Voltmeter Design

Voltmeters and Ammeters | Circuits | Physics | Khan Academy (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Voltmeter Design

DC elektriske kredsløb


Spørgsmål 1

Antag, at jeg var ved at måle en ukendt spænding med en manuel rækkevidde voltmeter. Denne særlige voltmeter har flere forskellige spændingsmåleområder at vælge imellem:

500 volt
250 volt
100 volt
50 volt
25 volt
10 volt
5 volt

Hvilken rækkevidde er bedst til at begynde med, når man først måler denne ukendte spænding med måleren "# 1"> Reveal svar Skjul svar

Start med at indstille voltmeteret til sit højeste interval: 500 volt. Derefter skal du se om bevægelsesnålen registrerer noget, når målerledningerne er forbundet til kredsløbet. Beslut at ændre målerens rækkevidde ud fra denne første indikation.

Bemærkninger:

Jeg har altid lyst til at få mine elever til at starte deres testudstyrs kendskab ved at bruge gammeldags analoge multimetre. Først efter at de har lært at være dygtige med en billig måler, tillader jeg dem at bruge noget bedre (digital, automatisk) i deres arbejde. Dette tvinger eleverne til at sætte pris på, hvad en "fancy" måler gør for dem, samt at lære dem grundlæggende principper for instrumentering og måling præcision.

Spørgsmål 2

Hvad ville der ske med denne målerbevægelse, hvis den blev tilsluttet direkte til et 6 volt batteri?

Reveal svar Skjul svar

To ting ville ske: For det første ville bevægelsen højst sandsynligt blive beskadiget af for stor strøm. For det andet vil nålen flytte til venstre i stedet for højre (som det normalt burde), fordi polariteten er bagud.

Bemærkninger:

Når en elektromekanisk meter bevægelse overstyres, hvilket forårsager, at nålen "slam" helt til en ekstrem ende af bevægelsen, kaldes den almindeligvis som "pegging" måleren. Jeg har set meter bevægelser, der er blevet "pegged" så slemt, at nåle er bøjet fra at ramme stop!

Baseret på dine elevernes kendskab til målebevægelsesdesign, bede dem om at fortælle dig, hvad de mener, kan blive beskadiget i en alvorlig overstyrkehændelse som denne. Fortæl dem at være specifikke i deres svar.

Spørgsmål 3

Et vigtigt skridt i at opbygge et analogt voltmeter eller ammeter er at bestemme omdrejningsværdien af ​​målerens bevægelse nøjagtigt. I elektrisk metrologi er det ofte lettere at opnå ekstremt præcise ("standard") resistensværdier end det er at opnå lige præcise spændings- eller aktuelle målinger. En teknik, der kan bruges til at bestemme en modstands bevægelsespåvirkning uden at måle spændingen eller strømmen nøjagtigt, er som følger.

Forbind først en tiårs boks type variabel modstand i serie med en reguleret DC strømforsyning og derefter til målerbevægelsen, der skal testes. Juster decenniumboksen modstand, så målerens bevægelse bevæger sig til et bestemt punkt på skalaen, fortrinsvis fuldskalaen (100%). Optag tiårets modstandsindstilling som R 1 :

Tilslut derefter en kendt modstand parallelt med målerbevægelsens terminaler. Denne modstand vil blive kendt som Rs, shuntresistansen . Mønsterbevægelsens afbøjning vil falde, når du gør dette. Juster tiårkassens modstand igen, indtil målerens bevægelsesafbøjning vender tilbage til sit tidligere sted. Optag tiårets modstandsindstilling som R2:

Målerbevægelsens spolebestandighed (R- spole ) kan beregnes efter denne formel:

R spole = R s


R2

(R1 - R2)

Din opgave er at vise, hvor denne formel kommer fra, udlede den fra Ohms lov og uanset andre ligninger, som du måske er bekendt med til kredsløbsanalyse.

Hint: I begge tilfælde (tiårs boks sat til R1 og sat til R2) er spændingen over målerens bevægelsespole modstand ens, strømmen gennem målerens bevægelse er den samme, og strømforsyningsspændingen er den samme.

