Danas je nabavljen voltmetar za mjerenje istosmjernog i izmjeničnog napona do 130 V njemačkog proizvođača Siemens & Halske iz 1920-tih godina.
Tvrtku Siemens & Halske (današnji Siemens AG) su davne 1847. godine osnovali njemački izumitelj Werner von Siemens i precizni mehaničar Johann Georg Halske kao kompaniju za gradnju telegrafskih i drugih električnih mreža, a do danas se razvila u jednu od vodećih svjetskih tvrtki na području elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija i drugih srodnih grana tehnike.
S obzirom da je Siemens & Halske u proizvodnji električne opreme prisutan od samih početaka široke primjene iste, a asortiman tvrtke uključuje veliki broj različitih električnih uređaja, danas je za neke proizvode te tvrtke teško odrediti godinu proizvodnje, posebice kad isti nema nikakvu oznaku modela i nije uvršten u popularne knjige i kataloge toga razdoblja. Iako se Johann Georg Halske iz tvrtke povukao već 1867. godine naziv Siemens & Halske zadržao se sve do kraja 1960-tih godina, no općenito gledano naziv tvrtke kao ni oblik loga tvrtke ne može biti pouzdan orijentir za preciznije datiranje nekog uređaja. Naš voltmetar s obzirom na ugrađene materijale i tehnologiju, specifikacije po starim njemačkim VDE standardima, serijskom broju otisnutim na skali kao i na osnovu nekih internetskih izvora možemo sa priličnom sigurnošću svrstati u sredinu 1920-tih godina. Siemens & Halske je proizvodio čitavu seriju različitih električnih mjernih instrumenata baziranih na istom dizajnu kao ovaj naš voltmetar. Takve instrumente nalazimo već u katalozima tvrtke Siemens & Halske s početka 1910-tih godina, no moguće je da su se isti u praktično nepromijenjenom obliku proizvodili i više desetljeća.
Fotografija električnih mjernih instrumenta istog dizajna kao naš voltmetar iz kataloga tvrtke Siemens & Halske iz 1912. godine.
Naš voltmetar bazira se na elektrodinamičkom (elektrodinamskom) mjernom sistemu. To je mjerni sistem koji ne sadrži nikakve permanentne magnete već se i stator i rotor sastoje od povezanih zavojnica kroz koje se propušta mjerna struja. Smjer struja kroz zavojnice (nepomične i pomične) je takav da kut otklona pomične zavojnice ovisi o zbroju struja kroz sve zavojnice sistema. U upotrebi su različite izvedbe elektrodinamičkih sistema, a možemo ih podijeliti na četiri osnovne grupe:
- elektrodinamički sistemi bez željeza
- elektrodinamički sistemi zaštićeni željezom
- elektrodinamički sistemi zatvoreni željezom
- astatički elektrodinamički sistemi
Naš voltmetar spada u grupu elektrodinamičkih sistema bez željeza (zavojnice ne zatvaraju magnetski tok preko nikakvih feromagnetskih materijala nego su u zraku). Dobra stvar kod takvih sistema je što nema problema sa histerezom i vrtložnim strujama koje se inače javljaju u željeznim jezgrama, pa tako nema ni razlike u otklonu kod mjerenja istosmjernih i izmjeničnih napona, odnosno oba napona se mogu mjeriti istom skalom. Loša strana pak je ta što su zbog nedostatka željeza magnetska polja koja stvaraju zavojnice relativno slaba pa su i momenti vrtnje slabi. Stoga se ovakvi instrumenti moraju raditi sa što finijim ležajevima i nježnijim spiralnim oprugama koje stvaraju potrebni protumoment zakretanju pokretne zavojnice kako bi se smanjilo mehaničko trenje i otpor, odnosno kako bi instrument bio što osjetljiviji. Međutim, takav osjetljivi sistem je onda i više osjetljiv na vanjske mehaničke i neželjene električne utjecaje, a posebice na strana magnetska polja.
Kako bi se ovo donekle ublažilo elektrodinamički sistemi bez željeza mogu se oklopiti nekim magnetski vodljivim materijalom (npr, ugraditi u željezni lonac ili oklopiti željeznim limom) kako vanjska magnetska polja ne bi mogla utjecati na zakretni sistem. Ovakvo oklapanje smo vidjeli kod Preciznog laboratorijskog voltmetra Norma 500 029. Oklop mora biti što širi, odnosno što udaljeniji od mjernog sistema, kako magnetska polja koja stvara mjerni sistem ne bi stvorile veće vrtložne struje u željeznom oklopu, koje pak onda uzrokuju fazni pomak između magnetskog toka i struje zavojnica. U praksi se takvom magnetskom zaštitom neminovno malo utječe na magnetski tok samog instrumenta što može povećati pogrešku mjerenja izmjeničnih veličina.
