zachowanie określonej przez producenta dokładności jest certyfikat kalibracji, dostarczany przez znaczną część wytwórców wraz z nowym miernikiem. W normie PN-E 04700: 1998 [5] w punkcie 3.2.5 znajduje się następujący zapis: „Przyrządy pomiarowe stosowane w badaniach powinny mieć świadectwa potwierdzające ich sprawność techniczną.”. Dobrą praktyką jest zwracać uwagę na powyższą regulację podczas doboru przyrządu do eksploatacji. Zapis ten, chociaż nieobligatoryjny, należy respektować zwłaszcza w przypadku badań związanych z ochroną przeciwporażeniową. Aktualnego świadectwa potwierdzającego sprawdzenie przyrządu może wymagać inspektor prowadzący nadzór nad pracami pomiarowymi. Producenci często dołączają do przyrządów certyfikat kalibracji lub, odpłatnie, świadectwo wzorcowania. Również ten drugi dokument stanowi oficjalne potwierdzenia sprawności urządzenia.

Okresowa kontrola
Obowiązek okresowej kontroli urządzeń (w odniesieniu do firm posiadających System Zarządzania Jakością ISO 9001) służących do wykonywania pomiarów nakłada norma PN-ISO 10012-1, zał. A zgodnie z nią producent może sugerować przedziały czasowe przeprowadzania badań kontrolnych (z reguły co 13 miesięcy). Użytkownik miernika ma prawo do ustalenia własnego terminarza kolejnych sprawdzeń, biorąc pod uwagę, poza zaleceniami producenta, także częstotliwość wykorzystania urządzenia oraz warunki środowiskowe.

Rys. 2. Mierniki produkowane przez firmę Sonel

Marka
Analogicznie jak w przypadku wielu innych towarów dobrze jest, jeśli wybrany miernik został wyprodukowany przez znanego producenta. Nie jest to oczywiście regułą, ale z taką sytuacją może wiązać się wiele korzyści dla użytkownika, jak np. wydłużony okres gwarancji, dostępność serwisu oraz obsługa pogwarancyjna. Dodatkowym atutem producenta może być np. posiadanie przez niego Systemu Zarządzania Jakością ISO 9001 i dodatkowe potwierdzenia jakości, jak np. rekomendacja SEP.

Dokładność

Szereg pojęć związanych z dokładnością przyrządów pomiarowych zdefiniowanych jest w zestawie norm PN-EN 61557. Ze względu na specyficzny język tych regulacji, poniżej zamieszczono opisowe wyjaśnienia niektórych zagadnień.

Sposób zapisu informacji o błędzie miernika cyfrowego
Zapis określający dokładność miernika cyfrowego prawie zawsze składa się z sumy dwóch wielkości: względnej i bezwzględnej zwanych potocznie procentową (analogową) i cyfrową. Błąd względny dominuje w górnej części zakresu pomiarowego i określany jest jako procent od wielkości mierzonej (m. w.) lub wyświetlanej (w. w.). Błąd bezwzględny określany jest jako ilość jednostek o najmniejszej wartości wyświetlanej na danym zakresie i jest najważniejszy w dole zakresu pomiarowego.
Przykładowy wynik pomiaru napięcia 50,0 V przyrządem, którego rozdzielczość wynosi 0,1 V, a błąd określono jako ± (2% w. w. + 5 cyfr) oznacza, że ten konkretny pomiar został wykonany z łącznym błędem ± (2% x 50 V + 5 x 0,1 V) = ± 2,5 V, co daje 5% w stosunku do mierzonej wartości.
Niepoprawne jest potoczne przekonanie, że część względna jest błędem analogowych obwodów miernika, a część bezwzględna błędem jego obwodów cyfrowych. W rzeczywistości obie wielkości związane są z charakterystyką przetwarzania całego urządzenia.

Błąd podstawowy miernika
Według PN-EN 61557-1 jest to błąd przyrządu pomiarowego używanego w warunkach odniesienia. Warunki odniesienia (nazywane dawniej warunkami laboratoryjnymi) są „przyjazne” dla przyrządu pomiarowego (np. temperatura około 23^oC, nominalne napięcie zasilania, brak zakłóceń w sieci). W warunkach rzeczywistych pomiarów dokładność przyrządu może być znacznie gorsza niż wynikająca z błędu podstawowego.

