Amperemeter Design

SC7 Ammeter Design - Shunt Resistance (Juli 2019).

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Anonim

Amperemeter Design

DC-Stromkreise


Frage 1

Was würde mit dieser Meterbewegung passieren, wenn sie direkt an eine 6-Volt-Batterie "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00718x01.png"> angeschlossen wird

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Zwei Dinge würden passieren: Erstens würde die Bewegung höchstwahrscheinlich durch zu hohe Stromstärke beschädigt werden. Zweitens würde sich die Nadel nach links anstatt nach rechts bewegen (wie es normalerweise sollte), weil die Polarität rückwärts ist.

Anmerkungen:

Wenn eine elektromechanische Messuhrbewegung übersteuert wird, was dazu führt, dass die Nadel den ganzen Weg bis zu einem extremen Ende der Bewegung "knallt", wird dies allgemein als "Pegging" des Messgeräts bezeichnet. Ich habe Meterbewegungen gesehen, die so stark "festgezurrt" sind, dass die Nadeln vom Anschlag getroffen werden!

Berücksichtigen Sie basierend auf den Kenntnissen Ihrer Schüler über das Design der Messuhrbewegung, dass sie Ihnen sagen, was sie bei einem schwerwiegenden Überlastfall wie diesem für schädlich halten könnten. Sagen Sie ihnen, dass sie in ihren Antworten genau sein müssen.

Frage 2

Wir wissen, dass die Verbindung eines empfindlichen Meterwerks direkt in Serie mit einem Hochstromkreis ein schlechtes Ding ist. Daher möchte ich, dass Sie bestimmen, welche anderen Komponenten mit der Bewegung des Zählers verbunden sein müssen, um den Strom durch die Spule zu begrenzen, so dass die Verbindung der Schaltung in Reihe mit einer 1-Ampere-Schaltung dazu führt, dass sich die Nadel des Zählers exakt bewegt volle Position.

Zeigen Sie in Ihrem Diagramm sowohl die zusätzlichen Komponenten als auch die Art und Weise an, in der die Messgerätbaugruppe mit dem Batterie- / Widerstandsschaltkreis verbunden wird, um den Strom zu messen.

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Follow-up-Frage: In dem 0 bis 1 Ampere-Bereich des Amperemeters, das durch den 0, 4004 Ω "Shunt" -Widerstand erzeugt wird, wie viel Strom wird der Zähler tatsächlich registrieren, wenn er in Reihe mit der 6 Volt Batterie geschaltet wird? > Hinweise:

Anfänger fühlen sich manchmal "verloren", wenn sie versuchen, eine Frage wie diese zu beantworten. Sie wissen vielleicht, wie man das Ohmsche Gesetz auf einen Schaltkreis anwendet, aber sie wissen nicht, wie man einen Schaltkreis konstruiert, der das Ohmsche Gesetz für einen bestimmten Zweck verwendet. Wenn dies der Fall ist, können Sie ihr Verständnis durch eine Reihe von Fragen wie diese leiten:

Warum "klemmt" die Bewegung des Zählers, wenn er direkt an die Batterie angeschlossen ist?
Mit welcher Art elektrischer Komponente kann Strom von der Bewegung "weg" geleitet werden, ohne den gemessenen Strom zu begrenzen?
Wie können wir diese Komponente mit dem Messgerät verbinden (seriell oder parallel)? (Zeichnen Sie beide Konfigurationen und lassen Sie den Schüler selbst bestimmen, welches Verbindungsmuster das Ziel der Begrenzung des Stromes auf das Messgerät erfüllt.)

Die Folgefrage ist ziemlich interessant und veranlasst die Schüler, die Leistung des von ihnen "geschaffenen" Amperemeters sorgfältig zu bewerten. An der Wurzel ist das Problem ähnlich dem Voltmeter-Laden, außer natürlich, dass es hier eher um Amperemeter als um Voltmeter geht.

