Voltmeterontwerp

Zoals eerder vermeld, zijn de meeste meterbewegingen gevoelige apparaten. Sommige D'Arsonval-bewegingen hebben een maximale deflectiestroom van 50 µA, met een (interne) draadweerstand van minder dan 1000 Ω. Dit zorgt voor een voltmeter met een volledige beoordeling van slechts 50 millivolt (50 µA X 1000 Ω)! Om voltmeters te bouwen met praktische (hogere spanning) schalen van dergelijke gevoelige bewegingen, moeten we een manier vinden om de gemeten hoeveelheid spanning terug te brengen tot een niveau dat de beweging aankan.

D'Arsonval-bewegingsmeter

Laten we beginnen met onze voorbeeldproblemen met een beweging van een D'Arsonval-meter met een volledige doorbuiging van 1 mA en een spoelweerstand van 500 Ω:

Met behulp van de wet van Ohm (E =IR) kunnen we bepalen hoeveel spanning deze meterbeweging rechtstreeks naar volledige schaal zal sturen:

E =IK R E =(1 mA)(500 Ω) E =0,5 volt

Als alles wat we wilden een meter was die 1/2 volt kon meten, zou de blote meterbeweging die we hier hebben voldoende zijn. Maar om grotere spanningsniveaus te meten, is er iets meer nodig. Om een ​​effectief voltmeterbereik van meer dan 1/2 volt te krijgen, moeten we een circuit ontwerpen waardoor alleen een nauwkeurig deel van de gemeten spanning over de beweging van de meter kan vallen.

Dit zal het bereik van de meterbeweging uitbreiden naar hogere spanningen. Dienovereenkomstig moeten we de schaal op het oppervlak van de meter opnieuw labelen om het nieuwe meetbereik aan te geven met dit doseercircuit aangesloten.

Maar hoe creëren we het benodigde doseercircuit? Welnu, als het onze bedoeling is om deze meterbeweging een grotere spanning te laten meten dan nu het geval is, hebben we een spanningsdeler nodig circuit om de totale gemeten spanning te verdelen in een kleinere fractie over de verbindingspunten van de meterbeweging. Wetende dat spanningsdelercircuits zijn opgebouwd uit series weerstanden, verbinden we een weerstand in serie met de meterbeweging (gebruikmakend van de eigen interne weerstand van de beweging als de tweede weerstand in de verdeler):

Vermenigvuldigingsweerstanden

De serieweerstand wordt een "vermenigvuldigingsweerstand" genoemd omdat deze vermenigvuldigt het werkbereik van de beweging van de meter, aangezien deze de gemeten spanning er evenredig over verdeelt. Het bepalen van de vereiste vermenigvuldigingsweerstandswaarde is een gemakkelijke taak als u bekend bent met serieschakelingsanalyse.

Laten we bijvoorbeeld de benodigde vermenigvuldigingswaarde bepalen om deze beweging van 1 mA, 500 exact op ware grootte af te lezen bij een aangelegde spanning van 10 volt. Om dit te doen, moeten we eerst een E/I/R-tabel opzetten voor de twee seriecomponenten:

Wetende dat de beweging op volle schaal zal zijn met 1 mA stroom erdoor, en dat we willen dat dit gebeurt bij een aangelegde (totale serieschakeling) spanning van 10 volt, kunnen we de tabel als zodanig invullen:

Er zijn een aantal manieren om de weerstandswaarde van de vermenigvuldiger te bepalen. Een manier is om de totale circuitweerstand te bepalen met behulp van de wet van Ohm in de kolom "totaal" (R=E/I), en vervolgens de 500 Ω van de beweging af te trekken om tot de waarde voor de vermenigvuldiger te komen:

Een andere manier om dezelfde weerstandswaarde te berekenen, is door de spanningsval over de beweging te bepalen bij volledige afbuiging (E =IR), en vervolgens die spanningsval af te trekken van het totaal om de spanning over de vermenigvuldigingsweerstand te bereiken. Ten slotte kan de wet van Ohm opnieuw worden gebruikt om de weerstand (R=E/I) voor de vermenigvuldiger te bepalen:

Hoe dan ook levert hetzelfde antwoord op (9,5 kΩ), en de ene methode kan worden gebruikt als verificatie voor de andere, om de nauwkeurigheid van het werk te controleren.

Met precies 10 volt toegepast tussen de meetsnoeren van de meter (van een batterij of precisievoeding), zal er precies 1 mA stroom door de meterbeweging gaan, zoals beperkt door de "vermenigvuldigingsweerstand" en de eigen interne weerstand van de beweging. Er valt precies 1/2 volt over de weerstand van de draadspoel van het uurwerk en de naald wijst precies op volledige schaal. Nadat de schaal opnieuw is gelabeld om te lezen van 0 tot 10 V (in plaats van 0 tot 1 mA), zal iedereen die de schaal bekijkt de indicatie als tien volt interpreteren.

