Česká metrologická společnost, z.s. Novotného lávka 5, 116 68 Praha 1 tel/fax: 1 08 54 e-mail: cms-zk@csvts.cz www.csvts.cz/cms Metodika provozního měření MPM 4.1./01/17 METODIKA PROVOZNÍHO MĚŘENÍ NAPĚTÍ V PRŮMYSLOVÝCH APLIKACÍCH Praha říjen 017
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana /1 Vzorový metodický postp byl zpracován a financován ÚNMZ v rámci Plán standardizace Program rozvoje metrologie 017 Číslo úkol: VII/3/17 Zadavatel: Česká repblika Úřad pro technicko normalizaci, metrologii a státní zkšebnictví, organizační složka stát Řešitel: Česká metrologická společnost, z.s. ÚNMZ, ČMS Neprodejné: Metodika je volně k dispozici na stránkách ÚNMZ a ČMS. Nesmí však být dále komerčně šířena.
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 3/1 1 Předmět metodiky Tento metodický postp se vztahje na průmyslové měření stejnosměrného a střídavého elektrického napětí. Měřicí rozsah není omezen, rozsahy požívané v praxi jso od jednotek milivolt až po desítky kv. Odečet hodnoty může být analogový, digitální nebo na zařízení zobrazjící časový průběh měřeného napětí. Přesnost měření je dána konkrétní aplikací od desetitisícin procenta pro laboratorní měření až po jednotky procent pro indikační měření (např. v těžkém průmysl). Sovisející normy a metrologické předpisy ČSN 33 000-4-41 Elektrické instalace nízkého napětí - Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti - Ochrana před úrazem elektrickým prodem Vyhláška č.50/1978 Sb. Vyhláška č. 50/1978 Sb. Českého úřad bezpečnosti práce a [L] Českého báňského úřad o odborné způsobilosti v elektrotechnice. ČSN EN ISO 9001 Systémy management kvality - Požadavky [L3] ČSN EN ISO 1001 ČSN EN ISO/IEC 1705 Systémy management měření - Požadavky na procesy měření a měřicí vybavení Poszování shody - Všeobecné požadavky na způsobilost zkšebních a kalibračních laboratoří EA 4/0 M:013 Vyjadřování nejistot měření při kalibracích [L6] ČSN EN 61187 Elektrická a elektronická měřící zařízení. Průvodní [L7] dokmentace ČSN EN 60051-1 Elektrické měřicí přístroje přímopůsobící kazovací [L8] analogové a jejich příslšenství. Část 1 : Definice a všeobecné požadavky společné pro všechny části. ČSN IEC 51- dtto Část : Speciální požadavky pro ampérmetry a [L9] voltmetry. ČSN IEC 51-8 dtto Část 8: Speciální požadavky pro příslšenství. [L10] ČSN IEC 51-9 dtto Část 9: Doporčované zkšební metody. [L11] ČSN EN 61 143-1 Elektrické měřicí přístroje. Zapisovače X-t. Část 1: [L1] Definice a požadavky. [L1] [L4] [L5]
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 4/1 3 Kvalifikace pracovníků provádějících měření Kvalifikace pracovníků provádějících měření napětí v průmyslových aplikacích je dána příslšným předpisem organizace. Tito pracovníci se seznámí s metodickým postpem praveným na konkrétní podmínky daného pracoviště provádějícího měření a případnými (interními) sovisejícími předpisy. Doporčje se potvrzení odborné způsobilosti těchto pracovníků prokázat vhodným způsobem, například osvědčením o interním zaškolení, o absolvování odborného krz, v krajním případě certifikátem odborné způsobilosti. Úroveň školení závisí na zařazení pracovníka a důležitosti prováděné měřicí operace. Podle prováděné měřící operace je pracovník povinen prokázat způsobilost dle příslšného paragraf vyhlášky č. 50/78 Sb., to znamená v případě poze odečt naměřených hodnot alespoň podle 4, v případě obslhy celého zařízení nebo zapojování měřících obvodů alespoň podle 6. 4 Názvosloví, definice Názvosloví a definice jso obsaženy v příslšných normách (viz čl. ), a v pblikacích věnovaných metrologické terminologii 5 Měřidla a pomocná měřicí zařízení Voltmetr analogový (měřená hodnota je indikována rčko nebo světelným kazatelem), voltmetr digitální (měřená hodnota je indikována číslem zobrazeným na displeji), mltimetr analogový (přístroj měřící kromě napětí i jiné elektrické veličiny), mltimetr digitální (přístroj měřící kromě napětí i jiné elektrické veličiny), bargraf (měřená hodnota je indikována počtem rozsvícených segmentů, např. LED diod), osciloskop (přístroj s obrazovko vykresljící časový průběh měřeného napěťového signál), zapisovač (přístroj s obrazovko nebo zápisem na papír vykresljící časový průběh měřeného napěťového signál), měřicí karta (přístroje s výstpem na sběrnici USB, GP-IB, LAN apod., připojitelné přes WiFi, nainstalované do slot stolního PC), předřadné odpory, měřicí transformátory napětí, děliče napětí, vysokonapěťové sondy nebo děliče. Poznámka: Všechna požitá měřidla a pomocná měřicí zařízení msí být navázána na etalon vhodného rozsah a přesnosti a msí mít platno kalibraci.
