Miten Permanentti Magneetti Liikkuva Kela (PMMC) Mittari Toimii ja Mitkä Sen Tärkeimmät Ominaisuudet Ovat?

Permanentti magneetti liikkuva kela (PMMC) mittari on analoginen mittalaite, joka perustuu Lorentzin voimaan, ja sen perusperiaate on, että sähkövirta tuottaa magneettikentässä liikkuvan kelan ympärille vääntömomentin, joka saa mittarin osoittimen liikkumaan. Tämä liikkuva kela on käämitetty ohueen kuparilankaan, ja sen liike perustuu siihen, että virta kulkee käämin läpi ja vuorovaikuttaa magneettikentän kanssa.

Mittarissa käytettävä magneettikenttä saadaan aikaan pysyvällä magneetilla, joka tuottaa magneettivirtauksen, joka kulkee käämin läpi. Käämi on kiinnitetty kahteen tukeen ja sen ympärillä on pyörivä rakenne, joka mahdollistaa sen liikkumisen, mutta liike on rajoitettu kahdella heliaspringillä. Nämä jouset estävät käämin liiallisen pyörimisen ja palauttavat sen alkuperäiseen asentoonsa. Mittarin osoitin on kytketty yläpäähän ja liikkuu asteikolla, joka mittaa kulman, johon käämin liike on johtanut.

Kun käämi liikkuu, se voittaa jousien palauttavan momentin $\tau_R = K_s \theta$, joka on verrannollinen liikkumiseen ja säilyttää mittarin tasapainotilan. Tasapainossa oleva kulma $\theta$ vastaa suoraan virran määrää ja määrittää mittarin lukeman. Kaava $\theta = K_M I_x$ kertoo, kuinka virta $I_x$ vaikuttaa kulmaan $\theta$, ja $K_M$ on mittarin vakio, joka ilmaisee, kuinka paljon virta vaikuttaa kulman muutokseen.

Tärkeä osa mittarin toiminnassa on sen "kokonaisasteikko" (full-scale) ja sen tarkkuus (resolution). Kokonaisasteikko määrittelee sen, kuinka suuri virta aiheuttaa maksimaalisen kulman liikkeen asteikolla. Esimerkiksi, jos PMMC-mittari on suunniteltu niin, että 1 μA virta tuottaa kulman muutoksen 1 asteen, niin 100 μA virta saa mittarin liikkumaan 100 astetta. Mittarin tarkkuus puolestaan ilmoittaa sen, kuinka pienin mahdollinen virran muutos voidaan mitata ilman epäselvyyksiä. Mittarin resoluutio voi siis olla esimerkiksi 1 μA, ja se ilmaistaan suhteena kokonaisvirtaan, kuten 1/100.

Tämäntyyppiset mittarit, jotka perustuvat liikkuvan kelan pyörimiseen magneettikentässä, ovat erityisen käyttökelpoisia tarkkoihin virran mittauksiin, koska niiden liike on suoraan verrannollinen mitattavan virran arvoon. Tällöin mittarista saatu lukema voidaan helposti lukea ja tulkita asteikolta, ja sen luotettavuus riippuu mittarin mekaanisten ja sähköisten komponenttien tarkkuudesta sekä niiden vuorovaikutuksesta.

Miksi potentiometri on standardoitava ennen jokaista mittausta?

Potentiometrin kalibrointi eli standardointi on välttämätön vaihe, jotta mittaukset perustuvat tunnettuun ja tarkasti määriteltyyn vertailuarvoon. Standardointi takaa, että jännitteen lukema on fysikaalisesti todenmukainen eikä vain likimääräinen arvio. Kun potentiaalimittarin piiriin asetetaan vakiojännite ja virta, mittaus ei riipu mittalaitteen sisäisistä ominaisuuksista tai hetkellisistä sähköisistä vaihteluista, vaan perustuu suoraan määriteltyyn referenssiin. Tämä tekee potentiometristä huomattavasti tarkemman kuin useimmat suorat jännitteenmittausmenetelmät.

Ennen mittauksen aloittamista varmistetaan, että $R_p I_p = 100,000$ mV. Käytännössä tämä tarkoittaa, että potentiometrin referenssivastus $R_p$ on tarkalleen suunnitellun arvoinen ja virta $I_p$ säädetään täsmälleen 10,000 mA:iin. Tätä menettelyä kutsutaan potentiometrin standardoinniksi. Kun standardointi on suoritettu, mittaus voidaan suorittaa ilman, että mittavirhe kasvaa sisäisten komponenttien ominaisuuksien vuoksi.

