Site Loader

Содержание

Методическое пособие к лабораторной работе № 4

Министерство образования Российской Федерации

ХАБАРОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

Доц. В.Г.Довбило

ЛАБОРАТОРНЫЙ

ПРАКТИКУМ

ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКЕ

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

 «ИЗУЧЕНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ВЕЛИЧИНЫТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.

ШУНТЫ И ДОБАВОЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ»

Хабаровск 2000

§ 1. Измерение токов

Токи в электрических цепях измеряются при помощи прибо-ров разнообразных систем, называемых амперметрами и гальва-нометрами. Наиболее широко используются приботы трёх систем: магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной.

При измерении в электрической цепи тока токоизмерители включаются в неё последовательно. Практически амперметр мо-жет :  1) либо находиться в электрической цепи включённым в те-чение всего времени действия этой цепи; либо  2) включаться в электрическую цепь на время измерений и затем удаляться из неё. Все амперметры обладают тем или иным внутренним сопро-тивлением. Включение их в электрическую цепь увеличивает со-противление этой цепи, а следовательно, изменяет в ней ток. От-сюда вытекает следующее требование: 

для достижения доста-точно высоких к.п.д. использования электрической энергии в цепи с амперметрами, включёнными постоянно, и для доста-точно точного измерения тока при временном его включении в электрическую цепь сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с сопротивлением электрической цепи.

С целью увеличения цены деления шкалы амперметра (рас-ширения пределов измерения величины тока), внутреннее сопротивление амперметра снижают включением параллельно ему сопротивления, называемого

шунтом (шунты включаются, в основном, к токоизмерителям магнитоэлектрической системы.     В этом случае часть измеряемого тока проходит через шунт.

Шунты широко применяются в технике при изготовлении ам-перметров из гальванометров (токоизмерителей магнитоэлектри-ческой системы, имеющих шкалу с известной ценой деления по току и напряжению), при изготовлении многопредельных ам-перметров.

§ 2. Расчёт сопротивления шунта

Проведём расчёт шунта к гальванометру.

Пусть  Ig – предельный ток гальванометра,  I

–   предельный ток гальванометра с шунтом (амперметра).

 Через шунт,  включённый параллельно гальванометру при отклонении его стрелки до конца шкалы пройдёт ток (см. РИС.1), равный       

Гальванометр и шунт находятся под одинаковым напряжением

 

где  Rg – сопротивление гальвано-метра;

        Rш– сопротивление шунта.

Из уравнения  (2) получаем фо-рмулу для расчёта сопротивления шунта

Решая совместно уравнения  (1)  и  (2), получим формулу для расчёта тока, измеряемого амперметром

Здесь  n – множитель шунта, показывающий во сколько раз изме-няется предел измерения прибора по току по сравнению с преде-лом измерения тока гальванометром:

§ 3. Измерение разностей потенциалов

Разности потенциалов (напряжения) измеряются электроди-намическими, компенсационными, электростатическими и другими методами. Наибольшее распространение в науке и тех-нике, в учебных лабораториях получил электродинамический ме-тод. В этом методе используются вольтметры различных систем – в основном:  магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной.

В электродинамическом методе разность потенциалов (нап-ряжение) на участке цепи измеряется по тому току, который эту разность потенциалов вызывает в токоизмерителе с известным внутренним сопротивлением, например, в гальванометре, вклю-чённом параллельно этому участку цепи.

Пусть гальванометр  G  с внутренним сопротивлением  RV  включен параллельно сопротивлению  r  участка цепи между точ-ками  А  и  В,  на котором измеряется напряжение  UAB (см. РИС.2). Разность потенциалов  UABсоздаёт в гальванометре ток, равный

Так как сопротивление  R

гальванометра постоянно, то ток в нём прямо пропорционален напря-жению на участке цепи  АВ. Тогда шкалу гальванометра можно про-градуировать в вольтах. Токоизме-ритель со шкалой, проградуированной в вольтах, называется вольтметром.

Практически вольтметр может :  1) либо быть включённым в электрическую цепь в течение всего времени действия этой цепи;  2) либо подключаться к участку цепи на время измерения и затем от него отключаться.

Все вольтметры обладают конечным внутренним сопротив-лением. Подключение вольтметра к участку цепи  АВ (см. РИС.2) уменьшает (шунтирует) сопротивление этого участка, так как к сопротивлению  r

  участка  АВ  параллельно подключается внут-реннее сопротивление  RV  вольтметра. Это приводит к тому, что на участке  АВ  уменьшается падение напряжения. Когда вольтметр подключён к участку цепи постоянно, то его присутст-вие не изменяет параметров цепи. Однако, для достижения достаточно высоких к.п.д. использования электрической энергии в цепи с вольтметрами, включёнными постоянно, их сопротивле-ние желательно иметь достаточно высоким по сравнению с сопротивлением цепи. В случае же временного подключения вольтметра к участку цепи, мы, очевидно, измерим вольтметром напряжение меньшей величины, чем оно было на этом участке до подключения к нему вольтметра. В последнем случае использова-ния вольтметра весьма важно, чтобы при его включении на участке цепи не изменилось заметно падение напряжения.

ВНЕШНЕЕ ОФОРМЛЕНИЕ измерительных механизмов | Техника и Программы

Механизм всех стрелочных приборов для предохранения от механических повреждений помещается в кожух, который в большинстве случаев выполняется из пластмассы (рис. 95). На лицевой стороне кожуха имеется застекленная прорезь, под которой расположены шкала и поворачивающаяся стрелка.

Почти все приборы имеют устройства для установки стрелки прибора на нулевое деление шкалы — корректор, шлиц которого расположен на лицевой панели кожуха ниже шкалы. Установка стрелки на нулевое деление шкалы, или, как часто говорят, установка нуля производится перед измерением с помощью отвертки.

Рис. 95. Внешнее оформление измерительных приборов: а —миллиамперметра ПМ-70; / — кожух; 2 — стрелка; 5 —шкала; 4 — корректор; 5 — отверстия для крепления прибора; 6 — авометра

ГМ

Прежде чем приступить к выполнению того или иного измерения, необходимо сначала внимательно ознакомиться с измерительным прибором. На шкале прибора, кроме делений, цифр и букв, обозначающих сокращенно вольты, амперы или другие единицы, имеются еще условные изображения, приведенные в табл. 3.

измерение силы тока

Для измерения тока в какой-либо цепи амперметр включается в эту цепь последовательно (рис. 96,д). Для получения высокой точности измерения внутреннее сопротивление амперметра долмш быть во много раз меньше сопротивления цепи, в которой проводится измерение.

Для измерения больших токов, чем ток полного отклонения примененного амперметра, параллельно ему. включается сопротивление, называемое шунтом

Таблица 3

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

(рис. 96,6). В этом случае через амперметр потечет не весь измеряемый ток, а только часть его. Эта часть будет тем меньше, чем меньше будет сопротивление шунта

Рис 96. Схемы включения амперметра и шунтов: а —без шунта; б — правильная; в — неправильная

по сравнению с сопротивлением амперметра. Следовательно, используя шунт, мы можем измерять не весь Ток в цепи, а только часть его. Зная, какая часть общего тока проходит через амперметр (при данном сопротивлении шунта), и измеряя эту часть амперметром, можно легко определить и весь ток в цепи.

Подбор сопротивления шунта. Расчет сопротивления шунта мы рассмотрим на следующем примере: имеется миллиамперметр с пределом 20 ма и внутренним сопротивлением 10 ом, а нужно увеличить предел измерения до 100 ма. Сопротивление шунта должно быть такой величины, чтобы при токе 100 ма ток через амперметр был равен 20 ма. Следовательно-, через шунт должен протекать ток 100—20 = 80 ма, или в четыре раза больший, чем через амперметр. А для этого необходимо, чтобы сопротивление шунта было в четыре раза меньше сопротивления миллиамперметра, т. е. 10:4=2,5 ом.

Расчет сопротивления шунта делают по формуле:

где Rш—сопротивление шунта, ом; Ro — сопротивление амперметра, ом; п — число, показывающее, во сколько раз увеличивается предел измерения

Часто приборы снабжаются не одним шунтом, а целым набором их. Переключая шунты, с помощью одного и того же прибора можно измерять как самые малые, так и самые большие токи.

Так как сопротивление шунта значительно меньше сопротивления амперметра, то шунт надо подключать так, чтобы сопротивление соединительных проводов не добавлялось к сопротивлению шунта. На рис. 96 показано правильное (б) и неправильное (в) включение шунта. Принято говорить, что не шунт подключается к прибору (имеется в виду рис. 96,в), а прибор подключается к шунту (имеется в виду рис. 96,6). Это правило необходимо соблюдать еще потому, что при неправильном включении шунта и его случайном отсоединении весь ток пойдет через амперметр и выведет его из строя. Во избежание порчи измерительного прибора при измерении цепи с неизвестной силой тока прибор должен быть включен на самый большой предел.

Универсальный шунт. В комбинированных радиолюбительских измерительных приборах наиболее часто используется схема так называемого универсального шунта.

Основное преимущество универсального шунта заключается в том, что, будучи подключенным к миллиамперметрам различной чувствительности, он изменяет предел их измерения в одинаковое число раз (при условии, что внутреннее сопротивление миллиамперметра меньше сопротивления универсального шунта). Универсальный шунт, схема которого приведена на рис. 97,а, позволяет увеличить предел измерения используемого миллиамперметра в 10, 100 и 1000 раз; он может быть подключен к любому миллиамперметру. Например, при применении миллиамперметра с пределом 5 ма пределы миллиамперметра с универсальным шунтом будут: 5/ 50, 500 и 5000 ма (5 а).

Для определения силы тока, измеряемого прибором с шунтом, необходимо показания миллиамперметра умножить на цифру, соответствующую данному положению переключателя /7. Например, при положении переключателя П в положении XI00 миллиамперметр показывает ток 0,5 ма. В этом случае измеряемый ток равен 0,5Xj X 100=50 ма.

Шунт для амперметра — Тиристор

Для визуальной оценки силы зарядного тока мне потребуется прибор для измерения силы тока – амперметр. Так как под рукой ничего толкового не нашлось, будем использовать то, что есть. И это «что есть» — обычный индикатор от старых совковых магнитол. Так как индикатор реагирует на очень малые токи, нужно изготовить для него шунт.

Шунт – это проводник, обладающий неким удельным сопротивлением, который подключают к устройству измерителя тока параллельно. При этом он пропускает через себя или шунтирует большую часть электрического тока. Вследствие чего, через устройство измерителя пройдет номинальный рассчитанный для него ток. Чтобы понять, как протекают токи в узлах схемы, изучаем законы Кирхгофа.

Для того , чтобы рассчитать шунт для амперметра, мне потребуются некоторые параметры измерительной головки (индикатора): сопротивление рамки (Rрам), значение тока, при котором стрелка индикатора максимально отклоняется (Iинд) и верхнее значение тока, которое должен измерять в будущем индикатор (Imax). За максимальный измеряемый ток берем 10 А. Теперь нужно определить Iинд, что достигается экспериментально. Но для этого нужно собрать небольшую электрическую схему.

При помощи резистора R1 добиваемся максимального отклонения стрелки индикатора и снимаем эти показания с тестера PA1. В моем случае Iинд= 0.0004 А. Сопротивление рамки Rрам замеряем также при помощи тестера, которое составило 1кОм. Все параметры известны, остается теперь рассчитать сопротивление шунта амперметра (индикатора).

Расчет шунта для амперметра будем производить по следующим формулам:

Rш=Rрам * Iинд / Imax; получаем Rш=0,04 Ом.

Основное требование, предъявляемое к шунтам – это его способность пропускать токи, не вызывающие сильный его нагрев, т.е. обладать нормами по плотности электрического тока для проводников. В качестве шунтов используются различные материалы. Так как у меня под рукой нет «различного материала», я буду использовать старый добрый медный проводник.

