5. AKIM VE GERĐLĐM ÖLÇÜMÜ AMAÇLAR 1. Döner çerçeveli ölçü aletini (d Arsonvalmetre) tanımak.. 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.. 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 de gösterilmiştir. Eğer R direncinden geçen akımı ölçmek istiyorsak iç direnci r olan d'arsonvalmetreye paralel bir R şönt direnci bağlayarak bir ampermetre oluştururuz. Bu durumda R direncinden geçen I akımının bir kısmı d'arsonvalmetreden, bir kısmı ise R şönt direncinden geçer. Böylece uygun R şönt dirençleri kullanılarak ana koldaki akım istenilen oranda bölünebilir ve istenilen şiddetteki akımlar ölçülebilir. Pratikte kullanılan birçok ampermetrenin içinde ölçü aralığını genişletmeye yarayan birçok R şönt direnci ve bunlara bağlı bir komütatör (çoklu anahtar) bulunmaktadır. I I I 1 R şönt + - V Şekil. Ampermetre Devresi (kesikli çizgiler içindeki kısım). r I R
Şekil deki devrede R direncinden geçen I akımı, Kirchhoff akım yasasına göre; I = I 1 +I (1) olur. Kirchhoff gerilim yasasına göre; I r = I 1 R şönt () olacaktır. Kirchhoff akım yasasına göre de; I 1 =I-I (3) şeklinde yazılabilir. () ve (3) bağıntılarını kullanarak da istediğimiz tam ölçek sapması için gerekli R şönt değeri hesaplanabilir. D'Arsonvalmetreden geçen akım, ölçmek istediğimiz I akımına ve R şönt direncine bağlıdır. Đç direnci r sabit olduğundan, uygun R şönt 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 R seri direnci bağlayarak bir voltmetre oluştururuz. Bu durumda V geriliminin bir kısmı d'arsonvalmetre üzerinde, bir kısmı ise R seri direnci üzerinde görünür. Böylece uygun R seri dirençleri kullanılarak V gerilimi istenilen oranda bölünebilir ve istenilen büyüklükteki gerilimler ölçülebilir. Pratikte kullanılan birçok voltmetrenin içinde ölçüm aralığını genişletmeye yarayan birkaç R seri direnci ve bunlara bağlı seçici bir komütatör bulunmaktadır. I r R seri + - V Şekil 3. Voltmetre devresi (kesikli çizgiler içindeki kısım). Şekil 3 teki devrede Kirchhoff gerilim yasasına göre ; V=V 1 +V (4) olur. Burada V 1, döner çerçevenin sargı direnci r deki gerilim, V de R seri deki gerilimdir. Dolayısıyla; V= Ir+IR seri (5) olacaktır. Görüldüğü gibi (5) nolu bağıntı kullanılarak istediğimiz V gerilimi için gerekli R seri değerini hesaplanabilir. V gerilimi d'arsonvalmetrenin iç direnci r ve R seri üzerindeki gerilim düşmelerine bağlıdır Đç direnci r sabit olduğundan, uygun R seri 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 00 miliamper olan bir ampermetre oluşturabilmek için gerekli R şönt direnç değerini hesaplayınız ve gerekli direnci ilgililerden isteyiniz.. Deneyde kullanılan d Arsonvalmetrenin skalası 0-5 arasında bölümlendirilmiştir. Tam ölçek sapması 00 ma olan bir ampermetre için her bir aralığın kaç miliampere karşılık geldiğini hesaplayınız ve raporunuza not ediniz. 3. Şekil 4 teki deney düzeneğini, R şönt 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 00mA yı aşmasın. 5. 0-00 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 00mA 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 R seri direnç değerini hesaplayınız ve gerekli direnci ilgililerden isteyiniz.. 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, R seri 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. 0-5 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.. 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 X 1 ve X ölçülen iki değer ise X 1 ve X ye göre yüzde hatası (X 1, d'arsonvalmetre ile ölçülen akım veya gerilim değeri, X, doğruluğuna güvenilen ölçü aleti ile ölçülen akım veya gerilim değeridir), X 1 X H 1 = 100 (9) X olacaktır. Elimizde H, H 3 gibi daha başka hata değerleri varsa bunların ortalaması, H1 + H + H 3 H = (10) 3 bağıntısından bulunacaktır. (9) ve (10) bağıntılarını kullanarak yaptığınız voltmetre ve ampermetre için yüzde hata ortalamalarını hesaplayınız ve sonucunu yorumlayınız. SORULAR 1. Tam ölçek sapması için gerekli akımı 0 miliamper olan bir d Arsonvalmetreyi tam ölçek sapması 10 miliamper olan bir ampermetreye dönüştürebilir miyiz? Nedenleriyle birlikte yazınız.. Şekil 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 R şönt değerini hesaplayınız. 4. Deneyde kullandığımız d Arsonvalmetreyi kullanarak tam ölçek sapması 40 V olan bir voltmetre yapmak için gerekli R seri değerini hesaplayınız 6
KAYNAKLAR 1. James J. BROPHY (Köksal, Kıymaç, Yüksel, Zengin) Çeviri, Fenciler Đçin Temel Elektronik, Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Yayınları.. Berkeley Fizik Laboratuarı II, Hacettepe Üniversitesi Yayınları, 1970. 3. http://myweb.tiscali.co.uk/montecarlo/marine-electrical/ch9.htm 7