Deney 5 Akım ve Gerilim Ölçümü

5. AKIM VE GERĐLĐM ÖLÇÜMÜ
AMAÇLAR
1. Döner çerçeveli ölçü aletini (d’Arsonvalmetre) tanımak.
2. Bu ölçü aletinin akım ve gerilim ölçümlerinde nasıl kullanılacağını öğrenmek.
ARAÇLAR
Döner çerçeveli ölçü aleti (d'arsonvalmetre), dc güç kaynağı (ayarlanabilir), ampermetre, voltmetre, fişli
bağlantı kabloları, çeşitli dirençler.
GĐRĐŞ
Şekil 1’de şeması görülen d'Arsonvalmetre elektrik ölçü aletlerinde en yaygın olarak kullanılan
düzenektir. Bu düzenek başlıca şu ana parçalardan oluşur (Şekil 1a ve Şekil 1b’de gösterilmiştir);
1. Sabit manyetik alan oluşturmaya yarayan çelik mıknatıs.
2. Üzerinde sarımların bulunduğu döner çerçeve.
3. Döner çerçeve içinde düzgün bir manyetik alan oluşturmaya yarayan yumuşak, silindirik
demir göbek (sabit).
4. Döner çerçeveye karşı moment oluşturmaya yarayan spiral yaylar (iki adet).
5. Döner çerçeveye tutturulmuş yataklama milleri ve ibre.
6. Akım yada gerilim cinsinden ölçeklendirilmiş bir gösterge (skala).
Şekil1. a. Döner Çerçeve ve Spiral Yaylar.
b. D'Arsonvalmetre’nin iç yapısı.
D'Arsonvalmetre Şekil 1a ve Şekil 1b’de görüldüğü gibi, sabit bir mıknatısın kutupları arasındaki
manyetik alan içinde dönebilen bir akım makarasından (döner çerçeveden) oluşmaktadır. Döner çerçeve
üzerindeki sarımlardan akım geçirildiğinde bu akımın oluşturduğu manyetik alan, çelik mıknatısın
kutupları arasındaki sabit manyetik alan doğrultusunda yönelmek isteyecektir. Bu durumda döner
1
çerçeveye bir moment etki edecek ve döner çerçeve ile bunun mili üzerine tutturulmuş olan ibre hareket
edecektir. Fakat bu hareket döner çerçevenin alt ve üst millerine bağlanmış iki spiral yayın karşı moment
uygulaması ile bir yere kadar devam edip duracaktır. Đbre durduğu anda döner çerçeveden geçen akımın
yarattığı moment ile spiral yayların uyguladığı karşı moment birbirine eşit olacaktır. Döner çerçeve
miline tutturulmuş ibre, sarımlardan geçen akımla orantılı bir değeri, akım ya da gerilim cinsinden
ölçeklendirilmiş bir skala üzerinde gösterir. Döner çerçevenin içinde bulunan silindir şeklindeki
yumuşak demir göbek sabittir ve çelik mıknatısın kutupları arasındaki manyetik alanı düzgünleştirmeye
ve yoğunlaştırmaya yaramaktadır.
Buraya kadar ana hatlarıyla çalışması ve kısımları özetlenen d'Arsonvalmetre hem akım hem de gerilim
ölçmek amacıyla kullanılabilir. Bir d'Arsonvalmetrenin akım veya gerilim ölçümünde kullanılabilmesi
için, döner çerçevenin sargısından geçen tam ölçek sapmasına neden olan akım bilinmelidir. Tam ölçek
sapması, d'Arsonvalmetredeki ibrenin skala üzerindeki en büyük değeri göstermesidir, yani
uygulanabilecek en büyük moment değerindeki sapmasıdır. Bu akım değeri her d'Arsonvalmetre için
farklı olabilir.
Bir d'Arsonvalmetrenin tam ölçek sapması için gerekli akım ne kadar küçük ise duyarlılığı o kadar
yüksek olur. Böylece duyarlılığı artırmak için olabildiğince güçlü bir sabit manyetik alan kaynağı
(mıknatıs) kullanmak ve döner çerçeve sarımlarının olabildiğince iyi iletken tellerden ve çok sarımlı
olarak yapılması gerekmektedir. Fazla sarım kullanılması durumunda, döner çerçevenin oluşturacağı
manyetik alan artacaktır. Buna karşın, döner çerçevenin sarımlarının direnci, kütlesi ve dolayısıyla
eylemsizliği de artacağından uygulamada döner çerçeveli ölçü aletleri, birbirine uymayan bu
gereksinimler arasında bir uzlaşma sağlanacak şekilde imal edilirler. Ayrıca mil yataklarının
olabildiğince sürtünmesiz olması ve kullanılan spiral yayların yüksek esnekliğe sahip olması da
duyarlılığı artıracaktır.