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 5/1 6 Obecné podmínky měření veličiny ovlivňjící výsledky měření Podmínky prostředí, ve kterých je možné požívat dané měřidlo, jso rčeny výrobcem měřidla nebo normami příslšnými pro dané měřidlo. Nedodržení těchto podmínek je ntné brát v potaz při vyhodnocení přesnosti měření nebo výpočt nejistoty měření, případně je ntné požít jiný typ měřidla. Pro měřidla obsahjící v konstrkci elektronik obvykle výrobce měřidel rčje rozsah požití teploty v rozmezí (3 ± 5) C, pro teploty mimo tento rozsah výrobce rčje tzv. teplotní koeficient, který je ntné připočítat při výpočt přesnosti měření. Pro přístroje napájené z elektrické sítě je ntné, aby napětí sítě bylo v rozmezí dle specifikace výrobce, pro přístroje napájené z baterií nebo akmlátorů obdobně. U elektronických měřidel vyšší přesnosti dále výrobce rčje tzv. dob náběh (warm-p), což je doba, po ktero msí být přístroj zapnt, než dosáhne plné přesnosti. Měření je ntné zahájit až po plyntí této doby U analogových přístrojů je zvláště ntné dodržet poloh přístroje podle značky na stpnici (poloha vodorovná nebo svislá). Přístroje, které v konstrkci mají magnet, nesmí být místěny na kovové podložce. Ostatní podmínky prostředí (např. vnější elektrické nebo magnetické pole) nemají ve většině průmyslových aplikací přímý vliv na výsledek měření a poszjí se sbjektivně podle podmínek daného pracoviště. 7 Metrologické meze vyžití metody měření Rozsahy měření jso dány rozsahem požitého měřidla. Měřidla je ntné požívat s příslšenstvím dodaným nebo doporčeným výrobcem měřidla. Nevhodné měřící šnůry nebo měřící sondy moho ovlivnit výsledek měření. Pokd není příslšenství měřidel rčeno výrobcem, msí být rozměry a místění vodičů takové, aby neovlivňovalo výsledky měření a bylo bezpečné pro zařízení i obslh. 8 Kontrola měřidla před požitím a příprava na měření Měřicí přístroj se připraví pro měření v solad s technicko dokmentací nebo údaji vedenými na přístroji. Provede se vnější prohlídka přístroje: kryt přístroje a kryt stpnice nejso poškozeny, přístroj je vybaven všemi sočástkami a příslšenstvím potřebným k měření, všechny technické údaje o přístroji vedené na stpnici, přepínači rozsahů, svorkách a kryt přístroje jso zřetelné. Dále se provede kontrola provozschopnosti:
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 6/1 připojovací svorky jso spolehlivě pevněné a nepoškozené, přepínače měřicích rozsahů jso fnkční a mají správno aretaci odpovídající zvoleném měřicím rozsah, zjistí se, zda všechny ovládací prvky mechanicky správně pracjí, zjistí se, zda přístroj na všech jeho kalibrovaných fnkcích elektricky správně pracje, zjistí se, zda je možné nastavit nlový údaj, případně dovoleno odchylk od nly, na všech měřicích rozsazích a ve všech kalibrovaných fnkcích přístroje. U analogových přístrojů ntné nejprve nastavit mechanicko nl následjícím způsobem: stavítkem mechanické nly se v potřebném směr přivede kazovatel na nlovo značk, v průběh posování kazovatele se poklepává na pozdro přístroje, když je kazovatel nastaven na nlovo značk, obratí se směr pohyb stavítka mechanické nly a pohne se jím v mezích mechanické vůle (mrtvého chod), avšak tak, aby nedošlo ke změně polohy kazovatele. Poznámka: U přístrojů bez stavítka mechanické nly, nebo přístrojů, které mají mechanicko nl vně stpnice, nesmí být znov nastavení prováděno. U analogových přístrojů s elektroniko se po zapntí