Reveal svar Skjul svar

Et sted at starte fra er spændingsdelingsligningen, V R = V T ((R / (R T ))) anvendt på hvert kredsløbsscenario:

V meter = R spole


R 1 + R- spole

V meter = R spole || R s


R2 + (R- spole || R s )

Da vi ved, at målerens spænding er den samme i de to scenarier, kan vi sætte disse ligninger til hinanden:

R spole


R 1 + R- spole

= R spole || R s


R2 + (R- spole || R s )

Bemærk: Dobbeltsøjlerne i ovenstående ligning repræsenterer den parallelle ækvivalent af R- spolen og R s, for hvilken du vil få erstatningen det passende matematiske udtryk.

Bemærkninger:

Dette problem er ikke andet end en øvelse i algebra, selv om det også viser, hvordan præcision elektriske målinger kan opnås ved at bruge standard modstande i stedet for præcise voltmetre eller ammetere.

Spørgsmål 4

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle værdier af spænding, strøm osv.
  6. Mål forsigtigt disse mængder for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstande mellem 1 kΩ og 100 kΩ, medmindre selvfølgelig formålet med kredsløbet er at illustrere effekten af ​​målerindlæsning!

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 5

Hvad er et galvanometer ? Hvordan kan du opbygge dit eget galvanometer fra almindeligt tilgængelige komponenter?

Reveal svar Skjul svar

Der er flere kilder til information om galvanometre, både historiske og moderne. Jeg overlader det til dig at gøre forskningen og præsentere dine resultater.

Bemærkninger:

Det er muligt at lave et rå galvanometer fra en stor lydhøjttaler, ved hjælp af voice coil / cone assembly som det bevægelige element. Ved hjælp af en lille laser og et spejl skal det være let at konstruere et lysstråle galvanometer for større følsomhed. Dette kan være et sjovt og lærerigt klasseværelset eksperiment!

Spørgsmål 6

Beskriv design og funktion af en PMMC stilmåler bevægelse.

Reveal svar Skjul svar

"PMMC" er et akronym, der står for "Permanent Magnet, Flytende Coil". I grunden er en PMMC-meter bevægelse bygget som en lille DC-elektrisk motor med begrænset bevægelsesområde.

Bemærkninger:

Mange lærebøger giver gode illustrationer af PMMC meter bevægelser. Dine elever kan finde nogle elektroniske billeder af PMMC meter bevægelser på internettet. Hvis det er muligt, skal du have en videoprojektor i klasseværelset for at projicere billeder som denne, som dine elever downloader.

Spørgsmål 7

Vi ved at forbinde en følsom meter bevægelse direkte over terminalerne i en betydelig spændingskilde (f.eks. Et batteri) er en dårlig ting. Så jeg vil gerne have dig til at bestemme, hvilken anden komponent (er) der skal forbindes med målerens bevægelse for at begrænse strømmen gennem sin spole, så at forbinde kredsløbet til et 6 volts batteri resulterer i, at målerens nål bevæger sig nøjagtigt til fuld- skala stilling:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Begyndende studerende føler sig undertiden "tabte", når de forsøger at besvare et spørgsmål som dette. De kan vide, hvordan man anvender Ohms lov til et kredsløb, men de ved ikke, hvordan man designer et kredsløb, der gør brug af Ohms lov til et bestemt formål. Hvis dette er tilfældet, kan du rette deres forståelse gennem en række spørgsmål som dette:

Hvorfor måler bevægelsen "peg", hvis den er direkte forbundet til batteriet "// www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-7/what-is-a-series-parallel-circuit/">series eller parallel )? (Tegn begge konfigurationer og lad eleverne bestemme for sig selv hvilket tilslutningsmønster der opfylder målet om at begrænse strømmen til måleren.)