Akım Ölçümü
Bir d'Arsonvalmetrenin akım ölçmek
için kullanıldığı devre Şekil 2’de
gösterilmiştir. Eğer R direncinden
geçen akımı ölçmek istiyorsak iç
direnci r olan d'Arsonvalmetreye
paralel bir Rşönt direnci bağlayarak bir
ampermetre oluştururuz. Bu durumda R
direncinden geçen I akımının bir kısmı
d'Arsonvalmetreden, bir kısmı ise Rşönt
direncinden geçer. Böylece uygun Rşönt
dirençleri kullanılarak ana koldaki akım
istenilen oranda bölünebilir ve istenilen
şiddetteki akımlar ölçülebilir. Pratikte
kullanılan birçok ampermetrenin içinde
ölçü aralığını genişletmeye yarayan
birçok Rşönt direnci ve bunlara bağlı bir
komütatör
(çoklu
anahtar)
bulunmaktadır.
I2
r
I1 Rşönt
R
I
I
+
-
V
Şekil 2. Ampermetre Devresi (kesikli çizgiler
içindeki kısım).
2
Şekil 2’deki devrede R direncinden geçen I akımı, Kirchhoff akım yasasına göre;
I = I1+I2
(1)
olur. Kirchhoff gerilim yasasına göre;
I2r = I1Rşönt
(2)
olacaktır. Kirchhoff akım yasasına göre de;
I1=I-I2
(3)
şeklinde yazılabilir. (2) ve (3) bağıntılarını kullanarak da istediğimiz tam ölçek sapması için gerekli Rşönt
değeri hesaplanabilir. D'Arsonvalmetreden geçen akım, ölçmek istediğimiz I akımına ve Rşönt direncine
bağlıdır. Đç direnci r sabit olduğundan, uygun Rşönt dirençleri seçerek ölçü bölgesini istediğimiz şekilde
daraltıp genişletebiliriz.
Gerilim Ölçümü
Bir d'Arsonvalmetrenin gerilim ölçmek için
kullanıldığı devre Şekil 3’te gösterilmiştir.
Eğer güç kaynağının V gerilimini ölçmek
istiyorsak d'Arsonvalmetreye seri bir Rseri
r
Rseri
direnci bağlayarak bir voltmetre oluştururuz.
Bu durumda V geriliminin bir kısmı
d'Arsonvalmetre üzerinde, bir kısmı ise Rseri I
direnci üzerinde görünür. Böylece uygun Rseri
dirençleri kullanılarak V gerilimi istenilen
oranda bölünebilir ve istenilen büyüklükteki
gerilimler ölçülebilir. Pratikte kullanılan
birçok voltmetrenin içinde ölçüm aralığını
+
genişletmeye yarayan birkaç Rseri direnci ve
V
bunlara bağlı seçici bir komütatör
Şekil
3.
Voltmetre
devresi
(kesikli çizgiler
bulunmaktadır.
içindeki kısım).
Şekil 3’teki devrede Kirchhoff gerilim yasasına göre ;
V=V1+V2
(4)
olur. Burada V1, döner çerçevenin sargı direnci r’deki gerilim, V2 de Rseri’deki gerilimdir. Dolayısıyla;
V= Ir+IRseri
(5)
olacaktır. Görüldüğü gibi (5) nolu bağıntı kullanılarak istediğimiz V gerilimi için gerekli Rseri değerini
hesaplanabilir. V gerilimi d'Arsonvalmetrenin iç direnci r ve Rseri üzerindeki gerilim düşmelerine
bağlıdır Đç direnci r sabit olduğundan, uygun Rseri dirençleri seçerek ölçü bölgesini istediğimiz şekilde
daraltıp genişletebiliriz.
3
DENEYĐN YAPILIŞI
Size verilen döner çerçeveli ölçü aletinin (d'Arsonvalmetrenin) sargı direnci r = 1,7 Ohm (Ω) ve tam
ölçek sapması için gerekli akım 19 miliamper (mA) dir. Bu aleti kullanarak gerekli eklemelerle bir
gerilimölçer (voltmetre) veya bir akımölçer (ampermetre) oluşturabiliriz.
A. AKIMÖLÇER
Şekil 4. Akımölçer deney düzeneği.
1. Tam ölçek sapması 200 miliamper olan bir ampermetre oluşturabilmek için gerekli Rşönt direnç
değerini hesaplayınız ve gerekli direnci ilgililerden isteyiniz.
2. Deneyde kullanılan d’Arsonvalmetrenin skalası 0-5 arasında bölümlendirilmiştir. Tam ölçek
sapması 200 mA olan bir ampermetre için her bir aralığın kaç miliampere karşılık geldiğini
hesaplayınız ve raporunuza not ediniz.
3. Şekil 4’teki deney düzeneğini, Rşönt direncini kullanarak kurunuz.
4. Güç kaynağını devreye bağlamadan önce gerilimi 3 V’ye ayarlayınız ve akım ayar düğmesini de
belli bir miktar çeviriniz .
Dikkat! Reosta sürgüsünü devreyi açmadan önce en son (en sağ) konuma getiriniz ki devredeki
akım değeri 200mA’yı aşmasın.
5. 0-200 mA arasında istediğiniz herhangi bir akım değerini reosta sürgüsünü sağa sola yavaş yavaş
hareket ettirerek elde ediniz.
