Meters
Att mäta är att veta ....
Men hur, varför och med vad man mäter, är också bra att veta...
Ett undervisningsinstrument för att visa hur ett mätinstrument är konstruerat.
Voltas stapel, det första batteriet, med staplade skivor av olika metaller mellan pappersbitar indränkta i någon basisk lösning visades första gången i mars 1800, av italienaren Alessandro Volta (1745-1827). Detta startade olika experiment runt om i världen, eftersom nu fanns ett batteri, som kunde ge kontinuerlig ström. Till skillnad mot det gnidande av kattskinn mot diverse föremål tidigare, helst bärnsten (elektron på grekiska). Det byggdes både högre och vidare staplar i universitetens källare. Dansken Hans Christian Ørsted (1777-1851) fann sambandet mellan ström och magnetism mars 1820. En kompassnål rörde sig när strömmen slogs till och från i en ledare intill. Det var i princip det första mätinstrumentet som H C Ørsted hade upptäckt. André-Marie Ampère (1775-1836) fick strax nys om detta, och senare detta år studerade han hur strömmen påverkade krafter mellan ledare. 1827 la tysken Georg Ohm (1789-1854) fram sina studier som blev "Ohms lag" efter att säkert ha bränt fingrarna på olika tjocka och långa glödande trådar. Ørsted lindade tråden flera varv runt kompassen för att öka utslaget, så var lavinen igång med utvecklingen av mätinstrument, elmotorn, generatorn, reläet osv. Allt som styrdes av den magiska kraften i elektromagnetismen. Han fick enheten "Oe" magnetisk fältstyrka uppkallad efter sig. Engelsmannen Michael Faraday (1791-1867) uppfann generatorn 1831. Gaston Planté (1834-1889) uppfann blybackumulatorn 1859, nu gick det att spara energi från Faradays generator. Periodiska systemet uppställdes 1869 där det vetenskapligt bevisades, det man vetat i flera tusen år, att guld var mer värt än bonnjärn. 1879 demonstrerade Thomas Edison (1847-1931) en fungerande glödlampa efter otaliga experiment. Kroaten Nikola Tesla (1856-1943) byggde 1-fas växelströmsgeneratorer / motorer 1882. Senare trefassystemet. William Stanley (1858-1916) uppfann transformatorn 1886. Flera uppfinnare jobbade samtidigt med trefas-systemet, 1891 la svensken Jonas Wenström (1855-1893) (ASEA) fram sitt patent, som är grunden till att vi har 400V 50Hz Trollhätteström i våra hushåll. Alla dessa uppfinnare behövde elektriska mätinstrument, och även idag behöver du och jag mäta.
Enheten 1 Oe (örsted, ørsted, oersted), är lika med 1000/(4 x Pi) A/m, alltså Magnetisk fältstyrka. (A/m)
Ett instrument med skalan i milli Ørsted
Surplus instrument
Surplus vridspoleinstrument känns kanske lite föråldrade idag. Men de bör inte föraktas. De har sina fördelar i många sammanhang. Inga fladdrande siffror vid dynamiska mätvärden. Dessutom fungerar de utan "läckande" batterier. På loppisar hittas instrument från 1:- och uppåt fantasipriser. Många försöker tyvärr sälja trasiga instrument! Hur kollar man funktionen enkelt? Första testen...vrid instrumentet fram och tillbaka lite försiktigt. Rör sig visaren... då är det oftast mekaniskt OK. Nästa test.. ta fram bilnyckeln och kortslut polerna på baksidan. Vrid nu instrumentet fram och tillbaka igen. Om visaren har en lugnare rörelse än utan kortslutning så är det helt. Instrumentet fungerar nu som generator och du kortsluter strömmen med nyckeln, och det går tungt att flytta visaren. Bry dig inte om vad det är för skala. Oftast är instrumenten i grunden ett 100µA eller 1mA. Det kan vara graverat längst ner på skalan. En ny skala tillverkas lätt med datorn och skrivaren på ett nytt papper som klistras på baksidan av den befintliga skalplåten. Om mätaren kan avläsa spänningar direkt, så finns det ett inbyggt motstånd som kan klippas bort eller bytas om man vill ändra på funktionen. George Dobbs från engelska GQRP klubben har gjort ett litet hjälpmedel för att testa instrument på loppisar, Tripus
Men att mäta i högohmiga transistorkretsar behövs modernare grejer. Instrument som detta för 60:- SEK gör ett bra jobb. Där står gamla vridspoleinstrument sig slätt. Ingen bygger ett multiinstrument hemma i källaren numera med vridspolevisare.