Далее, исходя, что Rш=0,04 Ом, по справочнику удельных сопротивлений медных проводников подбираем соответствующий размер отрезка медного провода. Чем больше диаметр, тем лучше, но при этом увеличивается длина медного провода. Я «забью» на эти требования и выберу метровый отрезок. Главное для меня, чтобы мой шунт не расплавился, тем более, что больше  6А я его насиловать не буду. Выбранный медный проводник скручиваю в спираль и припаиваю параллельно к измерительной головке. Все, шунт готов. Теперь остается более точно подогнать сопротивление шунта и проградуировать шкалу измерителя. Делается это экспериментально.

Собственно, девайсы. Видон не очень, что уж там…

Продолжение


Ссылки по теме:
1.Удельное сопротивление медного проводника

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Как подобрать шунт?

В практике электротехнических измерений часто возникает задача измерения силы тока, величина которого превышает верхний предел имеющегося амперметра. Выход из такой ситуации — применение шунта на амперметр. Шунт позволяет изменить силу тока, допустимую для прибора.
Вам понадобится
  • — медная или нихромовая проволока;
  • — источник питания с регулируемым выходным напряжением;
  • — амперметр;
  • — омметр;
  • — нагрузка, например, лампа накаливания.
Инструкция
  • Для расчета сопротивления шунта используйте следующую формулу:
  • Rш = (Ra*Ia)/(I-Ia),

    где Rш – искомое сопротивление шунта; Ra – cопротивление обмотки амперметра; I – верхнее значение измеряемого тока; Iа – ток полного отклонения амперметра.

  • Определите по шкале имеющегося прибора максимальный ток измерения Ia. Допустим, его величина равна 100 мкА, а вам необходимо проводить измерение силы тока до 25 А.
  • Определите величину сопротивления обмотки амперметра Rа. Ее можно взять из паспорта прибора или замерить омметром с допустимой погрешностью. Пусть эта величина равна 1750 Ом.
  • Подставьте полученные величины в формулу и получите результат:
  • Rш = (1750*0,0001)/(25-0,0001)=0,007 Ом

  • Теперь необходимо опытным путем с использованием образцового омметра подобрать длину провода. Полученная величина довольно мала и для изготовления шунта потребуется отрезок медного провода. Более правильно будет использовать поверенный шунт с соответствующим значением сопротивления.
  • Если в дальнейшем необходимо проводить измерения с заданной погрешностью, то прибор с установленным шунтом должен быть поверен в метрологической лаборатории, т.к. установка шунта понижает точность измерения.
  • Если по какой-либо причине невозможно выяснить данные измерительного прибора, подберите шунт экспериментальным путем. При этом желательно ограничиваться небольшими токами, до 5 А.
  • Соедините последовательно нагрузку, контрольный амперметр и испытуемый амперметр. Клеммы испытуемого амперметра закоротите куском нихрома или меди минимальной длины.
  • Выставьте на блоке питания напряжение так, чтобы контрольный прибор показал значение тока, для которого подбирается шунт. Стрелка испытуемого амперметра при этом не должна зашкаливать.
  • Слегка отпустив прижим одной из клемм амперметра, увеличивайте длину проволоки между клеммами до тех пор, пока стрелка прибора не достигнет максимального деления шкалы. Зафиксируйте зажимы на испытуемом приборе, обрежьте излишек проволоки. Выключите источник питания. Измеритель тока необходимого диапазона готов к использованию.
  • Оцените статью!

    4.10: Амперметры и вольтметры — Physics LibreTexts

    Для целей данного раздела не имеет значения, как на самом деле работает амперметр. Достаточно сказать, что ток течет через амперметр, и стрелка перемещается по шкале, чтобы указать ток, или же ток отображается в виде цифр на цифровом дисплее. Для измерения тока через какой-либо элемент цепи амперметр ставится, разумеется, в -й серии -го элемента. Обычно амперметр имеет довольно низкое сопротивление.

    Недорогой вольтметр на самом деле просто амперметр с довольно большим сопротивлением. Если вы хотите измерить разность потенциалов на каком-то элементе цепи, вы кладете вольтметр, конечно, на этого элемента (т.е. на параллельно с ним). Небольшая часть тока через элемент отводится через счетчик; счетчик измеряет этот ток, и по известному сопротивлению счетчика можно вычислить разность потенциалов, хотя на практике расчетов никто не делает, шкала размечена в вольтах.Размещение измерителя на элементе цепи фактически немного уменьшает разность потенциалов на элементе, то есть уменьшает именно то, что вы хотите измерить. Но поскольку вольтметр обычно имеет высокое сопротивление, этот эффект невелик. Существуют, конечно, современные (и более дорогие) вольтметры совершенно другой конструкции, которые вообще не измеряют ток и действительно измеряют разность потенциалов, но в этом разделе нас интересует часто встречающийся амперметр, превращенный в вольтметр.Можно заметить, что потенциометр, описанный в предыдущем разделе, не потребляет ток от интересующего элемента схемы и, следовательно, является настоящим вольтметром.

    Существуют измерители, известные как «мультиметры» или «авометры» (для амперметров, вольт и омов), которые можно использовать как амперметры или вольтметры, и именно им посвящен данный раздел.

    Типовой недорогой амперметр дает полное отклонение шкалы (FSD), когда через него протекает ток 15 мА = 0,015 А. Его можно приспособить для измерения более высоких токов, подключив небольшое сопротивление (известное как «шунт») через .

    Предположим, например, что у нас есть счетчик, который показывает FSD, когда через него протекает ток 0,015 А, и что сопротивление счетчика равно 10 Ом. Мы хотели бы использовать счетчик для измерения токов силой до 0,15 А. Какое значение сопротивления шунта мы должны установить на счетчике? Что ж, когда общий ток равен 0,15 А, мы хотим, чтобы 0,015 А протекали через счетчик (который затем показывает FSD), а остаток, 0,135 А, должен течь через шунт. При токе 0.015 А, протекающего через счетчик 10 \(\Омега\), разность потенциалов на нем равна 0,15 В. Это и есть разность потенциалов на шунте, и, поскольку ток через шунт равен 0,135 А, сопротивление шунта должно быть 1.11 \(\Омега\).

    Мы также можем использовать мультиметр как вольтметр. Предположим, например, что мы хотим измерить напряжение (ужасное слово!) до 1,5 В. Мы помещаем большое сопротивление R в ряд с измерителем, а затем помещаем метр плюс последовательное сопротивление через разность потенциалов измеряется.Общее сопротивление измерителя плюс последовательное сопротивление составляет (10 + R ), и он покажет FSD, когда ток через него составит 0,015 А. Мы хотим, чтобы это произошло, когда разность потенциалов на нем составляет 1,5 вольта. Это 1,5 = 0,015 × (10 + R ), и, следовательно, R = 90 \(\Омега\).

    Видео с вопросом

    : Расчет диапазона измерения амперметра

    Стенограмма видео

    Гальванометр имеет сопротивление 12 мОм.Ток в 150 миллиампер вызывает полное отклонение гальванометра. Параллельно гальванометру подключается шунт, превращающий его в амперметр. Сопротивление шунта 70 мкОм. Какой максимальный ток можно измерить амперметром? Ответ с точностью до одного десятичного знака.

    В этой ситуации мы можем представить, что начинаем с гальванометра. Это прибор, который измеряет ток. Измеренный ток отображается на шкале, которая выглядит следующим образом.Нам говорят, что когда в цепи присутствует ток 150 миллиампер, измерительный рычаг на шкале гальванометра полностью отклоняется. То есть он указывает максимальный ток, который позволяет данная шкала. Если мы хотим преобразовать этот гальванометр в амперметр, который также является устройством для измерения тока, мы хотели бы расширить диапазон амперметра за пределы диапазона самого гальванометра. Таким образом, мы можем измерять токи, превышающие 150 миллиампер.

    Для этого мы подключаем так называемый шунт параллельно гальванометру.Эффект этой параллельной ветви заключается в том, что теперь часть общего тока цепи действительно проходит через гальванометр, а часть отщепляется и проходит через шунт. Это означает, что общий ток цепи, который мы назовем 𝐼 sub t, и ток, проходящий через гальванометр, мы назовем это 𝐼 sub G, больше не совпадают. Скорее, 𝐼 sub G меньше, чем общий ток цепи, потому что часть этого общего тока проходит через шунт и не проходит через гальванометр.

    Интересно, что можно предсказать, как ток разделится на эти две параллельные ветви. Это деление зависит от относительного сопротивления этих ветвей. Давайте представим общую ситуацию, когда у нас есть два резистора, назовем их 𝑅 один и 𝑅 два, расположенные параллельно. Если общий ток, проходящий через эту цепь в целом, составляет 𝐼 sub t, то ток, проходящий через ветвь с сопротивлением 𝑅 единицы, мы назовем этот ток 𝐼 единицей, определяется этим уравнением.Он равен полному току цепи 𝐼 sub t, умноженному на это отношение, сопротивлению другой ветви параллельной цепи 𝑅 два, деленному на сумму сопротивлений 𝑅 один и 𝑅 два.

    Обратите внимание, что согласно этому уравнению, чем выше сопротивление 𝑅 два, тем больше ток будет в другой параллельной ветви, 𝐼 один. Это связано с тем, что заряд имеет тенденцию течь к той ветви параллельной цепи, которая имеет наименьшее сопротивление. Если резистор 𝑅 два имеет очень большое сопротивление, то заряд в этой цепи будет стремиться к другой ветви с сопротивлением 𝑅 единица согласно этому соотношению.В качестве примечания: если бы вместо этого мы подумали о токе в другой параллельной ветви, назовем ее 𝐼 два, уравнение, говорящее нам, что ток очень похоже на уравнение для 𝐼 одного. Все, что изменилось, это то, что теперь в числителе нашей дроби мы учитываем сопротивление противоположной ветви, в данном случае 𝑅 единицы.

    Если мы вернемся теперь к нашему амперметру, сделанному из гальванометра и шунта, мы увидим, что у нас аналогичная ситуация. Гальванометр, в конце концов, имеет сопротивление.Нам сказали, что это 12 мОм. Шунт также имеет сопротивление 70 мкОм. Назовем эти сопротивления 𝑅 sub G и 𝑅 sub S соответственно. Согласно нашему уравнению, это соотношение, включающее эти сопротивления, может сказать нам, какой ток существует в любой из наших ветвей, например, ток в ветви с гальванометром. В этом вопросе мы хотим найти наибольший ток, который может измерить наш амперметр. Другими словами, мы хотим найти максимально возможное значение 𝐼 sub t, которое не выйдет за пределы шкалы нашего гальванометра.

    Наша постановка задачи говорит нам, что ток в 150 миллиампер полностью отклоняет измерительное плечо гальванометра. Это полное отклонение соответствует максимальному току, который гальванометр может точно измерить. Поскольку мы хотим найти здесь максимально допустимое значение 𝐼 sub 𝑡, мы предположим, что 𝐼 sub G, ток в гальванометре, составляет 150 миллиампер. Если мы применим это отношение к нашему сценарию, уравнение будет выглядеть как 𝐼 sub G, ток в ветви гальванометра равен 𝐼 sub t, общий ток в нашей цепи, умноженный на сопротивление шунта, 𝑅 sub S, деленный на сопротивление гальванометра плюс сопротивление шунта.

    Как мы видели, мы хотим найти не 𝐼 sub G — на самом деле, мы знаем это значение — а скорее 𝐼 sub t, общий измеряемый ток в цепи. Чтобы сделать 𝐼 sub t предметом этого уравнения, мы умножаем обе части на это отношение, сумму сопротивлений 𝑅 sub G и 𝑅 sub S, деленную на сопротивление шунта 𝑅 sub S. Это означает, что в правой части , 𝑅 sub S сокращаются в числителе и знаменателе, как и эти два сопротивления, сложенные вместе.