Matematikken er enkel nok i dette spørgsmål til at tillade løsning uden brug af en lommeregner. Når det er muligt udfordrer jeg eleverne under diskussionstid til at udføre alle nødvendige aritmetiske "mentalt" (dvs. uden at bruge en lommeregner), selvom man kun skønner svaret. Jeg finder mange amerikanske high school-kandidater ude af stand til at gøre selv meget enkel aritmetik uden en lommeregner, og denne mangel på færdighed medfører, at de ikke har nogen lille mængde problemer. Ikke alene er disse studerende hjælpeløse uden en lommeregner, men de mangler evnen til mentalt at tjekke deres lommeregner-afledte svar, så når de bruger en lommeregner, har de ingen idé om, hvorvidt deres svar er lige tæt på at være korrekte.

Spørgsmål 8

Beregn den nødvendige modstandsværdi og effektværdi for R- området for at gøre målerens bevægelse reageret som et voltmeter med et område på 0 til 100 volt:

Reveal svar Skjul svar

R- område = 99, 35 kΩ, (1/8) watt vil være tilstrækkeligt.

Bemærkninger:

Dette er virkelig intet andet end et simpelt serie-kredsløbsproblem, selv om sammenhængen mellem det er et voltmeter synes at forvirre nogle elever. Hvis du finder en stor procentdel af din klasse, der ikke forstår, hvor du skal begynde i et problem som dette, betyder det, at de virkelig ikke forstår seriekredsløb - alt hvad de lærte at gøre, når de studerer seriemodstandskredsløb, før er at følge en let sekvens af trin for at finde spændinger og strømme i serie modstand kredsløb. De lærte ikke begreberne godt nok til at abstrahere til noget, der bare ser lidt anderledes ud.

Spørgsmål 9

Beregn den nødvendige modstandsværdi og effektværdi for R- området for at gøre målerens bevægelse reageret som et voltmeter med et område på 0 til 50 volt:

Reveal svar Skjul svar

R- område = 830, 83 kΩ, (1/8) watt vil være tilstrækkeligt.

Bemærkninger:

Dette er virkelig intet andet end et simpelt serie-kredsløbsproblem, selv om sammenhængen mellem det er et voltmeter synes at forvirre nogle elever. Hvis du finder en stor procentdel af din klasse, der ikke forstår, hvor du skal begynde i et problem som dette, betyder det, at de virkelig ikke forstår seriekredsløb - alt hvad de lærte at gøre, når de studerer seriemodstandskredsløb, før er at følge en let sekvens af trin for at finde spændinger og strømme i serie modstand kredsløb. De lærte ikke begreberne godt nok til at abstrahere til noget, der bare ser lidt anderledes ud.

Spørgsmål 10

Beregn de nødvendige modstandsværdier for at give denne multi-range voltmeter de områder, der er angivet med vælgerkontaktpositionerne:

Reveal svar Skjul svar

R 1 = 39 k Ω
R2 = 199 k Ω
R3 = 499 kΩ
R 4 = 999 k Ω
R 5 = 1, 999 M Ω

Bemærkninger:

Dette er virkelig intet andet end et sæt af simple serie kredsløbsproblemer, selv om sammenhængen i at det er et voltmeter synes at forvirre nogle elever. Hvis du finder en stor procentdel af din klasse, der ikke forstår, hvor du skal begynde i et problem som dette, betyder det, at de virkelig ikke forstår seriekredsløb - alt hvad de lærte at gøre, når de studerer seriemodstandskredsløb, før er at følge en let sekvens af trin for at finde spændinger og strømme i serie modstand kredsløb. De lærte ikke begreberne godt nok til at abstrahere til noget, der bare ser lidt anderledes ud.

Spørgsmål 11

Beregn de nødvendige modstandsværdier for at give denne multi-range voltmeter de områder, der er angivet med vælgerkontaktpositionerne:

Reveal svar Skjul svar

R 1 = 99 k Ω
R2 = 300 kΩ
R3 = 600 k Ω
R 4 = 1 M Ω
R 5 = 3 M Ω

Tip: hvis du har brug for hjælp til at komme i gang i dette problem, skal du begynde med at beregne værdien af ​​R 1 .

