电压表设计

如前所述，大多数仪表运动都是敏感设备。一些 D’Arsonval 机芯的满量程偏转电流额定值低至 50 µA，（内部）线电阻小于 1000 Ω。这使得电压表的满量程额定值仅为 50 毫伏 (50 µA X 1000 Ω)！为了从这种敏感的运动中构建具有实用（更高电压）刻度的电压表，我们需要找到某种方法将测量的电压量降低到运动可以处理的水平。

D'Arsonval 运动计

让我们以 D'Arsonval 仪表机芯开始我们的示例问题，该机芯具有 1 mA 的满量程偏转额定值和 500 Ω 的线圈电阻：

使用欧姆定律 (E=IR)，我们可以确定有多少电压将驱动这个仪表直接移动到满量程：

E =I R E =(1 mA)(500 Ω) E =0.5 伏

如果我们想要的只是一个可以测量 1/2 伏特的仪表，那么我们这里的裸表运动就足够了。但要测量更高水平的电压，还需要更多的东西。为了获得超过 1/2 伏特的有效电压表量程，我们需要设计一个电路，仅允许精确比例的测量电压在仪表移动过程中下降。

这将把仪表移动的范围扩展到更高的电压。相应地，我们需要在仪表面上重新标记刻度，以指示其连接该比例电路后的新测量范围。

但是我们如何创建必要的比例电路呢？好吧，如果我们的目的是让这个仪表移动来测量更大的电压 与现在相比，我们需要的是一个分压器 电路将总测量电压按比例分配到仪表运动连接点上的较小部分。知道分压器电路是由系列构成的 电阻，我们将在仪表机芯上串联一个电阻（使用机芯自身的内阻作为分压器中的第二个电阻）：

倍增电阻

串联电阻被称为“乘法器”电阻器，因为它乘法 仪表移动的工作范围，因为它按比例划分了测量的电压。如果您熟悉串联电路分析，确定所需的乘法器电阻值是一件容易的事。

例如，让我们确定必要的乘法器值，以在 10 伏的施加电压下使这个 1 mA、500 Ω 的运动准确读取满量程。为此，我们首先需要为两个串联组件建立一个 E/I/R 表：

知道运动将在 1 mA 电流通过它时达到满量程，并且我们希望这发生在 10 伏的外加（总串联电路）电压下，我们可以这样填写表格：

有几种方法可以确定乘法器的电阻值。一种方法是使用“总”列中的欧姆定律确定总电路电阻 (R=E/I)，然后减去 500 Ω 的运动以得出乘数的值：

计算相同电阻值的另一种方法是确定在满量程偏转 (E =IR) 时运动两端的电压降，然后从总电压降中减去该电压降，得出乘法电阻器两端的电压。最后，可以再次使用欧姆定律来确定乘法器的电阻 (R=E/I)：

无论哪种方式都提供相同的答案（9.5 kΩ），一种方法可以用作另一种方法的验证，以检查工作的准确性。

在仪表测试引线（来自某些电池或精密电源）之间施加恰好 10 伏的电压时，将有 1 mA 的电流通过仪表运动，这受到“乘法器”电阻器和运动自身内阻的限制。机芯线圈的电阻上将下降 1/2 伏特，指针将精确指向全刻度。将刻度重新标记为从 0 到 10 V（而不是 0 到 1 mA）读数，任何查看刻度的人都会将其指示解释为 10 伏。

请注意，仪表用户根本不必意识到运动本身实际上只是测量来自外部源的十伏电压的一小部分。对用户而言，重要的是电路作为一个整体能够准确显示总施加电压。

这就是实用的电表的设计和使用方式：敏感的电表运动被构建为以尽可能小的电压和电流运行以获得最大的灵敏度，然后它被某种由精密电阻器构建的分压器电路“愚弄”，以便它当整个电路上施加更大的电压或电流时，表示满量程。我们在这里检查了一个简单的电压表的设计。电流表遵循相同的一般规则，不同之处在于并联连接的“分流”电阻器用于创建分流器 与串联分压器相反的电路 用于电压表设计的“乘法器”电阻器。

通常，为这样的机电仪表建立多个量程是很有用的，允许它通过单个运动机制读取广泛的电压范围。这是通过使用一个多极开关和多个乘法电阻器来实现的，每个电阻器的大小都适用于特定的电压范围：

五位开关一次只接触一个电阻。在底部（完全顺时针）位置，它完全不接触电阻，提供“关闭”设置。每个电阻器的大小都可以为电压表提供特定的满量程范围，所有这些都基于仪表移动的特定额定值（1 mA，500 Ω）。最终结果是一个具有四种不同满量程测量范围的电压表。当然，为了使这项工作更合理，仪表机芯的刻度必须配备适合每个量程的标签。

对于这样的仪表设计，每个电阻值都由相同的技术确定，使用已知的总电压、运动满量程偏转额定值和运动阻力。对于量程为 1 伏、10 伏、100 伏和 1000 伏的电压表，倍增电阻如下：

请注意用于这些范围的乘法器电阻值，以及它们的奇怪程度。极不可能在零件箱中找到 999.5 kΩ 精密电阻器，因此电压表设计人员通常会选择上述设计的变体，使用更常见的电阻值：

随着电压范围的不断升高，选择器开关将更多的倍增电阻器投入使用，从而使它们的串联电阻增加到必要的总和。例如，当量程选择器开关设置在 1000 伏位置时，我们需要 999.5 kΩ 的总乘法电阻值。通过这种仪表设计，我们将获得：

RTotal =R4 + R3 + R2 + R1 RTotal =900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω RTotal =999.5 kΩ

当然，优点是单个乘法器电阻值（900k、90k、9k）比第一个设计中的一些奇数值（999.5k、99.5k、9.5k）更常见。但从仪表用户的角度来看，功能上不会有明显差异。

评论：

• 通过向运动电路添加串联“倍增器”电阻器，为敏感的电表运动创建了扩展的电压表范围，提供精确的分压比。

相关工作表：

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