Danas je nabavljen cijevni elektronski voltmetar američkog proizvođača RCA (RCA Victor Co. Inc.) pod oznakom WV-98C Senior VoltOhmyst iz 1964. godine. Tvrtka RCA proizvela je tri verzije ovog voltmetra pod istim nazivom koji se međusobno razlikuju uglavnom samo po oznakama i natpisima na skali instrumenta te nekim konstrukcijskim detaljima.
Cijevni elektronski voltmetar WV-98C dizajniran je za mjerenje:
- istosmjernog napona do 1500 V u 8 mjernih opsega,
- efektivne vrijednosti (RMS) sinusnog izmjeničnog napona do 1500 V u 7 mjernih opsega,
- vršnih vrijednosti (peak to peak) amplituda sinusnih izmjeničnih napona do 4200V u 7 mjernih opsega,
- vršnih vrijednosti (peak to peak) amplituda složenih izmjeničnih napona i signala do 2000V u 7 mjernih opsega,
- električnog otpora od 0,2 Ω do 1000 MΩ u 7 mjernih opsega.
Ulazni otpor instrumenta iznosi 11 MΩ za istosmjerne opsege, a za izmjenične opsege unutarnji otpor kreće se od 0,83 MΩ kod nižih mjernih opsega do 1,5 MΩ kod viših mjernih opsega. Izmjenični naponi do 5 V mogu se mjeriti u opsegu od 30 Hz do 3 MHz, a uz upotrebu posebne mjerne sonde sa kristalnom diodom mogu se mjeriti frekvencije do 250 MHz. Točnost mjerenja iznosi 3% na puni otklon skale.
Kao što smo rekli sve tri verzije voltmetra WV-98C imaju istu električnu shemu, a razlike među istima očituju se u slijedećem:
- Prva (najranija) verzija voltmetra WV-98C ima u lijevom gornjem kutu tinjalicu za indikaciju uključenosti instrumenta na napajanje u obliku provrta na skali sa iscrtanim crvenim krugom. U desnom gornjem kutu je logo tvrtke RCA. Natpis na dnu skale je: “RADIO CORPORATION OF AMERICA, CAMDEN, N.J., USA”. Skale su u crvenoj boji za očitanje vršnih vrijednosti izmjeničnih napona dok su sve ostale skale u crnoj boji. Četiri crvene skale raspoređene su u tri polja.
- Druga verzija voltmetra ima tinjalicu za indikaciju uključenosti smještenu u crveno plastično kućište na istom mjestu kao i kod prve verzije. Natpis na dnu skale promijenjen je u: “RADIO CORPORATION OF AMERICA, HARRISON, N.J., USA”. Četiri crvene skale za vršne vrijednosti raspoređene su u dva polja. Dodano je ogledalo ispod kazaljke skale za točnije očitanje.
- Treća (posljednja) verzija voltmetra WV-98C ima promijenjen logo iz RCA u VIZ. Promijenjena je boja skale za mjerenje otpora kao i oznake omskih mjernih opsega na preklopniku iz crne u zelenu. Također je donekle promijenjen dizajn gumba na preklopnicima instrumenta kao i njihova boja iz zagasito plave u crnu. Natpis na dnu skale promijenjen je u: “VIZ MFG CO PHILA. PA., 19144”.
Svaki mjerni instrument koji se spaja u strujni krug radi mjerenja ima i određeni električni utjecaj na taj krug samim time što i kroz instrument teče neka struja uzeta iz mjerenog strujnog kruga. Time instrument spojen u strujni krug uvijek više ili manje remeti prvobitni odnos električnih veličina u krugu. Teži se tome da utjecaj instrumenta u strujnom krugu bude što je moguće manji (zanemariv).
Mjerni instrument će imati to manji utjecaj na prvobitne veličine u strujnom krugu što kroz njega teče manja struja, odnosno što ima veći vlastiti otpor u strujnom krugu. Za različite izvedbe analognih mjernih instrumenta (sa zakretnim svicima ili pomičnim željezom) generalno vrijedi pravilo da što je instrument većeg unutarnjeg otpora i osjetljiviji to je također i tehnički zahtjevniji za izradu, osjetljiviji na mehanička i električna preopterećenja i u konačnici znatno skuplji za izradu. S druge strane, čak i najjednostavniji elektronski instrumenti u rangu su sa najboljim analognim instrumentima. Dakle najveća prednost elektronskih instrumenata je veliki ulazni otpor čime se minimalno utječe na mjereni strujni krug (reda nekoliko megaoma) i velika osjetljivost bez potrebe da i sam analogni pokazivač na kraju mjernog kruga bude osjetljiv jer aktivne komponente unutar elektronskih instrumenata pojačavaju ulazni mjereni signal.
