Transcript اینجا
به نام خدا فصل پنجم ساختمان دستگاه های اندازه گیری دستگاه اندازه گیری با قاب گردان و آهن ربای دائم دستگاه اندازه گیری با قاب گردان و آهن ربای دائم در واقع همان گالوانمتر یا میکرو آمپر متر می باشد که جریان های در حد میکرو آمپر را اندازه می گیرد .از گالوانمتر در ساخت ولت متر و آمپر متر استفاده می شود. ساختمان گالوانمتر دآرسونوال شکل دو نمونه از گالوانمتر در زیر نشان داده شده است .درآرسونوال نام فردی است که این نوع گالوانمتر را ساخت. اجزای گالوانمتر عبارتند از -1آهن ربای دائم -2کفشک قطب ها -3استوانه نرم -4سیم پیج نقش آهن ربای دائم ایجاد یک میدان مغناطیسی دائم است. نقش کفشک قطب ها ایجاد میدان مغناطیسی یکنواخت است. نقش استوانه :برای درجه بندی خطی نیاز به یک میدان یکنواخت و شعاعی می باشد لذا از استوانه استفاده می شود. نقش سیم پیچ :با عبور جریان از سیم پیچ سیم پیچ در یک میدان مغناطیسی سیم پیچ حول استوانه دوران می کند و باعث می شود عقربه بچرخد. در شکل زیر ساختمان گالوانمتر نشان داده شده شده است .وظیفه تکیه گاه نگهدارنده سیم پیچ برای دوران می باشد و وظیفه فنر ایجاد کوپل مقاوم برای برگرداندن سیم پیچ می باشد و همچنین عبور جریان می باشد .اگر از فنر برای عبور جریان استفاده نشود باید از تیغه کموتاتور استفاده شود. در گالوانمترهای جدید برای ایجاد حساسیت بیشتر و ساختمان ساده از بجای سوزن ها و دو فنر و سیم پیچ را با مفتول بسیار نازک از جنس آلیاژ برنز و نقره به دو تکیه گاه ثابت وصل می کنند .با عبور جریان سیم پیچ دوران می کند و مفتول نیز می چرخد و ایجاد کوپل مقاوم می کند. حرکت عقربه یا چرخش قاب با جریان عبوری آن رابطه خطی دارد .از این رو درجه بندی گالوانمتر دآرسونوال خطی است .یعنی اگر به ازای 1میکرو آمپر یک درجه انحراف دارد به ازای 2میکرو آمپر دو درجه انحراف دارد. حساسیت: نسبت انحراف عقربه (زاویه گردش عقربه) به جریان عبوری از سیم پیچ را حساسیت گویند. I s ' حساسیت یک امر نسبی است یعنی برای اینکه بگوییم یکی حساس است باید آن را با دستگاه دیگر مقایسه کنیم .به ازای یک جریان گالوانمتری که دارای انحراف بیشتر می باشد حساس تر می باشد. برای ولت متر حساسیت را برحسب اکثر انحراف را نشان می دهد. V مشخص می کنند اگر عدد حساسیت را عکس کنیم جریان حد اگر حساسیت ولت متری 20kΩ/vباشد و حساسیت ولت متر دیگری 50kΩ/vباشد .کدام حساس تر می باشند .جریان حداکثر انحراف را بدست آورید. ساختمان ولت متر DC همانطور که قبال“ گفته شده انحراف عقربه گالولنمتر رابطه خطی با جریان گالوانمتر دارد .یعنی اگر برای انحراف کامل جریان گالوانمتر 100میکرو آمپر باشد .برای انحراف نصف عقربه جریان گالوانمتر باید 50میکرو آمپر باشد. KI اگر مقاومت داخلی گالوانمتر RGباشد و جریان عبوری برای انحراف کامل IGباشد .در دو سر گالوانمتر افت ولتاژ VG=RGIGایجاد می شود .و شمای فنی گالوانمتر به صورت زیر است. مقاومت داخلی گالوانمتر بین 200تا 5000اهم می باشد .