Na kraju, željezo se može upotrijebiti i rasporediti tako da sačinjava bitni dio magnetskog kruga koji proizvodi sam mjerni sistem (zavojnice uklopljene u željeznu jezgru i jaram) čime dobivamo tzv. željezom zatvorene elektrodinamičke sisteme ili kako se još zovu, ferodinamičke mjerne sisteme. Ovakvi sistemi zbog željeznih jezgri imaju veliki moment zakretanja i nisu osjetljivi na slaba vanjska magnetska polja jer proizvode jaka vlastita polja. No tu izraženi problemi histereze i vrtložnih struja te ovisnosti permeabiliteta magnetskog lima o jakosti magnetskog polja pa se sistemima sa željezom ne mogu postići tako velike klase točnosti kako sa sistemima bez željeza.
Posebnu grupu čine astatički mjerni sistemi. Astatički mjerni instrumenti sastoje se od dva potpuno jednaka elektrodinamička mjerna sistema bez željeza na istoj osovini pri čemu se svaki sastoji od dvije nepokretne zavojnice unutar kojih se nalazi pokretna zavojnica vezana na kazaljku. Zavojnice ta dva mjerna sistema spojene su tako da su magnetska polja koja stvaraju međusobno suprotna ali se zakretni momenti na osovini s kazaljkom zbrajaju. Suprotnim magnetskim poljima kompenzira se utjecaj stranih homogenih magnetskih polja koje bi mogle utjecati na mjerni sistem pa instrument nije potrebno oklopiti željezom. Izraz astatički (neodređen, koji nije vezan za stalan smjer ili položaj) potječe još od ranih mjernih instrumenta sa magnetskom iglom kod kojih je bilo potrebno kompenzirati utjecaj Zemljinog magnetskog polja, a to se postizalo tako da su se na istu os postavljale dvije jednake ali suprotno usmjerene magnetske igle.
Mi smo do sada u našim objavama opisali četiri elektrodinamička mjerna instrumenta:
- W vatmetar – elektrodinamički vatmetar bez željeza, dvostruka zavojnica statora unutar koje se nalazi zavojnica rotora sa spregnutom kazaljkom
- Stolni astatički ampermetar EKM ASTATIC M.334 – astatički elektrodinamički ampermetar bez željeza, dvije dvostruke zavojnice statora unutar kojih se nalaze dvije zavojnice rotora na istoj osovini spregnute sa kazaljkom
- Laboratorijski vatmetar Ganz FW – elektrodinamički vatmetar sa željeznom jezgrom, dvostruka zavojnica statora unutar koje se nalazi dvostruka zavojnica rotora sa spregnutim zrcalom
- Ferodinamički vatmetar Iskra EL2 – elektrodinamički vatmetar sa željeznom jezgrom, dvostruka zavojnica statora unutar koje se nalazi zavojnica rotora sa spregnutom kazaljkom
Naš voltmetar ima neuobičajenu konstrukciju gdje zakretna zavojnica nije smještena unutar nepomičnih zavojnica, kao kod četiri gore navedena instrumenta, nego se zakreće s vanjske strane nepomičnih zavojnica.
Kao što smo već opisali, elektrodinamički mjerni sistemi bez željeza mogu biti vrlo točni te se instrumenti sa ovakvim sistemima gotovo isključivo izrađuju kao precizni mjerni instrumenti. Njihovo pokazivanje je jednako na istosmjernim i izmjeničnim mjerenjima na nižoj frekvenciji (do 500 Hz). Na višim frekvencijama već može doći do malog utjecaja induktiviteta pomične zavojnice i međuinduktiviteta između pomične i nepomične zavojnice, no u praksi se ovakvi instrumenti mogu upotrebljavati i do frekvencija 10 kHz.
Zračno klipno prigušivanje njihanja kazaljke kod Siemens & Halske voltmetra.
Za sprječavanje predugog njihanja kazaljke na dosegnutoj vrijednosti, odnosno za općenito prigušivanje i umirivanje gibanja zakretnog sistema sa kazaljkom koristi se zračno klipno prigušivanje. Okrugli listić (klip) jedva je nešto manji od unutrašnjeg promjera cilindra koji se zatvoren sa druge strane. Kad se klip spregnut s kazaljkom počinje kretati, stlačuje zrak unutar cilindra, koji se onda nastoji izjednačiti sa atmosferskim tlakom kroz uski prolaz između klipa i cilindra. Ovo gibanje, odnosno izjednačavanje tlaka zraka u cilindru sa onim atmosferskim izvan cilindra usporava i prigušuje njihanje kazaljke te se ona brzo umiri na određenom otklonu.