Cijevni elektronski voltmetar WV-98C bazira se na dvostrukoj triodi 12AU7A sa instrumentom priključenim između anoda (u nekim izvedbama instrument može biti priključen i između katoda). Kao što se vidi na shemi rešetka desne triode je na stalnom potencijalu dok se mjerni napon dovodi na rešetku lijeve triode. Kada nema vanjskog napona obje anode trebaju biti na istom potencijalu tako da instrument (mikro-ampermetar sa punim otklonom na 200 uA) nema otklon, odnosno pokazuje nulu. Ovo stanje ravnoteže napona na anodama podešava se potenciometrom ZERO ADJ. (u nekim izvedbama ovakav potenciometar može biti vezan i na rešetku desne triode). Treba napomenuti kako je poremećaj ravnoteže mosta uzrokovan vlastitim utjecajem sklopova unutar instrumenta (uslijed promjene temperature, varijacije napona napajanja, starenja komponenti i sl.) izražen problem kod svih elektronskih instrumenata, cijevnih i tranzistorskih. Za ovu pojavu koristi se termin “klizanje nule” ili “drift” te se kod boljih uređaja primjenjuju različite metode za umanjenje ove pojave, a podešavanje nule (ravnoteže mosta) treba izvršiti prije svakog mjerenja sa kratko spojenim stezaljkama instrumenta. Na našem voltmetru nula se namješta potenciometrom ZERO ADJ., no ovim potenciometrom može se kazaljka instrumenta dovesti i u središnji položaj (ZERO CENTER) pa instrument radi kao galvanometar. Također, voltmetar WV-98C ima i vijak za mehaničko podešavanje kazaljke na nulu.
Ako se na rešetku lijeve triode dovede neki pozitivni napon, doći će do porasta struje kroz lijevu triodu, čime će se poremetiti ravnoteža i instrument će pokazati određeni otklon. Voltmetar WV-98C radi dakle na principu uravnoteženog mjernog mosta sa dvije triode (anode su gornja grana mosta, a katodni otpornici donja grana mosta), gdje dolazni naponi na jedan kraj mosta uzrokuju njegovu neravnotežu koja se zatim mjeri instrumentom za zakretnim svitkom. Jednostavniji cijevni voltmetri imaju samo jednu triodu, a drugu triodu zamjenjuje otpornički djelitelj napona kojim se drugi kraj instrumenta dovodi na potencijal anode. Prednaponi triode moraju se odabrati tako da ista radi u svom linearnom dijelu karakteristike.
Razumljivo je da će instrument biti osjetljiviji što ima veće pojačanje. Međutim, sa većim pojačanjima opet dolazi do izražaja i veći drift, tako da i tu postoje granice. Ovo je posebno izraženo kod pojačanja istosmjernih napona, pa se kod boljih voltmetara istosmjerni napon prvo pretvara u izmjenični, zatim se pojačava, nakon čega se ponovno ispravlja za prikaz na instrumentu. Naime, kod pojačavanja izmjeničnih napona stupnjevi pojačala mogu se odvojiti kondenzatorima što isključuje pojavu drifta. Pretvarači istosmjernog napona u izmjenični za ovu namjenu zovu se eng. chopper pojačala.
Izmjenični napon potrebno je prije mjerenja ispraviti u istosmjerni. Kod našeg voltmetra izmjenični napon ispravlja se preko spoja dvostruke diode 6AL5 sa kondenzatorima C1 i C2. Radi se o kaskadnom spoju umnoživača napona sa diodama i kondenzatorima kakav smo već susreli kod IONIZATORA ZRAKA gdje je opisan i njegov princip rada. Najjednostavnije rečeno kondenzatori C1 i C2 pune se naizmjenično u ritmu pozitivnih i negativnih poluperioda preko dioda na vrijednosti vršnih napona poluperioda. Pošto su kondenzatori vezani serijski, njihov napon se na izlazu zbraja. Kondenzatori se u ciklusima pune, ali također i prazne, te je u kaskadi prvi kondenzator uvijek na naponu jedne poluperiode, a svi ostali su na zbroju napona obje poluperiode izmjeničnog napona na ulazu. U našem primjeru u kaskadi imamo samo dvije diode i dva kondenzatora pa se na izlazu dobije ispravljena vršna vrijednost ukupne periode izmjeničnog napona od vrha do vrha (peak to peak). Na taj način je ovim instrumentom omogućeno mjerenje vršnih vrijednosti izmjeničnog napona. Iako smo u uvodu rekli da instrument može mjeriti različite oblike izmjeničnog napona, iz opisa je jasno da se kondenzatori trebaju napuniti na punu vršnu vrijednost napona kako bi mjerenje bilo točno, tako da neki valni oblici sa vrlo kratkim pulsevima vjerojatno neće uspjeti napuniti kondenzatore na punu vršnu vrijednost pa to treba imati u vidu kod mjerenja takvih signala. Također greške mogu nastati i zbog premale frekvencije pulseva gdje će se kondenzatori već djelomično isprazniti prije nailaska idućeg pulsa. Na kraju, zbog ograničenja samih elemenata u krugu elektronskog voltmetra određena je i granica najviše frekvencije izmjeničnih napona koji se još može precizno mjeriti.
