Конструкция вольтметра

Устройство вольтметра СССР (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Конструкция вольтметра

Электрические цепи постоянного тока


Вопрос 1

Предположим, я собирался измерить неизвестное напряжение с помощью вольтметра с ручным диапазоном. Этот конкретный вольтметр имеет несколько различных диапазонов измерения напряжения:

500 вольт
250 вольт
100 вольт
50 вольт
25 вольт
10 вольт
5 вольт

С каким диапазоном лучше всего начинать, когда сначала измеряем это неизвестное напряжение с помощью счетчика «# 1»> «Показать ответ» Скрыть ответ

Начните с установки вольтметра на максимальный диапазон: 500 вольт. Затем проверьте, что стрелка перемещения регистрирует что-либо с помощью счетчиков, подключенных к цепи. Решите изменить диапазон измерителя на основе этого первого указания.

Заметки:

Мне всегда нравится, когда мои ученики начинают знакомство с тестовым оборудованием, используя старомодные аналоговые мультиметры. Только после того, как они научились хорошо разбираться в недорогом измерителе, я разрешаю им использовать в своей работе что-нибудь лучшее (цифровое, автоматическое). Это заставляет учащихся ценить то, что делает для них «фантастический» счетчик, а также научить их основным принципам измерения инструмента и точности измерений.

вопрос 2

Что произойдет с этим движением счетчика, если он подключен непосредственно к 6-вольтовой батарее?

Показать ответ

Произошли две вещи: во-первых, движение, скорее всего, будет повреждено из-за чрезмерного тока. Во-вторых, игла двигалась бы влево, а не вправо (как это обычно должно быть), потому что полярность назад.

Заметки:

Когда электромеханическое движение счетчика подавляется, заставляя иглу «захлопнуться» полностью до одного крайнего конца движения, ее обычно называют «привязкой» счетчика. Я видел движения метров, которые были «привязаны» настолько плохо, что иглы согнуты от удара!

Основываясь на знаниях ваших студентов о дизайне движения счетчиков, попросите их рассказать вам, что, по их мнению, может быть повреждено при сильном инциденте с избыточной властью, таком как это. Скажите им, чтобы они были конкретными в своих ответах.

Вопрос 3

Важным шагом в построении любого аналогового вольтметра или амперметра является точное определение сопротивления катушки движения счетчика. В электрической метрологии часто бывает проще получить предельно точные («стандартные») значения сопротивления, чем для получения одинаково точных измерений напряжения или тока. Один метод, который может быть использован для определения сопротивления катушки движения счетчика без необходимости точного измерения напряжения или тока, заключается в следующем.

Во-первых, подключите десятичное поле типа переменного сопротивления последовательно с регулируемым источником питания постоянного тока, а затем к измеренному счетчику. Отрегулируйте сопротивление коробки десятилетия так, чтобы движение измерителя перемещалось в точную точку на его шкале, предпочтительно на полномасштабную (100%) отметку. Запишите настройку сопротивления коробки десятилетия как R 1 :

Затем подключите известное сопротивление параллельно клеммам счетчика движения. Это сопротивление будет известно как R s, сопротивление шунта . Когда вы это сделаете, отклонение движения счетчика уменьшится. Заново отрегулируйте сопротивление коробки десятилетия, пока отклонение движения счетчика не вернется к прежнему месту. Запишите настройку сопротивления коробки десятичного значения как R 2 :

Сопротивление катушки счетчика (катушка R) может быть рассчитана по следующей формуле:

R coil = R s


R 2

(R 1 -R 2 )

Ваша задача - показать, откуда взялась эта формула, вывести ее из Закона Ома и любых других уравнений, которые вы можете знать для анализа схемы.

Подсказка: в обоих случаях (десятичная коробка установлена ​​на R 1 и установлена ​​на R 2 ), напряжение на сопротивлении катушки измерительного механизма одинаково, ток через движение счетчика одинаков, а напряжение питания одинаковое.

Показать ответ

Одно место для начала - это уравнение делителя напряжения, V R = V T ((R / (R T ))), применяемое к каждому сценарию схемы:

V метр = R катушка


R 1 + R катушка

V метр = R катушка || R s


R 2 + (R- катушка || R s )

Поскольку мы знаем, что напряжение счетчика одинаково в двух сценариях, мы можем установить эти уравнения равными друг другу:

R катушка


R 1 + R катушка

знак равно R катушка || R s


R 2 + (R- катушка || R s )

Примечание: двойные бары в приведенном выше уравнении представляют собой параллельный эквивалент R- катушки и R s, для которых вы будете иметь замену соответствующего математического выражения.

