Wat is een meter?

Een meter is elk apparaat dat is gebouwd om een ​​elektrische grootheid nauwkeurig te detecteren en weer te geven in een vorm die voor een mens leesbaar is. Gewoonlijk is deze "leesbare vorm" visueel:beweging van een aanwijzer op een schaal, een reeks lichten die zijn gerangschikt om een ​​"staafdiagram" te vormen, of een soort display bestaande uit numerieke cijfers. Bij het analyseren en testen van circuits zijn er meters die zijn ontworpen om de basishoeveelheden spanning, stroom en weerstand nauwkeurig te meten. Er zijn ook veel andere soorten meters, maar dit hoofdstuk behandelt voornamelijk het ontwerp en de werking van de drie basistypen.

De meeste moderne meters zijn "digitaal" van ontwerp, wat betekent dat hun leesbare display de vorm heeft van numerieke cijfers. Oudere ontwerpen van meters zijn mechanisch van aard en gebruiken een soort aanwijsapparaat om de hoeveelheid meting weer te geven. In beide gevallen zijn de principes die worden toegepast bij het aanpassen van een weergave-eenheid aan het meten van (relatief) grote hoeveelheden spanning, stroom of weerstand hetzelfde.

Wat is een meterbeweging?

Het weergavemechanisme van een meter wordt vaak een beweging genoemd , lenend van zijn mechanische aard om te verplaatsen een wijzer langs een schaal zodat een gemeten waarde kan worden afgelezen. Hoewel moderne digitale meters geen bewegende delen hebben, kan de term "beweging" worden toegepast op hetzelfde basisapparaat dat de weergavefunctie uitvoert.

Elektromagnetische meterbeweging

Het ontwerp van digitale "bewegingen" valt buiten het bestek van dit hoofdstuk, maar mechanische ontwerpen voor meterbewegingen zijn zeer begrijpelijk. De meeste mechanische bewegingen zijn gebaseerd op het principe van elektromagnetisme:dat elektrische stroom door een geleider een magnetisch veld produceert loodrecht op de as van de stroomstroom. Hoe groter de elektrische stroom, hoe sterker het geproduceerde magnetische veld.

Als het door de geleider gevormde magnetische veld mag interageren met een ander magnetisch veld, zal er een fysieke kracht worden gegenereerd tussen de twee bronnen van velden. Als een van deze bronnen vrij kan bewegen ten opzichte van de andere, zal deze dat doen terwijl er stroom door de draad wordt geleid, waarbij de beweging (meestal tegen de weerstand van een veer) evenredig is met de sterkte van de stroom.

De eerste meterbewegingen die werden gebouwd, stonden bekend als galvanometers , en werden meestal ontworpen met maximale gevoeligheid in gedachten. Een zeer eenvoudige galvanometer kan worden gemaakt van een gemagnetiseerde naald (zoals de naald van een magnetisch kompas) die aan een touwtje is opgehangen en in een draadspoel is geplaatst. Stroom door de draadspoel zal een magnetisch veld produceren dat ervoor zorgt dat de naald niet in de richting van het aardmagnetisch veld wijst. Een antieke snaargalvanometer wordt getoond in de volgende foto:

Dergelijke instrumenten waren nuttig in hun tijd, maar hebben in de moderne wereld weinig plaats behalve als proof-of-concept en elementaire experimentele apparaten. Ze zijn zeer gevoelig voor elke vorm van beweging en voor alle verstoringen in het natuurlijke magnetische veld van de aarde. Nu verwijst de term "galvanometer" meestal naar elk ontwerp van elektromagnetische meterbewegingen die zijn gebouwd voor uitzonderlijke gevoeligheid, en niet noodzakelijkerwijs een ruw apparaat zoals dat op de foto wordt getoond.

Er kunnen nu praktische elektromagnetische meterbewegingen worden gemaakt waarbij een draaiende draadspoel is opgehangen in een sterk magnetisch veld, afgeschermd van de meeste invloeden van buitenaf. Een dergelijk instrumentontwerp staat algemeen bekend als een permanente magneet, bewegende spoel , of PMMC beweging:

In de bovenstaande afbeelding wordt de "naald" van de meterbeweging weergegeven die ergens rond 35 procent van de volledige schaal wijst, waarbij nul volledig links van de boog is en volledige schaal volledig rechts van de boog. Een toename van de gemeten stroom zorgt ervoor dat de naald verder naar rechts wijst en een afname zorgt ervoor dat de naald terug naar beneden zakt naar zijn rustpunt aan de linkerkant. De boog op het display van de meter is gelabeld met cijfers om de waarde aan te geven van de hoeveelheid die wordt gemeten, wat die hoeveelheid ook is.