Kod svih mjerenja sam analogni instrument je električki odvojen od ulaznih napona koji se mjere preko elektronske cijevi 12AU7A u mosnom spoju. Ova elektronka ograničava struju preko mjernog instrumenta čime se smanjuje mogućnost oštećenja istog prevelikim strujama.
Za voltmetar WV-98C dizajnirane su tri vrste ispitnih sondi. Naš primjerak nabavljen je bez sonde, no osnovna sonda je zapravo metalni šiljak na vrhu plastičnog rukohvata, na kojem se pomoću sklopke može serijski uklopiti otpornik od 1 MΩ. Otpornik se uklapa u serijski krug samo kod mjerenja istosmjernih napona, dok se kod mjerenja izmjeničnih napona i otpora kratko spaja, odnosno mjerenje ovih veličina vrši se izravnim dovođenjem napona na priključnicu instrumenta. Priključnica mjerne sonde je stari standardni tip mikrofonske priključnice (tzv. „switchcraft“ tip) koji je danas još uvijek moguće nabaviti iz inozemstva ali je to za naše potrebe ovdje neisplativo zbog relativno visoke cijene. Za naš instrument postoji još RF demodulatorska sonda u koju je ugrađena kristalna dioda i RC krug, a ona proširuje temeljni frekvencijski opseg mjerenja od 30Hz-3MHz na 50KHz-250MHz. Također, postoji još i visokonaponska mjerna sonda u koju se može ugraditi pogodni otpornik za proširenje mjernih opsega, a za ovaj voltmetar predviđen je otpornik od 1090 MΩ kojim se mjerni opsezi proširuju za x100, odnosno do 50 kV na najvišem opsegu mjerenja. S obzirom da voltmetar sa spomenutim otporom u visokonaponskoj sondi ima ukupni otpor od oko 1100 MΩ pogodan je za mjerenje visokih istosmjernih napona prisutnih kod televizijskih katodnih cijevi, ionizacijskih komora detektora radijacije, ionizatora zraka, nekih fotocijevi i sl. gdje je uz visok napon jačina struje jako ograničena.
Voltmetar WV-98C napaja se mrežnim naponom 110-130V, 50-60Hz pa je za upotrebu na našoj mreži potreban transformator 220/110V. Također, kako ne bi došlo do oštećenja instrumenta, na isti se ne smije priključiti veći napon od maksimalnog dopuštenog za određeno mjerno područje. Zato je nepoznate napone najbolje prvo mjeriti na većim mjernim opsezima, a zatim po potrebi prelaziti na manje mjerne opsege.
Za mjerenje otpora, kao i kod svakog drugog ommetra, potreban je neki vanjski izvor istosmjernog napona. U našem slučaju to je standardna baterija od 1,5V. Unutar instrumenta ona je spojena negativnim polom na masu, a pozitivnim polom, preko otpornika koji se mjeri, na ulaz voltmetra, odnosno na sklopku za izbor mjernog opsega (vidi shemu). Time se zapravo mjeri pad napona baterijskog članka na otporniku kojem mjerimo otpor, a očitanje se vrši na skali baždarenoj u omima. Sa naponom od 1,5V ovim instrumentom možemo mjeriti otpore do 1000 MΩ. Ukoliko pak postoji potreba za mjerenjem većih otpora (npr. mjerenje otpora izolacije), može se u serijski mjerni krug priključiti neki izvor većeg istosmjernog napona (20-500V), gdje se onda vrijednost otpora jednostavno izračuna iz vrijednosti pada napona na mjerenom otporniku po formuli:
R = 11 x (Ua – Ub) / Ub
gdje je Ua napon istosmjernog izvora, a Ub pad napona na mjerenom otporniku.
Nakon skidanja kućišta instrumenta prvo se uočava mrežni transformator sa selenskom diodom i kondenzatorom u ispravljačkom dijelu. Mala selenska ispravljačka dioda predviđena je za napone do 130V i struje od 30mA i preko nje se osigurava pozitivni anodni napon za dvostruku triodu 12AU7A od 88V (sama elektronska cijev može biti priključena na anodni napon od najviše 300V, međutim zbog gore opisanih pojava drifta pojačanje je ovdje ograničeno nižim anodnim naponom). Transformator osigurava i izmjenični napon od 6,3V za grijanje katoda elektronskih cijevi.
Na gornjoj slici uočeno je da je uložak baterije učvršćen sa dva komada papira. Uvijek je zanimljivo pogledati što se korisniku uređaja moglo naći pri ruci za ovakve popravke prije nekoliko desetljeća. U objavi C4328 – RUSKI MJERNI INSTRUMENT ZA AUTO-ELEKTRIČARE podložak za bateriju bio je načinjen od nekakvog tajanstvenog rukom iscrtanog zemljiovida. Ovdje pak su to dvije papirnate bušene kartice koje su služile kao medij za pohranu podataka kod ranih računala, odnosno kao svojevrsna programska memorija kod programski upravljanih strojeva. Bušene kartice masovno su bile u upotrebi u prvoj polovici 20-tog stoljeća, a potpuno su istisnute iz upotrebe nakon 1970-tih godina. Spomenimo još da je postojalo više međusobno nekompatibilnih standarda bušenih kartica od koji je najrašireniji bio IBM-ov stardand, no ova naša dva primjerka pripadaju rijeđem Remington Rand UNIVAC standardu.
Na tiskanoj pločici instrumenta ističu se četiri trimerska otpornika za kalibraciju instrumenta posebno za svaku vrstu mjerenja.
Shema instrumenta je relativno jednostavna i u unutrašnjosti uređaja lako se raspoznaju sve komponente. Malo se teže snaći u povezivanju višepoložajnih sklopki koje se koriste za izbor mjernih područja i vrste mjerenja. Za mjerna područja to je 8-položajna sklopka, a za vrste mjerenja 5-položajna sklopka. Međutim, svaka sklopka ima uz to na osovini paralelno nanizanih 6 segmenata kontakata sa različitim rotirajućim kontaktima različito raspoređenih kontakata na svakom segmentu. Na shemi su segmenti (razine) sklopke za mjerna područja prikazani u gornjoj vodoravnoj liniji, a segmeti sklopke za vrstu mjerenja u središnjem vodoravnom dijelu. Osjetljivi mjerni instrument punog otklona od 200uA vidi se na donjoj slici (izgled sa zadnje strane).
Testiranje cijevnog voltmetra WV-98C pokazalo je da je instrument u potpunosti ispravan. Regulacija nule, odnosno dovođenje kazaljke u središnji položaj lako se postiže i maksimalni otkloni su u skladu s uputama proizvođača, što znači da su elektronske cijevi još uvijek u odličnom stanju. Instrument je testiran na svim mjernim opsezima i svi rezultati su bili u granicama deklarirane tolerancije. Inače nije uputno ovako stare uređaje priključivati na napajanje bez izmjene elektrolitskih kondenzatora i provjere ispravnosti drugih kritičnih elemenata ali za ovaj slučaj ocijenili smo da je to prihvatljiv rizik. Prije uključenja na napon 110V ispitana je samo ispravnost mrežnog transformatora jer je bilo za očekivati da ga je već netko možda pokušao spojiti na 220V. Srećom, pokazalo se da su svi namoti omski ispravni, a nije bilo ni vidljivih tragova mogućih oštećenja komponenti uslijed spajanja na previsok napon.
Vrlo kvalitetan i osjetljiv instrument za zakretnim svitkom najvrednija je komponenta ovog našeg cijevnog voltmetra. No, iako se vjerojatno više nikad neće koristiti u nekim elektroničkim mjerenjima, šteta bi bilo rastaviti jedan ovako lijepi primjerak cijevnog elektronskog voltmetra, posebice nakon što je sačuvao funkcionalnost kroz sva ova desetljeća svojeg postojanja. Stoga i njemu zasluženo pripada mjesto za odmor na (sve punijoj) vintage polici elektroničkih mjernih uređaja 🙂