Zasada działania woltomierza i rodzaje woltomierzy
Co to jest woltomierz
Woltomierz to przyrząd do pomiaru napięcia. Mierzy on napięcie między dwoma węzłami. Wiemy, że jednostką różnicy potencjałów są wolt. Dlatego jest to przyrząd pomiarowy, który mierzy różnicę potencjałów między dwoma punktami.
Zasada działania woltomierza
Główna zasada działania woltomierza polega na tym, że musi być podłączony równolegle do miejsca, w którym chcemy zmierzyć napięcie. Używamy połączenia równoległego, ponieważ woltomierz jest skonstruowany w taki sposób, aby miał bardzo dużą wartość oporu. Jeśli ten duży opór zostanie podłączony szeregowo, to prąd płynący będzie prawie zerowy, co oznacza, że obwód staje się otwarty.
Jeśli jest podłączony równolegle, opór obciążenia jest połączony równolegle z dużym oporem woltomierza, co daje prawie taką samą wartość impedancji, jaką miało obciążenie. Wiedząc, że w obwodzie równoległym napięcie jest takie samo, napięcie między woltomierzem a obciążeniem jest prawie takie samo, a więc woltomierz mierzy napięcie.
Dla idealnego woltomierza opór powinien wynosić nieskończoność, a prąd pobierany powinien wynosić zero, co oznacza, że nie ma strat mocy w przyrządzie. Jednak praktycznie nie można uzyskać materiału o nieskończonym oporze.
Klasyfikacja lub typy woltomierzy
Zależnie od zasady konstrukcji, mamy różne typy woltomierzy, są one głównie –
Ruchomy cewnik w stałym magnesie (PMMC) woltomierz.
Ruchowy żelazny (MI) woltomierz.
Elektrodynamometryczny typ woltomierz.
Typ prostujący woltomierz
Indukcyjny typ woltomierz.
Elektrostatyczny typ woltomierz.
Cyfrowy woltomierz (DVM).
W zależności od typu pomiaru, mamy-
DC woltomierz.
AC woltomierz.
Dla DC woltomierzy używane są instrumenty PMMC, instrumenty MI mogą mierzyć zarówno napięcia AC, jak i DC, elektrodynamometryczne typy, termiczne instrumenty mogą mierzyć napięcia DC i AC. Indukcyjne mierniki nie są używane ze względu na wysoką cenę, niedokładność pomiarów. Prostujący typ woltomierza, typ elektrostatyczny oraz cyfrowy woltomierz (DVM) mogą mierzyć zarówno napięcia AC, jak i DC.
PMMC woltomierz
Kiedy przewodnik niosący prąd umieszczony jest w polu magnetycznym, działa na przewodnik siła mechaniczna, jeśli jest on załączony do systemu ruchomego, z ruchem cewki, wskaźnik przesuwa się po skali.
Instrumenty PMMC mają stałe magnesy. Są one odpowiednie do pomiarów DC, ponieważ tu odchylenie jest proporcjonalne do napięcia, ponieważ opór jest stały dla materiału przyrządu, a więc jeśli polaryzacja napięcia jest odwrócona, odchylenie wskaźnika również zostanie odwrócone, dlatego jest używany tylko do pomiarów DC. Ten typ instrumentu nazywany jest instrumentem typu D’Arsonval. Ma on zalety liniowej skali, niskiego zużycia energii, wysokiej dokładności.
Główne wady to –
Mierzy tylko wielkości DC, wyższa cena itp.
Gdzie,
B = Gęstość strumienia magnetycznego w Wb/m2.
i = V/R gdzie V to mierzone napięcie, a R to opór obciążenia.
l = Długość cewki w metrach.
b = Szerokość cewki w metrach.
N = Liczba zwitków w cewce.
Rozszerzenie zakresu w PMMC woltomierzu
W woltomierzach PMMC mamy możliwość rozszerzenia zakresu pomiaru napięcia. Po prostu łącząc opór szeregowo z przyrządem, możemy rozszerzyć zakres pomiaru.
Niech,
V to napięcie zasilające w woltach.
Rv to opór woltomierza w Ohmach.
R to zewnętrzny opór podłączony szeregowo w ohmach.
V1 to napięcie na woltomierzu.
Wtedy zewnętrzny opór do podłączenia szeregowo jest określony przez
MI woltomierz
Instrumenty MI oznaczają instrumenty z ruchomym żelazem. Są one używane zarówno do pomiarów AC, jak i DC, ponieważ odchylenie θ jest proporcjonalne do kwadratu napięcia, zakładając stałą impedancję przyrządu, więc bez względu na polaryzację napięcia, pokazuje kierunkowe odchylenie, ponadto są klasyfikowane w dwóch dodatkowych sposobach,
Typ przyciągania.
Typ odpierania.
Gdzie, I to całkowity prąd płynący w obwodzie w Amp. I = V/Z
Gdzie, V to mierzone napięcie, a Z to impedancja obciążenia.
L to samoczynna indukcyjność cewki w Henry.
θ to odchylenie w radianach.
Zasada działania typu przyciągania instrumentu MI
Jeśli niezmagnetyzowany miękki żelazo umieszczony jest w polu magnetycznym, jest przyciągany do cewki, jeśli wskaźnik jest dołączony do systemu i prąd przepływa przez cewkę w wyniku zastosowanego napięcia, tworzy pole magnetyczne, które przyciąga fragment żelaza i tworzy moment odchylenia, w wyniku którego wskaźnik przesuwa się po skali.
Zasada działania typu odpierania instrumentu MI
Gdy dwa fragmenty żelaza są namagnesowane z tą samą polaryzacją poprzez przepuszczanie prądu, co wykonane jest przez zastosowanie napięcia na woltomierzu, następuje ich odpieranie, a to odpieranie powoduje moment odchylenia, w wyniku którego wskaźnik się przesuwa.
Zalety to mierzenie zarówno AC, jak i DC, taniość, niskie błędy spowodowane tarciem, solidność itp. Jest głównie używany w pomiarach AC, ponieważ w pomiarach DC błędy będą większe ze względu na histerezę.
Elektrodynamometryczny typ woltomierza
Instrumenty elektrodynamometryczne są używane, ponieważ mają tę samą kalibrację zarówno dla AC, jak i DC, tj. jeśli są skalibrowane dla DC, to bez ponownej kalibracji możemy mierzyć AC.
Zasada działania elektrodynamometrycznego typu woltomierza
Mamy dwie cewki, stałą i ruchomą. Jeśli napięcie jest zastosowane do obu cewek, w wyniku czego prąd przepływa przez obie cewki, pozostanie w położeniu zerowym z powodu powstania równych i przeciwnych momentów. Jeśli kierunek jednego momentu zostanie odwrócony, ponieważ prąd w cewce się odwraca, powstaje jednokierunkowy moment.
Dla woltomierza połączenie jest równoległe, a zarówno stała, jak i ruchoma cewka są połączone szeregowo z nieindukcyjnym oporem.
φ = 0, gdzie φ to kąt fazowy.
