Расширение шкалы стрелочного вольтметра

Abel Raynus

EDN

Испытательное оборудование для производственной линии должно быть простым для понимания пользователя (читай «защищенным от дураков») и обеспечивать минимальное время тестирования. Во многих случаях испытательная установка должна давать оператору только один ответ: годен или брак. Обычно эту роль выполняют два индикатора: зеленый для годных изделий и красный для брака. В большинстве приложений датчик преобразует проверяемый параметр в напряжение, а испытательная установка должна измерить это напряжение и отобразить результат. Но иногда оператору необходимо наблюдать за динамикой контролируемого параметра, чтобы убедиться, что результаты находятся в допустимой «зеленой зоне». Например, при анализе поведения регулируемой системы оператору часто интересно знать отклонение параметра и оценку его среднего значения после того, как процесс достигнет установившегося состояния (Рисунок 1). В этой ситуации использование аналогового измерителя с отмеченными на шкале красной и зеленой зонами предпочтительнее использования цифрового или шкального светодиодного дисплея.

Желательно наблюдать отклонения значений напряжения внутри допустимой «зеленой зоны».
Рисунок 1. Желательно наблюдать отклонения значений напряжения
внутри допустимой «зеленой зоны».
 
Когда зеленая зона составляет всего 10% от полной шкалы, трудно увидеть отклонения от нормы.
Рисунок 2. Когда зеленая зона составляет всего 10% от полной шкалы,
трудно увидеть отклонения от нормы.

Предположим, что диапазон тестируемого напряжения составляет от 4.75 до 5 В. Чтобы сделать вольтметр с максимальным показанием 5 В на основе микроамперметра постоянного тока со шкалой 100 мкА, вы должны были бы использовать последовательный резистор 50 кОм. Шкала измерителя линейна, и на зону тестируемого напряжения приходится всего 5% от полной шкалы (Рисунок 2). Наблюдать за показаниями прибора в такой узкой зоне оператору сложно. Было бы желательно расширить зону тестируемых напряжений, скажем, до 90% от полной шкалы (Рисунок 3). Именно это и делает схема на Рисунке 4. Если контролируемое напряжение VTEST ниже порогового напряжения V2, диод D1 закрыт, и вольтметр состоит из микроамперметра и резистора R1. Когда контролируемое напряжение превышает порог V2, диод открывается, и резистор R2 подключается параллельно R1. Сопротивление вольтметра уменьшается, тем самым, расширяя шкалу измерений. Сопротивления резисторов R1, R2 и R3 можно рассчитать описанным ниже способом.

Расширение зеленой зоны до 90% от полной шкалы значительно упрощает считывание показаний.
Рисунок 3. Расширение зеленой зоны до 90% от полной шкалы значительно
упрощает считывание показаний.
 
Эта простая схема расширяет наблюдаемый диапазон результатов испытаний до 90% от полной шкалы.
Рисунок 4. Эта простая схема расширяет наблюдаемый диапазон
результатов испытаний до 90% от полной шкалы.

Напряжение 4.75 В в начале тестируемой зоны должно составлять 10% шкалы при соответствующем токе 10 мкА. Следовательно, без учета внутреннего сопротивления микроамперметра сопротивление резистора R1 равно 4.75 В/10 мкА или 475 кОм.

После того, как измеряемое напряжение превысит пороговый уровень 4.75 В, сопротивление вольтметра становится равным

Следовательно,

и

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Indicator features expanded scale

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Все расчёты сделаны для идеального диода. В реальности надо учитывать падение напряжения на диоде ~ 0,6-0,7 В. К тому же его сопротивление нелинейно, и зависит от протекаемого тока.
  • ты не совсем прав. это вольтметр с растянутой шкалой и измеряет от 4.75 до 5 вольт. характеристику можно считать линейной. эту задачу полста лет назад (а то и более) решили....
  • Наверное даже правильнее будет сказать, что не измеряет, а контролирует. Автор подробно описал назначение прибора, при котором контролируется динамика, а не конкретные значения.