Frage 3

Bestimmen Sie den Messbereich dieses Amperemeters:

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Bereich = 500 mA

Anmerkungen:

Das Bestimmen der Bereiche für dieses Amperemeter ist einfach eine Übung im Ohmschen Gesetz. Es ist sehr wichtig, dass Ihre Schüler den Wert des Shunt-Widerstandes in Milliohm und nicht als Megaohm erkennen! Ja, es gibt einen Unterschied zwischen einem Kleinbuchstaben "m" und einem Großbuchstaben "M"!

Frage 4

Was passiert mit der Funktion dieser Amperemeter-Schaltung, wenn der in der Abbildung markierte Draht versagt? "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00732x01.png">

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Wenn der Draht nicht öffnen würde, würde das Strommessgerät überhaupt nicht auf irgendeine Menge an Eingangsstrom reagieren.

Anmerkungen:

Einige Studenten denken vielleicht, dass das Amperemeter überhaupt nicht mit einem offenen Widerstand reagieren wird, weil sie "offene" Fehler mit fehlendem Strom und fehlendem Strom mit null Antwort von der Zählerbewegung assoziieren. Eine sorgfältige Untersuchung der Schaltung zeigt jedoch, dass das genaue Gegenteil passieren wird.

Frage 5

Was passiert mit der Funktion dieser Amperemeter-Schaltung, wenn der Widerstand offen ist?

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Wenn der Widerstand ausfallen würde, würde das Amperemeter viel empfindlicher werden.

Anmerkungen:

Einige Studenten denken vielleicht, dass das Amperemeter überhaupt nicht mit einem offenen Widerstand reagieren wird, weil sie "offene" Fehler mit fehlendem Strom und fehlendem Strom mit null Antwort von der Zählerbewegung assoziieren. Eine sorgfältige Untersuchung der Schaltung zeigt jedoch, dass das genaue Gegenteil passieren wird.

Frage 6

Hier ist eine Amperemeter-Schaltung mit einer speziellen Art von Wahlschalter, der so genannte " Make-before-break" -Wählschalter:

Diese spezielle Art von Wahlschalter ist wichtig in einer Amperemeterschaltung wie der oben gezeigten. Wenn wir ein solches ähnliches Amperemeter mit einem normalen Wahlschalter bauen würden, würde das Messgerät während des normalen Gebrauchs beschädigt werden:

Erklären Sie, warum das erste Schaltungsdesign dem zweiten überlegen ist und welche Form der Verwendung sich als schädlich für das zweite Design erweisen würde (aber nicht für das erste).

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Die Art der Verwendung, die den zweiten Zähler aber nicht den ersten beschädigen würde, ist das Ändern der Bereiche während der Messung des Stroms.

Anmerkungen:

Eine andere Lösung für das Problem der Vorabschaltung besteht darin, einen Ring-Nebenschlussschaltkreis anstelle eines unabhängigen Bereichswiderstands für jeden Strommessbereich zu verwenden.

Frage 7

Idealerweise sollte ein Amperemeter einen sehr niedrigen Eingangswiderstand oder einen sehr hohen Eingangswiderstand haben (Eingangswiderstand ist der Betrag des elektrischen Widerstands, der zwischen den Messleitungen gemessen wird). "# 7"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Idealerweise sollte ein Amperemeter den geringsten möglichen Eingangswiderstand haben. Dies ist wichtig bei der Messung von Strom in Schaltungen mit geringem Widerstand.

Anmerkungen:

Die Antwort auf diese Frage bezieht sich auf das sehr wichtige Prinzip der Meterverladung . Vor allem die Techniker müssen sich der Zählerbelastung bewusst sein und wie sich daraus fehlerhafte Messungen ergeben können. Die Antwort bezieht sich auch darauf, wie die Amperemeter mit den zu testenden Schaltungen verbunden sind: immer in Serie!

Frage 8

Welcher (n) Parameter eines elektromechanischen Amperemeters beeinflusst bei einem gegebenen Bereich der Strommessung seinen Eingangswiderstand? Mit anderen Worten, welche Komponentenwerte sind optimal, um sich dem "idealen" Eingangswiderstand eines Amperemeters für einen gegebenen Bereich zu nähern?

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Um einen möglichst niedrigen Eingangswiderstand zu erreichen, ohne die Reichweite des Amperemeters zu ändern, benötigen Sie ein Meterwerk mit einer minimalen Nennstromstärke und einem minimalen Spulenwiderstand.

