Voltmeter-Design

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den meisten Zählerbewegungen um empfindliche Geräte. Einige D’Arsonval-Uhrwerke haben einen maximalen Ablenkstrom von nur 50 µA bei einem (internen) Drahtwiderstand von weniger als 1000 Ω. Dies ergibt ein Voltmeter mit einem Nennwert von nur 50 Millivolt (50 µA X 1000 Ω)! Um Voltmeter mit praktischen (höheren Spannungs-)Skalen aus solch empfindlichen Uhrwerken zu bauen, müssen wir einen Weg finden, die gemessene Spannungsmenge auf ein Niveau zu reduzieren, das das Uhrwerk verarbeiten kann.

D’Arsonval-Bewegungsmesser

Beginnen wir unsere Beispielprobleme mit einem D’Arsonval-Messwerk mit einem Vollausschlag von 1 mA und einem Spulenwiderstand von 500 Ω:

Mit dem Ohmschen Gesetz (E=IR) können wir bestimmen, wie viel Spannung diese Messgerätbewegung direkt auf den vollen Maßstab treibt:

E =I R E =(1 mA)(500 Ω) E =0,5 Volt

Wenn wir nur ein Messgerät wollten, das 1/2 Volt messen könnte, würde die nackte Meterbewegung, die wir hier haben, ausreichen. Aber um größere Spannungen zu messen, ist etwas mehr erforderlich. Um einen effektiven Voltmeter-Messbereich von mehr als 1/2 Volt zu erreichen, müssen wir eine Schaltung entwickeln, die es nur einem genauen Anteil der gemessenen Spannung erlaubt, über die Bewegung des Messgeräts zu fallen.

Dadurch wird der Bereich der Zählerbewegung auf höhere Spannungen erweitert. Dementsprechend müssen wir die Skala auf der Vorderseite des Messgeräts neu beschriften, um den neuen Messbereich bei angeschlossenem Dosierkreis anzuzeigen.

Aber wie schaffen wir den notwendigen Dosierkreislauf? Nun, wenn wir beabsichtigen, dass diese Messgerätbewegung eine größere Spannung messen kann als jetzt brauchen wir einen Spannungsteiler Schaltung, um die gemessene Gesamtspannung in einen kleineren Bruchteil über die Anschlusspunkte des Zählerwerks aufzuteilen. Wissen, dass Spannungsteilerschaltungen aus Reihen aufgebaut sind Widerstände schalten wir einen Widerstand in Reihe mit dem Uhrwerk (unter Verwendung des eigenen Innenwiderstands des Uhrwerks als zweiten Widerstand im Teiler):

Multiplikatorwiderstände

Der Reihenwiderstand wird als „Multiplikator“-Widerstand bezeichnet, weil er multipliziert den Arbeitsbereich des Messwerks, da es die gemessene Spannung proportional aufteilt. Die Bestimmung des erforderlichen Multiplikatorwiderstandswerts ist eine einfache Aufgabe, wenn Sie mit der Reihenschaltungsanalyse vertraut sind.

Lassen Sie uns zum Beispiel den erforderlichen Multiplikatorwert bestimmen, damit diese 1 mA, 500 Ω Bewegung bei einer angelegten Spannung von 10 Volt genau den Skalenendwert anzeigt. Dazu müssen wir zunächst eine E/I/R-Tabelle für die beiden Serienkomponenten erstellen:

Da wir wissen, dass die Bewegung mit 1 mA Strom im vollen Maßstab ist und dass dies bei einer angelegten (gesamten Reihenschaltung) Spannung von 10 Volt geschehen soll, können wir die Tabelle wie folgt ausfüllen:

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Widerstandswert des Multiplikators zu bestimmen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Gesamtstromkreiswiderstand mithilfe des Ohmschen Gesetzes in der Spalte „Gesamt“ (R=E/I) zu bestimmen und dann die 500 Ω der Bewegung abzuziehen, um den Wert für den Multiplikator zu erhalten:

Eine andere Möglichkeit, den gleichen Widerstandswert zu ermitteln, besteht darin, den Spannungsabfall über der Bewegung bei voller Auslenkung (E =IR) zu bestimmen und dann diesen Spannungsabfall von der Summe abzuziehen, um die Spannung über dem Multipliziererwiderstand zu erhalten. Schließlich könnte das Ohmsche Gesetz wieder verwendet werden, um den Widerstand (R=E/I) für den Multiplikator zu bestimmen:

Beide Methoden liefern die gleiche Antwort (9,5 kΩ), und eine Methode könnte als Überprüfung für die andere verwendet werden, um die Genauigkeit der Arbeit zu überprüfen.