Заметки:

Эта проблема - не что иное, как упражнение в алгебре, хотя она также служит для демонстрации того, как точность электрических измерений может быть достигнута с использованием стандартных резисторов, а не точных вольтметров или амперметров.

Вопрос 4

Не просто сидеть там! Постройте что-нибудь !!

Обучение математическому анализу схем требует большого изучения и практики. Как правило, студенты практикуют, работая над множеством пробных проблем и проверяя их ответы на ответы, полученные от учебника или инструктора. Хотя это хорошо, есть намного лучший способ.

Вы узнаете гораздо больше, фактически создавая и анализируя реальные схемы, позволяя вашему тестовому оборудованию предоставлять «ответы» вместо книги или другого человека. Для успешных упражнений для построения схем выполните следующие действия:

  1. Тщательно измерьте и запишите все значения компонентов до построения схемы.
  2. Нарисуйте схему схемы, подлежащей анализу.
  3. Осторожно постройте эту схему на макете или другом удобном носителе.
  4. Проверьте правильность конструкции схемы, следуя каждому проводу каждой точке подключения и проверив эти элементы по одному на диаграмме.
  5. Математически проанализировать схему, решить для всех значений напряжения, тока и т. Д.
  6. Тщательно измерьте эти количества, чтобы проверить точность анализа.
  7. Если есть существенные ошибки (более нескольких процентов), тщательно проверьте конструкцию вашей схемы на диаграмме, затем тщательно пересчитайте значения и заново измерьте.

Избегайте очень высоких и очень низких значений резисторов, чтобы избежать ошибок измерения, вызванных «загрузкой» счетчика. Я рекомендую резисторы между 1 кОм и 100 кОм, если, конечно, цель схемы не иллюстрирует эффекты загрузки счетчика!

Один из способов экономии времени и снижения вероятности ошибки - начать с очень простой схемы и постепенно добавлять компоненты, чтобы повысить ее сложность после каждого анализа, а не создавать целую новую схему для каждой проблемы с практикой. Другой способ экономии времени - повторное использование тех же компонентов в различных конфигурациях схем. Таким образом, вам не придется измерять значение какого-либо компонента более одного раза.

Показать ответ

Пусть сами электроны дают вам ответы на свои «практические проблемы»!

Заметки:

По моему опыту, студенты требуют много практики, чтобы провести анализ схем, чтобы стать опытным. С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических проблем для работы и дают ответы студентам, чтобы проверить их работу. Несмотря на то, что этот подход позволяет студентам хорошо разбираться в теории схем, он не может полностью обучить их.

Студентам нужна не только математическая практика. Они также нуждаются в реальных практических схемах построения практики и использовании испытательного оборудования. Поэтому я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны создавать свои «практические проблемы» с реальными компонентами и пытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока. Таким образом, математическая теория «оживает», и ученики получают практическое знание, которое они не получат, просто путем решения уравнений.

Еще одна причина следовать этому методу практики - научить студентов научным методам : процесс проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также будут разрабатывать реальные навыки устранения неполадок, поскольку они иногда вызывают ошибки построения схемы.

Проведите несколько минут с вашим классом, чтобы просмотреть некоторые «правила» для построения схем до их начала. Обсудите эти проблемы со своими учениками в том же сократическом ключе, что обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, а не просто рассказываете им, что им нужно и чего не следует делать. Я никогда не перестаю удивляться тому, как плохо учащиеся понимают инструкции, когда они представлены в типичном формате лекции (инструктор-монолог)!

Обратите внимание на тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, требуя, чтобы учащиеся строили реальные схемы вместо того, чтобы просто математически анализировать теоретические схемы:

Какова цель студентов, которые берут ваш курс «панель панелей панелей панелей по умолчанию»,

Вопрос 5

Что такое гальванометр ? Как вы можете создать свой собственный гальванометр из общедоступных компонентов?

Показать ответ

Существует несколько источников информации о гальванометрах, как исторических, так и современных. Я оставляю это вам, чтобы провести исследование и представить ваши результаты.

Заметки:

Можно сделать неочищенный гальванометр из большого звукового динамика, используя речевой катушки / конуса в качестве движущегося элемента. Используя небольшой лазер и зеркало, для большей чувствительности должно быть легко построить гальванометр с лучом света. Это может быть забавный и образовательный классный эксперимент!

Вопрос 6

Опишите конструкцию и функцию движения счетчика стиля PMMC .

Показать ответ

«PMMC» - это аббревиатура, обозначающая «Permanent Magnet, Moving Coil». По сути, движение счетчика PMMC построено как небольшой электродвигатель постоянного тока с ограниченным диапазоном движения.

Заметки:

Многие учебники дают хорошие иллюстрации движений счетчика PMMC. Ваши ученики могут найти электронные изображения движений PMMC в Интернете. Если возможно, у вас есть видеопроектор в классе для проецирования изображений, подобных этому, которые загружают ваши ученики.

Вопрос 7

Мы знаем, что подключение чувствительного движения счетчика непосредственно через клеммы значительного источника напряжения (например, аккумулятора) является плохим. Поэтому я хочу, чтобы вы определили, какие другие компоненты должны быть подключены к движению счетчика, чтобы ограничить ток через его катушку, так что подключение схемы к 6-вольтовой батарее приводит к тому, что игла измерителя перемещается точно в полноразмерную, шкала:

Показать ответ

Заметки:

Начальные ученики иногда чувствуют себя «потерянными» при попытке ответить на такой вопрос. Они могут знать, как применять Закон Ома к цепи, но они не знают, как разработать схему, которая использует Закон Ома для определенной цели. Если это так, вы можете направить свое понимание с помощью ряда вопросов, таких как:

Почему движение счетчика «привязывает», если оно напрямую связано с батареей »// www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-7/what-is-a-series-parallel-circuit/">series или parallel )? (Нарисуйте обе конфигурации и дайте студенту определить для себя, какая схема соединения выполняет цель ограничения тока на счетчик.)

Математика достаточно проста в этом вопросе, чтобы разрешить решение без использования калькулятора. Когда это возможно, я бросаю вызов ученикам во время обсуждения, чтобы выполнить любую необходимую арифметику «умственно» (т.е. без использования калькулятора), даже если бы только оценить ответ. Я нахожу, что многие выпускники американских средних школ не могут сделать даже очень простую арифметику без калькулятора, и эта нехватка навыков вызывает у них немало проблем. Мало того, что эти студенты беспомощны без калькулятора, но им не хватает умения мысленно проверять полученные на основе калькулятора ответы, поэтому, когда они используют калькулятор, они не имеют представления о том, является ли их ответ даже близким к правильному.

Вопрос 8

Вычислите необходимое значение сопротивления и номинальную мощность для диапазона R, чтобы заставить измерительное устройство реагировать как вольтметр с диапазоном от 0 до 100 вольт:

Показать ответ

R диапазон = 99, 35 кОм (1/8) Вт.

Заметки:

На самом деле это не что иное, как простая проблема с цельной серией, хотя контекст ее вольтметра, похоже, путает некоторых учеников. Если вы обнаружите, что большой процент вашего класса не понимает, с чего начать в такой проблеме, это означает, что они действительно не понимают последовательные схемы - все, чему они научились при изучении последовательных схем резисторов, прежде чем следовать простой последовательности шаги для поиска напряжений и токов в последовательных схемах резисторов. Они недостаточно изучили концепции, чтобы абстрагироваться от чего-то, что выглядит немного иначе.

Вопрос 9

Вычислите необходимое значение сопротивления и номинальную мощность для диапазона R, чтобы заставить измерительное устройство реагировать как вольтметр с диапазоном от 0 до 50 вольт:

Показать ответ

R диапазон = 830, 83 кОм (1/8) Вт.

Заметки:

На самом деле это не что иное, как простая проблема с цельной серией, хотя контекст ее вольтметра, похоже, путает некоторых учеников. Если вы обнаружите, что большой процент вашего класса не понимает, с чего начать в такой проблеме, это означает, что они действительно не понимают последовательные схемы - все, чему они научились при изучении последовательных схем резисторов, прежде чем следовать простой последовательности шаги для поиска напряжений и токов в последовательных схемах резисторов. Они недостаточно изучили концепции, чтобы абстрагироваться от чего-то, что выглядит немного иначе.

Вопрос 10

Вычислите необходимые значения сопротивления, чтобы дать этому многодиапазонному вольтметру диапазоны, указанные позициями переключателя:

Показать ответ

R 1 = 39 k Ω
R 2 = 199 k Ω
R 3 = 499 k Ω
R 4 = 999 k Ω
R 5 = 1, 999 M Ω

Заметки:

На самом деле это не что иное, как набор простых проблем серии, хотя контекст его вольтметра, похоже, путает некоторых учеников. Если вы обнаружите, что большой процент вашего класса не понимает, с чего начать в такой проблеме, это означает, что они действительно не понимают последовательные схемы - все, чему они научились при изучении последовательных схем резисторов, прежде чем следовать простой последовательности шаги для поиска напряжений и токов в последовательных схемах резисторов. Они недостаточно изучили концепции, чтобы абстрагироваться от чего-то, что выглядит немного иначе.

Вопрос 11

Вычислите необходимые значения сопротивления, чтобы дать этому многодиапазонному вольтметру диапазоны, указанные позициями переключателя:

Показать ответ

R 1 = 99 k Ω
R 2 = 300 k Ω
R 3 = 600 кОм
R 4 = 1 M Ω
R 5 = 3 M Ω

Подсказка: если вам нужна помощь при запуске этой проблемы, начните с вычисления значения R 1 .

Заметки:

На самом деле это не что иное, как набор простых проблем серии, хотя контекст его вольтметра, похоже, путает некоторых учеников. Если вы обнаружите, что большой процент вашего класса не понимает, с чего начать в такой проблеме, это означает, что они действительно не понимают последовательные схемы - все, чему они научились при изучении последовательных схем резисторов, прежде чем следовать простой последовательности шаги для поиска напряжений и токов в последовательных схемах резисторов. Они недостаточно изучили концепции, чтобы абстрагироваться от чего-то, что выглядит немного иначе.

Вы должны указать своим ученикам, как расположение серии резисторов диапазона позволяет использовать более общие значения сопротивления, а не иметь отдельный резистор диапазона для каждого диапазона. Однако в этом дизайне есть недостаток: надежность. Обсудите с вашими учениками последствия «открытых» резисторов в обоих типах вольтметров.

Вопрос 12

В идеале, если вольтметр имеет очень низкое входное сопротивление или очень высокое входное сопротивление «# 12»> Показать ответ Скрыть ответ

В идеале вольтметр должен иметь наибольшее количество входного сопротивления. Это важно при использовании для измерения источников напряжения и падения напряжения в цепях, содержащих большое количество сопротивления.

Заметки:

Ответ на этот вопрос связан с очень важным принципом загрузки счетчика . Техники, особенно, должны быть очень осведомлены о загрузке счетчика и о том, как могут возникнуть ошибочные измерения. Ответ также связан с тем, как вольтметры подключены к тестируемым цепям: всегда параллельно!

Вопрос 13

Объясните, что означает уровень чувствительности аналогового вольтметра на омах на вольт . Многие аналоговые вольтметры имеют чувствительность 20 кОм на вольт. Лучше ли для вольтметра иметь высокий уровень шума на вольт или низкий уровень шума на вольт? Зачем?

Показать ответ

Значение чувствительности вольтметра «Ом-в-вольт» представляет собой выражение количества Ом входного сопротивления, которое имеет измеритель, для диапазона измерения напряжения. Чем выше этот показатель, тем лучше вольтметр.

Заметки:

Если у студентов есть аналоговые вольтметры в их распоряжении (что я их очень поощряю), рейтинг чувствительности к ом на вольт часто встречается в углу шкалы измерителя в мелкой печати. Если нет, рейтинг должен быть указан в руководстве пользователя, которое прилагается к счетчику.

Вопрос 14

В принципе, какой единственный фактор в конструкции вольтметра устанавливает его чувствительность к омам на вольт?

Показать ответ

Если ваш ответ «значение резистора (-ов) серии», вы ошибаетесь.

Заметки:

Немедленное впечатление студентов заключается в том, что значение резистора диапазона должно устанавливать рейтинг чувствительности, потому что они видят, что резистор оказывает наибольшее влияние на входное сопротивление. Однако некоторые быстрые вычисления с разными значениями резисторов диапазона подтверждают обратное! Чувствительность измерителя не зависит от каких-либо значений резистора диапазона.