Herausforderungsfrage: Ist es möglich, die Leistung eines Amperemeters gemäß den hier gegebenen Empfehlungen durch Hinzufügen von Widerständen zu verbessern? Wenn das so ist, wie?

Anmerkungen:

Wenn Ihre Schüler bereits das Voltmeter-Design studiert haben, möchten Sie sie vielleicht bitten, den (einzigen) Entwurfsfaktor, der die Empfindlichkeit ("Ohm pro Volt") in einem elektromechanischen Voltmeter beeinflusst, mit den beiden in der Antwort auf diese Frage aufgeführten Faktoren zu vergleichen. Warum ist der Spulenwiderstand der Zählerbewegung kein Faktor für die Empfindlichkeit des Voltmeters, aber liegt die Empfindlichkeit des Amperemeters? Fordern Sie Ihre Schüler mit dieser Frage heraus, indem Sie ihnen einige Beispiel-Voltmeter-Schaltungen und Amperemeter-Schaltungen mit verschiedenen Spulenwiderständen vorschlagen. Lass sie herausfinden, wie man die Probleme aufstellt, anstatt die Probleme für sie aufzustellen!

Einige Studenten schlagen möglicherweise vor, dass der effektive Spulenwiderstand einer Meterbewegung durch Hinzufügen eines Shunt-Widerstandes innerhalb der Bewegung verringert werden kann. Wenn jemand diese Lösung vorschlägt, arbeiten Sie die Berechnungen eines Beispiel-Amperemeter-Schaltkreises auf dem Whiteboard mit der Klasse durch und sehen Sie, was der Effekt ist!

Frage 9

Shunt- Widerstände werden oft als Strommessgeräte verwendet, da sie so konstruiert sind, dass sie sehr genaue Spannungswerte fallen lassen, wenn große elektrische Ströme durch sie fließen. Durch die Messung der Spannung, die von einem Shunt-Widerstand abfällt, können Sie bestimmen, wie viel Strom durch ihn fließt:

Angenommen, ein Shunt-Widerstand ist mit der folgenden Bewertung gekennzeichnet: 150 A, 50 mV . Was ist der Widerstand dieses Shunts, in Ohm "# 9"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Metrische Notation: 333, 3 μΩ

Wissenschaftliche Notation: 3.333 × 10 -4 Ω

Dezente Dezimalschreibweise: 0, 0003333 Ω

Anmerkungen:

Fragen Sie Ihre Schüler, wie sie glauben, dass ein Widerstand mit einem so geringen Widerstand (ein winziger Bruchteil eines Ohm!) Hergestellt werden kann. Was denken sie, dass ein Shunt-Widerstand im wirklichen Leben aussehen würde? Wenn Sie einen Shunt-Widerstand in Ihrem Klassenraum haben, zeigen Sie ihn Ihren Studenten, nachdem sie ihre Meinung über die Konstruktion geäußert haben.

Frage 10

Für die Präzisionsstrommessung verwendete Shuntwiderstände haben immer vier Anschlüsse für die elektrischen Anschlüsse, obwohl normale Widerstände nur zwei haben:

Erklären Sie, was falsch wäre, wenn Sie die Bewegung des Voltmeters direkt an dieselben zwei Klemmen anschließen, die einen hohen Strom durch den Shunt-Widerstand leiten, wie folgt:

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Ein Zweidraht-Shunt-Widerstand-Anschluss ist aufgrund des Streuwiderstands innerhalb der Schraubverbindung zwischen den Drähten und dem Körper des Shunt-Widerstands nicht so genau wie ein vieradriger Shunt-Widerstand.

Herausforderung: Zeichnen Sie eine schematische Darstellung aller Streuwiderstände innerhalb des Zweidraht-Shunt-Anschlusskreises, um das Konzept zu verdeutlichen.

Anmerkungen:

Obwohl ein paar Bruchstücke eines ohmschen "Streu" -Widerstands möglicherweise nicht viel erscheinen, sind sie signifikant im Gegensatz zu dem bereits (sehr) niedrigen Widerstand des Körpers des Shunt-Widerstands.

