Гальванометр

редактировать
Инструмент для измерения электрического тока

Ранний гальванометр Д'Арсонваля с магнитом и вращающейся катушкой

A гальванометр - это электромеханический прибор, используемый для обнаружения и индикации электрического тока. Гальванометр работает как привод, создавая вращательное отклонение указателя в ответ на электрический ток, протекающий через катушку в постоянном магнитном поле. Ранние гальванометры не калибровались, но в качестве измерительных приборов использовались усовершенствованные устройства, называемые амперметрами, для измерения тока, протекающего по электрической цепи.

Гальванометры разработаны на основе наблюдения, что стрелка магнитного компаса отклоняется около провода, по которому течет электрический ток, впервые описанный Гансом Кристианом Орстедом в 1820 г. Они были первыми приборами, использовавшимися для обнаружения и измерения малых электрических токов. Андре-Мари Ампер, который математически выразил открытие Эрстеда и назвал прибор в честь итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани, который в 1791 году открыл принцип гальваноскопа с лягушками - этот электрический ток заставил бы подергиваться ноги мертвой лягушки.

Чувствительные гальванометры сыграли важную роль в развитии науки и техники во многих областях. Например, в 1800-х годах они обеспечивали связь на большие расстояния через подводные кабели, такие как самые ранние трансатлантические телеграфные кабели, и были необходимы для обнаружения электрической активности сердца и мозг, по их точным измерениям тока.

Гальванометры также широко использовались в качестве визуализирующей части в других типах аналоговых счетчиков, например, в люксметрах, измерителях уровня света и т. Д., Где они использовались. для измерения и отображения выходных сигналов других датчиков. Сегодня основным типом гальванометрического механизма, который все еще используется, является движущаяся катушка типа Д'Арсонваль / Вестон.

Содержание

  • 1 Эксплуатация
  • 2 Использование
    • 2.1 Современное использование
    • 2.2 Прошлое использование
  • 3 История
    • 3.1 Ганс Кристиан Орстед
    • 3.2 Швайггер и Ампер
    • 3.3 Поггендорф и Томсон
    • 3,4 Георг Ом
    • 3,5 Д'Арсонваль и Депрез
    • 3,6 Эдвард Уэстон
    • 3,7 Механизм натяжения
  • 4 типа
    • 4,1 Касательный гальванометр
      • 4.1.1 Теория
      • 4.1.2 Измерение геомагнитного поля
    • 4.2 Астатический гальванометр
    • 4.3 Зеркальный гальванометр
    • 4.4 Баллистический гальванометр
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Работа

Diagram of D'Arsonval/Weston type galvanometer. Схема гальванометра типа Д'Арсонваль / Уэстон. Когда ток течет от + через катушку (оранжевая часть) к -, в катушке создается магнитное поле. Этому полю противодействует постоянный магнит и заставляет катушку скручиваться, перемещая стрелку в зависимости от напряженности поля, вызванного протеканием тока.

Современные гальванометры типа Д'Арсонваль / Вестон сконструированы с использованием небольшая вращающаяся катушка из проволоки, называемая шпинделем, в поле постоянного магнита. Катушка прикреплена к тонкой стрелке, пересекающей калиброванную шкалу. Крошечная торсионная пружина переводит катушку и указатель в нулевое положение.

Когда постоянный ток (DC) протекает через катушку, катушка генерирует магнитное поле. Это поле действует против постоянного магнита. Катушка вращается, нажимая на пружину, и перемещает указатель. Стрелка указывает на шкалу, показывающую электрический ток. Тщательная конструкция полюсных наконечников обеспечивает однородность магнитного поля, поэтому угловое отклонение стрелки пропорционально току. Полезный измеритель обычно содержит приспособление для демпфирования механического резонанса движущейся катушки и указателя, так что стрелка быстро устанавливается в свое положение без колебаний.