Houd er rekening mee dat de metergebruiker zich er helemaal niet van bewust hoeft te zijn dat de beweging zelf eigenlijk maar een fractie van die tien volt van de externe bron meet. Het enige dat voor de gebruiker van belang is, is dat het circuit als geheel functioneert om de totale aangelegde spanning nauwkeurig weer te geven.

Dit is hoe praktische elektrische meters worden ontworpen en gebruikt:een gevoelige meterbeweging is gebouwd om met zo min mogelijk spanning en stroom te werken voor maximale gevoeligheid, dan wordt het "voor de gek gehouden" door een soort van scheidingscircuit opgebouwd uit precisieweerstanden, zodat het geeft volledige schaal aan wanneer een veel grotere spanning of stroom op het circuit als geheel wordt gedrukt. We hebben hier het ontwerp van een eenvoudige voltmeter onderzocht. Ampèremeters volgen dezelfde algemene regel, behalve dat parallel geschakelde "shunt"-weerstanden worden gebruikt om een ​​stroomdeler te creëren circuit in tegenstelling tot de in serie geschakelde spanningsdeler "vermenigvuldigingsweerstanden" die worden gebruikt voor voltmeterontwerpen.

Over het algemeen is het handig om meerdere bereiken te hebben voor een elektromechanische meter zoals deze, zodat deze een breed scala aan spanningen kan lezen met een enkel bewegingsmechanisme. Dit wordt bereikt door het gebruik van een meerpolige schakelaar en verschillende vermenigvuldigingsweerstanden, elk geschikt voor een bepaald spanningsbereik:

De vijfstandenschakelaar maakt contact met slechts één weerstand tegelijk. In de onderste positie (volledig met de klok mee) maakt het contact zonder enige weerstand, wat een "uit" -instelling oplevert. Elke weerstand is gedimensioneerd om een ​​bepaald volledig bereik voor de voltmeter te bieden, allemaal gebaseerd op de specifieke classificatie van de beweging van de meter (1 mA, 500 Ω). Het eindresultaat is een voltmeter met vier verschillende meetbereiken op volledige schaal. Om dit verstandig te laten werken, moet de schaal van de meterbeweging natuurlijk zijn uitgerust met labels die geschikt zijn voor elk bereik.

Met een dergelijk meterontwerp wordt elke weerstandswaarde bepaald met dezelfde techniek, met behulp van een bekende totale spanning, volledige doorbuigingswaarde voor beweging en bewegingsweerstand. Voor een voltmeter met een bereik van 1 volt, 10 volt, 100 volt en 1000 volt, zouden de vermenigvuldigingsweerstanden als volgt zijn:

Let op de waarden van de vermenigvuldigingsweerstand die voor deze bereiken worden gebruikt en hoe vreemd ze zijn. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat er ooit een precisieweerstand van 999,5 kΩ in een onderdelenbak zal worden gevonden, dus kiezen voltmeterontwerpers vaak voor een variatie op het bovenstaande ontwerp dat meer gebruikelijke weerstandswaarden gebruikt:

Bij elk opeenvolgend hoger spanningsbereik worden meer vermenigvuldigingsweerstanden door de keuzeschakelaar in gebruik genomen, waardoor hun serieweerstanden optellen voor het benodigde totaal. Als de bereikkeuzeschakelaar bijvoorbeeld is ingesteld op de 1000 volt-positie, hebben we een totale vermenigvuldigingsweerstandswaarde van 999,5 kΩ nodig. Met dit meterontwerp is dat precies wat we krijgen:

R_Totaal =R4 + R3 + R2 + R1 R_Totaal =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω R_Totaal =999,5 kΩ

Het voordeel is natuurlijk dat de individuele vermenigvuldigingsweerstandswaarden vaker voorkomen (900k, 90k, 9k) dan sommige van de oneven waarden in het eerste ontwerp (999.5k, 99.5k, 9.5k). Vanuit het perspectief van de metergebruiker is er echter geen waarneembaar verschil in functie.

BEOORDELING:

• Uitgebreide voltmeterbereiken worden gecreëerd voor gevoelige meterbewegingen door serie "vermenigvuldigingsweerstanden" toe te voegen aan het bewegingscircuit, waardoor een nauwkeurige spanningsverdelingsverhouding wordt verkregen.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Voltmeterontwerp
• Voltmeter-werkblad