6. Bu anda doğruluğuna güvendiğiniz dijital ampermetre ve oluşturduğunuz akımölçerin gösterdiği
değerleri raporunuza kaydediniz.
7. Aynı işlemi iki farklı akım değeri için tekrarlayınız. Bu şekilde toplam üç ölçüm yapmış olursunuz.
Dikkat! Reosta sürgüsünü hareket ettirirken direnci çok azaltmamaya dikkat ediniz. Çünkü
devredeki akım 200mA’i geçmemelidir. Aksi halde d’Arsonvalmetre zarar görebilir.
4
B. GERĐLĐMÖLÇER
Şekil 5. Gerilimölçer deney düzeneği.
1. Tam ölçek sapması 50 Volt olan bir voltmetre oluşturabilmek için gerekli Rseri direnç değerini
hesaplayınız ve gerekli direnci ilgililerden isteyiniz.
2. Deneyde kullanılan d’Arsonvalmetrenin skalası 0-5 arasında bölümlendirilmiştir. Tam ölçek sapması
50 V olan bir voltmetre için her bir aralığın kaç volta karşılık geldiğini hesaplayınız ve raporunuza
not ediniz.
3. Şekil 5’teki deney düzeneğini, Rseri direncini kullanarak kurunuz.
Dikkat! Devreyi kurmadan önce güç kaynağının akım ve gerilim ayarlarını sıfırlayınız.
4. Güç kaynağınızı açınız ve akım ayar düğmesini çok az çeviriniz.
5. 0-25 Volt arasında istediğiniz herhangi bir gerilim değerini güç kaynağının gerilim ayar düğmesini
yavaş yavaş çevirerek elde ediniz.
6. Bu anda doğruluğuna güvendiğiniz dijital voltmetre ve oluşturduğunuz gerilimölçerin gösterdiği
değerleri raporunuza kaydediniz.
7. Aynı işlemi iki farklı gerilim değeri için tekrarlayınız. Bu şekilde toplam üç ölçüm yapmış
olursunuz.
Dikkat! Güç kaynağınızın gerilim ayarını 50 Voltu geçmeyecek şekilde artırınız. Aksi halde
d’Arsonvalmetre zarar görebilir.
5
VERĐLERĐN ÇÖZÜMLENMESĐ
A. AKIMÖLÇER
1.
Akımölçerden okuduğunuz üç farklı akım değerini doğruluğuna güvenilen dijital ampermetreden
okunan değerle karşılaştırınız ve her değerin yüzde hatasını hesaplayınız.
2.
Ortalama yüzde hatayı bu üç yüzde hatayı kullanarak hesaplayıp raporunuza not ediniz.
B. GERĐLĐMÖLÇER
1. Akımölçer için yaptığınız işlemleri gerlimölçer için tekrarlayınız.
YÜZDE HATA HESABI
Yüzde hata hesabı basitçe şöyle yapılmaktadır:
Eğer X1 ve X2 ölçülen iki değer ise X1 ve X2’ye göre yüzde hatası (X1, d'Arsonvalmetre ile ölçülen akım
veya gerilim değeri, X2, doğruluğuna güvenilen ölçü aleti ile ölçülen akım veya gerilim değeridir),
H1 =
X1 − X 2
X2
(9)
× 100
olacaktır. Elimizde H2, H3 gibi daha başka hata değerleri varsa bunların ortalaması,
H1 + H 2 + H 3
(10)
3
bağıntısından bulunacaktır.
(9) ve (10) bağıntılarını kullanarak yaptığınız voltmetre ve ampermetre için yüzde hata ortalamalarını
hesaplayınız ve sonucunu yorumlayınız.
H=
SORULAR
1. Tam ölçek sapması için gerekli akımı 20 miliamper olan bir d’Arsonvalmetreyi tam ölçek sapması
10 miliamper olan bir ampermetreye dönüştürebilir miyiz? Nedenleriyle birlikte yazınız.
2. Şekil 2’deki ve Şekil 3’deki ampermetre ve voltmetre devrelerinden esinlenerek hem akım ve hem
de gerilim ölçme konumları olan bir ölçüm aleti tasarlayarak şemasını çiziniz.
3. Deneyde kullandığımız d’Arsonvalmetreyi kullanarak tam ölçek sapması 5 A olan bir ampermetre
yapmak için gerekli Rşönt değerini hesaplayınız.
4. Deneyde kullandığımız d’Arsonvalmetreyi kullanarak tam ölçek sapması 40 V olan bir voltmetre
yapmak için gerekli Rseri değerini hesaplayınız
6
KAYNAKLAR
1. James J. BROPHY (Köksal, Kıymaç, Yüksel, Zengin) Çeviri, “Fenciler Đçin Temel Elektronik”,
Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Yayınları.
2. Berkeley Fizik Laboratuarı II, Hacettepe Üniversitesi Yayınları, 1970.
3. http://myweb.tiscali.co.uk/montecarlo/marine-electrical/Ch9.htm
7