Symbols
På skalplåten finns normalt lite symboler som talar om vad det är för instrumenttyp, hur det skall monteras, noggrannheten osv. Förutom detta kan det finnas serienummer, tillverkarnamn, datum och annant som för tillverkaren kan kännas viktigt.
Exempel på olika instrumentsymboler.
Olika symboler som kan hittas på instrumentskalor. Många av mina instrument är gamla och har symbolerna innan gemensam standard antogs. SM0AOM har hjälpt mig att utreda vissa äldre symboler. Äldre instrument följer naturligtvis sin "fabriksstandard". Senare växte det fram gemensamma standarder.
Broad Arrow
..
..
Symbolen "Broad Arrow", Pheon, som visar att instrumentet är "Goverment Property" i England. Symbolen har användts sedan 1680 på utrustning producerat för "Goverment". Det cirkulerar mycket engelska instrument sedan kriget med denna symbol.
Stämpel för att märka fängelsekunders kläder med...
..
På engelska instrument hittar man ofta detta 'F.G.' Är det någon som vet vad det betyder??
Hur fungerar de olika instrumenten?
Här är en utmärkt redovisning om de olika instrumentens funktion.
Vridspoleinstrument
Vridspoleinstrumentet är det vanligaste instrumentet. Det klarar endast likströmsmätning. Men kan kompletteras med likriktare och mäter då både lik och växelström. Finns från några µA till flera hundra mA. Är det större strömmar, monteras normalt en shunt på baksidan. En lagrad spole i ett magnetfält med anpassade fjädrar som drar till baka spolen till ett nolläge. Dyrare instrument har lagringar av ädelstenar.
Olika detaljer från ett vridspoleinstrument. Instrumentlikriktare och förkopplingsmotstånd till ett instrument för 260V. Vridspolen sitter monterad i en "hästskomagnet". Olika justeringar finnes för magneten och spolen.
Vridjärnsinstrument
Innan "ALLMÄNNA SVENSKA ELEKTRISKA AKTIEBOLAGET" blev förkortat till ASEA. Fabrikat Siemens&Halske
Vridjärnsinstrument mäter både lik och växelström. Det är inte alls så känsligt som ett vridspoleinstrument.. Detta instrument har en luftkammare som som ger visaren dämpad rörelse. Vridjärnsinstrumenten visar sannt effektivvärde (rms) för både lik och växelström.
Termokorsinstrument
Thermo-Couple
Principen för termokorsinstrument
Instrument för att direkt mäta HF-ström. T.ex i en antennledning.
Här är Karl-Arne's SM0AOM, klockrena beskrivning hur instrumentet fungerar:
Termokorsinstrument fungerar så att två tunna trådar av olika material, vanligen järn och platina, är hoplödda. Lödstället genomflyts av strömmen man önskar mäta.
Genom termoelektricitet bildas då en DC-spänning över lödstället som man kan mäta upp genom en känslig mA-meter.
Instrumentet mäter egentligen effekt (P = I^2*R), men är kalibrerat i ström.
Därav den kraftigt olinjära skalan.
Ett termokorsinstrument är ganska ömtåligt mekaniskt, och tål nästan inga elektriska överbelastningar.