این مقاومت مربوط به مقاومت داخلی سیم پیچ و مسائل دینامیکی گالوانمتر می باشد. اگر در یک گالوانمتر RG=4KΩباشد و IG=30μAباشد افت ولتاژ دو سر گالوانمتر چقدر است؟ VG RG IG 4K 30 120mV اگر به جای 30میکرو آمپر 15میکرو آمپر از گالوانمتر عبور کند .میزان انحراف و افت ولتاژ در دو سر گالوانمتر چقدر است. انحراف نیز نصف می شود VG RG IG 4K 15 60mV گالوانمتر با RG=4KΩو IG=30μAرا می توان به عنوان یک میلی ولت متر یا حتی به عنوان یک میکرو آمپر متر استفاده کرد. اگر بخواهیم گالوانمتر فوق را که ولتاژ بین 0تا 120میلی ولت اندازه گیری می کند برای ولتاژ بیشتر استفاده کنیم چه باید کرد؟ باید با آن مقاومت سری کرد. فرض کنید که می خواهیم با گالوانمتر ذکر شده ولتاژ 0تا 1ولت را اندازه گرفت مقدار مقاومت سری شده چه قدر است؟ 120mV VI VG 1000m 120m 880m V RS 29.33K IG 30 30 توسعه رنج گالوانمتر یا ولت متر اگر یک گالوانمتر دارای RGو IGمعلوم باشد .این گالوانمتر می تواند ولتاژهای 0تا VG=RGIGرا اندازه بگیرد .اگر بخواهیم ولتاژهای بیشتری را اندازه بگیرد باید با گالوانمتر مقاومت سری کرد. گالوانمتری با RG=4KΩو IG=25μAوجود دارد .می خواهیم از این گالوانمتر به عنوان ولت متر استفاده کنیم به طوریکه ولتاژهای 0تا 1ولت و 0تا 10ولت و 0تا 100ولت و 0تا 500ولت مدار آن را رسم کنید. VG RG I G 4K 25 100mV 100mV 4KΩ 1000mV 100mV RS1 4KΩ 1000m 100m 900 36k 25 25 10 1 9 RS 2 106 9 4 10000 360K 25 25 100 10 90 RS 3 106 90 4 10000 3600K 25 25 500 100 400 RS 4 106 16106 16M 25 25 100mV 4KΩ ساختمان ولت متر ساختمان ولت متر AC اگر بجای ولتاژ DCبه ولتاژ ACاستفاده شود با توجه به رابطه θ=KIعقربه به سمت چپ و راست حرکت خواهد کرد .در این حالت نمی توان ولتاژ را اندازه گرفت .برای اندازه گیری ولتاژ ACابتدا باید ولتاژ ACرا به ولتاژ DCتبدیل کرد .برای این مهم از المان الکترونیکی به نام دیود استفاده می شود. شمای فنی دیود به صورت زیر است. کاتد آند مقدار DCاین ولتاژ برابر است با Vm Vdc برای روشن شدن دیود یا برای هدایت دیود 0.6vولتاژ نیاز می باشد.و این ولتاژ با تغییر دما تغییر می کند .از این رو ولت متر ACبرای اندازه گیری ولتاژ های کم به کار نمی رود .برای سری کردن مقاومت ها در گالوانمتر ACباید به دو نکته دقت کرد که عبارتند از -1ولتاژ ACبرحسب موثر سنجیده می شود و باید درجه بندی برحسب موثر ورودی باشد . -2گالوانمتر با ولتاژ DCکار می کند. لذا رابطه بین مقدار موثر و DCمد نظر است. Vm 2 0.45Veff به جای دیود یک مقاومت 3kΩقرار می دهیم. Veff 2 Veff Vm Vdc مثال :یک گالوانمتر با RG=4KΩو IG=30μAداریم می خواهیم از این گالوانمتر به عنوان ولت متر 0تا 10ولت استفاده شود .مطلوب است .مقاومت RS Vave Vdc 0.45Veff 0.4510 4.5v VIN VG 4.5 120m 4.38 0.146M 146K IG 30 30 RS ' RS RS '3 146 3 143K مثال :در یک گالوانمتر با RG=4KΩو IG=30μAمطلوب است محاسبه مقاومت ها به طوریکه ولتاژهای ACبه رنج های 0تا 6و 0تا 30و 0تا 150و 0تا 300ولت را اندازه بگیرد .