Bemærkninger:

Dette er virkelig intet andet end et sæt af simple serie kredsløbsproblemer, selv om sammenhængen i at det er et voltmeter synes at forvirre nogle elever. Hvis du finder en stor procentdel af din klasse, der ikke forstår, hvor du skal begynde i et problem som dette, betyder det, at de virkelig ikke forstår seriekredsløb - alt hvad de lærte at gøre, når de studerer seriemodstandskredsløb, før er at følge en let sekvens af trin for at finde spændinger og strømme i serie modstand kredsløb. De lærte ikke begreberne godt nok til at abstrahere til noget, der bare ser lidt anderledes ud.

Du bør påpege dine elever, hvordan seriearrangementet af rækkevidde modstande gør sig til mere almindelige modstandsværdier, i modsætning til at have en separat rækkevidde modstand for hvert interval. Der er en ulempe ved dette design, dog: pålidelighed. Diskuter med dine elever konsekvenserne af "åbne" modstandsfejl i begge typer voltmeterdesign.

Spørgsmål 12

Ideelt set bør en voltmeter have en meget lav indgangsresistens eller en meget høj indgangsresistens "# 12"> Reveal svar Skjul svar

Ideelt set bør en voltmeter have størst mulig inputresistens. Dette er vigtigt, når du bruger det til at måle spændingskilder og spændingsfald i kredsløb, der indeholder store mængder modstand.

Bemærkninger:

Svaret på dette spørgsmål er relateret til det meget vigtige princip for målerindlæsning . Teknikere skal især være meget opmærksomme på målerindlæsning, og hvordan fejlmålinger kan skyldes det. Svaret er også relateret til, hvordan voltmåler er forbundet med kredsløbene under test: altid parallelt!

Spørgsmål 13

Forklar, hvad følsomhedskvaliteten af en analog voltmeter betyder ohm pr. Volt . Mange analog voltmetre udviser en følsomhed på 20 kΩ pr. Volt. Er det bedre for et voltmeter at have en høj ohms-per-volt rating eller en lav ohm-per-volt rating? Hvorfor?

Reveal svar Skjul svar

"Voltmålerens" ohm-per-volt "følsomhedsklassifikation er et udtryk for hvor mange ohm indgangsbestandighed måleren har, pr. Område af voltmåling. Jo højere denne figur er, desto bedre er voltmeteret.

Bemærkninger:

Hvis eleverne har analoge voltmetre i deres besiddelse (som jeg stærkt opfordrer dem til at have), er ohm-pr. Volumen følsomhed ofte fundet i et hjørne af målerens skala, i fin print. Hvis ikke, bør bedømmelsen findes i brugervejledningen, der fulgte med måleren.

Spørgsmål 14

Grundlæggende fastslår hvilken enkeltfaktor i et voltmeter design sin følsomhedskvalitet for ohm pr. Volt?

Reveal svar Skjul svar

Hvis dit svar er: "Værdien af ​​seriemodstanden (erne)", er du forkert.

Bemærkninger:

Studerendes umiddelbare indtryk er, at afstandsmodstandsværdien skal etablere følsomhedsklassificeringen, fordi de ser modstanden som den største indvirkning på inputmodstanden. Men nogle hurtige beregninger med forskellige afstandsmodstandsværdier viser sig ellers! Målerens følsomhed er uafhængig af alle seriekoblede afstandsmodstandsværdier.

Du vil måske spørge dine elever, hvorfor målerens bevægelsesspolebestandighed ikke er en faktor i bestemmelsen af ​​voltmeterfølsomheden. Udfordre dine elever med at indstille prøvekredsløbsproblemer for at bevise irrelevansen af ​​spolebestandighed på voltmeterfølsomhed. Lad dem finde ud af, hvordan man konfigurerer problemerne, snarere end at oprette problemerne for dem!