Separat termokors för att mäta HF-ström och ansluts till ett separat vridspoleinstrument
Termokorset
Varmtrådsinstrument
Karl-Olof SM3CLA har här byggt en modell av ett varmtrådsinstrument. När den övre tråden värms upp av strömmen blir den längre. Fjädern drar då till sig snöret. Och eftersom snöret är lindat ett varv runt visaraxeln så kommer visaren att röra sig proportionellt mot strömmen. Ett enkelt instrument som fungerar både för lik och växelström
Vibrationsinstrument
Instrument för att mäta frekvensen. Oftast vid generatordrifter för att kontrollera att dieselmotorn eller turbinen håller rätt varvtal.
Tungorna är avstämda mekaniskt till respektive frekvens. De börjar att vibrera när de träffas av motsvarande frekvens.
Effektinstrument
Ett stort effektinstrument som suttit i en testutrustning. Det var på den tiden då det inte bara var att klämma en mättång över ledarna.
Med skalan borttagen så kommer det fram lite mer grejer än som är vanligt på vridspoleinstrument. Det var inte så lätt att mäta effekt. Effekten är U × I. Vi måste mäta både spänningen och strömmen... dessutom i tre faser, men sen då?? Det skall kombineras i en visare.
Se så klurigt man löste detta, med att kombinera spänningen och strömmen. Två vridspolar är förbundna mekaniskt med en tunn tråd. Gjutna bearbetade metaller. Instrumentet måste ha kostat skjortan redan på den tiden. Troligen 40-talet.
En mekanik som ingen mekanisk konstruktör idag behöver befatta sig med. Det löses med några rader kod i ett program.
Och vad betyder dessa tecknen nu?? W = Effekt. Liggande läge, Elektrodynamiskt system med sluten järnkrets, Trefasinstrument med två faser spänning och strömkretsar, och 2kV provspänning. Och vilka fina skruvar, specialsvarvade!
.
Anodbatteriinstrument.
Det var på den tiden det satt anodbatterier i våra reseradioapparater. Specialinstrument för att kunna testa batterierna med eller utan lastmotstånd.
Exempel till att använda surplus loppis instrument
Håll ögonen efter instrument på loppisar, de är användbara till helgprojekt.
Amperemeter
En variant av expanderad amperemeter. Denna koppling ger tyvärr högt spänningsfall. Men borde gå att anpassa till modernare transistorer.
Genom att utnyttja spänningsfallet i en grov kabel går det att mäta strömmen med ett känsligt instrument. Fäst mättrådarna med plåtskruv direkt i kabeln. Nu talar vi om lågspänning i bilar/båtar. Gör inte detta på nätanslutna utrustningar! Med mitt nolla på instrumentet avläses strömriktningen också. T.ex in eller ut ur batteriet.
Voltmeters
Spänning kan inte mätas direkt av ett vridspoleintrument. Utan man låter en viss storlek av ström passera instrumentet, och med Ohm's lag kan vi sedan gradera instrumentet. Så ju mindre ström (och normalt dyrare instrument) som behövs för fullt utslag, desto mindre belastas mätobjektet. Det brukar också innebära känsligare mekanisk uppbyggnad. Som ska hanteras varsamt. Med ett förkopplingsmotstånd avgörs hur hög spänning som kan avläsas.
Olika tillämpningar
Ibland kan det vara praktiskt att dra ut skalan där den mest intressanta avläsningen finnes. T.ex i husvagnen, båten eller solcellsanläggningen för att hålla koll på batterispänningen. Normalt pendlar spänningen mellan 11V och full laddning 14.5V. Kör man ner ett batteri för djupt i spänning tar det skada. Det finns olika varianter på att expandera skalorna.
Expanded Voltmeter
Enkel variant av expanderad skala. Tyvärr är skalan helt olinjär, så den måste mätas upp innan den kan tillverkas.
Expanded Voltmeter
En annan expanderad skala som börjar vid 10V.
Expanded Voltmeter
Ytterligare en variant av förskjuten skala på en voltmeter.
Expanded Voltmeter
Denna krets ger en linjär skala där ett instrument på 0...5V ger en avläsning av 10....15V. En positiv och en negativ regulator är allt som behövs.
