Konstruktion av volt- och amperemeter med DMMM

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Lars Wållberg Stig Esko Rev 1.0a Konstruktion av volt- och amperemeter med DMMM LABORATION E233 ELEKTRO Personalia: Namn: Kurs: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer

2 1. HISTORISK BAKGRUND Vridspoleinstrumentet har under decennier varit den viktigaste visande instrumentdelen. Det kan sägas vare en liten permanetmagnetiserad likströmsmotor, där rotorn är fjäderbelastad. Vridningsvinkeln hos rotorn blir proportionell mot strömmens storlek. Detta instrument har under många årtionden varit den visande delen i del flesta multimetrar. Vridspoleinstrument har konstruerats för att ge ett visst maxutslag vid en bestämd ström. Figur 1 Grundsymbol för vridspoleinstrument För ett visst vridspoleinstrument kunde följande data anges: Maxutslag för 100 µa. R i = 600 ohm. Med ohms lag kan man då också enkelt fastställa att maxutslag ges vid 60 mv. Multimetrar, dvs instrument för både ström och spänning och med flera mätområden konstruerades sedan med hjälp av olika resistanskombinationer. En voltmeter behövde förkopplingsmotstånd så att strömmen begränsades till det värde vridspoleinstrumentet behövde för att ge maxutslag. Figur 2 Voltmeterkoppling Ampermetern konstruerades med shuntmotstånd så att den del av totala strömmen som behövdes för maxutslag passerade vridspoleinstrumentet vid maxutslag. Figur 3 Amperemeterkoppling 2

3 2. DIGITAL MULTIMETER Nu till den moderna varianten av visande instrumentdel. Här sitter något som man kallar digital multimetermodul (DMMM). DMMM har andra grundläggande egenskaper och är mera komplicerad i sin uppbyggnad än vridspoleinstrumentet. Den viktigaste delen är en omvandlare från analog signal till ett digital värde. Modulen kallas ofta bara AD-omvandlare. Värdet från AD-omvandlaren visas sedan på en display som kan vara av lysdiodstyp (LED)eller flytandekristall typ (LCD). LCD kräver extremt lite effekt och är vanligast förekommande. Egenskapen hos en DMMM är att den mäter spänning. Dess strömförbrukning är oerhört liten anges till några 10-tal pa (10-12), dvs en inre resistans i storleksordningen 10 gigaohm! Den DMMM som används i laborationen har beteckningen V1000 och mäter från mv till mv med upplösningen 0,1 mv. Nackdelen med ett digitalt instrument är att det behöver strömförsörjning. Utan batteri eller motsvarande går inte instrumentet att använda. Här har multimetrar konstruerade kring ett vridspoleinstrument en fördel då de inte kräver någon extra energiförsörjning Någon vedertagen symbol för DMMM finns inte.den som användas i laborationen ser ut så här: Figur 4 Symbol för DMMM Vill man utöka mätområdet för DMM-modulen, dvs för att konstruera instrument med andra mätområden än modulens eget mätområde. behövs även här ett resistansnät. Modulen V1000 har en mängd finesser som bla att vissa enheter som kan visas och decimalpunkt som kan placeras så att det stämmer med det mätområde man valt mm. För att koppla in V1000 måste man ha tillgång till fabrikantens datablad. Här finns förslag på grundkopplingar. Observera att i fabrikantens datablad är kapseln sedd underifrån. VK1000 är färdigmonterad på ett kretskort med yttre komponenter och insatt i en låda enligt nedan. Med switcharna kan visningen för enheter och kommaplacering inställas. 3

4 Figur 5 Låda med monterad DMMM för labbanvändning 2.1. Voltmeter För att konstruera en voltmeter med mätområde större än 200 mv behövs en spänningsdelare (jämför med vridspoleinstrumentet där ett förkopplingsmotstånd användes). Figur 6 DMMM kopplad som voltmeter Här kan R1 beräknas om man känner: U m U in R Amperemeter Figur 7 DMMM kopplad som amperemeter En amperemeterkonstruktion kräver ett shuntmotstånd R s och beräknas så att, när den maximala strömmen I i en gren ska mätas så blir spänningen över resistansen 200 mv. Exempelvis för strömmen I = 2 A blir R s 100 mohm. 4

5 Uppgift 1. VOLTMETER Voltmetern mäter spänningen över en komponent Rita logiskt kopplingsschema för en voltmeter Beräkna det teoretiska värdet på R1 för en voltmeter med mätområdet 20 V. Resistorn R2 väljs till 1 Mohm. För R1 används en fast resistor i serie med en potentiometer 0-1 kohm. Potentiometern är till för att kunna kalibrera voltmetern (kalibrera = justera för rätt visning). Redovisa beräkningen Koppla upp DMMM-voltmetern enligt kopplingsschemat i pkt 1.1. Anslut någon av lab-salens multimetrar parallellt med DMMM-voltmetern. Justera med potentiometern så att båda visar lika värde vid cirka 10 V inspänning Mät tio spänningsvärden från 0-20 V tex vid spänningarna 0, 2, 4,... 18, 20 V. Multimeterns spänning betraktas som korrekt visning Redovisa värdena i en tabell. Jämför visningarna och kommentera. 5

6 Uppgift 2. AMPEREMETER Ampermetern mäter strömmen genom en komponent Rita logiskt kopplingsschema för en amperemeter Beräkna det teoretiska värdet på R s om mätområdet är 2 A Koppla upp ampermetern enligt kopplingsschemat i pkt 1.1. Anslut någon av lab-salens multimetrar i serie med DMMM-ampermetern Mät tio strömvärden från 0-2 A tex vid strömmarna 0, 0.2, A. Multimeterns ström betraktas som korrekt visning Redovisa värdena i en tabell. Jämför visningarna och kommentera. 6

7 Uppgift 3. OHMMETER Principen är att en yttre spänningskälla (använd 5 V) ansluts till två seriekopplade resistorer R (en fast resistor i serie med en potentiometer) och R x (skall bestämmas). Spänningen över R x mäts Dimensionera R så att instrumentet får mätområdet 20 kohm. Observera att R x <<R och därför kan beräkningarna förenklas Kalibrera instrumentet med en resistor på 10 kohm Mät resistansen på 5 resistorer från 1 k till 18 k och gör jämförande mätningar med multimeter Eftersom beräkningarna förenklats ger mätningarna upphov till ett fel. Beräkna det maximala felet om matningsspänningen och R antas hålla rätt värde. Vid vilket värde på R x fås det största felet? 7

8 3. BILAGA. DATABLAD 8

9 9

10 10