přístroje provede nastavení elektrické nly obdobným způsobem. Na digitálních a elektronických přístrojích se nastavení nly provádí poze přístrojů s vyšší rozlišovací schopností podle návod výrobce. Některé elektronické přístroje (mltimetry s vyšším rozlišením, osciloskopy) jso vybaveny fnkcí atokalibrace, která by se měla provádět v intervalech doporčených výrobcem. U přístrojů vybavených vnějšími kalibračními reglačními prvky se zjistí, zda je lze nastavit ve stanovených mezích. Pokd je to možné, digitálních přístrojů je vhodné před vlastním měřením vyzkošet zda svítí všechny segmenty displeje (při porše sedmisegmentového displeje může snadno dojít k záměně číslic 0 a 8 nebo 5 a 6), analogových přístrojů při zvyšování nebo snižování napětí je pohyb kazatele plynlý. Měřidlo, které vykazje nedostatky, nelze dále k měření požívat. U přístrojů v aplikacích poze indikačních (rozvaděčové) je možné některé kroky zjednodšit. 9 Postp měření Elektrické napětí se měří voltmetrem nebo přístrojem vedeným v kapitole 5 tohoto postp, který se připojje paralelně k měřeném obvod. Pro co největší přesnost měření
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 7/1 je ntné zajistit, aby měřicí přístroj nezatěžoval měřený obvod, tedy aby jím procházel co nejmenší prod. Vnitřní odpor měřicího přístroje msí být co největší, protože je připojen paralelně k měřeném obvod. Příklad: měření napětí na odporové sočástce s odporem 100 kω, při měření napětí digitálním mltimetrem se vstpním odporem 10 MΩ se výsledný odpor paralelní kombinace sníží o 1 %, při měření osciloskopem nebo měřicí karto se vstpním odporem 1 MΩ se výsledný odpor paralelní kombinace sníží o 9,1 %. Při měření analogovými přístroji je ntné brát v úvah hysterezi analogového přístroje, což znamená, že přístroj měří rozdílné hodnoty při zvyšování napětí (pohyb kazatele směrem nahor) a při snižování napětí (pohyb kazatele směrem dol). Přístroj však msí splňovat podmínk, že hystereze je menší než třída přesnosti přístroje. U digitálních přístrojů, které to možňjí, pro stejnosměrné napětí je důležité nastavení tzv. doby integrace, což je údaj vyjadřjící počet odměrů za jednotk čas. Pro napětí, která jso stabilní, a hodnota se mění minimálně, je vhodné volit dob integrace dloho (NPLC = 10 nebo 100, kde NPLC znamená počet cyklů napětí sítě, tedy při frekvenci síťového napětí 50 Hz bde počet odměrů 5 /s pro NPLC = 10 nebo 0,5 / s pro NPLC = 100). Podobné je to při měření střídavého napětí, kde je ntné správně nastavit vstpní filtr podle frekvence měřeného napětí. Při měření střídavých napětí digitálním voltmetrem nebo mltimetrem je potřeba správně vyhodnotit měřeno aplikaci, resp. průběh (tvar) měřeného napětí. Přístroje označené jako TRMS měří tzv. pravo efektivní hodnot, tedy efektivní hodnot nezávislo na průběh (tvar měřeného střídavého napětí). U přístrojů označených RMS přístroj měří efektivní hodnot poze signálů sinsového průběh, při ostatních průbězích (tvarech) může měřit s velko chybo. Je-li potřeba změřit větší napětí, než pro které je měřicí přístroj rčen, může se k něm do série zapojit tzv. předřadný odpor R P takové velikosti, aby se měřené napětí U rozdělilo ve vhodném poměr na napětí na předřadném odpor U P a napětí na voltmetr U V. Přitom platí, že U = U P + U V. Odpor předřadného odpor pak msí mít velikost podle vztah: R p = R v (n - 1), Kde: R p je odpor předřadník, R v je vstpní odpor voltmetr, n je násobek zvýšení rozsah měřicího přístroje. Také je možné požít vhodný odporový dělič. Při jeho konstrkci je však ntné zohlednit vstpní odpor měřicího přístroje, viz příklad vedený výše. Změna rozsah měřicích přístrojů při měření střídavého napětí je také možná tzv. měřicím transformátorem napětí, kde celkový rozsah je sočin převod transformátor a rozsah měřicího přístroje. Volba typ měřicího přístroje analogový nebo digitální - závisí na měřené aplikaci. U analogových přístrojů je možné sledovat trend nebo změny měřeného napětí, samozřejmě
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 8/1 s horší přesností odečt, digitálních přístrojů je změna čísla na displeji rychlá nebo příliš velká a nemožňje odečet s výjimko případů import naměřených hodnot do vhodného program, což ale nelze přístrojů s vhodno sběrnicí. Digitální přístroje naopak možňjí přesnější a pohodlnější odečet, přenos dat do počítače a jejich další vyhodnocení. Pro měření speciálních aplikací napětí je možné požití osciloskopů, které zobrazjí průběh napětí v čase. Osciloskopy nedosahjí přesnosti digitálních měřidel (mltimetrů), přesnost je obvykle v jednotkách procent, ale naopak je s nimi možné měřit napětí o vysokých frekvencích až do rozsahů GHz a dále je možné měřit napěťové plsy, které jso na měřeném objekt velmi krátko dob (řádově až pikosekndy). V takovém případě se požívá spoštění časové základny SINGLE. Měřící karty připojené k počítači jso speciální měřidla, kterých je možné měřit napětí ve více kanálech sočasně. Programové vybavení dodávané s těmito zařízeními možňjí exportovat naměřené hodnoty ve formě graf nebo ve formát tablky MS Excel. 10 Stanovení nejistoty při měření napětí (příklad) Příklad výpočt nejistot měření pro analogový meřící přístroj: Měření stejnosměrného napětí laboratorním voltmetrem třídy přesnosti 0, %; délka stpnice 150 dílků; Výpočet nejistoty typ A: Je proveden v solad s dokmentem EA-4/0 M:013 Průměrná hodnota: V n V i 1 Směrodatná odchylka: sv V i V n 1 Odhad rozptyl: Nejistota typ A: A s x s 1 x s V n Průměrná hodnota by podle výše vedeného dokment měla být počítána alespoň z 10 odměrů. Poznámka: V běžné průmyslové praxi je takové měření nereálné z důvod velké časové náročnosti nebo neopakovatelnosti měřeného děje. Pak je ntné nejistot typ A odhadnot na základě zkšenosti nebo na základě výpočt obdobných typů měření, kde bylo možné alespoň 10 odměrů provést.
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 9/1 A s x = 0,05 % - odhad B1 = 0, - přesnost měřidla; zjištěno ze značky přístroje na stpnici B = 0,06 % - nejistota kalibrace měřidla; zjištěno z kalibračního list měřidla jako hodnota pro koeficient rozšíření k = B3 = 0,03 % - zdroj nejistoty na odečitatelnost (rozlišení) ze stpnice; odhad (stpnice podložená zrcátkem, čtení přes malo čtecí lp se zvětšením 4x) B 1 B3 B B = 3 3 0, 3 0,013 0,03 3 = 0,01% = A B 0,01 0,0058 = 0,13 % U k =. 0,13 = 0,6 % Přehled nejistot: Zdroj nejistot Odhad Pravděpodobnost Standardní nejistota Citlivostní koeficient Příspěvek k nejistotě rozdělení A 0,05 % normální 0,05 % 1 0,05 % B1 0, % rovnoměrné 0,11 % 1 0,11 % B 0,013 % normální 0,013 % 1 0,013 % B3 0,03 % rovnoměrné 0,017 % 1 0,017 % U 0,6 % Příklad výpočt nejistot měření pro digitální meřicí přístroj: Měření stejnosměrného napětí digitálním mltimetrem s rozlišením 3 ½. Výpočet nejistoty typ A: Je proveden v solad s dokmentem EA-4/0 M:013 Průměrná hodnota: V n V i 1 Směrodatná odchylka: sv V i V n 1 Odhad rozptyl: s n 1 x s V