Eine der konzeptuellen Schwierigkeiten, mit denen ich bei Studenten oft konfrontiert wurde, ist die Verwirrung darüber, wie viel Widerstand, Spannung, Strom usw. eine "signifikante" Menge darstellen. Zum Beispiel haben mir die Studenten gesagt, dass der Unterschied zwischen 296, 342, 5 Ohm und 296, 370, 9 Ohm "wirklich groß" ist, obwohl es tatsächlich weniger als zehn Tausendstel Prozent der Basiswiderstandswerte ist. Studenten subtrahieren einfach die beiden Widerstände und erhalten 28, 4 Ohm, dann denken sie, dass "28.4" eine signifikante Größe ist, weil sie mit einigen der anderen Werte, mit denen sie vertraut sind, verglichen werden kann (100 Ohm, 500 Ohm, 1000 Ohm usw.) ).

Umgekehrt können Schüler die Bedeutung von einigen Hundertstel Ohm eines Streuwiderstands in einer Shunt-Widerstandsschaltung nicht sehen, wenn der gesamte Widerstand des Shunt-Widerstands selbst nur einige Hundertstel Ohm beträgt. Was bei Genauigkeitsproblemen am wichtigsten ist, ist der Prozentsatz oder Fehler, nicht der absolute Wert des Fehlers selbst. Dies ist eine weitere praktische Anwendung von Schätzfähigkeiten, die Sie bei jeder Gelegenheit verstärken sollten.

Frage 11

Shuntwiderstände, die einen sehr geringen Widerstand haben, werden üblicherweise aus relativ großen Metallmassen hergestellt. Ihr präziser Widerstand wird durch einen Prozess kalibriert, der als Trimmen bekannt ist, bei dem ein Techniker eine Metallfeile nimmt und Metall von dem Nebenschlussleiter "trimmt", bis der Widerstand seinen korrekten Wert erreicht. Dies funktioniert natürlich nur, wenn der Shunt-Widerstand absichtlich mit einem zu niedrigen Widerstand hergestellt wird. Wie der alte Zimmermanns-Witz sagt: "Ich habe das Brett zweimal geschnitten und es ist immer noch zu kurz!"

Da diese Shunt-Widerstände solch unglaublich niedrige Widerstandswerte haben, wie messen wir den Widerstand eines Shunts mit hoher Genauigkeit während des "Trimm" -Prozesses "# 11"> Entdecke die Antwort Verberge die Antwort

Bauen Sie das Amperemeter auf und trimmen Sie den Shunt-Widerstand mit einem kalibrierten Strom durch.

Anmerkungen:

Die Antwort auf diese Frage ist täuschend einfach, aber äußerst praktisch. Sicher, es wäre schön, jederzeit in unserem eigenen Labor die bestmögliche Prüf- und Kalibrierausrüstung zur Verfügung zu haben, aber wir müssen realistisch sein. Es ist extrem wichtig für Ihre Schüler, dass sie solche Probleme aus praktischer Sicht diskutieren. Es ist Ihre Aufgabe und Ihr Privileg als ihr Ausbilder, Ihre eigenen Erfahrungen in solche Diskussionen einzubringen und Schüler mit realistischen Hindernissen für ihre (oft) idealistischen Erwartungen herauszufordern.

Frage 12

Ein wichtiger Schritt beim Aufbau eines analogen Voltmeters oder Amperemeters besteht darin, den Spulenwiderstand der Meterbewegung genau zu bestimmen. In der elektrischen Messtechnik ist es oft einfacher, extrem genaue ("Standard") Widerstandswerte zu erhalten, als genau gleiche Spannungs- oder Strommessungen zu erhalten. Eine Technik, die verwendet werden kann, um den Spulenwiderstand einer Meterbewegung zu bestimmen, ohne dass Spannung oder Strom genau gemessen werden müssen, ist wie folgt.