Exempel på ett instrument till en 24V batterianläggning i en båt
RF-Current Meters
Innan halvledardiodernas tid användes ett speciellt instrument för att mäta RF ström i antennledningar. Thermocouple, termokors-instrument. På loppisar är det inte ovanligt att instrumenten är "avbrända", allså kassa! Här finns en länk till en kille som bygger RF Ammeters. Ytterligare en länk till enkla RF strömmätare
Men idag när vi har dioder, och Schottkydioder, snabba med lågt framspänningsfall, så kan vi använda ett normalt vridspoleinstrument. Shuntmotståndet får testas fram efter önskad RF-ström och användt instrument. Växelströmmen styres med diodernas hjälp alltid i en riktning genom instrumentet och shuntmotståndet. Kondensatorn förbikopplar den lilla induktans som fins i vridspolen.
.
Ett annat bättre sätt att mäta RF-ström där 1/50 del av strömmen tappas av och ledes till instrumentet
The Stockton Bi-Directional inline Watt Meter
Denna äkta powermeter utvecklade David till GQRP och är väl värd att leta 100µA instrument till. Här visas både effekten fram som bakåt samtidigt i 50 ohm. Stocktons artikel i SPRAT 61 vintern 1989. Det är ingen SWR-meter. WA8MCQ förklarar lite här. Den kärna, SEI S1 (gul), som Stockton använde är lite svårfångad, men materiel 43 och 61 går bra att använda. Ingen justering behövs, utan det är toleransen på 100 ohmsmotstånden som bestämmer noggrannheten till 50 ohm.
Test
Testuppkoppling med BN-43-202, "gristryne", på ett skrotat laminat. Eftersom skalan blir olinjärt logaritmisk på visarinstrumentet får man rita upp den efter uppmätning. Denna lilla kärna borde klara minst 25W. Dioderna börjar att leda vid ca 0.1W och med ca 28k på förmotstånden blev maxutslaget 10W på mina surplusinstrument. Junkboxdioder OA79.
Och i skärmad låda...
Directional Power Meter
En annan variant av direction meter. Från denna site
Relative Power Meter
Om man bara är intresserad att trimma sändaren till max pulver. Kan denna enkla relativa mätare byggas. Prova med de kärnor du hittar i lådan.
Field Strength Meter
Ett gammalt knep att mäta utstrålad effekt från antennen. Här med halvvågslikriktning i en germaniumdiod tappas en liten antenn på signalen. Och här vill man ha ett så känsligt instrument som möjligt. 25....100 µA för fullt skalutslag.
Quick field strength meter
Den allra enklaste fältstyrkemätaren. Lägg en diod över polerna och anslut två trådar. Så här gick det till när man med en telefonhörlur lyssnade på mellanvågssändaren lokalt (i förra seklet). En diod direkt över polerna, luren till örat, minustråden i munnen och plustråden hållandes mot stuprör, stängsel eller vad man nu hittade. Stolt lyssnandes till "AGA +1, ASEA -2.... vad det betydde hade man ingen aning om, men det var ju ljud i luren. På natten gick alla europas stationer in...samtidigt!
Om du på nästa loppis hittar ett känsligt vridsspoleinstrument 20....100µA. Med ett oetsat kretskort och 10 minuter. Så har du en fungerande fältstyrkemeter i stationsrummet. Ritsa spår i kretskortet och löd komponenterna direkt på folien. Montera kortet direkt på instrumentets anslutningsskruvar. Beroende av vilken anslutningsmutter som är "+", vänd översta dioden rätt. De två dioderna över instrumentet behövs ej för funktionen och kan slopas, men de skyddar instrumentet mot för hög ström vid höga fältstyrkor. Dioderna börjar att leda del av strömmen förbi instrumentet när spänningen överstiger framspänningsfallet 0.2 ...0.3V.
Ett kvällsprojekt så har du en fältstyrkemeter som kompis när du startar sändaren. Fällde in instrumentet i en överbliven trallbit av ek, ett stöd på baksidan. En hylsa, för t.ex teleskopantenn, direkt på kortet. Enklare kan det inte bli. Så leta nu µA instrument på nästa loppis innan efterfrågan stiger... Stora instrument med hög impfaktor hemma på bordet och pyttesmå transportabla i fält. Eftersom det är relativ mätning, är det överkurs att rita ny skala.
Skillnader på storlekar...
Samma princip fast med helvågslikriktning
I verkligheten
Fälteffektmätare monterad i en Biltema matbox
Power Meter
Principen att registrera uteffekten från t.ex. en sändare i ett 50R effektmotstånd och sen mäta spänningen över detta, dela upp skalan i motsvarande W. Motståndet måste tåla effekten från sändaren och vara fri från egen induktans. Trådlindade motstånd stör mätvärdet. Lite mera teori här och här.
Lika ovan men med helvågslikriktning
Ett sätt om man med samma instrument vill mäta olika effekter.
Current in open wire feeder
Ett enkelt sätt att mäta antennströmmen i en stege
Stegen går helt enkelt genom varsin ringkärna. Dessutom kan balansen uppskattas.
Twin QRP RF METER
Ytterligare en feeder mätutrustning från SPRAT. Vilka kärnor han använder går inte att se men prova med FT50-43, FT50-61 t.ex.
Expanded Power Meter
Normal meter.....Expanded meter
Hur många av er har inte hört det där lilla "tiiing" när visaren studsar runt höger ändstopp, och den svarta fina visarfärgen krackelerar lite! Här är ett knep att kunna avläsa små effekter och dessutom kan instrumentet hantera höga effekter. Funktionen är enkel. Med optokopplaren så shuntas instrumentet. När det är låga effekter tänder inte lysdioden och instrumentet förblir oshuntat, men ju högre spänning som kommer till lysdioden börjar den att lysa på transistorn som då leder en del av strömmen förbi instrumentet. Skalan måste manuellt uppmätas för att sen ritas. Varje typ av optokopplare har sin egenhet. Genom att trimma med motstånden R1 och R2 kan man få sin egen personliga expansion av skalan. Med trimmotståndet justeras maxeffekten vid fullt skalutslag. Dioderna måste tåla den spänning som utvecklas över effektmotståndet. Så QRO-Nissarna får dela ner spänningen några gånger över ett motståndsnät innan dioderna.
Enkel testuppkoppling på en bit kretskort direkt på anslutningspolerna på instrumentet.
En havererad laboratoriepotentiometer på en loppis...vad skulle han ha den till? 10:-
Bortrensning av lite onödigt och uppborrning för att ge plats till ett instrument.... Ett effektmotstånd monteras direkt mot det tjocka huset.
50 ohms precisions effektmotstånd.
Så blir det ett perfekt instrument att trimma QRP sändare med .... Utslag från 1mW upp till 10W utan behov av omkoppling. Och inga inbyggda batterier behövs, som förr eller senare kommer att läcka.
Ny skala uppritad och utskriven på skrivaren. Det ska erkännas att det blir inte 1% avläsning men vi amatörer trimmar ändå till max av vad vi kan få ut av våra riggar...
Skalan uppritad efter uppmätning via oscilloskop.
Special
Här är ett instrument jag inte kunde motstå på en loppis. Någon har haft ett mättekniskt problem att lösa. Genom att montera en glödlampa i mitten och spegla denna mot en bit blankt staniolpapper på visarspetsen så har olika mätnivåer kunnat detekteras på respektive fotomotstånd. Helt galvaniskt skillt!
EL-FEL
Detta instrument finns i mina gömmor. Det ser ut att ha tvivelaktig klassning. Vridjärnsinstrument utan skala. Det enda spårbarhet är ett instansat serienummer "L372". Och på baksidan med blyerts finner man " 43:- med ??? (otydligt) och 24:50 utan. Vadå?? Var det väska och sladdar? Plats för ett 4,5V batteri finns i botten.
S-Meterskala
Färdig skala för testkörare... så inga misstag sker...