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 10/1 Nejistota typ A: A s x Průměrná hodnota by podle výše vedeného dokment měla být počítána alespoň z 10 odměrů. Poznámka: V běžné průmyslové praxi je takové měření nereálné z důvod velké časové náročnosti nebo neopakovatelnosti měřeného děje, pokd není možný odečet po sběrnici (USB, GP-IB, LAN apod.) Pak je ntné nejistot typ A odhadnot na základě zkšenosti nebo na základě výpočt obdobných typů měření, kde bylo možné alespoň 10 odměrů provést. A s x = zanedbatelná (příklad měření napětí akmlátor, jehož hodnota je konstantní a rozlišení přístroje malé, tedy všechny hodnoty mají stejno hodnot). B1 = 0,58 % - přesnost měřidla; zjištěno z technické dokmentace měřidla (příklad: rozsah mltimetr 0 V; měřená hodnota 1 V, přesnost měřidla dle dokmentace 0,5 % z hodnoty + 1 digit, tedy 0,5 % z hodnoty +0,05 % z rozsah), B = 0,10 % - zjištěno z kalibračního list mltimetr jako hodnota pro koeficient rozšíření k =, B3 = 0,04 % - zdroj nejistoty vyjadřjící konečno rozlišovací schopnost mltimetr; při rozlišení kalibrovaného voltmetr 3 ½ dig. B 1 B3 B B = 3 3 0,58 3 0,05 0,04 3 = 0,34 % Přehled nejistot: Zdroj nejistot A U k B =. 0,34 = 0,68 % Odhad Pravděpodobnost rozdělení Standardní nejistota Citlivostní koeficient Příspěvek k nejistotě zanedbatelná B1 0,58 % rovnoměrné 0,33 % 1 0,33 % B 0,05 % normální 0,05 % 1 0,05 % B3 0,04 % rovnoměrné 0,04 % 1 0,04 % U 0,68 %
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 11/1 11 Záznamy o měření Pokd má organizace stanoveny konkrétní záznamy o měření, vyžijí se. Úroveň záznam je dána důležitostí měřicí operace a jeho rozsah stanoví odpovědný pracovník sbjekt (technolog, metrolog atd.) Tyto záznamy moho obsahovat například: a) identifikace pracoviště provádějícího měření, b) pořadové číslo záznam, očíslování jednotlivých stran, celkový počet stran, c) informace o měřidle, d) veličiny ovlivňjící měření v okamžik měření a způsob jejich kompenzace, e) název výrobní operace, f) datm měření, (případně i čas), g) označení požité metodiky měření (v našem případě např. MPM 4.1./01/17) h) měřidla požitá při měření, i) obecné vyjádření o návaznosti výsledků měření, j) výsledky měření a s nimi spjato rozšířeno nejistot měření a/nebo prohlášení o shodě s dano technologicko tolerancí, k) jméno pracovníka, provádějícího měření, jméno a podpis odpovědného (vedocího) pracovníka, razítko pracoviště. 1 Péče o metodický postp Originál metodického postp je ložen jeho zpracovatele, další vyhotovení jso předána příslšným pracovníkům podle rozdělovník (viz čl. 13.1 tohoto postp). Změny, popř. revize metodického postp provádí jeho zpracovatel. Změny schvalje vedocí zpracovatele nebo metrolog organizace. 13 Rozdělovník, úprava a schválení, revize Uvedený příklad je poze orientační a sbjekt si může tto dokmentaci pravit podle interních předpisů o řízení dokmentů. 13.1 Rozdělovník Metodický postp Převzal Výtisk číslo Obdrží útvar Jméno Podpis Datm
MPM 4.1./01/17 Metodika měření napětí v průmyslových aplikacích strana 1/1 13. Úprava a schválení Metodický postp Jméno Podpis Datm Upravil Úprav schválil 13.3 Revize Strana Popis změny Zpracoval Schválil Datm Upozornění Tento metodický postp je třeba považovat za vzorový. Doporčje se, aby jej organizace přizpůsobila svým požadavkům s ohledem na své metrologické vybavení a konkrétní podmínky.