    Если мы затем возьмем оставшееся уравнение и поменяем стороны, мы обнаружим, что 𝐼 sub t задается этим выражением.Обратите внимание, что он равен 𝐼 sub G, умноженному на то, что мы могли бы назвать этим множителем. Мы хотим, чтобы этот множитель был больше единицы, потому что это будет означать, что максимальный измеряемый ток в нашей цепи 𝐼 sub t превышает максимальный измеряемый ток через сам гальванометр.

    В качестве примечания, если мы подумаем об этом сценарии с точки зрения проектирования схемы, мы увидим, что в зависимости от нашего выбора сопротивления шунта 𝑅 sub S, мы можем изменить максимальный измеряемый ток в нашей цепи 𝐼 sub t без изменения максимального тока, измеряемого гальванометром 𝐼 sub G.В этом случае, поскольку мы знаем значения для 𝐼 sub G, 𝑅 sub G и 𝑅 sub S, мы можем начать подставлять их. 𝐼 sub G, максимальный ток в ветви гальванометра составляет 150 миллиампер. 𝑅 sub G, сопротивление гальванометра, равно 12 мОм. А 𝑅 sub S, сопротивление шунтирующего резистора, равно 70 мкОм.

    Перед тем, как вычислить 𝐼 sub t, нам нужно преобразовать наш ток из единиц миллиампер в единицы ампер, и мы хотим преобразовать единицы измерения всех наших резисторов в единицы омов.Напомним, что приставка милли- перед единицей обозначает 10 в отрицательной тройке или одной тысячной части некоторого значения. Это означает, например, что 150 миллиампер, если мы разделим эту величину на 1000, сдвинув запятую на три знака влево, дадут нам эквивалентную величину в единицах ампер. 150 миллиампер равны 0,150 ампера. Нечто подобное происходит и с этим значением в миллиомах. Если мы разделим 12 на 1000, то получим 0,012. Вот сопротивление нашего гальванометра в омах.

    Когда дело доходит до сопротивления нашего шунтирующего резистора, мы знаем, что приставка микро- указывает на 10 в минус шести или на одну миллионную часть некоторого количества. Чтобы выразить эти сопротивления в омах, мы собираемся разделить каждое из них на один миллиом. Вместо того, чтобы выписывать множество знаков после запятой, проще всего выразить это как 70 умножить на 10 с точностью до отрицательной шестой Ом. Эта величина равна 70 мкОм.

    Теперь мы готовы рассчитать общий измеряемый ток в нашей цепи 𝐼 sub t.В качестве последнего шага, прежде чем мы это сделаем, давайте посчитаем эту дробь прямо здесь. Это то, что мы собираемся использовать для умножения 𝐼 sub G, чтобы найти 𝐼 sub t. Таким образом, значение этой доли скажет нам, на что мы можем умножить максимальный измеряемый ток через наш гальванометр. Введя эту дробь в наш калькулятор, мы получим результат около 172. И обратите внимание, что единицы измерения ома полностью сокращаются из этого результата. Это говорит нам о том, что 𝐼 sub t примерно в 172 раза больше, чем 𝐼 sub G.Вот насколько мы увеличили диапазон измерения нашего амперметра по сравнению с нашим гальванометром, добавив этот шунт в цепь.

    Итак, что такое 𝐼 sub t, общий измеримый ток цепи с точностью до одного десятичного знака? Он равен 25,9 ампер. Это гораздо лучший максимальный измеряемый ток, чем максимальный ток нашего гальванометра 0,150 ампер. И на самом деле, если бы мы хотели сделать 𝐼 sub t даже больше, чем оно есть, то при проектировании нашей схемы мы могли бы еще больше уменьшить значение 𝑅 sub S.Это привлекло бы относительно больше заряда к этой ветви цепи. И пока мы знаем 𝑅 sub S и 𝑅 sub G, мы можем выяснить, на какой коэффициент мы умножаем максимальный измеряемый ток через гальванометр, чтобы найти максимальный измеряемый ток цепи 𝐼 sub t. Мы обнаружили, что максимальный ток, который может измерить этот амперметр, составляет 25,9 ампер.

    Шунты и множители Физика — 2022

    1. 

    Шунт :

    Шунт представляет собой устройство низкого сопротивления, обычно используемое для преобразования гальванометра в амперметр.Обычно его подключают параллельно гальванометру.

    I — ток, чтобы быть измеренным

    I G — ток через гальванометр

    R S

    R S — Сопротивление шунта

    R G — Сопротивление гальванометра

    Примечание: Напряжение через шунт такой же, как и через гальванометр.

    Vg=VsIgRg=(I−Ig)Rg

    Пример:

    Гальванометр дает полное отклонение шкалы, когда через него проходит ток 10 мА.Как бы вы преобразовали его в амперметр, способный показывать 3 А, если сопротивление гальванометра составляет 5 Ом?

    Решение:

    Для этого параллельно гальванометру подключаем резистор низкого сопротивления, называемый шунтом. Значение такого шунта рассчитывается ниже:

    10 мА = 101000 = 0,01а

    PD через гальванометр = PD через Shunt

    IGRG = ISRSRS = Igrgis = 0,01 × 52.99 = 0,0167Ω

    Таким образом, шунт 0.0167 Ом необходимо.

    2.

     Множитель :

    Множитель представляет собой высокое сопротивление, обычно используемое для преобразования гальванометра в вольтметр. Обычно его включают последовательно с гальванометром.

    Пример:

    Чтобы преобразовать гальванометр в вольтметр, нам нужен множитель R, чтобы гальванометр мог показывать 20 В при отклонении полной шкалы 10 мА. Найдите значение R, если внутреннее сопротивление гальванометра равно 6 Ом. Решение:

    r=6Ω20v=V1+V2∴20=0.01r+0.0RR=1994Ω

    Присоединяйтесь к дискуссионному форуму и выполняйте задание : Найдите вопросы в конце каждого урока. Нажмите здесь, чтобы обсудить свои ответы на форуме

    По вопросам размещения рекламы/партнерства пишите [email protected]

    Загрузите наше бесплатное мобильное приложение для Android : Сохраняйте свои данные при использовании нашего бесплатного приложения. Нажмите на картинку, чтобы скачать. Нет подписки.

    Мы заинтересованы в продвижении БЕСПЛАТНОГО обучения. Расскажите своим друзьям о Stoplearn.ком. Нажмите кнопку «Поделиться» ниже!

    Связанные

    Амперметр Arduino — Как измерить постоянный ток с помощью Arduino?

    Амперметр — это прибор, используемый для измерения тока в цепи, который измеряется в амперах. В цифровом амперметре мы измеряем напряжение на шунтирующем сопротивлении, которое последовательно подключено к нагрузке; следовательно, ток через нагрузку и шунтирующий резистор одинаковый. Амперметр подключается последовательно с нагрузкой, а вольтметр подключается параллельно нагрузке.Потому что ток в цепи всегда одинаков при последовательном соединении, а напряжение при параллельном.

    Шунтирующий резистор должен иметь очень низкое сопротивление, то есть на нем не должно падать значительное количество напряжения. Поскольку фактический ток нагрузки изменяется, если последовательно добавляется дополнительное сопротивление.

    Амперметр Arduino с использованием дисплея последовательного монитора

    В схеме амперметра постоянного тока Arduino аналоговый вход A0 и GND подключены к двум клеммам шунтирующего резистора R.Взяв разность напряжений между входом A0 и GND, мы можем получить напряжение на сопротивлении R. Из значения напряжения, измеренного на сопротивлении шунта, мы вычисляем ток в цепи, применяя закон Ома, падение напряжения на резисторе, V = IR Тогда ток, I = V/R Тогда ток в цепи равен напряжению на шунтирующем резисторе, деленному на известное значение шунтирующего сопротивления. Код — серийный дисплей

     поплавок Vacross,Iamp = 0;
    const int Shunt_Res = 100;
    
    недействительная установка () {
      Серийный номер  .начало (9600);
    }
    
    недействительный цикл () {
      Vacross = аналоговое чтение (A0);
     
     Вакросс = (Вакросс * 5,0) / 1023,0;
     Iamp = (Vacross * 1000) / Shunt_Res;
     
      Серийный номер  .print("Current=");
      Серийный номер  .print(Iamp);
      Серийный номер  .println("мА");
     задержка(1000);
    } 

    Амперметр с ЖК-дисплеем

    На схеме показано, как ток через светодиод измеряется с помощью амперметра постоянного тока Arduino. Светодиод, шунтирующий резистор 100 Ом и резистор 1 кОм включены последовательно, поэтому ток через них всегда одинаков.Затем можно рассчитать, что ток через светодиод равен падению напряжения на шунтирующем сопротивлении 100 Ом, деленному на значение шунтирующего сопротивления 100. I = Vacross / 100 Код — ЖК-дисплей

     #include <  LiquidCrystal  .h>
    поплавок Vacross,Iamp = 0;
    const int Shunt_Res = 100;
      Жидкокристаллический дисплей  (12, 11, 5, 4, 3, 2);
    
    недействительная установка () {
     lcd.begin(16, 2);
    }
    
    недействительный цикл () {
      Vacross = аналоговое чтение (A0);
     
     Вакросс = (Вакросс * 5.0) / 1023,0;
     Iamp = (Vacross * 1000) / Shunt_Res;
     
     lcd.setCursor(8, 0);
     lcd.print («Текущий =»);
     lcd.print(Iamp);
     lcd.print ("мА");
     задержка(1000);
    } 

    Разрешение измеренного значения тока можно регулировать, изменяя значение шунтирующего резистора. Для измерения нагрузки с малым сопротивлением, то есть большим током, значение шунтирующего резистора может быть выбрано низким. И если сопротивление нагрузки высокое, что означает малую величину тока, то требуется шунтирующий резистор с более высоким сопротивлением, чтобы получить минимальное падение напряжения для измерения.Регулируя этот диапазон измерения, прибор может измерять ток в широком диапазоне ампер. Максимальное входное напряжение на выводе Arduino составляет 5 В. Следует учитывать, что падение напряжения на аналоговом входе никогда не превысит 5В.

    В приведенных выше схемах вы можете обнаружить, что напряжение на аналоговом входе A0 и GND всегда будет ниже 5 В для внешнего питания 9 В. Поскольку значение напряжения более 4 В определенно падает на резисторе 1 кОм и светодиоде. Следовательно, напряжение на A0 не падает выше 5 В.В целях безопасности к резистору можно добавить дополнительный стабилитрон на 5 В, чтобы обойти любое напряжение выше 5 В. Хотя не рекомендуется падать напряжение 5В на шунте, потому что падение на нем всегда должно быть как можно меньше. То есть он не вносит никакого сопротивления или падения напряжения в цепь. Кроме того, учитывайте номинальную мощность резистора, чтобы ток в цепи не превышал его максимальный номинальный ток.

    От гальванометра к амперметру | IOPSpark

    Амперметр

    Электричество и магнетизм

    От гальванометра до амперметра

    Практическая деятельность для 14-16

    Практический класс

    Добавление шунта параллельно с гальванометром преобразует его в амперметр с более высоким диапазоном.Это метод проб и ошибок, а не расчет.

    Аппаратура и материалы

    Для каждой студенческой группы

    • Гальванометр
    • Амперметр, от 0 до 1 А, постоянный ток
    • Ячейка, 1,5 В в держателе
    • Источник питания, низкое напряжение, постоянный ток
    • Лампа в держателе, 12 В, 36 Вт или 24 Вт
    • Провод Eureka, 28 SWG или толще
    • Выводы, 4 мм, 6 шт.

    Здоровье и безопасность и технические примечания

    Ознакомьтесь с нашим стандартным руководством по охране труда и технике безопасности

    Процедура

    Изготовление амперметра:

    1. Ваш гальванометр предназначен для измерения малых токов в несколько миллиампер.Когда стрелка находится в конце шкалы, ток через маленькую катушку, которая перемещается вместе со стрелкой, должен составлять, скажем, 0,01 А (или что-то еще, что ваш гальванометр устроен для измерения этого значения). Предположим, вы хотите использовать его для измерения гораздо больших токов, скажем, 1 А, в конце его шкалы. Остальная часть этого большого тока (например, 1 А минус 0,01 А) должна проходить по альтернативному маршруту параллельной линии контура.
    2. Для этой петлевой линии или шунта подсоедините короткий кусок проволоки из сплава к клеммам вашего гальванометра, как показано на схеме.Заботиться! Если при настройке шунта вы пропустите через гальванометр весь большой ток, даже на мгновение, вы можете сильно повредить гальванометр.
    3. Начните с очень короткого шунта, прямо от клеммы к клемме. Проведите очень грубую проверку, соединив последовательно лампу, ваш шунтированный гальванометр, коммерческий амперметр (для сравнения) и одну 1,5-вольтовую ячейку — просто для безопасного первого испытания.
    4. Включите на мгновение ток, чтобы увидеть, движется ли стрелка слишком далеко или слишком мало.
    5. Методом проб и ошибок отрегулируйте длину шунта. Укорачивайте или удлиняйте шунт до тех пор, пока показания самодельного амперметра не будут примерно такими, как вы хотите.
    6. Отсоедините батарею от тестовой цепи и замените ее источником питания, настроенным на 12 В. Отрегулируйте шунт более тщательно, пока не получите хороший амперметр.
    7. Коммерческий амперметр устроен так. Это миллиамперметр с шунтом. Иногда базовый прибор имеет несколько съемных шунтов, чтобы сделать его амперметром с возможностью выбора нескольких диапазонов, как в случае с мультиметрами, где вы можете выбрать диапазон, поворачивая циферблат.

    Учебные заметки

    • Те, кто хочет использовать свои знания о сопротивлении, могут попробовать преобразовать миллиамперметр в амперметр. Это работа, которую выполняет измерительный шунт. Правильное сопротивление должно быть подключено параллельно с миллиамперметром, чтобы он мог регистрировать амперы. Он делает это, посылая большую часть тока цепи через шунт и отводя небольшую его часть для прохождения через счетчик.
    • Имеющийся в продаже амперметр позволяет учащимся настроить самодельный амперметр на показания по своему усмотрению методом проб и ошибок, а не путем расчета сопротивления шунта.

    Этот эксперимент был проверен на безопасность в октябре 2006 г.

    счетчиков, умножители и шунты

    счетчик, умножители и шунты
    Продукция Elliott Sound Измерители, умножители и шунты

    © 2006, Rod Elliott (ESP)
    Страница Опубликовано 6 мая 2006 г.
    Обновлено в марте 2021 г.

    Верхняя
    Основной индекс Указатель статей
    Содержимое
    Введение

    Механизм счетчика с подвижной катушкой (также известный как гальванометр) был изобретен французским физиком и врачом Жаком-Арсеном Д’Арсонвалем в 1882 году.Это основа для всех современных измерительных механизмов, и основные принципы дизайна остаются неизменными по прошествии всего этого времени. Фактическая конструкция может сильно различаться, но при рассмотрении становится очевидным, что есть просто разные способы достижения одного и того же результата.

    метры распространены в аудио. Иногда они используются как «услада для глаз», чтобы произвести впечатление, особенно в усилителях мощности, но они также имеют много реальных применений. Измерители используются для отображения уровня с микшерных пультов, либо в виде дисплея VU (единица громкости), либо PPM (измеритель пиковой программы), и хотя светодиодные измерители экономят место и могут работать очень быстро, они не имеют ни крутости аналогового механизма. ни ретро обращение.Многим людям аналоговый механизм дает лучшее представление о происходящем, даже если им не хватает непосредственности светодиодного дисплея. В некоторых случаях их можно даже объединить, чтобы получить лучшее из обоих миров.

    Измерители

    также используются в источниках питания и многих других единицах контрольно-измерительного оборудования, и хотя предполагается, что цифровые более точны (вы можете видеть точное отображаемое напряжение), это не всегда так. Хотя цифровые счетчики кажутся точными , часто это иллюзия (читайте спецификации … 1% ± 1 цифра является обычным явлением, и эта последняя цифра иногда может иметь большое значение).

    Кроме того, есть приложения, в которых цифровой формат практически бесполезен. Если напряжение (или ток) постоянно меняется, показания цифрового счетчика невозможно точно интерпретировать. С помощью аналогового сигнала вы можете видеть пики и провалы, и легко увидеть тренд (или среднее значение), просто взглянув на указатель. Аналог далеко не умер, и по сей день я до сих пор использую много аналоговых измерителей на милливольтметрах, анализаторах искажений, источниках питания и т. д.

    Хотя многие методы, описанные в этой статье, предназначены для аналоговых приложений, они в равной степени применимы и к цифровым измерителям — DPM (цифровые панельные измерители) обычно доступны примерно по той же цене, что и их аналоговые аналоги. Это делает их очень привлекательными для некоторых применений, особенно потому, что хорошие расходомеры с подвижной катушкой в ​​настоящее время довольно дороги, и их может быть трудно достать. Некоторые приложения также показаны для DPM.


    Примечание осторожно

    Здесь следует отметить одну вещь, в основном потому, что нет другой статьи ESP, в которой подробно освещалась бы эта тема.В наши дни люди используют цифровые мультиметры практически для всего, и есть ловушка, о которой вы, вероятно, не знали. Все цифровые мультиметры (включая измерители истинного среднеквадратичного значения) имеют ограниченную верхнюю частоту. Они в основном предназначены для измерения сетевых и других низкочастотных сигналов, где требуется точное среднеквадратичное значение. Однако ограниченная частотная характеристика означает, что вы не сможете измерить частотную характеристику усилителя выше, возможно, 1 кГц. Некоторые лучше, но очень немногие (и я действительно имею в виду , очень мало ) могут измерять 20 кГц с какой-либо уверенностью.

    Даже измерители основных торговых марок почти всегда будут показывать показания, которые значительно меньше, чем фактическое напряжение на частоте 10 кГц или выше. Некоторые высококачественные стендовые измерители «лучше», но часто ненамного. Я проверил свой стендовый измеритель (5½ разрядов), портативный измеритель истинного среднеквадратичного значения и дешевый мультиметр, очень обычный во многих отношениях. Результаты показаны ниже.

    Частота Настольный RMS Ручной RMS ‘Обычный’
    20 Гц 4.9500 5,01 4,96
    100 Гц 5,0005 5,05 4,94
    500 Гц 5,0063 5,05 4,93
    1 кГц 5,0064 5,05 4,93
    5 кГц 5,0064 4,96 4,99
    10 кГц 5,0099 4,75 5,38
    20 кГц 5.0155 4,12 6,73
    50 кГц 5,0370 0,937 11,23
    100 кГц 5,2960 0,233 13,09
    Таблица 1. Сравнение трех цифровых мультиметров

    Абсолютный уровень был подтвержден моим осциллографом на каждой частоте, и очевидно, что на частоте выше 5 кГц можно доверять только настольному мультиметру. Тем не менее, на частоте 100 кГц даже этот измеритель показывал почти 6%, а при 20 Гц показание было на 1% ниже (что меня удивило, но он использует блокировку постоянного тока в диапазонах переменного напряжения, что, вероятно, объясняет ошибку).«Обычный» (т. е. не истинное среднеквадратичное значение) измеритель сошел с ума выше 5 кГц, показав высокие значения и показав более чем вдвое больше фактического напряжения на частоте 100 кГц. Измеритель среднеквадратичного значения UNI-T был в пределах 1% до 5 кГц, но выше этого показания ужасно умирали. Ручные измерители, которые я использовал, были просто первыми, которые попались мне под руку, но настольный измеритель — это мой основной прибор для большинства измерений.

    Совершенно очевидно, что вам нужно убедиться, что выбранный вами измеритель не лжет вам, если вы используете его для измерения отклика. Это одна из многих причин, по которой осциллограф всегда является моим предпочтительным устройством для измерения переменного тока, потому что, несмотря на то, что абсолютная точность хуже, чем у хорошего измерителя, он сообщает вам то, что вам нужно знать, включая форму сигнала, чего не может сделать ни один из цифровых мультиметров.Даже некоторые из самых известных марок не указывают свой диапазон частот переменного тока, а только показатель точности. Вы, вероятно, можете найти его, но это может потребовать серьезных поисков!

    Например, я нашел один из наиболее известных брендов и просмотрел его характеристики. Ничего. Я скачал руководство и, наконец, нашел подробности на странице 20 (из 24). Точность напряжения переменного тока указана как 1% (+3 единицы) в диапазоне от 45 Гц до 500 Гц и 2% (+3 единицы) в диапазоне от 500 Гц до 1 кГц. Выше 1кГц вы сами — ничего не указано.

    В Сети на удивление мало материалов, посвященных этому аспекту цифровых счетчиков. В то время как у многих есть счетчики частоты, которые расширяются, по крайней мере, до нескольких МГц, это означает, что , а не , могут точно измерять напряжение на этих частотах. Непосвященные вряд ли знают об этом ограничении, потому что в большинстве случаев его нелегко найти. В общем, я предлагаю использовать измеритель «True RMS» для измерений переменного тока, так как будут значительные ошибки, если форма волны не синусоидальна.


    1.0 — Основные движения счетчика

    Основным механизмом аналогового счетчика является подвижная катушка. Они были основой большинства измерительных приложений в течение очень долгого времени, но есть и другие, распространенные в других отраслях. Счетчики с подвижным железом часто используются для электросетей (особенно в распределительных щитах и ​​т.п.), и хотя они нелинейны, это не является ограничением для предполагаемых приложений. Последние интересны, но не будут рассматриваться из-за ограниченной доступности и бесполезности для аудиоприложений.Еще один интересный измеритель использует электростатику для отображения напряжения. Они ограничены приложениями с очень высоким напряжением и практически не нагружают цепь. Как и механизмы с движущимся железом, они бесполезны для общего использования в мастерской, потому что они слишком специализированы. Фотография очень обычного движения счетчика с подвижной катушкой показана на рисунке 1.


    Рис. 1. Движение расходомера с подвижной катушкой

    На рис. 2 показаны основные разделы — да, он отличается от рис. 1.На рисунке показано, как много лет назад обычно конструировались механизмы с подвижной катушкой, что несколько легче нарисовать, чем более современные типы. Основные части помечены, чтобы вы могли получить представление о конструкции этих счетчиков. Почти все счетчики с подвижной катушкой представляют собой устройства низкого напряжения и слабого тока, а умножители и шунты, упомянутые в названии, используются для преобразования движения для считывания более высоких напряжений и токов, чем оно было разработано. Эта универсальность является причиной того, что счетчики с подвижной катушкой остаются с нами так долго.Их можно заставить считывать до тысяч вольт (или ампер), переменное напряжение и ток (с добавлением выпрямителей), уровни звука или что-то еще, где физическую величину можно преобразовать в электрический ток.

    Преимущество аналоговых весов заключается в том, что оператор установки (например) может с первого взгляда определить, являются ли показания нормальными, в то время как необходимо фактически считать отображаемое значение цифрового счетчика. Вам не нужно считывать показания аналогового счетчика, чтобы убедиться, что они в норме.Посмотрите на индикатор на тестере батареи — он просто помечен как «Заменить» и «Хорошо» или что-то подобное — точное значение не имеет значения, но вы все равно видите линейную шкалу, поэтому вы можете оценить «Предельный уровень», даже не задумываясь об этом.


    Рисунок 2. Основные части расходомера с подвижной катушкой

    Движение с подвижной катушкой использует формирователь катушки из алюминия, установленный вокруг центрального полюса и «погруженный» в сильное магнитное поле. Катушка чаще всего поддерживается подшипниками с драгоценными камнями (хотя подвеска с натянутой лентой — гораздо лучший вариант, IMO).Катушка удерживается в нулевом положении за счет натяжения волосковых пружин, причем одна из них (почти всегда верхняя) выполнена регулируемой снаружи корпуса счетчика. Это позволяет пользователю обнулить указатель. Ток к катушке переносится спиралью.

    В ленточной подвеске

    не используются подшипники, но она поддерживает катушку на крошечной плоской пружине (плоская проволока) на каждом конце. Плоская пружина действует как подвеска и восстанавливающая сила, а также обеспечивает ток самой катушки. К сожалению, тугие ленточные движения не очень распространены, возможно, потому, что они иногда не так прочны с механической точки зрения, как традиционная шарнирная подвеска, украшенная драгоценными камнями, и их очень трудно отремонтировать, если подвеска сломается (личный опыт!).Основным преимуществом является то, что они имеют очень низкий (практически нулевой) гистерезис — это происходит в механизмах с драгоценными камнями, если ось слегка заедает из-за загрязнения или повреждения.

    Алюминиевый каркас почти всегда изготавливается таким образом, что он образует закороченный виток вокруг центрального стержня. Это обеспечивает электрическое демпфирование, предотвращая чрезмерную скорость стрелки. Движение аналогового счетчика — это гораздо больше, чем кажется на первый взгляд, но мы оставим эту тему сейчас, чтобы можно было осветить использование этих устройств.


    1.1 — Технические характеристики механизма

    Все счетчики с подвижной катушкой имеют номинальный ток для FSD (полное отклонение шкалы), и этот параметр имеет первостепенное значение. Ток FSD определяет, какую нагрузку счетчик будет размещать на любой схеме привода, или, для вольтметра, какой ток он будет потреблять от источника напряжения. Это может быть или не быть важным, в зависимости от приложения.

    Наиболее распространенные измерители легко доступны с чувствительностью от 50 мкА до 1 мА полной шкалы.Доступны более чувствительные измерители, но стоимость увеличивается с увеличением чувствительности. Самый чувствительный измеритель, о котором я слышал, был использован Sanwa в аналоговом мультиметре — 2 мкА FSD, движение натянутой ленты!

    Все движения счетчика имеют сопротивление, потому что в катушке используется много витков тонкой проволоки. Сопротивление варьируется от 200 Ом или около того (движение 1 мА) до примерно 3,5 кОм для движения 50 мкА. Однако эти цифры могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от точной техники, используемой производителем.

    Обычно движения расходомера с подвижной катушкой подходят только для постоянного тока. Некоторые (например, измерители громкости для звука) имеют внутренний выпрямитель, так что можно измерять переменный ток, но точность, как правило, довольно низкая, особенно при низком напряжении.

    Для получения хороших характеристик переменного тока требуется использование внешней схемы. На страницах проекта есть дизайн милливольтметра переменного тока, а в разделе заметок по применению на сайте ESP есть интересный набор схем прецизионного выпрямителя.

    Некоторые механизмы имеют зеркальную шкалу, где полоса отполированного металла находится сразу за самой шкалой и видна через окошко, вырезанное из шкалы.Это используется для устранения ошибок параллакса при считывании показаний счетчика и может значительно повысить точность показаний. Когда указатель и его отражение в зеркальной шкале видны как одно целое, зритель смотрит прямо на указатель и ошибки параллакса нет. Если вы видите отражение указателя, значит, вы смотрите на него под углом.

    Все это бесполезно, если счетчик плохо откалиброван или нелинейен. Измерители с подвижной катушкой могут быть нелинейными, если магнитный путь не отрегулирован правильно — такие регулировки не рекомендуются для тех, кто не обучен или не привык работать с очень тонким оборудованием.Также помогает, если вы точно знаете, что делать, тема, которая выходит далеко за рамки этой статьи.


    2.0 — Умножитель напряжения

    Когда мультиметр используется в качестве вольтметра, для ограничения тока до указанного значения FSD с максимальным приложенным напряжением, которое необходимо измерить, используется последовательный резистор. Это очень простой расчет, так как он не включает ничего более сложного, чем закон Ома.


    Рис. 3. Умножающий резистор для измерения напряжения

    Например, мы хотим измерить напряжение от источника питания и иметь доступный измерительный прибор на 1 мА с сопротивлением катушки 200 Ом.Если максимальное напряжение питания составляет 50 В, то счетчик должен показывать от 0 до 50 В. Необходимое полное сопротивление ограничит ток через измеритель до 1 мА при подаче 50 В, поэтому …

    R всего = В / I = 50 / 1 мА = 50 кОм

    Поскольку сопротивление счетчика равно 200 Ом, последовательный резистор будет …

    R мульт = 50 кОм — 200 Ом = 49 800 Ом

    Это не стандартное значение, поэтому его необходимо компенсировать с помощью последовательных/параллельных резисторов. Конечно, всегда можно схитрить и использовать последовательно резистор 47 кОм с потенциометром 5 кОм, что позволит откалибровать счетчик с высокой точностью.Нам нужно проверить номинальную мощность резистора, потому что легко забыть, что резистор умножителя может рассеивать значительную мощность, особенно при высоких напряжениях. Мощность резистора определяется по …

    P = I² × R = 1 мА² × 47000 = 53 мВт

    Рассеиваемая мощность находится в допустимых пределах даже для резистора с минимальной мощностью. Будьте очень внимательны при определении сопротивления множителя для высоких напряжений. Хотя номинальная мощность может быть довольно низкой, градиент напряжения на резисторе может превышать его номинальные значения.Крайне важно, чтобы резисторы не работали выше максимального номинального напряжения для конкретного типа резистора. Эта спецификация не часто приводится, поэтому лучше предположить наихудший случай и ограничить напряжение на любом резисторе мощностью 0,5 Вт не выше 150 В — меньше для резисторов мощностью 0,25 Вт.

    Обычно предпочтительнее использовать самый чувствительный измеритель, который вы можете получить в своем ценовом диапазоне, поэтому в этом случае движение на 50 мкА будет гораздо лучшим предложением. Меньший ток потребляется от источника измеряемого напряжения, поэтому нагрузка на потенциально чувствительные цепи меньше.Это всегда было проблемой при измерении напряжения в ламповых усилителях, потому что типичные дешевые аналоговые мультиметры часто использовали относительно сильноточные измерения, и это нагружало тестируемое напряжение, давая неправильные показания. Аналоговые мультиметры обычно имели рейтинг «Ом/В» — описанное выше движение на 1 мА использует общее сопротивление 50 кОм для измерения до 50 В, поэтому оно будет рассчитано на 1 кОм/В.

    Лучшие мультиметры прошлых лет имели номинал от 20 кОм/В до 100 кОм/В (упомянутый выше мультиметр Sanwa имел 500 кОм/В!).Чтобы получить еще более высокий импеданс измерения, лучше оборудованные мастерские и лаборатории в то время использовали VTVM (вольтметр на вакуумной трубке), предлагающий входное сопротивление около 10 МОм. За ними последовали транзисторные блоки с входом на полевых транзисторах, и, наконец, их вытеснили цифровые мультиметры. Несмотря на свою популярность, цифровые мультиметры по-прежнему очень плохи в некоторых измерениях и часто не так точны, как мы привыкли думать.

    При движении на 50 мкА множительный резистор должен быть …

    R mult = V / I = 50 / 50 мкА = 1 МОм — 3500 (сопротивление измерителя) = 996 500 Ом

    … что составляет 20 кОм/Вольт. Опять же, это сопротивление может быть составлено последовательным соединением различных номиналов, но вполне подойдет резистор 1 МОм. Ошибка намного меньше, чем допуск резистора или движения измерителя, и составляет 0,35%. Если вам нужна большая точность, вам нужно будет использовать подстроечный резистор с последовательным резистором, как описано выше для движения 1 мА.

    Это все, что касается множителей — как сказано в начале этого раздела, их очень легко вычислить.


    3.0 — Токовый шунт

    Немного сложнее обстоит дело при расчете шунта для измерения тока. Не столько потому, что расчеты сложны, сколько потому, что вы будете работать с очень низкими значениями сопротивления. Также важно убедиться, что счетчик подключен непосредственно к шунту — даже небольшая длина последовательного провода может сделать показания бесполезно неточными. На приведенной ниже принципиальной схеме показано не только электрическое соединение, но и физическое соединение с шунтом.

    В большинстве случаев проще рассчитать (или измерить) напряжение на счетчике движения для FSD. Если вы не знаете сопротивление, его можно измерить цифровым мультиметром. Ток большинства цифровых мультиметров достаточно мал, чтобы не повредить измеритель, но стрелка может качаться довольно сильно. Подключайте с обратной полярностью, чтобы свести к минимуму риск изгиба указателя.

    Если вы не измеряете малые токи (менее 1 А или около того), сопротивление шунта можно рассчитать по закону Ома, и оно будет достаточно точным для большинства целей.Это описано ниже.


    Рис. 4. Шунтирующий резистор для измерения тока

    Предполагая движение 1 мА с внутренним сопротивлением 200 Ом, в качестве примера мы хотим измерить 5 А. Это означает, что через шунт должно пройти 4,999 А, а оставшийся 1 мА пройдет за счет движения счетчика. Сопротивление шунта можно найти по следующей формуле …

    Rs = Rm / (Is / Im), где Rs — сопротивление шунта, Rm — сопротивление счетчика, Is = ток шунта, Im = ток счетчика

    Итак, для нашего примера

    Rs = 200/(5А/1мА) = 0.04 Ом
    Если пользоваться только законом Ома (определив, что поперек движения будет 200мВ — 1мА и 200Ом), то шунт можно рассчитать как…
    Rs = Vm / I , где Rs — сопротивление шунта, Vm — напряжение счетчика при полной шкале, а I — ток
    Rs = 0,2 / 5 = 0,04 Ом

    Этот метод будет работать с точностью до 1% при условии, что измеренный максимальный ток более чем в 100 раз превышает ток измерителя. Одна вещь, с которой мы должны быть осторожны с шунтами, заключается в том, что напряжение, «потерянное» на них (известное как «нагрузка», не является чрезмерным.Это уменьшит напряжение, подаваемое на нагрузку, и может привести к значительным ошибкам, особенно при малых токах. Например, если нам нужно измерить только 1 мА, мы можем использовать измеритель напрямую, но мы потеряем 200 мВ на измерителе. В случае рассчитанного выше шунта 0,04 Ом мы теряем …

    V = R × I = 0,04 × 5 А = 200 мВ

    … точно такая же потеря напряжения! Это не так уж и много, но может быть критически важным в некоторых сложных тестах или при очень низких напряжениях. 200мВ это почти ничего при питании 50В (0.4%), но очень важно, если приложенное напряжение составляет всего 1 В (полные потери 20%). Падение напряжения можно немного уменьшить, используя более чувствительное движение. Для движения 50 мкА с сопротивлением 3500 Ом потери составляют …

    V = R × I = 3500 × 50 мкА = 175 мВ

    Выигрыша не много, но и альтернатив не так много. Измерение постоянного тока всегда приводит к потере некоторого напряжения, поэтому важно, чтобы вольтметр всегда подключался после амперметра, чтобы учитывалось «потерянное» напряжение.Там, где важно крайне малое падение напряжения, приходится прибегать к усилению. Операционный усилитель можно использовать для усиления напряжения на шунте гораздо меньшего значения, но за счет сложности схемы и температурного дрейфа. Цифровые панельные измерители часто (но не всегда) лучше аналоговых механизмов для текущих измерений. Обратите внимание, что для измерения переменного тока лучшим решением является трансформатор тока — см. «Трансформаторы. Часть 2».

    Идея шунта хороша, но где взять 0.Резистор 04Ом? Он может состоять из нескольких проволочных или металлопленочных резисторов, соединенных параллельно, или может быть доступен специальный шунт. Однако добиться высокой точности при таком низком сопротивлении очень сложно, и шунты обычно разрезают, обрабатывают или подпиливают для удаления небольшого количества металла до тех пор, пока не будет достигнуто точное необходимое значение. Шунт должен быть изготовлен из металла с низким температурным коэффициентом сопротивления, чтобы на показания не влияли изменения температуры окружающей среды или вызванные током нагрузки, нагревающим шунт.Обычными материалами для шунта являются константан (медно-никелевый сплав, он же Эврика), манганин (медь, марганец, никель) и нихром (никель-хром).

    Существует более простой способ калибровки шунта, как показано на рис. 5. Падение напряжения будет немного выше, чем должно быть, но вам потребуется всего несколько дополнительных милливольт, чтобы использовать этот метод.


    Рис. 5. Шунт с переменным резистором

    Теперь можно использовать 2 резистора по 0,1 Ом параллельно, что дает сопротивление 0,05 Ом. Падение напряжения при 5 А составит 250 мВ, но у вас есть преимущество в том, что вы можете использовать резисторы со стандартным допуском, что может обеспечить значительную экономию.Мощность всего 1,25 Вт при полном токе, так что пара резисторов на 5 Вт почти не нагреется. Подстроечный потенциометр можно отрегулировать для получения точных показаний, не прибегая к резисторам с малым допуском с невозможными значениями. В качестве примера для вышеупомянутого измерителя на 5 А мы могли бы использовать подстроечный резистор 100 Ом последовательно с измерителем. Значение не особенно важно, но должно находиться в пределах разумного диапазона.

    Что такое «разумный» в этом контексте? Легкий. Мы уже знаем, что измерителю требуется 200 мВ для полной шкалы, и что мы получим 250 мВ через 0.Шунт 05 Ом, поэтому нам нужно сопротивление, которое упадет на 50 мВ при 1 мА.

    R = В / I = 0,05 / 0,001 = 50 Ом

    Так как мы используем потенциометр, рекомендуется отцентрировать стеклоочиститель в идеальных условиях, чтобы обеспечить максимальный диапазон регулировки (чтобы обеспечить допуск наихудшего случая), поэтому идеально подходит потенциометр 100 Ом.


    3.1 — Мониторы тока на ИС

    Существует альтернативный метод измерения постоянного (или переменного) тока практически без потерь. Доступны ИС, в которых используется толстый проводник и полностью изолированный датчик Холла для измерения магнитного поля, создаваемого при прохождении тока через проводник.Примером может служить Allegro Microsystems ACS770LCB-050B, двунаправленный датчик Холла, который может обрабатывать до ± 50 А, обеспечивая выходной сигнал ± 40 мВ / А с центральным выходным напряжением покоя 2,5 В. Также доступна однонаправленная (только для постоянного тока) версия.

    При выходном напряжении ±2 В (относительно 2,5 В) диапазон выходного напряжения составляет от 500 мВ до 4,5 В во всем диапазоне. Хотя это очень полезные устройства, они недешевы и требуют дополнительной электроники для получения полезного результата.Если вам нужно определить слабый ток, будьте готовы к довольно шумному выходному сигналу. Часть шума можно удалить с помощью фильтра, но это еще больше усложняет задачу.

    Упомянутое устройство не единственное в своем роде, но является представителем тех, которые вы можете использовать. Другой вариант — Honeywell CSLA2CD, описанный в Проекте 139. Это более универсальное устройство (которое также, вероятно, будет тише), но оно недешевое: около 40–50 австралийских долларов за штуку в зависимости от поставщика. Даже Allegro IC стоит немного дороже, чем вы могли ожидать, около 13 австралийских долларов.00 за штуку (одна скидка). Существует множество других интегральных схем датчиков тока, но здесь не место вдаваться в подробности.


    4.0 — Вольтметр с расширенной шкалой

    Возможно, вы видели вольтметры с расширенной шкалой, используемые в автомобилях для контроля напряжения аккумуляторной батареи. Поскольку никого не интересует, измеряет ли батарея меньше 10 В (это абсолютно разряжено!), и оно никогда не должно превышать 15 В, хорошо иметь измеритель, который измеряет от 10 В до 15 В. Это на удивление легко сделать, и хотя абсолютная точность не является чем-то замечательным в простом приложении, она более чем приемлема для этой цели.


    Рис. 6. Вольтметр с расширенной шкалой (10–15 В)

    При использовании стабилитрона устанавливается базовое опорное напряжение, и измеритель измеряет только опорное и фактическое напряжение батареи. Мы снова будем использовать движение 1 мА (как показано выше). Эта схема может быть адаптирована для любого желаемого напряжения. Вольтметру нужно только измерять падение напряжения на питающем резисторе стабилитрона, что необходимо для того, чтобы в стабилитроне протекал допустимый ток. 1 мА, потребляемого измерителем, недостаточно для получения стабильного напряжения.

    Множитель отрабатывается так же, как и раньше…

    R всего = В / I = 5 / 1 мА = 5 кОм

    Поскольку сопротивление множителя намного меньше, чем раньше, мы должны принять во внимание сопротивление измерителя 200 Ом.

    R мульти = R всего — R счетчик = 5000 — 200 = 4800 Ом

    Резистор 4,7 кОм внесет небольшую погрешность, но резистор 3,9 кОм, включенный последовательно с подстроечным потенциометром 2 кОм, позволит установить измеритель очень точно.Значение резистора питания стабилитрона не является критическим, но оно должно гарантировать, что ток стабилитрона находится в пределах от 10% до 50% от максимального для устройства (около 10% будет , обычно дает наилучший результат). Предполагая, что стабилитрон 10 В 1 Вт, максимальный ток составляет …

    Из макс = P / V = ​​1 / 10 = 0,1 = 100 мА (макс.)

    Используя закон Ома, мы получаем значение сопротивления 470 Ом для тока стабилитрона около 10 мА при 15 В. Оно будет падать по мере снижения напряжения, а предельная точность при использовании стабилитрона невозможна.Эта схема должна хорошо работать в качестве «коммунального» счетчика. В зависимости от характеристик стабилитрона может быть выгодно использовать его при более высоком или более низком максимальном токе. Если Rz меньше 270 Ом, точность может пострадать. Эта основная идея существовала столько, сколько я себя помню, и использовалась в бесчисленном количестве мониторов напряжения аккумулятора автомобиля (или лодки и т. д.).

    Если вы суетливы (и хотите, чтобы это было точно, что за нервы ! ) вы можете использовать IC опорного напряжения вместо стабилитрона.Вместо него можно использовать LM4040-N-10.0 (версия 10 В). Возможно, потребуется изменить последовательное сопротивление (Rz), чтобы ограничить ток чуть меньше номинального максимального значения 15 мА (390 Ом будет достаточно), и вы можете ожидать, что оно действительно будет работать очень хорошо. Расчеты не меняются, но вы должны следить за тем, чтобы не превышался максимальный эталонный ток ИС. R mult не изменяется, если вы используете один и тот же измеритель (или вы можете использовать триммер, чтобы его можно было отрегулировать).

    Благодарю Роджера, который не был доволен стабилитроном и провел испытания на LM4040.Это работало намного лучше, давая очень точные показания.


    5.0 — Цифровые панельные измерители

    DPM (цифровые панельные измерители) часто очень привлекательны не только из-за их воспринимаемой точности, но и потому, что их часто можно приобрести за такое же или меньшее движение, чем хороший аналоговый измерительный прибор. У них также лучшая линейность, чем у большинства дешевых механизмов, так что есть некоторые реальные преимущества. Большинство из них доступны с заявленной чувствительностью 200 мВ (полная шкала 199,9 мВ), поэтому они сравнимы с аналоговыми счетчиками с точки зрения падения напряжения при измерении тока.У них есть большое преимущество входного импеданса (типичное) 100 МОм, поэтому нагрузка по напряжению чрезвычайно мала. Кроме того, они будут измерять положительное и отрицательное напряжение или ток — это доступно с аналоговым измерителем с центральным нулем, но их трудно найти.

    Большинство DPM классифицируются как 3½ разряда, что означает, что они отображают максимальное значение до 199,9 мВ. Старшая значащая цифра может быть только пустой или 1, а другая «половина» используется для отображения отрицательного знака, указывающего на то, что вход отрицательный по отношению к общей клемме или клемме заземления.Это часто означает, что большая часть диапазона будет потрачена впустую, если вы хотите отобразить диапазон, отличный от 0-1999. Обратите внимание, что большинство DPM не выбирают автоматически десятичную точку, и есть дополнительные контакты, позволяющие пользователю выбирать положение десятичной точки (или полностью ее игнорировать). Аналоговые измерители не имеют такого ограничения, потому что шкалу можно откалибровать с любыми единицами измерения и охватом любого диапазона.


    5.1 — Цифровой вольтметр

    Измерять напряжение с помощью DPM очень просто — большинство из них даже снабжены инструкциями, показывающими, как это делать.Вы должны быть осторожны, чтобы гарантировать, что потенциально разрушительные напряжения не могут быть подключены к входам. Как и все ИС, используемый АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) чувствителен к избыточному напряжению, и ИС может быть повреждена. Хотя в следующей схеме используется полуволновой выпрямитель, двухполупериодное выпрямление лучше (с использованием диодного моста). Однако это может означать, что простой «автономный» источник питания не может использоваться для ИС измерителя. Делитель напряжения следует пересчитать, если используется двухполупериодный мост, поскольку отношение пикового значения к среднему равно 1.58 (двухполупериодное выпрямление 230 В имеет среднее значение 205,7 В).


    Рис. 7. Цифровой измеритель 0–240 В переменного тока

    На рис. 7 показана схема вольтметра DPM, который я недавно построил. Это предназначено для контроля выхода моей мастерской Variac (переменный трансформатор). Чтобы обеспечить адекватное номинальное напряжение для R div1 , 4 резистора по 100 кОм мощностью 1 Вт использовались последовательно параллельно, поддерживая пиковое напряжение на каждом до 163 В (пиковое значение 230 В переменного тока составляет 325 В). Резисторы мощностью 1 Вт использовались не из-за их номинальной мощности, а из-за большого сечения сопротивления, поддерживающего относительно низкий градиент напряжения на поверхности резистора.Поскольку Variac может выдавать 0-260 В, напряжение на DPM будет 0-26 мВ, и это сигнал с однополупериодным выпрямлением. Измеритель усредняет приложенное напряжение. Обратите внимание, что источник питания 5 В должен быть изолирован , потому что он может иметь полный потенциал сети на всех клеммах, если активный (под напряжением) и нейтральный проводники когда-либо поменяются местами. Это очень важно — вся цепь (включая источник питания) должна рассматриваться как находящаяся под потенциалом сети.

    Чтобы получить (приблизительное) среднее значение выпрямленного переменного тока ½ волны, вы делите пиковое напряжение на 3.12. Исходя из этого и для среднего сигнала 23 мВ, среднее входное напряжение составляет 104 В (325/3,12), поэтому делителю напряжения нужен коэффициент …

    Vдел = Vin / Vвых = 104 / 23мВ = 4522

    Для всех достаточно высоких напряжений коэффициент деления настолько высок, что вызывает значительные ошибки даже при использовании резисторов с номиналом 1 %, поэтому настоятельно рекомендуется использовать подстроечный резистор для регулировки значения. Так как я использовал 100k для Rdiv1 (потому что у меня были под рукой резисторы 100k/1W), параллельная комбинация Rdiv2 и VR1 должна быть немного больше, чем …

    Rdiv2 = Rdiv1 / (Vdiv — 1) ≈ 22 Ом (на самом деле 22,12 Ом, но все значения приблизительны, поскольку использование постоянных резисторов нецелесообразно)

    50 Ом (используемый) позволяет приблизительно центрировать VR1, и имеется большой диапазон регулировки. Излишне говорить, что точно такой же метод может быть применен и к аналоговому измерителю, но вы должны учитывать гораздо более низкий входной импеданс (возможно, 100 Ом, а не 100 МОм для DPM, который я использовал). Как оказалось, при среднем напряжении 104В и сопротивлении 100к ток равен 1.04 мА, поэтому счётчик может управляться напрямую (исключая Rdiv2 и VR1). Однако вам нужно будет отрегулировать сопротивление, потому что (не)точность составляет 4% — можно получить гораздо лучшие результаты, но большинство аналоговых измерительных механизмов будут иметь большую погрешность, чем встроенная. Настоятельно рекомендуется использовать потенциометр, потому что форма сигнала переменного тока не очень предсказуема, а искажение формы сигнала может привести к большим ошибкам. Это также относится к сети с двухполупериодным выпрямлением. Сеть делителя по-прежнему можно использовать, как показано, но Rdiv2 следует уменьшить до 39 Ом.


    Рис. 8. Цифровой вольтметр постоянного тока 0–50 В

    Для более традиционного применения на рис. 8 показан базовый цифровой измеритель 0–50 В. Номиналы резисторов в этом случае фиксированы. Из-за высокого входного импеданса DPM мы можем использовать 1 МОм для резистора верхнего делителя. Коэффициент деления определяется так же, как и раньше …

    Vdiv = Vin / Vout = 50 / 50 мВ = 1000
    Rdiv2 = Rdiv1 / Vdiv = 1M / (1000 — 1) = 999 Ом (используйте 1 кОм)

    Использование резистора 1 кОм не является проблемой, так как допуск резистора намного больше, чем разница в 1 Ом в расчетных значениях.Тот же результат может быть достигнут с использованием 10 кОм и 10 Ом (или 100 кОм и 100 Ом), но обычно нет необходимости стремиться к очень низким импедансам. Вы можете обнаружить, что счетчик отображает «мусорные» значения в младшей значащей цифре — это означает, что улавливается шум. Использование делителя с более низким импедансом может уменьшить это, или вы можете поставить конденсатор (100 нФ или около того) параллельно с R Div2 . Если вам нужно, чтобы схема была особенно точной, вам нужно будет использовать резисторы 0,1% или добавить потенциометр, чтобы его можно было отрегулировать.Горшок намного дешевле и его легче достать, чем резисторы на 0,1%, особенно если в итоге вы получите нечетные значения.


    5.2 — Цифровой амперметр DPM

    имеют преимущество в качестве амперметров, но обычно только в том случае, если вам не нужна полная шкала. Поскольку типичная чувствительность составляет 200 мВ, используя только часть максимального показания, вы можете использовать более низкие сопротивления шунта, чем с аналоговыми механизмами. Вы также можете использовать мониторы тока IC вместо шунта, если это предпочтительнее (подробности см. в разделе 4.1).


    Рис. 9. Цифровой амперметр 0–5 А

    Процедура расчета шунта точно такая же, как и для аналогового счетчика, за исключением того, что ток счетчика отсутствует. Вам просто нужно рассчитать шунт на основе напряжения счетчика для желаемого показания тока …

    Rs = Vs / I = 50 мВ / 5 А = 0,01 Ом

    Это дает гораздо более низкое сопротивление шунта, поскольку на входе счетчика требуется всего 50 мВ. Показанная схема будет работать до 20 А (точнее, до 19,99 А) с тем же 0.Шунтирующий резистор 01 Ом. Обратите внимание, что вход показан на отрицательном источнике питания, а вход +ve идет на положительный источник питания через нагрузку. Если клеммы ввода и питания не имеют одинакового потенциала, то питание для счетчика должно быть плавающим — его нельзя заземлять. Например, если вы хотите контролировать ток в положительном проводе питания, вам понадобится вспомогательный источник питания с плавающим потенциалом.


    6.0 — Создайте свой собственный мультиметр

    Вообще глупой темой это надо считать.Ведь купить мультиметр можно довольно дешево, а переключение — кошмар. Однако для специализированных приложений могут быть вполне веские причины для создания многодиапазонного измерителя. Имейте в виду, что схема, показанная ниже, не включает защиту для DPM, поэтому, если при выборе диапазона 200 мВ было подано напряжение 2 кВ, счетчик выйдет из строя. Значения аттенюатора предполагают , что входное сопротивление DPM намного превышает 10 МОм — желательно не менее чем в десять раз!


    Рис. 10. Многодиапазонный цифровой вольтметр

    Вам нужен 2-полюсный 5-позиционный поворотный переключатель, и изоляция должна быть достаточной для максимального напряжения.Любая схема защиты, которую вы добавляете, не должна нагружать внешнюю цепь, иначе счетчик может появиться как короткое замыкание на высокое напряжение. Как уже отмечалось, это в основном глупая идея, но она может быть полезной (даже необходимой) для некоторых приложений, где обычный мультиметр не подходит. Нет, я тоже не могу представить себе такую ​​ситуацию.


    Рис. 11. Многодиапазонный цифровой амперметр

    Аналогичные комментарии относятся к амперметру. В этом случае резисторы и переключатель должны выдерживать ток, хотя это становится проблемой только в диапазоне самых высоких токов.Как и у многодиапазонного вольтметра, полезность рисунка 11 несколько сомнительна, хотя на лабораторном блоке питания было бы неплохо. Диапазоны могут быть расширены или перемещены — например, вы можете обнаружить, что диапазоны от 2 мА до 20 А соответствуют вашим потребностям. Просто уменьшите все значения сопротивления в 10 раз, и вот что у вас есть. Мне не нравятся ваши шансы получить поворотный переключатель, который может выдерживать 20 А, и поэтому почти все счетчики с большим диапазоном тока используют отдельный входной разъем.


    6.1 — Проектирование переключаемых аттенюаторов

    Они необходимы для всех цепей мультиметра, а также для специальных счетчиков, которые имеют несколько различных диапазонов. Расчеты основаны на ряде различных требований, но самым важным является ток, потребляемый движением счетчика. Для цифровых панельных измерителей этим можно пренебречь, но вы должны знать входной импеданс/сопротивление измерителя. Предполагая, что 1 МОм является «разумным» в качестве первого предположения, но вам необходимо знать фактическое сопротивление , иначе переключаемый аттенюатор не будет точным.

    В качестве примера мы будем использовать измеритель с подвижной катушкой на 50 мкА, так как они обеспечивают входное сопротивление 20 кОм/В. Все, что менее чувствительно, не очень полезно, так как вызывает нагрузку на измеряемую цепь, что приводит к ошибкам. В дешевых мультиметрах используются движения 500 мкА, что дает входное сопротивление 2 кОм/В. Эта терминология может показаться новичкам странной, но все, что она означает, это то, что если переключатель диапазона напряжения установлен в положение 1 В, нагрузка счетчика составит 20 кОм (или 2 кОм). При установке на 10 В это станет 200 кОм (или 20 кОм).Это не относится к цифровым измерителям, поскольку большинство из них имеют постоянное входное сопротивление (обычно) 10 МОм (или 11 МОм).

    Каждый резистор в аттенюаторе определяется диапазоном напряжения и током счетчика. Посмотрите на аттенюатор, показанный на рис. 11, и вы увидите прогрессию значений от 9 МОм до 1 кОм. Это предполагает, что входное сопротивление DPM намного больше, чем общее сопротивление аттенюатора (10 МОм), что может быть или не быть в действительности. Значения счетчика с подвижной катушкой рассчитать сложнее, так как требуется больше диапазонов.Наиболее распространенной является последовательность 1-2-5, так как она позволяет выбрать диапазон, в котором стрелка измерителя находится в диапазоне 20-80%.


    Рис. 12. Многодиапазонный аналоговый вольтметр постоянного тока

    Все резисторы расположены последовательно, и в любом заданном диапазоне они ограничивают ток счетчика до 50 мкА при максимальном напряжении. R9 всегда включен в цепь и включает сопротивление катушки счетчика. Если катушка 1200 Ом, R9 будет 18,8 кОм (и, скорее всего, фиксированный резистор последовательно с подстроечным резистором для калибровки).Например, в диапазоне 10 В резисторы R1, R2, R3 и R9 соединены последовательно, поэтому общее сопротивление 200 кОм последовательно соединено со счетчиком. 10 В, деленные на 50 мкА, составляют (что неудивительно) 200 кОм, поэтому при 10 В, приложенных к диапазону 10 В, 50 мкА проходит через измеритель и показывает «10» на шкале.

    Не стесняйтесь вычислять ток для любого диапазона при приложении полного напряжения, и он всегда будет равен 50 мкА. Так подключено 99,9% всех аналоговых счетчиков. Сопротивления изменяются в зависимости от чувствительности FSD измерителя, поэтому для измерителя на 500 мкА все сопротивления будут делиться на десять.В других типах счетчиков (в частности, VTVM и их «твердотельных» аналогах) аттенюатор предназначен для подачи напряжения на измерительную цепь, будь то вентили (вакуумные лампы), полевые транзисторы JFET или на основе операционного усилителя. Это позволяет аттенюатору иметь более высокий импеданс, с постоянным значением 10 МОм.

    Более «продвинутые» методы здесь не показаны, так как количество различных схем и вычислений быстро сделало бы эту статью слишком длинной. Вы также могли заметить, что измерения напряжения переменного тока не включены.В них почти всегда используется отдельный аттенюатор с более низким сопротивлением и включает (обычно грубый) выпрямитель. Диапазоны переменного тока на дешевых счетчиках измеряют среднее значение переменного тока, а счетчик откалиброван для отображения среднеквадратичного значения. Однако измерение является точным только для низкочастотного синусоидального сигнала (например, сети 50–60 Гц).


    6.2 — Измерение сопротивления

    Это почти Похоже, что этот раздел довольно бесполезен, но финальное приложение позволяет вам делать то, что не сделает ни один обычный мультиметр — измерять очень низкие сопротивления.«Обычные» аналоговые измерители используют источник напряжения (чаще всего ячейку 1,5 В) с последовательным сопротивлением, соответствующим диапазону сопротивления. Измеритель считывает напряжение на внешнем резисторе, поэтому шкала нелинейна. Этот подход работает, но не очень хорошо, так как все более высокие значения ограничены нижним концом шкалы. Цифровые мультиметры используют постоянный ток, поэтому напряжение на ИУ прямо пропорционально его сопротивлению.

    Существует множество причин, по которым может потребоваться измерение очень низких значений сопротивления.Обмотки трансформатора, катушки индуктивности кроссовера громкоговорителей (при условии, что вас действительно интересуют пассивные кроссоверы) или, возможно, вам нужно иметь возможность измерять токовые шунты.

    Для очень низких значений сопротивления у вас есть два варианта: либо использовать очень чувствительный вольтметр, либо использовать большой ток измерения. Оба метода имеют недостатки. Высокая чувствительность затруднена для усилителей постоянного тока из-за дрейфа. Изменения температуры вызывают изменение напряжения и тока смещения операционного усилителя, что влияет на показания.Хотя существуют методы (почти) устранения дрейфа, они выходят за рамки этой статьи.

    Высокий измерительный ток может привести к нагреву тестируемого устройства (ИУ), что может (будет) влиять на сопротивление. Некоторые вещи с низким сопротивлением могут не выдержать даже такого тока, который вам может понадобиться для их измерения. Как правило, максимальный ток около 1 А позволяет проводить измерения с малым сопротивлением без особого риска, но, естественно, источник тока можно сделать переменным, с переключаемыми диапазонами для обеспечения широкого диапазона измерения.

    При токе измерения 1 А вы получите измеритель, который может измерять полную шкалу 0,2 Ом, поэтому можно измерять очень низкие сопротивления. Излишне говорить, что работа от батареи не рекомендуется, если вы хотите сделать измеритель сопротивления, который будет обеспечивать 1 А или более (хотя можно использовать элементы Li-Po).


    Рис. 13. Многодиапазонный низкочастотный омметр

    Использование 4 клемм необходимо для очень низких сопротивлений. Два провода передают ток к тестируемому устройству, а затем два измерительных провода подсоединяются как можно ближе к самому устройству с длиной провода компонента, равной той, которая будет использоваться при установке компонента.Этот метод позволяет избежать ошибок, вызванных сопротивлением выводов и соединений. Несмотря на то, что можно обнулить сопротивление выводов, сопротивление соединения имеет тенденцию изменяться и может приводить к существенным ошибкам измерения. Этот метод очень распространен для этого типа инструмента. R1 используется для предотвращения возможного повреждения DPM, если он подвергается воздействию перенапряжения.


    Рис. 14. Регулируемый источник тока

    Регулируемый источник тока требует точной калибровки и будет настолько хорош, насколько позволит ваша конструкция и выбор компонентов.Температурный дрейф всегда является проблемой для прецизионных схем, подобных этой, но показанная схема будет достаточно точной в пределах нормального диапазона температур окружающей среды. Резисторы установки тока (подключенные к SW1b) должны быть максимально точными.

    Наибольшую сложность представляет переключатель, используемый для выбора текущих диапазонов. Даже минимальное сопротивление вызовет большие ошибки. При переключении резистора и точки измерения (инвертирующий вход операционного усилителя) ошибка минимизируется, поскольку сопротивление переключателя не является частью измерительной цепи.R3 включен, чтобы гарантировать, что текущий источник отключается, когда вы меняете диапазоны.

    VR1 отрегулирован так, чтобы между положительным входом операционного усилителя и источником питания 5 В было ровно 1 В. Когда точно такое же напряжение (1 В) возникает на любом из токозадающих резисторов, ток через него должен соответствовать указанному. Небольшая погрешность возникает из-за того, что к сумме добавляется базовый ток транзистора Q1, но она должна составлять менее 0,1%. Источник питания 5 В должен быть хорошо отрегулирован и рассчитан как минимум на 1.5А без заметного изменения напряжения. Если диапазон 0,2 Ом не нужен, вы можете не использовать резистор 1 Ом и соответствующим образом упростить переключение. Затем Q2 можно заменить на BD140.

    Хотя стабилитрон не является самым идеальным эталоном напряжения, его легко достать. Доступны прецизионные диоды опорного напряжения, но они относительно дороги и поставляются только несколькими крупными поставщиками деталей. Стабилитрон преднамеренно работает при относительно высоком токе (около 100 мА), так что он достаточно сильно нагревается.Это помогает стабилизировать его при колебаниях температуры окружающей среды, поэтому цепи потребуется несколько минут, чтобы успокоиться после подачи питания.

    Эту схему также можно использовать в качестве автономного низкоомного адаптера. Очевидно, что ему нужны источники питания, но вы можете использовать свой мультиметр для измерения напряжения на тестируемом устройстве. Сопротивление считывается как напряжение (так же, как ваш измеритель делает это внутри) с соответствующим преобразованием, основанным на настройке источника тока.

    Вторую часть цепи измерителя низкого сопротивления можно использовать в сочетании с аналоговым механизмом, если вы предпочитаете.Вам нужно будет применить свой собственный множитель к шкале и добавить любое необходимое дополнительное сопротивление для калибровки, но это будет работать так же хорошо. Вам придется сделать свою собственную шкалу — см. вывод ниже.


    Выводы

    Описанные здесь измерительные системы следует рассматривать как рекомендации, а не как самостоятельные схемы. Следуя показанной информации, вы сможете создать счетчик практически для любого измерения, для которого можно использовать счетчики.Если необходимы измерения переменного тока, то я предлагаю вам посмотреть различные схемы счетчиков на страницах проектов.

    Хотя это может показаться маловероятным, в этой статье описаны только основы. Измерение широко используется во многих различных приложениях, и в короткой статье невозможно охватить все возможности. Мы надеемся, что эта информация окажется полезной для всех, кто задавался вопросом, как именно добавить счетчик в свой последний проект источника питания, или у кого есть реальная потребность в измерении малых сопротивлений.

    Следует отметить, что для измерения переменного напряжения или тока настоятельно рекомендуется использовать ИС преобразователя истинного среднеквадратичного значения. Измерения переменного тока со среднеквадратичным значением , а не вводят в заблуждение и вызывают ошибки в расчетах. Это добавляет еще один уровень сложности, но стоит каждого цента. Подходящие примеры показаны в Проекте 140, и, хотя они являются довольно дорогими ИС, дополнительные затраты вполне оправданы. ИМО, любое напряжение или ток переменного тока, которые не соответствуют истинным среднеквадратичным значениям, в значительной степени бесполезны.

    И последний момент — весы. Часто бывает трудно (или невозможно) получить измерительную шкалу, откалиброванную с нужными вам единицами измерения. Разрешение современных принтеров более чем приемлемо, чтобы позволить вам создать собственную шкалу, которую затем можно распечатать. Бумага для струйной фотопечати дает превосходную отделку, и после того, как вы обрежете шкалу по размеру, ее можно прикрепить поверх существующей шкалы с помощью аэрозольного клея. Убедитесь, что для указателя достаточно места, и избегайте «усов» бумаги, которые могут привести к залипанию указателя.Во время демонтажа счетчика следите за тем, чтобы никакие магнитные материалы (железные опилки и т. д.) не попали в зазор, так как они могут привести к залипанию счетчика, и их будет очень сложно удалить (личный опыт).


    Каталожные номера
    1. Шунты и мультипликаторы — Jaycar Electronics
    2. Измерители с подвижной катушкой — HyperPhysics
    3. Allegro Microsystems ACS770LCB-050B Лист данных


    Основной индекс Указатель статей
    Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2006 г. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

    Журнал изменений: Страница создана и защищена авторским правом © 03 мая 2006 г. / август 2020 г. — добавлены сведения о мониторах тока ИС. / февраль 2021 г. — добавлена ​​информация о переключаемом аттенюаторе. / март 2021 г. — добавлена ​​информация об использовании LM4040 с измерителем с расширенной шкалой.


    Электрический шунт

    Гальванометр является очень чувствительным прибором. Поток огромного тока может сжечь гальванометр или сместить его пружину. Для экономии гальванометра к нему подключен параллельный резистор небольшого номинала, который создает другой выход из протекающего тока.Параллельно включенный резистор называется шунтом. Суммарный ток делится на два пути. Максимальный ток протекает через шунтирующий резистор из-за низкого сопротивления и малого тока. Таким образом, шунт предохраняет гальванометр от повреждения.

    Параллельное соединение резистора малого номинала через гальванометр, предохраняющее гальванометр от повреждения при протекании большого тока, называется шунтом.

    Соотношение между током гальванометра и током шунта с полным током

    Рисунок: Шунт гальванометра

    Предположим, сопротивление гальванометра G.Шунтирующий резистор S подключен параллельно гальванометру в точках А и В. Суммарный ток I проходит через точку А и делится на два пути I g через гальванометр и I s токовый шунтирующий резистор.

    Суммарный ток, I = I г + I с

    Потенциалы точек A и B равны V A и V B .

    По закону Ома для гальванометра, В А – В В = I г Г

    Для шунта, В А – В В = I с С

    Из двух приведенных выше уравнений I s S = I г G

    или I s / I g = G/S

    Прибавляя по 1 с обеих сторон получаем,

    Если мы умножим ток гальванометра на (G+S)/S, то получим общий ток.Таким образом, (G+S)/S называется шунтирующим фактором.

    Если параллельно к гальванометру подключен шунт и умножение коэффициента тока гальванометра на общий ток называется коэффициентом шунта.

    Расширение диапазона амперметра

    Шунт амперметра

    Устройство, измеряющее силу тока в амперах, называется амперметром.

    Сопротивление амперметра очень низкое. Для измерения тока амперметр включается последовательно. Диапазон амперметра — это возможность измерения тока.Слаботочный измерительный амперметр может быть модернизирован до сильноточного измерительного амперметра. Это означает, что амперметр низкого диапазона можно преобразовать в амперметр высокого диапазона. Для этого параллельно к амперметру в виде шунта подключается малое сопротивление. Низкое сопротивление используется потому, что максимальный ток проходит через шунтирующее сопротивление. Таким образом, с помощью шунтирующего сопротивления можно измерить n-кратный избыточный ток.

    Предположим, что внутреннее сопротивление амперметра равно r, он может проводить максимальный ток I. Для измерения тока nI от амперметра параллельно подключается резистор S.

    Рисунок: Шунт амперметра

     

     

     

     

     

     

    Здесь G = r

    I = nI

    или nS = r + S

    Или (n-1) S = r

     

     

     

    Для измерения n-кратного дополнительного тока сопротивление r/ (n-1) может быть подключено параллельно.

    Пример: Внутреннее сопротивление амперметра 1.8 Ом . Он может измерять ток 1А. Как подключить шунт для измерения тока 10А?

    Ответ:

    Дано,

    Внутреннее сопротивление амперметра, r = 1,8 Ом

    n = I′/I=10/1 = 10

    Мы знаем,

     

     

     

    Шунтовое сопротивление 0,2 Ом должно быть подключено параллельно амперметру.

    Расширение диапазона вольтметра

    Шунт вольтметра

    Устройство, которое может измерять напряжение в двух точках любой цепи в единицах вольт, называется вольтметром.

    Для измерения напряжения любых двух точек параллельно ей должен быть подключен вольтметр. Обычно внутреннее сопротивление вольтметра больше внутреннего сопротивления амперметра.

    Возможность измерения максимального напряжения для вольтметра называется диапазоном вольтметра. Вольтметр низкого диапазона можно легко расширить до вольтметра высокого диапазона. Другими словами, вольтметр для измерения низкого диапазона напряжения может быть способен измерять напряжение высокого диапазона. Напряжение измерения емкости любого вольтметра может быть увеличено в n раз по сравнению с его нормальным диапазоном.

    Для этого последовательно с вольтметром следует подключить высокое сопротивление, которое называется умножителем.

    Рисунок: Шунт вольтметра

    Лет,

    Внутреннее сопротивление вольтметра р,

    Он может принять I г ток через него

    и может измерять максимальное напряжение V.

     

     

     

     

    Для измерения нВ количество напряжения R количество сопротивление следует подключить последовательно с вольтметром.

     

     

     

     

     

     

     

     

    Итак, R = (n-1) × внутреннее сопротивление вольтметра

    Из этого уравнения видно, что для измерения напряжения, умноженного на n (n-1), необходимо последовательно подключить к нему значение внутреннего сопротивления вольтметра.

    Пример: Вольтметр может измерять максимум 15 В, а его внутреннее сопротивление 1000 Ом .Какой шаг нужно предпринять для измерения 150В от вольтметра?

    Ответ:

    Здесь,

    Внутреннее сопротивление вольтметра, r = 1000 Ом

    Максимальная мощность измерения напряжения вольтметра, В = 15В

    Расчетная мощность измерения напряжения вольтметром, В = 150В

    Последовательное соединение основных сопротивлений, R = ?

    Но n = V / V = ​​150/15 = 10

    Мы знаем,

    R = (n-1) × r

    = (10 – 1) × 1000

    R = 9000 Ом

    Для измерения напряжения 150В 9000Ом следует подключить последовательно с вольтметром.

    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.