Potentiometrin sisäinen vastusrakenne muodostuu tässä esimerkissä 14 kiinteästä vastuksesta ja 10 Ω:n liukuvastuksesta, mikä antaa yhteensä 150 Ω. Jos mitattava jännite on esimerkiksi 3,0 V ja haluttu virta on edelleen 10,00 mA, kokonaisresistanssin tulee olla 300 Ω. Tällöin RC ja RF muodostavat yhteensä tarvittavan lisävastuksen (150 Ω), joka yhdessä perusresistanssien kanssa mahdollistaa virran tarkkaan säätämisen.

Miten mitata faasi ja taajuus oskilloskoopilla: Vaiheittaiset mittausmenetelmät ja niiden käytännön sovellukset

Kun halutaan mitata faasi ∅ oskilloskoopilla, voidaan käyttää vertailijaa (opamplifier) nollatason ylityksen havaitsemiseksi. Tämän menetelmän avulla voidaan analysoida eri signaalien vaihe-eroja ja tarkasti määrittää, kuinka ne eroavat toisistaan. Esimerkiksi, jos syötämme vx-signaalin opamplifiaattorin ei-invertoivaan tuloporttiin, kuten kuvassa 7.16a on esitetty, saamme ulostuloksi symmetrisen neliöaaltosignaalin, joka heijastaa syötteen vaihtelevaa polariteettia. Kun opamplifiaattori saa positiivisen syötteen, sen ulostulo nousee ja saturoituu positiiviseen jänniteeseen +VC. Vastaavasti negatiivisen syötteen tapauksessa ulostulo laskee negatiiviseen jännitteeseen −VC.

Tätä mittausmenetelmää pidetään erittäin tarkkana, sillä siinä ei esiinny merkittävää epätarkkuutta, kuten saattaisi tapahtua muissa mittausmenetelmissä. Yksi menetelmän etu on, että faasin mittaaminen ei ole yhtä monimutkaista, koska kuviot oskilloskoopin näytöllä voidaan helposti yhdistää yksiselitteisiin arvoihin, mikä poistaa mahdollisuuden väärinymmärryksiin, erityisesti kun faasi on negatiivinen.

Kun tarkastellaan muita signaaleja, kuten vy = VySin(2ωt), voidaan oskilloskoopin x–y-tilassa mitata taajuuden suhdetta. Esimerkiksi jos syötämme x-tuloihin VxSin(ωt) ja y-tuloihin VySin(2ωt), saamme kuvion, jossa voidaan arvioida signaalien taajuusmittauksia. Kuvioissa, kuten kuvassa 7.19a ja 7.19b, näkyvät Lissajous-figuurit, jotka tarjoavat yksinkertaisen tavan mitata taajuus-suhteita erityisesti silloin, kun taajuus on suhteessa toiseen tunnettuun taajuuteen.

Oskilloskoopin x–y-tilassa voidaan myös käyttää hysteresis-ilmiön mittaamista pehmeiden ferromagneettisten materiaalien kohdalla, kuten muuntajissa ja keloissa. Tällöin voidaan mitata magneettisen kentän voimakkuuden ja magneettisen fluxin tiheyden välistä suhdetta ja laskea materiaalin rautahäviöitä. Esimerkiksi, jos ferromagneettiseen ytimeen syötetään jännitesignaali ja mitataan virta, voidaan oskilloskoopilla visualisoida hystereesikäyrä, joka antaa arvion materiaalin häviöistä.

Hystereesikäyrä kuvaa magneettisen kentän ja fluxin välistä suhdetta ja sen pinta-ala kertoo energiasta, joka menetetään magneettisen kierroksen aikana. Tämä on keskeistä muun muassa sähkömagneettisten laitteiden tehokkuuden optimoinnissa, sillä ferromagneettisten materiaalien rautahäviöt vaikuttavat suoraan laitteen toimintaan ja energiatehokkuuteen.

Tällaiset mittaukset ovat hyödyllisiä erityisesti sähkömagneettisten komponenttien suunnittelussa ja testauksessa, sillä ne mahdollistavat syvällisen ymmärryksen materiaalien käyttäytymisestä ja tehokkuudesta eri taajuuksilla ja voimakkuuksilla.

Tärkeää on huomioida, että vaikka oskilloskooppi on erittäin tehokas mittausväline, sen käyttö edellyttää syvällistä ymmärrystä signaalien käytöstä, opamplifiaattoreiden toiminnasta ja taajuusmittauksista. Käytännön sovellukset voivat vaihdella yksinkertaisista mittauksista monimutkaisiin järjestelmäanalyysiin, ja jotta mittauksista saadaan tarkkoja ja luotettavia, käyttäjän on tunnettava laitteiden ominaisuudet ja rajoitukset.