Wenn genau 10 Volt zwischen den Messleitungen des Messgeräts (von einer Batterie oder einem Präzisionsnetzteil) angelegt werden, fließt genau 1 mA Strom durch das Messgerätewerk, begrenzt durch den „Multiplikator“-Widerstand und den eigenen Innenwiderstand des Uhrwerks. Über den Widerstand der Drahtspule des Uhrwerks fällt genau 1/2 Volt ab, und die Nadel zeigt genau auf den vollen Maßstab. Nachdem die Skala neu beschriftet wurde, um von 0 bis 10 V (anstelle von 0 bis 1 mA) abzulesen, wird jeder, der die Skala betrachtet, ihre Anzeige als zehn Volt interpretieren.

Bitte beachten Sie, dass der Benutzer des Messgeräts sich überhaupt nicht bewusst sein muss, dass das Uhrwerk selbst nur einen Bruchteil dieser zehn Volt von der externen Quelle misst. Für den Benutzer ist nur wichtig, dass die Schaltung als Ganzes funktioniert, um die gesamte angelegte Spannung genau anzuzeigen.

So werden praktische Stromzähler konstruiert und verwendet:Ein empfindliches Zählerwerk wird so gebaut, dass es mit möglichst wenig Spannung und Strom für maximale Empfindlichkeit arbeitet, dann wird es von einer Art Teilerschaltung aus Präzisionswiderständen „getäuscht“, so dass es zeigt den Vollausschlag an, wenn eine viel größere Spannung oder ein viel größerer Strom auf die gesamte Schaltung aufgeprägt wird. Wir haben hier den Aufbau eines einfachen Voltmeters untersucht. Amperemeter folgen der gleichen allgemeinen Regel, außer dass parallel geschaltete „Shunt“-Widerstände verwendet werden, um einen Stromteiler zu bilden Schaltung im Gegensatz zum in Reihe geschalteten Spannungsteiler „Multiplikator“-Widerstände, die für Voltmeter-Designs verwendet werden.

Im Allgemeinen ist es nützlich, für ein elektromechanisches Messgerät wie dieses mehrere Bereiche einzurichten, die es ihm ermöglichen, einen breiten Spannungsbereich mit einem einzigen Bewegungsmechanismus abzulesen. Dies wird durch die Verwendung eines mehrpoligen Schalters und mehrerer Multiplizierwiderstände erreicht, die jeweils für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt sind:

Der Fünfstellungsschalter kontaktiert jeweils nur einen Widerstand. In der unteren Position (voll im Uhrzeigersinn) kontaktiert es überhaupt keinen Widerstand und bietet eine „Aus“-Einstellung. Jeder Widerstand ist so bemessen, dass er einen bestimmten Skalenendwert für das Voltmeter bereitstellt, basierend auf der jeweiligen Nennleistung des Messgeräts (1 mA, 500 Ω). Das Endergebnis ist ein Voltmeter mit vier verschiedenen Messbereichsendwerten. Um dies sinnvoll zu gestalten, muss die Skala des Zählerwerks natürlich mit für jeden Bereich passenden Beschriftungen versehen sein.

Bei einem derartigen Messgerätdesign wird jeder Widerstandswert durch die gleiche Technik bestimmt, wobei eine bekannte Gesamtspannung, ein bekannter Auslenkungs-Nennwert der Bewegung und ein Bewegungswiderstand verwendet werden. Für ein Voltmeter mit Bereichen von 1 Volt, 10 Volt, 100 Volt und 1000 Volt wären die Multiplikatorwiderstände wie folgt:

Beachten Sie die Multiplikator-Widerstandswerte, die für diese Bereiche verwendet werden, und wie ungerade sie sind. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass jemals ein 999,5-kΩ-Präzisionswiderstand in einem Teilebehälter zu finden ist, daher entscheiden sich Voltmeter-Designer oft für eine Variante des obigen Designs, die häufigere Widerstandswerte verwendet:

Mit jedem sukzessiv höheren Spannungsbereich werden mehr Multiplikatorwiderstände durch den Wahlschalter in Betrieb genommen, wodurch sich deren Serienwiderstände zur notwendigen Summe addieren. Wenn der Bereichswahlschalter beispielsweise auf die 1000-Volt-Position gestellt ist, benötigen wir einen Gesamtwiderstandswert des Multiplikators von 999,5 kΩ. Mit diesem Zählerdesign bekommen wir genau das:

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

Der Vorteil besteht natürlich darin, dass die einzelnen Multiplikatorwiderstandswerte häufiger vorkommen (900k, 90k, 9k) als einige der ungeraden Werte im ersten Design (999.5k, 99.5k, 9.5k). Aus Sicht des Zählerbenutzers ist jedoch kein Funktionsunterschied erkennbar.

RÜCKBLICK:

• Erweiterte Voltmeter-Bereiche werden für empfindliche Messgerätbewegungen geschaffen, indem dem Bewegungsschaltkreis serielle „Multiplikator“-Widerstände hinzugefügt werden, die ein präzises Spannungsteilungsverhältnis bieten.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zum Voltmeter-Design
• Voltmeter-Arbeitsblatt