در پایان مدار آن را رسم کنید. Vave Vdc 0.45Veff 0.45 6 2.7v 2.7 120m RS1 ' 86K 30 RS1 RS1 '3 86 3 83K 30 0.45 2.7 13.5 2.7 RS2 360K 30 30 150 0.45 13.5 RS3 1800K 30 300 0.45 67.5 RS4 2.25M 30 آمپر متر DC قبال“ گفته شد که گالوانمتر را می توان به عنوان ولت متر و آمپر متر به کار برد .اگر به عنوان ولت متر به کار رود می تواند ولتاژ 0تا VGرا اندازه بگیرد .اگر به عنوان آمپر متر به کار رود می تواند جریان 0تا IGرا اندازه بگیرد .با توجه به اینکه جریان IGدر حد میکرو آمپر می باشد ،برای اندازه گیری جریان بیشتر چه کار باید انجام داد. برای اندازه گیری جریان بیشتر باید با گالوانمتر مقاومت موازی کرد .این مقاومت نسبت به RGچقدر است .این مقاومت نسبت به RGباید کمتر باشد. VG VG Rsh I sh I I G توسعه رنج آمپر متر گالوانمتر دآرسونوال برای اندازه گیری جریان در حد میکرو آمپر استفاده می شود .اگر بخواهیم جریان های بیشتری را اندازه بگیرد .گالوانمتر را باید توسعه دهیم. مثال :گالوانمتری با IG=30UAو RG=4KΩداریم .می خواهیم آن را توسعه دهیم به طوریکه جریان های 0تا 1میلی آمپر و 0تا 5میلی آمپر و 0تا 10میلی آمپر و 0تا 100 میلی آمپر اندازه بگیرد .مقاومت ها شنت را محاسبه کرده و مدار آن را رسم کنید. VG I IG VG RG I G 4 K 30 120m V, Rsh 120m 123.7 (1000 30) 120m Rsh 2 24.14 (5000 30) 120m Rsh 3 12.04 (10000 30) 120m Rsh4 1.2 (100000 30) Rsh1 Rsh IG I IG K I RG Rsh از رابطه فوق چه نتیجه ای می گیرید؟ چرا در آمپر متر و ولت متر رنج های مختلفی وجود دارد؟ فرض کنید می خواهیم جریان 0.91mAرا اندازه بگیریم. عیب این آمپر مترها این است که هنگام تغییر رنج همه جریان از گالوانمتر عبور می کند و گالوانمتر می سوزد .برای رفع این عیب مدار چاپی آمپر متر را به صورت زیر می سازند. برای اندازه گیری جریان بیشتر مقاومت شنت شده دارای مقاومت کمتری می باشد .لذا وقتی جریان بیشتر شود .اگر پهنای مدار چاپی زیاد نباشد ،برد می سوزد و ثانیا“ کلید سلکتور تحمل جریان های زیاد را ندارد .لذا برای جریان بیشتر از مدار زیر استفاده می شود. اهم متر سری اگر یک مدار سری شامل باتری و چند مقاومت و گالوانمتر باشد و مقدار مقاومت آن تغییر کند، جریان مدار تغییر می کند .می توان رابطه بین تغییر مقاومت و انحراف عقربه را پیدا کرد .در این حالت توانسته ایم صفحه مولتی متر را برحسب مقاومت اهمی درجه بندی کنیم. اهم متر سری از یک گالوانمتر و یک مقاومت ثابت و یک مقاومت متغیر و یک منبع درست شده است. اگر RX=0باشد انحراف اهمتر بیشترین مقدار می باشد و روی عدد صفر است RV .برای تنطیم صفر عقربه می باشد .درجه بندی اهم متر غیر خطی است. دستگاه اندازه گیری آهن نرم گردان از این دستگاه بیشتر در وسایل اندازه گیری تابلویی استفاده می شود .