Spørgsmål 15

Bestem de forskellige rækkevidde af denne multi-range voltmeter:

Alle komponenter på printkortet er "overflademonterede" loddet på de øverste overflader af kobbersporerne. Skifteret (SW1) skematisk diagram vises til højre for kredsløbskortet, med modstandsværdier vist under kredsløbskortet.

Reveal svar Skjul svar

Ranges = 10 V, 25 V og 50 V.

Bemærkninger:

At bestemme spændingsområderne for denne voltmeter er simpelthen en øvelse i Ohms lov. Aritmetikken er simpel nok til at tillade løsning uden brug af regnemaskiner, så udfordre dine elever i diskussionstid til at arbejde gennem matematikken "den gammeldags måde".

Spørgsmål 16

Hvad nu hvis denne voltmeter pludselig stoppede med at arbejde, når den er indstillet i midten. Det øverste og nederste område fungerer dog stadig fint. Identificer den mest sandsynlige kilde til problemet.

Reveal svar Skjul svar

Den midterste kontakt i kontakten SW2 er åben. Dette er trods det mest sandsynlige fiasko ikke den eneste mulige fejl, der kan forårsage dette problem (midtområde ikke fungerer)!

Udfordringsspørgsmål: Forklar hvordan du kunne kontrollere fejlens natur uden at bruge en anden måler.

Bemærkninger:

Brainstorm nogle andre alternative muligheder for at forårsage problemet sammen med diagnostiske procedurer for at verificere hver enkelt af dem (ved hjælp af en anden meter, hvis det er nødvendigt). Derefter skal du diskutere med dine elever årsagen til, at en switchfejl er mere sandsynlig end nogen af ​​de andre fejl.

Spørgsmål 17

Antag at du forsøgte at måle spændingen ved testpunkt 2 (TP2) med et digitalt voltmeter, der har en indgangsstyrke på 10 MΩ. Hvor meget spænding vil det indikere "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01795x01.png">

Reveal svar Skjul svar

Ideelt set bør dette spændingsdeler kredsløb udvise 7, 5 volt ved testpunkt 2. Voltmeteret registrerer dog kun 6, 76 volt.

Opfølgningsspørgsmål: Er voltmeteret registreret unøjagtigt, eller er dets forbindelse til kredsløbet, der faktisk ændrer V TP2 ? Med andre ord, hvad er den aktuelle spænding ved TP2 med voltmeteret tilsluttet som vist?

Bemærkninger:

En analogi, som jeg ofte bruger til at forklare målerbelastning, er brugen af ​​et trykmåler til måling af lufttrykket i et pneumatisk dæk. For at måle trykket skal nogle af luften slippes ud af dækket, hvilket selvfølgelig ændrer dækets lufttryk.

Og i tilfælde af at du undrer dig: nej, dette er ikke et eksempel på Heisenbergs usikkerhedsprincip, der blev misforstået som fejl ved måling. Usikkerhedsprincippet er langt mere dybtgående end dette!

Spørgsmål 18

Antag at du forsøgte at måle spændingen på alle tre testpunkter med en analog voltmeter med en følsomhed på 20 kΩ pr. Vol, sat på 10 volt skalaen. Hvor meget spænding ville det indikere ved hvert testpunkt? Hvor meget spænding skal det ideelt indikere ved hvert testpunkt?


TestpunktIdeel spændingMeter indikation


TP1


TP2


TP3


Reveal svar Skjul svar


TestpunktIdeel spændingMeter indikation


TP15 V5 V


TP24.138 V0.805 V


TP31.293 V0, 197 V


Bemærkninger:

En analogi, som jeg ofte bruger til at forklare målerbelastning, er brugen af ​​et trykmåler til måling af lufttrykket i et pneumatisk dæk. For at måle trykket skal nogle af luften slippes ud af dækket, hvilket selvfølgelig ændrer dækets lufttryk.

Og i tilfælde af at du undrer dig: nej, dette er ikke et eksempel på Heisenbergs usikkerhedsprincip, der blev misforstået som fejl ved måling. Usikkerhedsprincippet er langt mere dybtgående end dette!

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →