Werkingsprincipe van een voltmeter en soorten voltmeters

Wat is een voltmeter?

Een voltmeter is een spanningsmeter die de spanning tussen twee knooppunten meet. We weten dat de eenheid voor potentiaalverschil volt is. Dus het is een meetinstrument dat het potentiaalverschil tussen twee punten meet.

Werkingsprincipe van een voltmeter

Het belangrijkste werkingsprincipe van een voltmeter is dat deze parallel moet worden aangesloten aan de plaats waar we de spanning willen meten. Een parallelle verbinding wordt gebruikt omdat een voltmeter zo is opgebouwd dat hij een zeer hoge waarde van weerstand heeft. Als die hoge weerstand in serie zou worden aangesloten, zou de stroom bijna nul zijn, wat betekent dat het circuit openstaat.

Als het parallel wordt aangesloten, dan komt de belastingimpedantie parallel met de hoge weerstand van de voltmeter te staan, en dus zal de combinatie bijna dezelfde impedantie hebben als de belasting. Ook in een parallel circuit weten we dat de spanning hetzelfde is, dus de spanning tussen de voltmeter en de belasting is bijna hetzelfde, en daarom meet de voltmeter de spanning.
Voor een ideale voltmeter hebben we een oneindige weerstand nodig, zodat de stroom die wordt getrokken nul is en er geen vermogensverlies in het instrument optreedt. Dit is echter praktisch niet haalbaar, omdat we geen materiaal kunnen hebben met een oneindige weerstand.

Classificatie of soorten voltmeters

Volgens het constructieprincipe hebben we verschillende soorten voltmeters, namelijk –

1. Permanent magneet bewegende spoel (PMMC) voltmeter.

2. Bewegende ijzer (MI) voltmeter.

3. Elektrodynamometer type voltmeter.

4. Gelijkrichter type voltmeter

5. Inductie type voltmeter.

6. Elektrostatisch type voltmeter.

7. Digitale voltmeter (DVM).

Afhankelijk van de soort meting die we doen, hebben we –

1. DC voltmeter.

2. AC voltmeter.

Voor DC voltmeters worden PMMC-instrumenten gebruikt, MI-instrumenten kunnen zowel AC- als DC-spanningen meten, elektrodynamometer type, thermische instrumenten kunnen zowel DC- als AC-spanningen meten. Inductiemeters worden niet gebruikt vanwege hun hoge kosten en onnauwkeurigheid in de meting. Gelijkrichtertype voltmeters, elektrostatische types en digitale voltmeters (DVM) kunnen zowel AC- als DC-spanningen meten.

PMMC voltmeter

Wanneer een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, werkt er een mechanische kracht op de geleider. Als deze aan een bewegend systeem is bevestigd, beweegt de wijzer over de schaal wanneer de spoel beweegt.
PMMC-instrumenten hebben permanente magneten. Ze zijn geschikt voor DC-meting omdat hier de afwijking evenredig is met de spanning, omdat de weerstand constant is voor het materiaal van de meter. Als de polariteit van de spanning omgekeerd wordt, wordt de afwijking van de wijzer ook omgekeerd, waardoor het alleen voor DC-meting wordt gebruikt. Dit type instrument wordt het D’Arsonval-type instrument genoemd. Het heeft de voordelen van een lineaire schaal, lage energieverbruik en hoge nauwkeurigheid.
Belangrijke nadelen zijn –
Het meet alleen DC-hoeveelheden, hogere kosten, etc.

Waarbij,
B = Fluxdichtheid in Wb/m2.
i = V/R waarbij V de te meten spanning is en R de weerstand van de belasting.
l = Lengte van de spoel in m.
b = Breedte van de spoel in m.
N = Aantal windingen in de spoel.

Uitbreiding van het bereik in een PMMC voltmeter

In PMMC voltmeters hebben we de mogelijkheid om het meetbereik van de spanning uit te breiden. Door eenvoudigweg een weerstand in serie met de meter aan te sluiten, kunnen we het meetbereik uitbreiden.

Laat,
V de toegestane spanning in volt zijn.
Rv is de weerstand van de voltmeter in Ohm.
R is de externe weerstand die in serie is aangesloten in ohm.
V1 is de spanning over de voltmeter.
Dan is de externe weerstand die in serie moet worden aangesloten gegeven door

MI voltmeter

MI-instrumenten betekenen bewegend ijzer instrument. Ze worden gebruikt voor zowel AC- als DC-metingen, omdat de afwijking θ evenredig is met het kwadraat van de spanning, onder de veronderstelling dat de impedantie van de meter constant is. Ongeacht de polariteit van de spanning, toont het een richtingafwijking. Ze worden verder ingedeeld in twee soorten,

1. Aantrekkingssoort.

2. Afstotingssoort.

Waarbij, I de totale stroom is die in het circuit stroomt in Amp. I = V/Z
Waarbij, V de te meten spanning is en Z de impedantie van de belasting.
L is de zelfinductie van de spoel in Henry.
θ is de afwijking in radialen.

Aantrekkingstype MI-instrument principe

Als een ongemagnetiseerd zacht ijzer in een magnetisch veld wordt geplaatst, wordt het naar de spoel aangetrokken. Als een wijzer aan het systeem is bevestigd en er stroom door de spoel gaat als gevolg van de aangebrachte spanning, creëert dit een magnetisch veld dat het ijzerdeel aantrekt en een afwijkingstorque veroorzaakt, waardoor de wijzer over de schaal beweegt.

Afstotingsstype MI-instrument principe

Wanneer twee ijzerdeeltjes met dezelfde polariteit worden gemagnetiseerd door een stroom die wordt veroorzaakt door een spanning over de voltmeter, treedt afstoting tussen hen op en produceert die afstoting een afwijkingstorque waardoor de wijzer beweegt.
De voordelen zijn dat het zowel AC- als DC kan meten, het is goedkoop, er zijn weinig wrijvingsfouten, robuust, etc. Het wordt voornamelijk gebruikt voor AC-metingen omdat bij DC-metingen de fout groter zal zijn vanwege hysterese.

Elektrodynamometer type voltmeter

Elektrodynamometer-instrumenten worden gebruikt omdat ze dezelfde kalibratie hebben voor zowel AC- als DC, d.w.z. als ze met DC zijn gekalibreerd, kunnen we zonder opnieuw kalibreren ook AC meten.

Elektrodynamometer type voltmeter principe

We hebben twee spoelen, vaste en bewegende spoelen. Als er een spanning op de twee spoelen wordt aangebracht, stroomt er stroom door de twee spoelen, en het blijft in de nulpuntpositie door de ontwikkeling van gelijke en tegengestelde torques. Als de richting van één torque wordt omgekeerd doordat de stroom in de spoel omgekeerd wordt, wordt een eenrichtingstorque geproduceerd.
Voor de voltmeter is de verbinding een parallelle en zowel de vaste als de bewegende spoelen zijn in serie aangesloten met een niet-inductieve weerstand.
φ = 0 waarbij φ de fasehoek is.