Met andere woorden, als er 50 µA stroom nodig is om de naald helemaal naar rechts te drijven (waardoor dit een "beweging op volledige schaal van 50 µA" wordt), zou de schaal 0 µA helemaal links en 50 µA aan het uiteinde hebben. helemaal rechts, 25 µA wordt gemarkeerd in het midden van de schaal. Naar alle waarschijnlijkheid zou de schaal worden verdeeld in veel kleinere eindmarkeringen, waarschijnlijk elke 5 of 1 µA, zodat iedereen die de beweging ziet een nauwkeurigere aflezing kan afleiden uit de positie van de naald.

De beweging van de meter heeft een paar metalen aansluitklemmen aan de achterkant voor stroom om in en uit te gaan. De meeste bewegingen van de meter zijn polariteitsgevoelig, waarbij de ene stroomrichting de naald naar rechts drijft en de andere naar links. Sommige meterbewegingen hebben een naald die gecentreerd is in het midden van de schaalzwaai in plaats van naar links, waardoor metingen van beide polariteiten mogelijk zijn:

Veelvoorkomende polariteitsgevoelige bewegingen zijn de D'Arsonval- en Weston-ontwerpen, beide PMMC-achtige instrumenten. Stroom in de ene richting door de draad zal een draaimoment met de klok mee op het naaldmechanisme produceren, terwijl stroom in de andere richting een draaimoment tegen de klok in zal produceren.

Sommige meterbewegingen zijn polariteit-in gevoelig, vertrouwend op de aantrekkingskracht van een niet-gemagnetiseerde, beweegbare ijzeren schoep in de richting van een stationaire, stroomvoerende draad om de naald af te buigen. Dergelijke meters zijn bij uitstek geschikt voor het meten van wisselstroom (AC). Een polariteitsgevoelige beweging zou gewoon nutteloos heen en weer trillen als deze is aangesloten op een AC-bron.

Elektrostatische meterbeweging

Terwijl de meeste mechanische meterbewegingen gebaseerd zijn op elektromagnetisme (stroom door een geleider die een loodrecht magnetisch veld creëert), zijn enkele gebaseerd op elektrostatica:dat wil zeggen, de aantrekkende of afstotende kracht die wordt gegenereerd door elektrische ladingen in de ruimte. Dit is hetzelfde fenomeen dat wordt vertoond door bepaalde materialen (zoals was en wol) wanneer ze tegen elkaar worden gewreven. Als er een spanning wordt aangelegd tussen twee geleidende oppervlakken over een luchtspleet, zal er een fysieke kracht zijn die de twee oppervlakken naar elkaar toe trekt en in staat is om een ​​soort van indicatiemechanisme te bewegen.

Die fysieke kracht is recht evenredig met de spanning tussen de platen en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de platen. De kracht is ook onafhankelijk van de polariteit, waardoor dit een polariteitsongevoelig type meterbeweging is:

Helaas is de kracht die wordt gegenereerd door de elektrostatische aantrekking zeer klein voor gemeenschappelijke spanningen. In feite is het zo klein dat dergelijke ontwerpen voor meterbewegingen onpraktisch zijn voor gebruik in algemene testinstrumenten. Meestal worden elektrostatische meterbewegingen gebruikt voor het meten van zeer hoge spanningen (vele duizenden volt).

Een groot voordeel van de beweging van de elektrostatische meter is echter het feit dat deze een extreem hoge weerstand heeft, terwijl elektromagnetische bewegingen (die afhankelijk zijn van de stroom door een draad om een ​​magnetisch veld op te wekken) een veel lagere weerstand hebben. Zoals we later in meer detail zullen zien, zorgt een grotere weerstand (resulterend in minder stroom getrokken uit het te testen circuit) voor een betere voltmeter.

Kathodestraalbuis

Een veel algemenere toepassing van elektrostatische spanningsmeting wordt gezien in een apparaat dat bekend staat als een kathodestraalbuis , of CRT . Dit zijn speciale glazen buizen, die erg lijken op buizen van televisiekijkers. In de kathodestraalbuis wordt een elektronenbundel die zich in vacuüm voortbeweegt van zijn baan afgebogen door spanning tussen paren metalen platen aan weerszijden van de bundel.

Omdat elektronen negatief geladen zijn, hebben ze de neiging om afgestoten te worden door de negatieve plaat en aangetrokken te worden door de positieve plaat. Een omkering van de spanningspolariteit over de twee platen zal resulteren in een afbuiging van de elektronenstraal in de tegenovergestelde richting, waardoor dit type meter polariteitsgevoelig wordt voor "beweging":

De elektronen, die veel minder massa hebben dan metalen platen, worden door deze elektrostatische kracht zeer snel en gemakkelijk verplaatst. Hun afgebogen pad kan worden gevolgd als de elektronen invallen op het glazen uiteinde van de buis, waar ze een coating van fosforchemicaliën raken en een lichtgloed uitstralen die buiten de buis wordt gezien. Hoe groter de spanning tussen de afbuigplaten, hoe verder de elektronenbundel van zijn rechte pad wordt "gebogen", en hoe verder de gloeiende vlek vanuit het midden op het uiteinde van de buis te zien is.

Een foto van een CRT wordt hier getoond:

In een echte CRT, zoals te zien is op de bovenstaande foto, zijn er twee paar afbuigplaten in plaats van slechts één. Om de elektronenstraal over het hele scherm te kunnen strijken in plaats van alleen in een rechte lijn, moet de straal in meer dan één dimensie worden afgebogen.

Hoewel deze buizen kleine spanningen nauwkeurig kunnen registreren, zijn ze omvangrijk en hebben ze elektrische stroom nodig om te werken (in tegenstelling tot elektromagnetische meterbewegingen, die compacter zijn en worden aangedreven door de kracht van de gemeten signaalstroom die er doorheen gaat). Ze zijn ook veel kwetsbaarder dan andere soorten elektrische meetapparatuur. Gewoonlijk worden kathodestraalbuizen gebruikt in combinatie met precieze externe circuits om een ​​groter stuk testapparatuur te vormen, bekend als een oscilloscoop , die de mogelijkheid heeft om een ​​grafiek van de spanning in de tijd weer te geven, een enorm handig hulpmiddel voor bepaalde soorten circuits waar spannings- en/of stroomniveaus dynamisch veranderen.

Volledige indicatie

Ongeacht het type meter of de grootte van de meterbeweging, er zal een nominale waarde van spanning of stroom zijn die nodig is om een ​​volledige indicatie te geven. Bij elektromagnetische bewegingen zal dit de "volledige afbuigstroom" zijn die nodig is om de naald zo te draaien dat deze naar het exacte einde van de indicatieschaal wijst. Bij elektrostatische bewegingen wordt de nominale waarde uitgedrukt als de spanningswaarde die resulteert in de maximale afbuiging van de naald die door de platen wordt aangedreven, of de spanningswaarde in een kathodestraalbuis die de elektronenstraal naar de rand van de het indicatiescherm. Bij digitale "bewegingen" is dit de hoeveelheid spanning die resulteert in een "volledige telling"-indicatie op het numerieke display:wanneer de cijfers geen grotere hoeveelheid kunnen weergeven.

De taak van de meterontwerper is om een ​​bepaalde beweging van de meter te nemen en de noodzakelijke externe circuits te ontwerpen voor volledige indicatie bij een bepaalde hoeveelheid spanning of stroom. De meeste meterbewegingen (met uitzondering van elektrostatische bewegingen) zijn behoorlijk gevoelig en geven een volledige indicatie bij slechts een kleine fractie van een volt of een ampère. Dit is onpraktisch voor de meeste taken van spannings- en stroommeting. Wat de technicus vaak nodig heeft, is een meter die hoge spanningen en stromen kan meten.

Door de gevoelige meterbeweging onderdeel te maken van een spannings- of stroomdelercircuit, kan het bruikbare meetbereik van de beweging worden uitgebreid om veel grotere niveaus te meten dan wat door de beweging alleen zou kunnen worden aangegeven. Precisieweerstanden worden gebruikt om de scheidingscircuits te creëren die nodig zijn om spanning of stroom op de juiste manier te verdelen. Een van de lessen die u in dit hoofdstuk zult leren, is hoe u deze scheidingscircuits kunt ontwerpen.

BEOORDELING:

• Een “beweging ” is het weergavemechanisme van een meter.
• Elektromagnetische bewegingen werken volgens het principe van een magnetisch veld dat wordt opgewekt door elektrische stroom door een draad. Voorbeelden van elektromagnetische meterbewegingen zijn de ontwerpen van D'Arsonval, Weston en ijzeren schoepen.
• Elektrostatische bewegingen werken volgens het principe van fysieke kracht die wordt gegenereerd door een elektrisch veld tussen twee platen.
• Kathodestraalbuizen (CRT's) gebruiken een elektrostatisch veld om het pad van een elektronenstraal te buigen en geven een indicatie van de positie van de straal door licht dat wordt gecreëerd wanneer de straal het uiteinde van de glazen buis raakt.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Ampèremeterontwerp
• Werkblad Voltmeterontwerp