Дизайн вольтметра

Как было сказано ранее, большинство перемещений счетчика являются чувствительными устройствами. Некоторые механизмы D’Arsonval имеют номинальный ток отклонения в полном объеме всего 50 мкА при (внутреннем) сопротивлении провода менее 1000 Ом. Это делает вольтметр с номинальной мощностью всего 50 милливольт (50 µA X 1000 Ω)! Чтобы построить вольтметры с практическими (более высокими напряжениями) шкалами на основе таких чувствительных движений, нам нужно найти способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым может работать механизм.

Измеритель движения Д’Арсонваля

Давайте начнем наш пример задачи с механизма измерения Д’Арсонваля, имеющего номинальный диапазон отклонения 1 мА и сопротивление катушки 500 Ом:

Используя закон Ома (E =IR), мы можем определить, какое напряжение приведет к движению этого измерителя непосредственно к полной шкале:

E =I R E =(1 мА) (500 Ом) E =0,5 вольт

Если бы все, что нам было нужно, это измеритель, который мог бы измерять 1/2 вольта, то простого измерительного механизма, который у нас здесь, было бы достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения необходимо нечто большее. Чтобы получить эффективный диапазон вольтметра, превышающий 1/2 вольта, нам необходимо разработать схему, позволяющую только точной пропорции измеренного напряжения падать при перемещении измерителя.

Это расширит диапазон движения измерителя до более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне измерителя, чтобы указать его новый диапазон измерения с подключенной схемой дозирования.

Но как создать необходимую схему дозирования? Что ж, если мы намерены позволить этому движению измерителя измерять большее напряжение чем сейчас, нам нужен делитель напряжения схема для пропорционального распределения общего измеренного напряжения на меньшую долю в точках подключения движения счетчика. Зная, что схемы делителя напряжения построены из серий сопротивления, мы подключим резистор последовательно с движением измерителя (используя собственное внутреннее сопротивление механизма в качестве второго сопротивления в делителе):

Резисторы умножителя

Последовательный резистор называется «умножающим», потому что он умножает рабочий диапазон движения счетчика, поскольку он пропорционально делит измеренное напряжение на нем. Определить необходимое значение сопротивления умножителя - простая задача, если вы знакомы с анализом последовательной цепи.

Например, давайте определим необходимое значение множителя, чтобы это движение 1 мА, 500 Ом считывалось точно на полную шкалу при приложенном напряжении 10 вольт. Для этого нам сначала нужно настроить таблицу E / I / R для двух компонентов серии:

Зная, что движение будет в полном масштабе с током 1 мА, проходящим через него, и что мы хотим, чтобы это происходило при приложенном (общая последовательная цепь) напряжении 10 вольт, мы можем заполнить таблицу как таковую:

Есть несколько способов определить значение сопротивления множителя. Один из способов - определить полное сопротивление цепи, используя закон Ома в столбце «Общее» (R =E / I), а затем вычесть 500 Ом движения, чтобы получить значение множителя:

Другой способ рассчитать такое же значение сопротивления - это определить падение напряжения при движении при полном отклонении (E =IR), а затем вычесть это падение напряжения из общего значения, чтобы получить напряжение на резисторе умножителя. Наконец, закон Ома можно снова использовать для определения сопротивления (R =E / I) для множителя:

Любой способ дает один и тот же ответ (9,5 кОм), и один метод может использоваться в качестве проверки другого, чтобы проверить точность работы.

При подаче ровно 10 вольт между измерительными проводами измерителя (от какой-либо батареи или прецизионного источника питания) через движение измерителя будет проходить ток ровно 1 мА, что ограничивается «умножающим» резистором и собственным внутренним сопротивлением механизма. Ровно 1/2 вольта упадет на сопротивление проволочной катушки механизма, и стрелка будет указывать точно на полную шкалу. Изменив маркировку шкалы так, чтобы она показывала от 0 до 10 В (вместо 0 до 1 мА), любой, кто смотрит на шкалу, интерпретирует ее показание как десять вольт.

Пожалуйста, обратите внимание, что пользователю измерителя совсем не обязательно знать, что сам механизм фактически измеряет лишь часть этих десяти вольт от внешнего источника. Все, что имеет значение для пользователя, - это то, что схема в целом функционирует для точного отображения общего приложенного напряжения.

Вот как конструируются и используются практичные электрические счетчики:чувствительный механизм счетчика построен для работы с минимальным напряжением и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, затем его «обманывают» какой-то схемой делителя, построенной из прецизионных резисторов, так что он указывает на полную шкалу, когда на цепь в целом воздействует гораздо большее напряжение или ток. Мы рассмотрели здесь конструкцию простого вольтметра. Амперметры следуют тому же общему правилу, за исключением того, что параллельно подключенные «шунтирующие» резисторы используются для создания делителя тока . схема в отличие от последовательно соединенного делителя напряжения «Умножительные» резисторы, используемые в конструкциях вольтметров.

Как правило, полезно установить несколько диапазонов для электромеханического измерителя, такого как этот, чтобы он мог считывать широкий диапазон напряжений с помощью одного механизма перемещения. Это достигается за счет использования многополюсного переключателя и нескольких резисторов умножителя, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:

Пятипозиционный переключатель контактирует только с одним резистором за раз. В нижнем (полностью по часовой стрелке) положении он вообще не контактирует с резистором, обеспечивая настройку «выключено». Размер каждого резистора рассчитан на обеспечение определенного диапазона полной шкалы для вольтметра, все в зависимости от конкретного номинала движения измерителя (1 мА, 500 Ом). Конечным результатом является вольтметр с четырьмя различными диапазонами полной шкалы измерения. Конечно, для того, чтобы это работало разумно, шкала движения счетчика должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.

В такой конструкции измерителя каждое значение резистора определяется одним и тем же методом с использованием известного полного напряжения, номинального отклонения перемещения и сопротивления перемещению. Для вольтметра с диапазонами 1, 10, 100 и 1000 вольт сопротивление умножителя будет следующим:

Обратите внимание на значения резистора умножителя, используемые для этих диапазонов, и насколько они нечетные. Маловероятно, что прецизионный резистор 999,5 кОм когда-либо будет найден в корзине с деталями, поэтому разработчики вольтметров часто выбирают вариант вышеупомянутой конструкции, в котором используются резисторы более общих номиналов:

С каждым последовательно повышающимся диапазоном напряжения селекторным переключателем приводится в действие все больше резисторов умножителя, в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, при установке переключателя диапазонов в положение 1000 вольт, нам нужно общее сопротивление умножителя 999,5 кОм. Вот что мы получаем с такой конструкцией счетчика:

R _Итого =R4 + R3 + R2 + R1 R _Итого =900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом R _Итого =999,5 кОм

Преимущество, конечно же, состоит в том, что отдельные значения резистора умножителя встречаются чаще (900 кОм, 90 кОм, 9 кОм), чем некоторые из нечетных значений в первой схеме (999,5 кОм, 99,5 кОм, 9,5 кОм). Однако с точки зрения пользователя счетчика заметной разницы в функциях не будет.

ОБЗОР:

• Расширенные диапазоны вольтметров созданы для чувствительных перемещений измерителя путем добавления последовательных «умножающих» резисторов к цепи перемещения, обеспечивающих точный коэффициент деления напряжения.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист проектирования вольтметра
• Рабочий лист вольтметра