Natpisi na kućištu, mjernom sistemu i skali instrumenta ukazuju na rani način proizvodnje mjernih instrumenta kada su vršile ručne uskladbe pojedinih elemenata instrumenta prije njegovog sklapanja. Ipak, ni jedna od ovih oznaka ne ukazuje na godinu proizvodnje. Oznake na skali su prema starim njemačkim VDE pravilima i imaju slijedeće značenje (s lijeva na desno): grafička oznaka da se instrumentom mogu mjeriti istosmjerni i izmjenični naponi, grafička oznaka za elektrodinamički (elektrodinamski) mjerni sistem bez željeza, slovna oznaka F za klasu točnosti 0,5%, grafička oznaka da se instrumentom mjeri u vodoravnom položaju, grafička oznaka za ispitni napon 2000V.
Oznake na skali instrumenta dane su prema njemačkim specifikacijama po VDE pravilima (VDE – Verband Deutscher Elektrotechniker) koja su se primjenjivala od 1923. do 1935. godine kada su uvedena IEC pravila. Prema VDE pravilima točnost instrumenta označavala se slovima E, F, G i H. Prva dva slova odnosila su se na fine ili precizne instrumente prve i druge klale, a druga dva slova su označavala pogonske instrumente prve i druge klase. Na našem voltmetru imamo oznaku točnosti F koja odgovara točnosti od 0,5% na punom otklonu skale. Drugim riječima to znači da će najveća pogreška biti 0,65 V na bilo kojem dijelu skale (0,5% od 130 V). Zanimljivo je da oznaka F na nekom mjernom instrumentu ne znači uvijek točnost od 0,5%, ona se prema VDE pravilima propisuje drugačije za svaki tip instrumenta. Tako točnost može biti drugačija ako nije riječ o voltmetru nego primjerice o ampermetru ili vatmetru ili ako instrument ima drugačiji tip zakretnog mjernog sistema. Uvođenjem međunarodnih IEC pravila slovne oznake za točnost instrumenta zamijenjene su realnim brojčanim postotnim vrijednostima pogreške.
Slično tome, prema starim njemačkim VDE pravilima ispitni napon se označavao zvjezdicama u različitim bojama. Ispitni napon dobiva se testom električnog proboja kućišta instrumenta, odnosno kod koje će vrijednosti (izmjeničnog) napona u trajanju od 1 minute doći do proboja istog preko kućišta na električne dijelove instrumenta. U našem slučaju to je crvena zvjezdica koja označava ispitni napon 2000V, a to u praksi znači da napon sistema instrumenta prema kućištu kod redovne upotrebe instrumenta u pogonu ne smije biti veći od 650V. Inače, crna zvjezdica označava ispitni napon 500V, smeđa 1000V, crvena 2000V, plava 3000V i zelena 5000V.
Grafička oznaka za elektrodinamički (elektrodinamski) mjerni sistem bez željeza se po IEC pravilima nešto pojednostavnila tako da to više nisu tri, nego dvije paralelne trake presječene jednom okomitom trakom. Ostale dvije oznake prema VDE pravilima koje vidimo na našem instrumentu zadržale su se u sličnom obliku i po međunarodnim IEC pravilima. To je grafička oznaka da se instrumentom mogu mjeriti istosmjerni i izmjenični naponi i grafička oznaka da se instrumentom mjeri u vodoravnom položaju.
Kvadratična skala kod Siemens & Halske voltmetra na kojoj su podjele na početku skale jako zbijene, a zatim se sve više šire prema kraju skale.
Elektrodinamički mjerni sistemi nemaju linearnu već više kvadratičnu skalu (koja nije baš poželjna kod mjernih instrumenta). Vidimo da su podjele na početku skale jako zbijene, a zatim se sve više šire prema kraju skale. U početnom djelu skale, do cca 20V, gdje je točnost instrumenta ionako najmanja podjele su toliko zbijene da su iscrtane samo grube podjele. Ovaj instrument je najprecizniji u opsegu cca 80-120V te je kao takav primarno namijenjen za mjerenje na mrežnim sistemima napona 110 V.
Otpor mjernih zavojnica je oko 166 Ω što je premalo za izravno mjerenje napona, tako da su serijski zavojnicama dodani mjerni otpornici 4 x 500 Ω, dakle 2000 Ω, čime se dobiva ukupan unutrašnji otpor voltmetra od 2166 Ω. U našem konkretnom slučaju čisti otpor zavojnica je nešto veći i iznosi 222 Ω, tako da su otpornici od 500 Ω prilikom tvorničke kalibracije instrumenta malo reducirani kako bi se dobio ukupan nazivni otpor od 2166 Ω.
Vidimo da je riječ o žičanim otpornicima namotanima na okrugle kaleme, no to nije cijela priča. Postoji razlog zašto se koristi četiri serijski spojenih otpornika od 500 Ω umjesto jednog od 2000 Ω, a također postoji i razlog zašto su krajevi otpornika oblikovani u male spirale. No, krenimo redom.