درجه بندی این نوع دستگاه خطی نیست ولی با تغییراتی که در ساختمان آن می دهند در محدوده ای از رنج خطی می شود. ساختمان ولت متر و آمپر متر یکی می باشد .در ولت متر تعداد دور زیاد و قطر کم و در آمپر متر تعداد دور کم و قطر زیاد می باشد. اصول کار این نوع دستگاه بر اساس دافع و جاذبه مغناطیسی می باشد. جاذبه الکترومغناطیسی اگر یک میله آهنی را در نزدیک یک سیم پیچ مغناطیسی شده قرار دهیم .می بینیم که میله آهنی به داخل سیم پیچ کشیده می شود .علت این است که میله آهنی مغناطیس شده و خطوط آن هم جهت خطوط میدان سیم پیچ می باشد .این پدیده اساس کار دستگاه با آهن گردان می باشد. دافعه الکترومغناطیسی اگر دو صفحه آهنی نرم را در داخل یک سیم پیج قرار دهید چه اتفاقی می افتد؟ با توجه به این که هر دو صفحه در یک جهت مغناطیس می شوند .لذا از یکدیگر دور می شوند .اگر جهت جریان نیز عوض شود با توجه به اینکه میدان سیم پیچ بر عکس می شود .لذا دوباره دو صفحه از هم دور می شوند. روش های ساخت دستگاه اندازه گیری آهن نرم گردان دستگاه اندازه گیری آهن نرم گردان به سه صورت ساخته می شود که عبارتند از -1با پره های شعاعی -2با پره های متمرکز -3با هسته متحرک دستگاه اندازه گیری با پره های شعاعی دستگاه اندازه گیری با پره های شعاعی از دو صفحه که داخل یک بوبین قرار دارد تشکیل شده است .که یکی ثابت و دیگری متحرک می باشد .وقتی از بوبین جریان عبور می کند در داخل آن میدان ایجاد می شود در نتیجه بین دو صفحه نیروی دافعه ایجاد شده و صفحه متحرک حرکت کرده و عقربه نیز حرکت می کند. دستگاه اندازه گیری با پره های متمرکز این دستگاه مشابه با دستگاه اندازه گیری با پره های شعاعی می باشد با این تفاوت که به جای دو صفحه از دو نیم استوانه که یکی ثابت و دیگری متحرک می باشد درست شده است .با عبور جریان از بوبین ،در داخل آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود و بین دو استوانه نیروی دافعه مغناطیسی ایجاد شده و استوانه متحرک حرکت کرده و در نتیجه عقربه نیز حرکت می کند. در عمل برای ایجاد میدان مغناطیسی غیر یکنواخت نیم حلقه ثابت را از یک طرف به صورت شیب دار درست می کنند. دستگاه اندازه گیری با هسته متحرک این نوع دستگاه اندازه گیری از یک هسته آهنی متحرک که قسمتی از آن داخل سیم پیچ قرار دارد درست شده است .با عبور جریان از سیم پیچ هسته به درون سیم پیچ کشیده می شود و در نتیجه عقربه نیز حرکت می کند. این نوع دستگاه ،اولین دستگاه اختراعی در زمینه دستگاه های اندازه گیری با آهن متحرک می باشد. خفه کن ها در دستگاه های اندازه گیری قسمت های دوار سبک ساخته می شود .با عبور جریان از سیم پیچ عقربه حرکت می کند .به دلیل وزن کم عقربه ،عقربه ثابت نمی ماند .برای بر طرف کردن این مشکل از خفه کن استفاده می شود .