Hoe werken voltmeters en ampèremeters?

Henrik, 15 jaar
16 september 2020

Analoge voltmeters zijn redelijk makkelijk te begrijpen, maar ik breek mijn hoofd al een tijd over hoe de digitale variant werkt. Misschien vergelijken ze de spanning met honderdduizenden gekende spanningen, maar dan zouden ze binnenin honderden volt nauwkeurig moeten meten? Als ze een spoel gebruiken en het magnetisch veld meten, zou het slechter moeten werken als je een magneet in de buurt houdt? Ik zou graag lezen hoe een voltmeter/amperemeter werkt. Meet een voltmeter een stroompje over een weerstand of meet een amperemeter een spanning op een gekende weerstand?

Antwoord

Beste,

Er zijn meerdere systemen die op een elektronische manier een spanning kunnen meten.

In zowat alle gevallen zit er voor het meetsysteem en elektronische schakeling die (in het geval van wisselspanning) de spanning eerst omzet naar gelijkspanning, en de te meten spanning, door middel van een spanningsdeler, zal verzwakken naar een waarde tussen 0 en 5V (er zijn toestellen waar dat kan afwijken). Wil je extra kleine spanningen meten, zal een versterker gebruikt worden om de waarde te vergroten. Voor dat verzwakken/versterken worden vaste waarden gebruikt, dat is de reden waarom een multimeter meetbereiken heeft.

Er zijn meerdere systemen die veel gebruikt worden.  Ik beperk mij hier tot 2.

Ze zijn allemaal een vorm van Analoog naar Digitaal Conversie (ADC).

Het eerste systeem wordt gebruikt in multimeters en goedkope paneelmeters.

De onbekende (te meten) spanning wordt omgezet in een constante stroom, die afhankelijk is van de te meten spanning.

Daarvoor gebruikt men een operationele versterker (een elektronische versterker in 1 IC).

Die stroom wordt gedurende een constante tijd gebruikt om een condensator op te laden.

Daarna wordt die condensator met een gecalibreerde stroom terug ontladen (om die stroom op te wekken wordt een nauwkeurige spanningsbron in het toestel gebruikt), en wordt de tijd die daarvoor nodig is gemeten. Die "ontlaadtijd" is afhankelijk van de originele spanning. Uit de ontlaadtijd wordt dus berekend wat de gemeten spanning was (en op een display afgedrukt).

Dit systeem noemt men "dual slope ADC": https://en.wikipedia.org/wiki/Integrating_ADC

De elektronica die hiervoor nodig is, kan heel goedkoop gemaakt worden, waardoor het veel gebruikt wordt. Het belangrijkste nadeel van dit systeem is dat het traag is (enkele metingen per seconde). Het is daarom niet geschikt om bijvoorbeeld audio te sampelen of snelle metingen uit te voeren.

Het tweede systeem wordt gebruikt in toepassingen waar met hogere snelheden gemeten moet worden (tot enkele 1.000.000 metingen per seconde), (zie figuur hieronder).

Dit systeem heeft enkele nadelen (waaronder prijs en gevoeligheid voor storingen op het meetsignaal).

De ADC die gebruikt wordt bestaat inwendig uit een nauwkeurige spanningsbron (Vref). Die wordt met een serieschakeling van weerstanden (spanningsdeler) omgezet in een aantal deelspanningen, die een macht van 2 van elkaar verschillen (0, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, .....). Combinaties van die deelspanningen worden dan vergeleken met de te meten spanning.

Let op! inwendig werken de meeste van die omvormers slechts tussen 0 en 5V (in dit geval 10V). De te meten spanning moet dus eerst met een gekende factor gedeeld worden (door gebruik te maken van een spanningsdeler) om in dat bereik te vallen. De inwendige nauwkeurige spanningsbron is ook maximaal 5V (in dit geval 10V).

https://ars.els-cdn.com/content/image/3-s2.0-B9780750697026500093-f08-10-9780750697026.gif

De driehoekjes in het schema zijn comparatoren. Deze schakeling vergelijkt (compare) de 2 spanningen aan de + en - ingangen. De uitgang is 0 of 1 (digitale waarde), afhankelijk van welke de grootste spanning is (is de spanning op de + klem hoger dan die van de - klem, dan is de uitgang 1, is het omgekeerd, dan is het 0).

De blokjes aan de uitgangen van de driehoekjes zijn logische poorten (schakelingen die berekeningen doen op digitale 0/1), die zetten de uitgangen van de comparatoren om naar een 3 bit getal (000-001-010-011-100-101-110-111). Deze schakeling kan dus 8 spanningen meten. Willen we er 256 meten, zouden evenveel comparatoren nodig zijn. Hierdoor wordt de schakeling duur.

Er zijn mogelijkheden om de schakeling zo aan te passen (door goedkope elektronische schakelaars te gebruiken, en slechts 1 comparator) dat ze veel goedkoper wordt, maar ze wordt dan ook trager: https://en.wikipedia.org/wiki/Successive-approximation_ADC

 

Stromen worden inderdaad gemeten door ze om te zetten naar een spanning met een gekende weerstand.

 

Bovenstaande uitleg is heel beperkt. Over ADC's zijn boeken geschreven. Ik hoop dat mijn antwoord iets van de sluier heeft opgelicht.

mvg,

Reacties op dit antwoord

  • 18/09/2020 - Henrik (vraagsteller)

    Hartelijk bedankt!

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2024
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door EOS vzw