Verbinden Sie zuerst einen Widerstandstyp mit einer dekadischen Box in Reihe mit einer geregelten Gleichstromquelle und dann mit der zu testenden Zählerbewegung. Stellen Sie den Widerstand der Dekadenbox so ein, dass sich die Bewegung des Messgeräts zu einem bestimmten Punkt auf seiner Skala bewegt, vorzugsweise der Markierung (100%). Zeichnen Sie die Widerstandseinstellung der Dekadenbox als R 1 auf :

Schließen Sie dann einen bekannten Widerstand parallel zu den Terminals der Zählerbewegung an. Dieser Widerstand wird als R s, der Shunt- Widerstand, bezeichnet. Die Auslenkung der Meterbewegung verringert sich, wenn Sie dies tun. Stellen Sie den Widerstand der Dekadenbox erneut ein, bis die Auslenkung der Messuhr an ihren ursprünglichen Platz zurückkehrt. Zeichnen Sie die Widerstandseinstellung der Dekadenbox als R 2 auf :

Der Spulenwiderstand der Zählerbewegung (R- Spule ) kann nach folgender Formel berechnet werden:

R Spule = R s


R 2

(R 1 - R 2 )

Ihre Aufgabe besteht darin, zu zeigen, woher diese Formel kommt, und sie aus dem Ohmschen Gesetz und allen anderen Gleichungen abzuleiten, die Sie für die Schaltkreisanalyse kennen.

Hinweis: In beiden Fällen (Dekadenbox auf R 1 eingestellt und auf R 2 eingestellt ) ist die Spannung über den Spulenwiderstand der Zählerbewegung gleich, der Strom durch die Zählerbewegung ist der gleiche und die Versorgungsspannung ist gleich.

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Ein Ausgangspunkt ist die Spannungsteilergleichung VR = VT ((R / (R T ))), die auf jedes Schaltungsszenario angewendet wird:

V Meter = R Spule


R 1 + R Spule

V Meter = R Spule || R s


R 2 + (R Spule || R s )

Da wir wissen, dass die Spannung des Zählers in beiden Szenarien gleich ist, können wir diese Gleichungen gleich setzen:

R Spule


R 1 + R Spule

= R Spule || R s


R 2 + (R Spule || R s )

Anmerkung: Die doppelten Balken in der obigen Gleichung stellen das parallele Äquivalent von R coil und R s dar, für die Sie den entsprechenden mathematischen Ausdruck haben.

Anmerkungen:

Dieses Problem ist eigentlich nichts anderes als eine Übung in der Algebra, obwohl es auch dazu dient, zu zeigen, wie präzise elektrische Messungen durch die Verwendung von Standardwiderständen anstelle präziser Voltmeter oder Amperemeter erhalten werden können.

Frage 13

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Das mathematische Analysieren von Schaltkreisen erfordert viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Messen und notieren Sie sorgfältig alle Komponentenwerte vor dem Schaltungsaufbau.
  2. Zeichnen Sie das schematische Diagramm für die zu analysierende Schaltung.
  3. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  4. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  5. Analysiere die Schaltung mathematisch und löse alle Werte von Spannung, Strom usw.
  6. Messen Sie diese Mengen sorgfältig, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  7. Wenn es wesentliche Fehler gibt (mehr als ein paar Prozent), überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihrer Schaltung gegen das Diagramm, dann berechnen Sie die Werte sorgfältig neu und messen Sie erneut.

Vermeiden Sie sehr hohe und sehr niedrige Widerstandswerte, um Messfehler durch das "Laden" des Messgeräts zu vermeiden. Ich empfehle Widerstände zwischen 1 kΩ und 100 kΩ, es sei denn, der Zweck der Schaltung ist es, die Auswirkungen der Zählerbelastung zu veranschaulichen!

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, besteht darin, mit einer sehr einfachen Schaltung zu beginnen und schrittweise Komponenten hinzuzufügen, um nach jeder Analyse die Komplexität zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen Spannungs- und Stromwerte mathematisch vorherzusagen. Auf diese Weise wird die mathematische Theorie "lebendig", und die Studenten erlangen praktische Fertigkeiten, die sie nicht nur durch Lösen von Gleichungen gewinnen würden.

Ein weiterer Grund für das Praktizieren dieser Methode ist es, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall mathematische Vorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Studenten, die Ihren Kurs "Meta-Tags hidden-print" nehmen?

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