ساختمان دستگاه های اندازه گیری 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 1- آهن ربای دائم 2- کفشک قطب ها 3- استوانه نرم 4- سیم 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 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 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 1 میکرو آمپر یک درجه انحراف دارد به ازای 2 میکرو آمپر دو درجه انحراف دارد. حساسیت: نسبت انحراف عقربه (زاویه گردش عقربه) به جریان عبوری از سیم پیچ را حساسیت گویند. 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 مشخص می کنند اگر عدد حساسیت را عکس کنیم جریان حد اکثر انحراف را نشان می دهد. اگر حساسیت ولت متری 20kΩ/v باشد و حساسیت ولت متر دیگری 50kΩ/v باشد. کدام حساس تر می باشند. جریان حداکثر انحراف را بدست آورید.

ساختمان ولت متر DC همانطور که قبلا“ گفته شده انحراف عقربه گالولنمتر رابطه خطی با جریان گالوانمتر دارد. یعنی اگر برای انحراف کامل جریان گالوانمتر 100 میکرو آمپر باشد. برای انحراف نصف عقربه جریان گالوانمتر باید 50 میکرو آمپر باشد. اگر مقاومت داخلی گالوانمتر RG باشد و جریان عبوری برای انحراف کامل IG باشد. در دو سر گالوانمتر افت ولتاژ VG=RGIG ایجاد می شود. و شمای فنی گالوانمتر به صورت زیر است.

مقاومت داخلی گالوانمتر بین 200 تا 5000 اهم می باشد مقاومت داخلی گالوانمتر بین 200 تا 5000 اهم می باشد. این مقاومت مربوط به مقاومت داخلی سیم پیچ و مسائل دینامیکی گالوانمتر می باشد. اگر در یک گالوانمتر RG=4KΩ باشد و IG=30μA باشد افت ولتاژ دو سر گالوانمتر چقدر است؟ اگر به جای 30 میکرو آمپر 15 میکرو آمپر از گالوانمتر عبور کند. میزان انحراف و افت ولتاژ در دو سر گالوانمتر چقدر است. انحراف نیز نصف می شود

گالوانمتر با RG=4KΩ و IG=30μA را 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 0 تا 120 میلی 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 0 تا 1 ولت را اندازه گرفت مقدار مقاومت سری شده چه قدر است؟ 120mV

توسعه رنج گالوانمتر یا ولت متر اگر یک گالوانمتر دارای RG و IG معلوم باشد. این گالوانمتر می تواند ولتاژهای 0 تا VG=RGIG را اندازه بگیرد. اگر بخواهیم ولتاژهای بیشتری را اندازه بگیرد باید با گالوانمتر مقاومت سری کرد. گالوانمتری با RG=4KΩ و IG=25μA وجود دارد. می خواهیم از این گالوانمتر به عنوان ولت متر استفاده کنیم به طوریکه ولتاژهای 0 تا 1 ولت و 0 تا 10ولت و 0تا 100ولت و 0 تا 500ولت مدار آن را رسم کنید. 4KΩ 100mV

1000mV 4KΩ 100mV

4KΩ 100mV ساختمان ولت متر

ساختمان ولت متر AC آند کاتد اگر بجای ولتاژ DC به ولتاژ AC استفاده شود با توجه به رابطه θ=KI عقربه به سمت چپ و راست حرکت خواهد کرد. در این حالت نمی توان ولتاژ را اندازه گرفت. برای اندازه گیری ولتاژ AC ابتدا باید ولتاژ AC را به ولتاژ DC تبدیل کرد. برای این مهم از المان الکترونیکی به نام دیود استفاده می شود. شمای فنی دیود به صورت زیر است. آند کاتد

مقدار DC این ولتاژ برابر است با

برای روشن شدن دیود یا برای هدایت دیود 0. 6v ولتاژ نیاز می باشد برای روشن شدن دیود یا برای هدایت دیود 0.6v ولتاژ نیاز می باشد.و این ولتاژ با تغییر دما تغییر می کند. از این رو ولت متر AC برای اندازه گیری ولتاژ های کم به کار نمی رود. برای سری کردن مقاومت ها در گالوانمتر AC باید به دو نکته دقت کرد که عبارتند از 1- ولتاژ AC برحسب موثر سنجیده می شود و باید درجه بندی برحسب موثر ورودی باشد . 2- گالوانمتر با ولتاژ DC کار می کند. لذا رابطه بین مقدار موثر و DC مد نظر است. به جای دیود یک مقاومت 3kΩ قرار می دهیم.