Возможно, вы захотите спросить своих студентов, почему сопротивление катушки счетчика не является фактором, определяющим чувствительность вольтметра. Бросьте вызов своим ученикам с заданием проблем с образцами, чтобы доказать несоответствие сопротивления катушки чувствительности вольтметра. Позвольте им понять, как настроить проблемы, а не создавать проблемы для них!

Вопрос 15

Определите различные значения диапазона этого многодиапазонного вольтметра:

Все компоненты на печатной плате являются «поверхностными», паяными на верхние поверхности медных дорожек. Схема с переключателем (SW1) показана непосредственно справа от печатной платы с показаниями резисторов, показанных ниже монтажной платы.

Показать ответ

Диапазоны = 10 В, 25 В и 50 В.

Заметки:

Определение диапазонов напряжений для этого вольтметра - это просто упражнение в законе Ома. Арифметика достаточно проста, чтобы разрешить решение без использования калькуляторов, поэтому бросайте вызов своим ученикам во время обсуждения, чтобы работать по математике «старомодным способом».

Вопрос 16

Что делать, если этот вольтметр внезапно перестает работать, когда он установлен в среднем диапазоне. Однако верхний и нижний диапазоны все еще функционируют нормально. Определите наиболее вероятный источник проблемы.

Показать ответ

Средний контакт в переключателе SW2 открыт. Это, несмотря на то, что это самый вероятный сбой, не единственный возможный сбой, который может вызвать эту проблему (средний диапазон не работает)!

Задайте вопрос: объясните, как вы можете проверить характер неисправности, не используя другой счетчик.

Заметки:

Мозговой штурм и другие альтернативные возможности для решения проблемы, а также диагностические процедуры для проверки каждого из них (при необходимости используйте другой счетчик). Затем обсудите со своими учениками причину, по которой отказ коммутатора более вероятен, чем любая другая ошибка.

Вопрос 17

Предположим, вы попытались измерить напряжение в контрольной точке 2 (TP2) с помощью цифрового вольтметра с входным сопротивлением 10 МОм. Сколько напряжения будет указано «// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01795x01.png">

Показать ответ

В идеале, конечно, эта цепь делителя напряжения должна показывать 7, 5 вольт в контрольной точке 2. Вольтметр, однако, регистрирует только 6, 76 вольт.

Последующий вопрос: вольтметр регистрируется неточно или является его подключением к схеме, фактически изменяющей V TP2 ? Другими словами, каково фактическое напряжение на TP2 с подключенным вольтметром, как показано?

Заметки:

Аналогия, которую я часто использую для объяснения загрузки счетчика, - это использование манометра для измерения давления воздуха в пневматической шине. Чтобы измерить давление, часть воздуха должна быть выпущена из шины, что, конечно же, изменяет давление воздуха в шинах.

И в случае, если вам интересно: нет, это не пример принципа неопределенности Гейзенберга, который неправильно понимается как ошибка, введенная измерением. Принцип неопределенности гораздо более глубокий, чем это!

Вопрос 18

Предположим, вы попытались измерить напряжение во всех трех контрольных точках с аналоговым вольтметром, имеющим чувствительность 20 кОм на вольт, установленную на 10-вольтовой шкале. Сколько напряжения будет указывать на каждой контрольной точке? Сколько напряжения должно идеально указывать на каждой контрольной точке?


Контрольная точкаИдеальное напряжениеИндикация индикатора


ТР1


ТР2


ТР3


Показать ответ


Контрольная точкаИдеальное напряжениеИндикация индикатора


ТР15 В5 В


ТР24, 138 В0, 805 В


ТР31, 273 В0, 197 В


Заметки:

Аналогия, которую я часто использую для объяснения загрузки счетчика, - это использование манометра для измерения давления воздуха в пневматической шине. Чтобы измерить давление, часть воздуха должна быть выпущена из шины, что, конечно же, изменяет давление воздуха в шинах.

И в случае, если вам интересно: нет, это не пример принципа неопределенности Гейзенберга, который неправильно понимается как ошибка, введенная измерением. Принцип неопределенности гораздо более глубокий, чем это!

  • ← Предыдущая работа

  • Индекс рабочих листов

  • Следующая рабочая таблица →