Błąd dodatkowy miernika
Obowiązkiem producenta jest określenie szeregu błędów dodatkowych (oznaczonych w normie PN-EN 61557-1 jako E1… E10), wynikających z niezależnego oddziaływania poszczególnych czynników wpływających na wynik pomiaru, np. zmian temperatury otoczenia i napięcia zasilania, zakłóceń sieciowych, rezystancji elektrod pomocniczych, metod pomiaru.

Błąd roboczy miernika
Według PN-EN 61557-1 jest to błąd występujący w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego w znamionowych warunkach pracy, czyli przy określonych przez producenta granicach czynników wpływających na wynik pomiaru, jak temperatura, wilgotność, napięcie zasilania, zawartość harmonicznych w sieci itp. Granice czynników wpływających na wynik pomiaru nie są określane przez producenta, ale są podane w poszczególnych arkuszach normy PE-EN 61557.
Przykładowo zakres zmian temperatury wynosi od 0 do 35^oC. Błąd dodatkowy od temperatury będzie wyznaczany w takich warunkach nawet, jeśli temperatura pracy przyrządu została określona przez producenta jako np. od -10^oC do +50^oC. Pomiary bardzo rzadko są wykonywanie w warunkach, w których wszystkie czynniki zakłócające mają skrajne wartości. W związku z tym sposób obliczania błędu roboczego uwzględnia statystyczny charakter wpływu wielkości zakłócających. Oznacza to jednak, że użytkownik może natrafić na warunki, w których błąd pomiaru przekroczy błąd roboczy.

Zakres wyświetlania
Zakres wyświetlania jest niezależny od wartości błędu. Z powodu zmian terminologii stosowanej do przyrządów pomiarowych, często mylony jest z zakresem pomiarowym (wyjaśnienie poniżej). Zwykle dla niskich wartości mierzonych zakres pomiarowy jest częścią zakresu wyświetlania.

Zakres pomiarowy
Nazywany jest czasem zakresem roboczym. Określa graniczne górne i dolne wartości, dla których dane urządzenie pomiarowe działa poprawnie. Dokładność pomiarowa danego urządzenia jest zagwarantowana dla całego zakresu pomiarowego (przy czym nie musi być ona w całym zakresie jednakowa). Obecnie urządzenia pomiarowe posiadają zazwyczaj kilka przełączalnych zakresów pomiarowych, często przełączanych automatycznie w przypadku urządzeń cyfrowych. Zwykle dokładność pomiarowa na krańcach zakresu jest niższa niż w jego środku. Według normy IEC 61557 zakres pomiarowy to zakres wartości mierzonych, w którym błąd roboczy nie przekracza 30% wartości mierzonej.

Zakres pomiarowy to jeden z najważniejszych parametrów, według którego należy dobierać przyrządy pomiarowe. Gdy wartość wielkości mierzonej znajduje się w zakresie pomiarowym, użytkownik może przyjąć, że dokładność pomiaru jest wystarczająca, aby wpisać ją do protokołu. Zgodnie z IEC 61557 producent powinien podać zakresy pomiarowe miernika na jego obudowie oraz zamieścić w instrukcji obsługi. W związku z tym użytkownik w każdej chwili może sprawdzić, czy wykonywane pomiary są wiarygodne. Zdarza się, że producenci nie podają zakresu pomiarowego lub podają go błędnie, „myląc” z zakresem wyświetlania. W takiej sytuacji użytkownik przyrządu musi oprzeć się na błędzie podstawowym, co w przypadku nieznajomości metod na obliczenie tego błędu, może być przyczyną niewłaściwej oceny badanej instalacji.
Z zakresem pomiarowym przyrządu związane są ściśle możliwości wykorzystania miernika do badań. W przypadku wykonywania pomiarów, dla których przyjmuje się maksymalne wartości dopuszczalnych błędów na poziomie 30% (np. pomiary impedancji pętli zwarcia), należy zwrócić uwagę na wartość dolnej granicy zakresu pomiarowego. Gdy uzyskiwane wartości znajdą się poniżej tego zakresu, informuje to, że występuje błąd powyżej 30%.