مثال: یک گالوانمتر با RG=4KΩ و IG=30μA داریم می خواهیم از این گالوانمتر به عنوان ولت متر 0 تا 10 ولت استفاده شود. مطلوب است. مقاومت RS

مثال: در یک گالوانمتر با RG=4KΩو IG=30μA مطلوب است محاسبه مقاومت ها به طوریکه ولتاژهای AC به رنج های 0تا 6و 0تا 30 و 0تا 150و 0 تا 300 ولت را اندازه بگیرد. در پایان مدار آن را رسم کنید.

آمپر متر DC قبلا“ 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 0 تا VG را اندازه بگیرد. اگر به عنوان آمپر متر به کار رود می تواند جریان 0 تا IG را اندازه بگیرد. با توجه به اینکه جریان IG در 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 RG چقدر است. این مقاومت نسبت به RG باید کمتر باشد.

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=30UA و RG=4KΩ داریم . می خواهیم آن را توسعه دهیم به طوریکه جریان های 0 تا 1 میلی آمپر و 0 تا 5 میلی آمپر و 0 تا 10 میلی آمپر و 0 تا 100 میلی آمپر اندازه بگیرد. مقاومت ها شنت را محاسبه کرده و مدار آن را رسم کنید.

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 0.91mA را 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=0 باشد 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 1-با پره های شعاعی 2-با پره های متمرکز 3- با 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.

مزایای دستگاه اندازه گیری دیجیتال 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 1- به دلیل نداشتن قسمت متحرک دارای طول عمر زیاد می باشند. 2- به عوامل فیزیکی از قبیل لرزش و رطوبت تمیزی هوا حساس نیستند. 3- قابل اتصال به کامپیوتر می باشند. در نتیجه قابل ذخیره و تصمیم گیری می باشند.

قسمت اصلی یک دستگاه دیجیتال ولت متر DC می باشد قسمت اصلی یک دستگاه دیجیتال ولت متر DC می باشد. ولت متر های دیجیتال به صورت AUTO RANG می باشند. یعنی با توجه به مقدار ولتاژ ورودی رنج خود را به صورت خودکار تعیین می کنند. اگر بخواهیم ولتاژ AC را اندازه بگیریم ابتدا توسط سلکتور ولت متر Ac را انتخاب کرده و سپس ولتاژ را اندازه گیری می کنیم. در ولت مت AC ابتدا ولتاژ AC به DC تبدیل می شود و ولتاژ یکسو شده به ولت متر داده می شود. آمپر متر دیجیتالی AUTO RANG نیستند و با توجه به مقدار جریان رنج انتخاب می شوند. اگر بخواهیم جریان AC را اندازه بگیریم ابتدا جریان توسط یکسو سازها به جریان DC تبدیل شده و سپس به ولت متر DC داده 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 اسلاید بعد یک نمونه مولتی متر دیجیتال نشان داده شده است.

کلید AC/DC : وقتی مولتی متر روشن است برای اندازه گیری ولتاژ AC ، AC و برای اندازه گیری ولتاژ DC، DC را فشار می دهیم. HOLD: برای 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. V : ترمینال برای اندازه گیری ولتاژ COM : ترمینال مشترک برای اندازه گیری کمیت ها Ω,μa,mA : برای اندازه گیری مقاومت و جریان 10A : برای اندازه گیری جریان های زیاد RANG : رنج به صورت خودکار یا دستی انتخاب می شود. O ADJ : برای 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 علامت روی صفحه نمایش نشان داده می شود. اگر روی صفحه نمایش علامت BAT ظاهر شود بیانگر این است که باتری ضعیف شده است. اگر در صفحه نمایش O ADJ نشان داده شود بیانگر این است کلید تنظیم صفر (O ADJ ) فشار داده شده است.