همچنین هنگام برگشت عقربه به سمت صفر ،عقربه به پین برخورد می کند ،برای جلوگیری از این مشکل از خفه کن استفاده می شود. خفه کن از یک پره متحرک و اتاقک بسته تشکیل شده است که با حرکت عقربه پره متحرک در فضای بسته اتاقک حرکت می کند و هوا فشرده می شود و از یک سوراخ هوا به بیرون فرستاده می شود و وقتی عقربه بر می گردد هوا به آرامی از این سوراخ مکیده می شود. ساختمان داخلی وات متر وات متر وسیله اندازه گیری برای توان می باشد .وات متر تقریبا“ شبیه به گالوانمتر دآرسونوال می باشد با این تفاوت که به جای آهن ربای دائم از سیم پیچ استفاده می شود .ساختمان وات متر به صورت زیر است .با عبور جریان از سیم پیچ جریان هسته آهن ربا شده و با عبور جریان از سیم پیچ ولتاژ عقربه منحرف می شود. مولتی متر دیجیتالی دستگاه های اندازه گیری دیجیتال مقادیر اندازه گیری شده را توسط ارقام در روی صفحه نمایش نشان می دهند .این دستگاه ها برای اندازه گیری ولتاژ -جریان – مقاومت –وات متر cos -فی متر -درجه حرارت -وزن و غیره به کار می روند. مزایای دستگاه اندازه گیری دیجیتال -1به دلیل نداشتن قسمت متحرک دارای طول عمر زیاد می باشند. -2به عوامل فیزیکی از قبیل لرزش و رطوبت تمیزی هوا حساس نیستند. -3قابل اتصال به کامپیوتر می باشند .در نتیجه قابل ذخیره و تصمیم گیری می باشند. قسمت اصلی یک دستگاه دیجیتال ولت متر DCمی باشد .ولت متر های دیجیتال به صورت AUTO RANGمی باشند .یعنی با توجه به مقدار ولتاژ ورودی رنج خود را به صورت خودکار تعیین می کنند. اگر بخواهیم ولتاژ ACرا اندازه بگیریم ابتدا توسط سلکتور ولت متر Acرا انتخاب کرده و سپس ولتاژ را اندازه گیری می کنیم .در ولت مت ACابتدا ولتاژ ACبه DCتبدیل می شود و ولتاژ یکسو شده به ولت متر داده می شود. آمپر متر دیجیتالی AUTO RANGنیستند و با توجه به مقدار جریان رنج انتخاب می شوند .اگر بخواهیم جریان ACرا اندازه بگیریم ابتدا جریان توسط یکسو سازها به جریان DCتبدیل شده و سپس به ولت متر DCداده می شود. اگر ولت متر دارای رنج اتوماتیک باشد ،اهم متر نیز به دارای رنج اتوماتیک است .همچنین اکثر مولتی متر دارای کلیدی می باشند تا آومتر را از حالت اتوماتیک خارج کنند. در اسالید بعد یک نمونه مولتی متر دیجیتال نشان داده شده است. کلید : AC/DCوقتی مولتی متر روشن است برای اندازه گیری ولتاژ AC ، ACو برای اندازه گیری ولتاژ DC ،DCرا فشار می دهیم. :HOLDبرای ضبط مقادیر اندازه گیری شده به کار می رود. کلید سلکتور :برای تغییر رنج و روشن و خاموش کردن مولتی متر به کار می رود. : Vترمینال برای اندازه گیری ولتاژ : COMترمینال مشترک برای اندازه گیری کمیت ها : Ω,μa,mAبرای اندازه گیری مقاومت و جریان : 10Aبرای اندازه گیری جریان های زیاد : RANGرنج به صورت خودکار یا دستی انتخاب می شود. : O ADJبرای تنظیم صفر به کار می رود. اگر سلکتور روی این شکل تنظیم شده باشد .برای تست دیود و اتصال کوتاه به کار می رود و عالمت روی صفحه نمایش نشان داده می شود. اگر روی صفحه نمایش عالمت BATظاهر شود بیانگر این است که باتری ضعیف شده است. اگر در صفحه نمایش O ADJنشان داده شود بیانگر این است کلید تنظیم صفر ( ) O ADJفشار داده شده است.