W materiałach reklamowych, kartach katalogowych, a czasem nawet w danych technicznych zawartych w instrukcji obsługi drugi człon błędu podstawowego bywa pomijany (podawana jest tylko część procentowa – np. „± 5%” zamiast „± 5% ± 5 cyfr”). Informacja ta może mieć decydujący wpływ na dokładność wskazań i rzeczywisty zakres pomiarowy przyrządu, co zostało pokazane w Przykładzie 2.
Na rynku znajdują się przyrządy, których zakresy pomiarowe kwalifikują je tylko jako testery (przykład danych technicznych – tabela 3), gdzie zakres pomiarowy pętli zwarciowej zaczyna się np. od 2 W. Dyskwalifikuje to przyrząd jako miernik, który mógłby być wykorzystany do oceny skuteczności samoczynnego wyłączania zasilania, ponieważ większość mierzonych wartości w obwodach odbiorczych jest zdecydowanie mniejsza niż 1 W, zaś w obwodach rozdzielczych występują wartości jeszcze niższych rzędów.
Dla pomiarów rezystancji uziemienia zakres pomiarowy przyrządu powinien obejmować wartości od dziesiątych części oma wzwyż, gdyż zarówno w energetyce jak i teleinformatyce często spotyka się uziemienia o wartościach dużo poniżej 2 W.

Zakres wyświetlania a zakres pomiarowy

W danych technicznych przyrządów bywa eksponowany fakt wyświetlania wartości pętli zwarciowej z rozdzielczością np. trzech miejsc po przecinku. Tymczasem zakres pomiarowy oraz specyfikowana dokładność sprawiają, że ostatnia cyfra jest nieznacząca i nie poprawia dokładności urządzenia, zaś zakres pomiarowy zaczyna się od dziesiątych części oma. Taki przyrząd może być wykorzystany do pomiarów sieci odbiorczych, ale nie do rozdzielczych (co sugerowałaby rozdzielczość wyświetlana).
Podobnie należy pamiętać, że norma 61557 zezwala na wykonywanie pomiarów z łącznym błędem nie gorszym niż 30%. Dlatego podawanie zakresu pomiarowego jako takiego, dla którego błąd może wynosić 30% jest również dyskwalifikujące dla profesjonalnych zastosowań pomiarowych.

Pętla zwarcia – impedancja a rezystancja

W niektórych miernikach można spotkać zapis o „pomiarze składowej rezystancyjnej impedancji pętli zwarcia”, gdzie w rzeczywistości mierzona jest jedynie wartość rezystancji. Może to powodować zafałszowanie wyniku, nie tylko dla bardzo małych wartości. Często zdarza się to w przyrządach posiadających możliwość pomiaru pętli zwarciowej z wykorzystaniem bardzo małego prądu sztucznego zwarcia, umożliwiających pomiary w obwodach L-PE zabezpieczonych wyłącznikami RCD.
Impedancja pętli zwarciowej jest geometryczną sumą rezystancji i reaktancji mierzonej pętli. W instrukcjach obsługi pojawiają się pojęcia „impedancja dla zerowego kąta fazowego”, „składowa rezystancyjna impedancji” sugerujące pomiar impedancji, gdy mierzona jest tylko składowa rezystancyjna pętli.
Na wielkość składowej rezystancyjnej główny wpływ ma rezystancja przewodów, uzwojeń transformatora, styków i połączeń, składowa reaktancyjna zależy głównie od reaktancji transformatora i w znikomym stopniu od indukcyjności przewodów. Przy zbliżaniu się do transformatora, wartość składowej rezystancyjnej zmniejsza się przy praktycznie niezmienionej wartości reaktancji i wpływ tej ostatniej jest coraz większy (przy obecnie stosowanych przekrojach przewodów również w instalacjach, a nie tylko w rozdzielniach itp. obiektach). Dlatego też powinno zwrócić się uwagę na to, aby miernik do pomiarów pętli zwarciowej potrafił mierzyć impedancję pętli na każdym podzakresie.

Roman Domański
Grzegorz Jasiński
Klaudiusz Staciwa
Autorzy są pracownikami
firmy Sonel