Voltmeter Design

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

$config[ads_text] not found
Anonim

Voltmeter Design

DC elektriske kretser


Spørsmål 1

Anta at jeg var i ferd med å måle en ukjent spenning med en manuell rekkevidde voltmeter. Denne spesielle voltmeter har flere forskjellige spenningsmålinger for å velge mellom:

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

Hvilken rekkevidde vil være best til å begynne med, når du først måler denne ukjente spenningen med måleren "# 1"> Gi svar svar Skjul svar

Begynn med å sette voltmeteret til sitt høyeste område: 500 volt. Deretter skal du se om bevegelsesnålen registrerer noe med målerledningene koblet til kretsen. Bestem å endre målerens rekkevidde basert på denne første indikasjonen.

Merknader:

Jeg liker alltid å få studentene mine til å begynne å bli kjent med testutstyret ved å bruke gammeldags analoge multimetre. Først etter at de har lært å være dyktige med en billig meter, tillater jeg at de bruker noe bedre (digitalt, automatisk) i sitt arbeid. Dette tvinger elevene til å sette pris på hva en "fancy" måler gjør for dem, samt å lære dem grunnleggende prinsipper for instrumentering og målepresisjon.

Spørsmål 2

Hva skjer med denne målerbevegelsen, hvis den er koblet direkte til et 6 volts batteri?

Avslør svar Skjul svar

To ting vil skje: For det første vil bevegelsen mest sannsynlig bli skadet fra for mye strøm. For det andre vil nålen bevege seg til venstre i stedet for høyre (som det normalt burde), fordi polariteten er bakover.

Merknader:

Når en elektromekanisk målerbevegelse overstyres, og forårsaker at nålen "slam" helt til en ekstreme bevegelsesendring, kalles den ofte som "pegging" måleren. Jeg har sett meterbevegelser som har blitt "festet" så ille at nålene er bøyd fra å treffe stoppet!

Basert på studentens kunnskap om målerbevegelsesdesign, be dem om å fortelle deg hva de tror kan bli skadet i en alvorlig overkrafthendelse som dette. Fortell dem om å være spesifikke i deres svar.

Spørsmål 3

Et viktig skritt i å bygge en hvilken som helst analog voltmeter eller ammeter er å nøyaktig bestemme spolenes motstand for målerbevegelsen. I elektrisk metrologi er det ofte lettere å oppnå ekstremt nøyaktige ("standard") motstandsverdier enn det er å oppnå like presise spenning eller nåværende målinger. En teknikk som kan brukes til å bestemme spolebestandigheten til en målerbevegelse uten å måle spenningen eller strømmen nøyaktig, er som følger.

Forbind først en tiårs boks type variabel motstand i serie med en regulert DC strømforsyning, og deretter til målerbevegelsen som skal testes. Juster tiårboksens motstand slik at målerbevegelsen beveger seg til et presist punkt på skalaen, helst fullskala (100%) markeringen. Legg inn tiårs boksens motstandsinnstilling som R 1 :

Koble deretter en kjent motstand parallelt med målerbevegelsens klemmer. Denne motstanden vil bli kjent som R s, shuntmotstanden . Mønsterbevegelsens avbøyning vil reduseres når du gjør dette. Juster tiårkassens motstand til målebevegelsesbøyningen går tilbake til sin tidligere plassering. Legg inn tiårs boksens motstandsinnstilling som R 2 :

Målerbevegelsens spolebestandighet (R- spole ) kan beregnes ved å følge denne formelen:

R- spole = R s


R 2

(R1 - R2)

Din oppgave er å vise hvor denne formelen kommer fra, avlede den fra Ohms lov og hva som helst andre likninger du kan være kjent med for kretsanalyse.

Hint: I begge tilfeller (tiårs boks satt til R 1 og satt til R 2 ) er spenningen over målerbevegelsens spolebestandighet den samme, strømmen gjennom målerbevegelsen er den samme og strømforsyningsspenningen er den samme.

Avslør svar Skjul svar

Et sted å starte fra er spenningsdelerligningen, V R = V T ((R / (R T ))) anvendt på hvert kretsscenario:

V meter = R spole


R 1 + R spole

V meter = R spole || R s


R 2 + (R- spole || R s )

Siden vi vet at målerens spenning er den samme i de to scenariene, kan vi sette disse ligningene lik til hverandre:

R spole


R 1 + R spole

= R spole || R s


R 2 + (R- spole || R s )

Merk: Dobbeltsjiktene i ovennevnte ligning representerer parallellkvivalenten til R- spolen og Rs, for hvilken du vil få erstatningen til riktig matematisk uttrykk.

Merknader:

Dette problemet er egentlig ikke noe mer enn en øvelse i algebra, selv om den også viser hvordan presisjonsmålinger kan oppnås ved å bruke standardmotstander i stedet for nøyaktige voltmetre eller ammetere.

Spørsmål 4

Ikke bare sitte der! Bygg noe!

Lære å matematisk analysere kretser krever mye studier og praksis. Vanligvis praktiserer elevene seg ved å arbeide gjennom mange prøveproblemer og sjekke svarene deres mot de som er gitt av læreboken eller instruktøren. Mens dette er bra, er det en mye bedre måte.

Du vil lære mye mer ved å faktisk bygge og analysere ekte kretser, og la testutstyret gi svarene i stedet for en bok eller en annen person. Følg disse trinnene for vellykkede opplæringsøvelser:

  1. Mål og registrer nøye alle komponentverdier før kretskonstruksjon.
  2. Tegn skjematisk diagram for kretsen som skal analyseres.
  3. Forsiktig bygge denne kretsen på et brettbrett eller annet passende medium.
  4. Kontroller nøyaktigheten av kretsens konstruksjon, etter hver ledning til hvert tilkoblingspunkt, og verifiser disse elementene en-for-en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kretsen, løse for alle verdier av spenning, strøm, etc.
  6. Mål forsiktig disse mengdene, for å bekrefte nøyaktigheten av analysen din.
  7. Hvis det er betydelige feil (større enn noen få prosent), må du nøye sjekke kretsens konstruksjon mot diagrammet, og deretter beregne verdiene forsiktig og måle det igjen.

Unngå veldig høye og meget lave motstandsverdier, for å unngå målefeil forårsaket av meter "lasting". Jeg anbefaler motstander mellom 1 kΩ og 100 kΩ, med mindre, selvfølgelig, formålet med kretsen er å illustrere effektene av meterinnlasting!

En måte du kan spare tid på og redusere muligheten for feil, er å begynne med en veldig enkel krets og gradvis legge til komponenter for å øke kompleksiteten etter hver analyse, i stedet for å bygge en helt ny krets for hvert treningsproblem. En annen tidsbesparende teknikk er å gjenbruke de samme komponentene i en rekke forskjellige kretskonfigurasjoner. På den måten må du ikke måle noen komponents verdi mer enn en gang.

Avslør svar Skjul svar

La elektronene selv gi deg svar på dine egne "praksisproblemer"!

Merknader:

Det har vært min erfaring at studentene krever mye øvelse med kretsanalyse for å bli dyktig. Til dette formål gir lærerne vanligvis elevene sine mange praktiseringsproblemer for å jobbe gjennom, og gi svar til elevene for å kontrollere arbeidet sitt mot. Mens denne tilnærmingen gjør elevene dyktige i kretsteori, klarer det ikke å utdanne dem fullt ut.

Studentene trenger ikke bare matematisk praksis. De trenger også ekte, praktisk praksis i byggekretser og bruk av testutstyr. Så foreslår jeg følgende alternativ tilnærming: Studentene skal bygge egne "praksisproblemer" med ekte komponenter, og forsøk matematisk å forutsi ulike spennings- og nåverdier. På denne måten kommer matematisk teori "levende", og studentene får praktisk ferdighet de ikke ville få bare ved å løse likninger.

En annen grunn til å følge denne metoden er å lære studentens vitenskapelige metode : prosessen med å teste en hypotese (i dette tilfellet matematiske spådommer) ved å utføre et reelt eksperiment. Studentene skal også utvikle virkelige feilsøkingsferdigheter da de noen ganger gjør kretskonstruksjonsfeil.

Tilbring litt tid med klassen din for å gjennomgå noen av "regler" for byggekretser før de begynner. Diskuter disse problemene med elevene på samme sokratiske måte som du normalt vil diskutere regnearkspørsmålene, i stedet for å bare fortelle dem hva de burde og ikke burde gjøre. Jeg slutter aldri å bli overrasket over hvor dårlige elevene får vite instruksjoner når de presenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

Et notat til de instruktørene som kan klage på "bortkastet" tid som kreves for at elevene skal bygge virkelige kretser i stedet for bare å matematisk analysere teoretiske kretser:

Hva er formålet med elevene å ta kurset ditt? Worksheetpanel panel panel-standard "itemscope>

Spørsmål 5

Hva er et galvanometer ? Hvordan kan du bygge ditt eget galvanometer fra vanlig tilgjengelige komponenter?

Avslør svar Skjul svar

Det er flere kilder til informasjon om galvanometre, både historiske og moderne. Jeg gir deg det til å gjøre forskningen og presentere funnene dine.

Merknader:

Det er mulig å lage et rå galvanometer fra en stor lydhøyttaler, ved hjelp av talespole / kegleenhet som bevegelige element. Ved hjelp av en liten laser og et speil, bør det være enkelt å konstruere et lysstråle-galvanometer for større følsomhet. Dette kan være et morsomt og lærerikt klasseromeksperiment!

Spørsmål 6

Beskriv utformingen og funksjonen til en PMMC stilmålerbevegelse .

Avslør svar Skjul svar

"PMMC" er et akronym som står for "Permanent Magnet, Flytende Coil". I hovedsak er en PMMC-målerbevegelse bygget som en liten DC-elektrisk motor med begrenset bevegelsesområde.

Merknader:

Mange lærebøker gir gode illustrasjoner av PMMC-meterbevegelser. Elevene dine kan finne noen elektroniske bilder av PMMC-meterbevegelser på internett. Hvis det er mulig, ha en videoprojektor i klasserommet for å projisere bilder som dette som elevene laster ned.

Spørsmål 7

Vi vet at tilkobling av en sensitiv meterbevegelse rett over terminaler av en betydelig spenningskilde (for eksempel et batteri) er en dårlig ting. Så, jeg vil at du skal bestemme hvilken annen komponent (e) som skal kobles til målerbevegelsen for å begrense strømmen gjennom sin spole, slik at tilkobling av kretsen til et 6 volts batteri fører til at målerens nål beveger seg nøyaktig til full- skala stilling:

Avslør svar Skjul svar

Merknader:

Begynnende studenter føler seg ofte "tapt" når de prøver å svare på et spørsmål som dette. De kan vite hvordan man søker Ohms lov til en krets, men de vet ikke hvordan man skal designe en krets som gjør bruk av Ohms lov til et bestemt formål. Hvis dette er tilfelle, kan du lede sin forståelse gjennom en rekke spørsmål som dette:

Hvorfor måler bevegelsen "peg" hvis den er direkte koblet til batteriet "// www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-7/what-is-a-series-parallel-circuit/">series eller parallell )? (Tegn begge konfigurasjonene og la studenten bestemme seg selv hvilket tilkoblingsmønster som oppfyller målet om å begrense strømmen til måleren.)

Matematikken er enkel nok i dette spørsmålet for å tillate løsning uten bruk av en kalkulator. Når det er mulig, utfordrer jeg elevene i diskusjonstiden for å utføre alle nødvendige aritmetiske "mentalt" (dvs. uten å bruke en kalkulator), selv om bare for å estimere svaret. Jeg finner mange amerikanske high school-kandidater som ikke klarer å gjøre selv veldig enkel aritmetikk uten en kalkulator, og denne mangelen på ferdighet fører til at de ikke har noen liten mengde problemer. Ikke bare er disse studentene hjelpeløs uten kalkulator, men de mangler evnen til å kontrollere sine svar på kalkulatorens mentalt svar, så når de bruker en kalkulator, har de ingen anelse om at svaret deres er like nær å være riktig.

Spørsmål 8

Beregn den nødvendige motstandsverdien og effektverdien for R- området for å få målerbevegelsen til å reagere som et voltmeter med et område på 0 til 100 volt:

Avslør svar Skjul svar

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

Merknader:

Dette er egentlig ikke noe mer enn et enkelt serie kretsproblem, selv om sammenhengene med at det er voltmeter synes å forvirre noen studenter. Hvis du finner en stor prosentandel av klassen din ikke forstår hvor du skal begynne i et problem som dette, betyr det at de virkelig ikke forstår seriekretser - alt de lærte å gjøre når de studerer serie motstandskretser, før er å følge en enkel sekvens av trinn for å finne spenninger og strømmer i serie motstandskretser. De lærte ikke konseptene godt nok til å abstrahere til noe som ser litt annerledes ut.

Spørsmål 9

Beregn den nødvendige motstandsverdien og effektverdien for R- området for å få målerbevegelsen til å reagere som et voltmeter med et område på 0 til 50 volt:

Avslør svar Skjul svar

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

Merknader:

Dette er egentlig ikke noe mer enn et enkelt serie kretsproblem, selv om sammenhengene med at det er voltmeter synes å forvirre noen studenter. Hvis du finner en stor prosentandel av klassen din ikke forstår hvor du skal begynne i et problem som dette, betyr det at de virkelig ikke forstår seriekretser - alt de lærte å gjøre når de studerer serie motstandskretser, før er å følge en enkel sekvens av trinn for å finne spenninger og strømmer i serie motstandskretser. De lærte ikke konseptene godt nok til å abstrahere til noe som ser litt annerledes ut.

Spørsmål 10

Beregn de nødvendige motstandsverdiene for å gi denne multi-range voltmeter de områdene som er angitt av velgbryterposisjonene:

Avslør svar Skjul svar

R 1 = 39 k Ω
R2 = 199 k Ω
R 3 = 499 k Ω
R 4 = 999 k Ω
R 5 = 1, 999 M Ω

Merknader:

Dette er egentlig ikke noe mer enn et sett med enkle serie kretsproblemer, selv om konteksten ved at det er en voltmeter synes å forvirre noen studenter. Hvis du finner en stor prosentandel av klassen din ikke forstår hvor du skal begynne i et problem som dette, betyr det at de virkelig ikke forstår seriekretser - alt de lærte å gjøre når de studerer serie motstandskretser, før er å følge en enkel sekvens av trinn for å finne spenninger og strømmer i serie motstandskretser. De lærte ikke konseptene godt nok til å abstrahere til noe som ser litt annerledes ut.

Spørsmål 11

Beregn de nødvendige motstandsverdiene for å gi denne multi-range voltmeter de områdene som er angitt av velgbryterposisjonene:

Avslør svar Skjul svar

R 1 = 99 k Ω
R 2 = 300 k Ω
R3 = 600 k Ω
R 4 = 1 M Ω
R 5 = 3 M Ω

Tips: Hvis du trenger hjelp med å komme i gang i dette problemet, begynn med å beregne verdien av R 1 .

Merknader:

Dette er egentlig ikke noe mer enn et sett med enkle serie kretsproblemer, selv om konteksten ved at det er en voltmeter synes å forvirre noen studenter. Hvis du finner en stor prosentandel av klassen din ikke forstår hvor du skal begynne i et problem som dette, betyr det at de virkelig ikke forstår seriekretser - alt de lærte å gjøre når de studerer serie motstandskretser, før er å følge en enkel sekvens av trinn for å finne spenninger og strømmer i serie motstandskretser. De lærte ikke konseptene godt nok til å abstrahere til noe som ser litt annerledes ut.

Du bør påpeke elevene hvordan seriearrangementet av rekkeviddemotstandene gir seg til mer vanlige motstandsverdier, i motsetning til å ha en separat rekkevidde motstand for hvert område. Det er en downside til dette designet, men: pålitelighet. Diskuter med elevene konsekvensene av "åpne" motstandsfeil i begge typer voltmeterdesign.

Spørsmål 12

Ideelt sett bør en voltmeter ha en svært lav inngangsbestandighet, eller en veldig høy inngangsbestandighet "# 12"> Gi svar svar Skjul svar

Ideelt sett bør en voltmeter ha størst mulig inngangsresistens mulig. Dette er viktig når du bruker den til å måle spenningskilder og spenningsfall i kretser som inneholder store mengder motstand.

Merknader:

Svaret på dette spørsmålet er relatert til det meget viktige prinsippet om målerlasting . Teknikere, spesielt, må være veldig oppmerksomme på målerbelastning, og hvordan feilaktige målinger kan skyldes det. Svaret er også relatert til hvordan voltmåler er koblet til kretsene under test: alltid parallelt!

Spørsmål 13

Forklar hva ohm-per-volts følsomhetsklassifisering av en analog voltmeter betyr. Mange analog voltmeter har en følsomhet på 20 kΩ per volt. Er det bedre for en voltmeter å ha en høy ohm-per-volt-vurdering, eller en lav ohm-per-volt-vurdering? Hvorfor?

Avslør svar Skjul svar

"Ohms-per-volt" følsomhetsgradering av en voltmeter er et uttrykk for hvor mange ohm av inngangsresistens måleren har, per spekter av voltmåling. Jo høyere denne figuren er, desto bedre er voltmeteret.

Merknader:

Hvis elevene har analoge voltmetere i deres besittelse (som jeg oppfordrer dem til å ha), er ohms-per-volts følsomhetsgradering ofte funnet i et hjørne av måle skalaen, i fin skrift. Hvis ikke, bør vurderingen finnes i brukerhåndboken som fulgte med apparatet.

Spørsmål 14

I utgangspunktet fastslår hvilken enkeltfaktor i et voltmeter design sin sensitivitetsrating for ohm per volum?

Avslør svar Skjul svar

Hvis svaret ditt er "verdien av seriemotstanden (e)", er du feil.

Merknader:

Studenters umiddelbare inntrykk er at rekkeviddemotstandsverdien må etablere følsomhetsgraderingen, fordi de ser motstanden som den mest effektive innspillmotstanden. Imidlertid kan noen raske beregninger med forskjellige motstandsverdier vise seg ellers! Meterfølsomhet er uavhengig av alle seriekoblede rekkeviddemotstandsverdier.

Du vil kanskje spørre elevene hvorfor måling av bevegelsesspolen motstand ikke er en faktor for å bestemme voltmeter følsomhet. Utfordre elevene dine ved å sette opp prøvekretsproblemer for å bevise irrelevansen av spolebestandighet på voltmeterfølsomhet. La dem finne ut hvordan du setter opp problemene, i stedet for å sette opp problemene for dem!

Spørsmål 15

Bestem de forskjellige rekkeviddeverdiene for denne multi-range voltmeter:

Alle komponenter på det trykte kretskortet er "overflatemontert", loddet på toppflatene på kobbersporene. Bryterens (SW1) skjematisk diagram vises til høyre for kretskortet, med motstandsverdier vist under kretskortet.

Avslør svar Skjul svar

Ranger = 10 V, 25 V og 50 V.

Merknader:

Å bestemme spenningsområdene for denne voltmeter er bare en øvelse i Ohms lov. Aritmetikken er enkel nok til å tillate løsning uten bruk av kalkulatorer, så utfordre elevene dine under diskusjonstid for å arbeide gjennom matematikken "den gammeldags måten".

Spørsmål 16

Hva om denne voltmeter plutselig slutte å fungere når den ble satt i midtområdet. Øvre og nedre spekter fungerer fortsatt bra, skjønt. Identifiser den mest sannsynlige kilden til problemet.

Avslør svar Skjul svar

Den midtre kontakten i bryteren SW2 er åpen. Dette, til tross for at det er mest sannsynlig feil, er ikke den eneste mulige feilen som kan forårsake dette problemet (midtpunktet ikke fungerer)!

Utfordringsspørsmål: Forklar hvordan du kan kontrollere feilens feil uten å bruke en annen meter.

Merknader:

Brainstorm noen andre alternative muligheter for å forårsake problemet, sammen med diagnostiske prosedyrer for å verifisere hver enkelt av dem (ved hjelp av en annen meter, om nødvendig). Deretter diskuterer med elevene grunnen til at en svitsjfeil er mer sannsynlig enn noen av de andre feilene.

Spørsmål 17

Anta at du prøvde å måle spenningen ved testpunkt 2 (TP2) med en digital voltmeter som har en inngangsspenning på 10 MΩ. Hvor mye spenning vil det indikere "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01795x01.png">

Avslør svar Skjul svar

Ideelt sett bør denne spenningsdelerkretsen utvise 7, 5 volt ved testpunkt 2. Voltmeteret registrerer imidlertid bare 6, 76 volt.

Oppfølgingsspørsmål: Er voltmeteret registrert unøyaktig, eller er det tilkobling til kretsen som faktisk endrer V TP2 ? Med andre ord, hva er den faktiske spenningen ved TP2 med voltmeteret tilkoblet som vist?

Merknader:

En analogi jeg ofte bruker til å forklare målerbelastning, er bruken av en trykkmåler for å måle lufttrykket i et pneumatisk dekk. For å måle trykket, må noe av luften slippes ut av dekket, noe som selvfølgelig endrer dekkets lufttrykk.

Og i tilfelle du lurer på: nei, dette er ikke et eksempel på Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, populært misforstått som feil introdusert ved måling. Usikkerhetsprinsippet er langt dypere enn dette!

Spørsmål 18

Anta at du prøvde å måle spenningen ved alle tre testpunkter med en analog voltmeter som har en følsomhet på 20 kΩ per volt, satt på 10 volt skalaen. Hvor mye spenning vil det indikere på hvert testpunkt? Hvor mye spenning bør det ideelt indikere ved hvert testpunkt?


TestpunktIdeell spenningMeter indikasjon


TP1


TP2


TP3


Avslør svar Skjul svar


TestpunktIdeell spenningMeter indikasjon


TP15 V5 V


TP24.138 V0, 805 V


TP31.293 V0, 197 V


Merknader:

En analogi jeg ofte bruker til å forklare målerbelastning, er bruken av en trykkmåler for å måle lufttrykket i et pneumatisk dekk. For å måle trykket, må noe av luften slippes ut av dekket, noe som selvfølgelig endrer dekkets lufttrykk.

Og i tilfelle du lurer på: nei, dette er ikke et eksempel på Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, populært misforstått som feil introdusert ved måling. Usikkerhetsprinsippet er langt dypere enn dette!

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Neste regneark →