Za izradu preciznih žičanih otpornika nužno je koristiti žicu od materijala koji naravno ima visok specifični otpor, no koji također postojano zadržava taj otpor u uvjetima promjene temperature, mehaničkih naprezanja te starenja i zamora materijala kroz dugi niz godina. Također, takav materijal ne smije stvarati termoelektrični napon prema bakru (bakrenim žicama) sa kojim se obično povezuje. Takva svojstva u velikoj mjeri posjeduje manganin (legura bakra i mangana sa malim dodatkom nikla) i on se zbog niske proizvodne cijene najčešće koristi za izradu mjernih otpornika, u upotrebu je uveden još 1884. godine.
Kad govorimo o žici namotanoj na kalem time zapravo govorimo o zavojnici. Tako svaki otpornik posjeduje neki vlastiti induktivitet zbog magnetskog polja koje se stvara oko namota žice, a također i neki vlastiti kapacitet zbog razlike potencijala koje nastaje između pojedinih zavoja i ostalih materijala u okružju žičanog otpornika. Ovi vlastiti induktiviteti i kapaciteti žičanih otpornika izazvati će fazni pomak između struje i napona kod izmjeničnih mjerenja, odnosno neće djelovati kao čisti djelatni otpor, te će unositi pogrešku mjerenja posebno izraženu na višim frekvencijama. Općenito gledano, pri malim otpornicima prevladava utjecaj induktiviteta, a kod većih otpornika do izražaja dolazi kapacitet. Znamo da se induktivitet i kapacitet međusobno poništavaju pa će time postojati neki opseg žičanih otpornika gdje se ova dva neželjena efekta po vrijednostima međusobno kompenziraju, a to su upravo otpornici u rasponu 200-500 Ω. Zbog toga je puno zgodnije koristiti četiri otpornika od 500 Ω umjesto jednog od 2000 Ω, jer bi kod jednog otpornika velike vrijednosti značajno bila naglašena kapacitivna komponenta. Ona se u praksi može najzgodnije smanjiti dijeljenjem namotaja otpornika u više sekcija što je zapravo jednako upotrebi više serijski spojenih otpornika vrijednosti 200-500 Ω.
Da bi se dobila precizna vrijednost otpornika otporna žica se na kalemu mora skratiti na točno određenu duljinu. Tako će nominalni otpor žicom motanog otpornika biti prisutan samo na samim krajevima žice te se takav otpornik spaja sa drugim elementima mjernog kruga isključivo na krajnjim točkama žice. Stoga, da bi se dobila neka fleksibilnost montaže, krajevi žice se namotaju u malu spiralu tako da se po potrebi krajevi žice mogu lako i uredno razvući do željene montažne točke.
Za razliku od žice mjernih otpornika koja je od materijala sa vrlo malim temperaturnim koeficijentom otpora, bakrena žica od koje su motane zavojnice mjernog sistema ima veći temperaturni koeficijent te bi promjena temperature mogla promijeniti ukupni otpor mjernog sistema i unijeti pogrešku u mjerenje. No u našem slučaju, otpor mjernog sistema iznosi vrlo mali dio ukupnog unutrašnjeg otpora instrumenta (166 Ω od 2166 Ω) pa male promjene toga ionako malog udjela otpora praktično neće utjecati u tolikoj mjeri na ukupni otpor mjernog kruga da bi to rezultiralo povećanom pogreškom mjerenja. Stoga serijski mjerni otpornici od 2000 Ω sami po sebi predstavljaju dovoljnu temperaturnu kompenzaciju mjernog kruga.
Naš voltmetar Siemens & Halske proživio je 100 godina svojeg postojanja bez nekih velikih oštećenja što je svakako respektabilno za jedan ovako stari mjerni uređaj. Možemo pretpostaviti da nije korišten na terenu već kao precizni instrument u kakvom stalnom laboratoriju, a nakon svojeg radnog vijeka netko se potrudio i dalje ga čuvati kao izložbeni primjerak što i ne čudi s obzirom na vrlo lijep dizajn ovog instrumenta i upotrebu kvalitetnih materijala za njegovu izradu.
U današnjim mjernim instrumentima žičani mjerni otpornici davno su zamijenjeni slojnim i sličnim tipovima neinduktivnih otpora, a istini za volju i analogni mjerni sistemi gotovo su potpuno istisnuti A/D pretvornicima i numeričkim displejima. Tim više je bilo zabavnije proučiti jedan ovakav rani primjerak mjerne tehnike i elektrodinamičkog mjernog sistema koji se još jedino može pronaći nacrtan u kakvom starom udžbeniku iz mjerne tehnike ili na kakvim internetskim stranicama vezanim uz dobru staru mjernu tehniku 🙂