Базовая чувствительность измерителя может быть, например, 100 микроампер полной шкалы (с падением напряжения, скажем, 50 милливольт при полном токе). Такие счетчики часто калибруются для считывания какой-либо другой величины, которая может быть преобразована в ток такой величины. Использование делителей тока, часто называемых шунтами, позволяет калибровать измеритель для измерения больших токов. Измеритель может быть откалиброван как вольтметр постоянного тока, если сопротивление катушки известно путем вычисления напряжения, необходимого для генерации тока полной шкалы. Измеритель можно настроить на считывание других значений напряжения, включив его в схему делителя напряжения. Обычно это делается путем включения резистора последовательно с катушкой измерителя. Измеритель можно использовать для считывания сопротивления, подключив его последовательно с известным напряжением (батарея) и регулируемым резистором. На подготовительном этапе схема замыкается, и резистор настраивается на полное отклонение. Когда неизвестный резистор включен в цепь последовательно, ток будет меньше полной шкалы, и правильно откалиброванная шкала может отображать значение ранее неизвестного резистора.

Эти возможности преобразования различных видов электрических величин в движения указателя делают гальванометр идеальным для преобразования выходных сигналов других датчиков, вырабатывающих электричество (в той или иной форме), во что-то, что может быть прочитано человеком.

Поскольку указатель измерителя обычно находится на небольшом расстоянии от шкалы измерителя, ошибка параллакса может возникнуть, когда оператор пытается прочитать линию шкалы, которая «совпадает» с указатель. Чтобы противостоять этому, некоторые измерители включают зеркало вместе с разметкой основной шкалы. Точность считывания с зеркальной шкалы повышается за счет расположения головы при считывании шкалы так, чтобы указатель и отражение указателя совпадали; в этот момент глаз оператора должен находиться прямо над указателем, и любая ошибка параллакса сведена к минимуму.

Использует

Гальванометр с замкнутым контуром, управляемый лазерным сканирующим зеркалом

Вероятно, наибольшее распространение получили гальванометры типа D'Arsonval / Weston, используемые в аналоговых счетчиках в электронном оборудовании. С 1980-х годов аналоговые измерительные механизмы гальванометрического типа были вытеснены аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) для многих целей. Цифровой панельный измеритель (DPM) содержит АЦП и цифровой дисплей. Преимуществами цифрового прибора являются более высокая точность и точность, но такие факторы, как энергопотребление или стоимость, могут по-прежнему способствовать применению аналоговых перемещений измерительного прибора.

Современное использование

Большинство современных применений механизма гальванометра - это системы позиционирования и управления. Гальванометрические механизмы делятся на гальванометры с подвижным магнитом и подвижной катушкой; кроме того, они делятся на замкнутые и разомкнутые, или резонансные.

Зеркальные гальванометрические системы используются в качестве элементов позиционирования или управления лучом в системах лазерного сканирования. Например, для обработки материалов с помощью мощных лазеров используются механизмы зеркального гальванометра с замкнутым контуром с сервоуправляемыми системами . Обычно это гальванометры большой мощности, а новейшие гальванометры, разработанные для управления лучом, могут иметь частотные характеристики более 10 кГц с соответствующей сервотехникой. Зеркальные гальванометры с замкнутым контуром также используются аналогичным образом в стереолитографии, лазерном спекании, лазерной гравировке, лазерной сварке, лазерные телевизоры, лазерные дисплеи и в приложениях обработки изображений, таких как сканирование сетчатки глаза с помощью оптической когерентной томографии (OCT). Почти все эти гальванометры относятся к типу подвижных магнитов. Замкнутый цикл получается путем измерения положения оси вращения с помощью инфракрасного излучателя и 2 фотодиодов. Эта обратная связь представляет собой аналоговый сигнал.

Гальванометры с разомкнутым контуром или резонансные зеркальные гальванометры в основном используются в некоторых типах лазерных сканеров штрих-кода, печатных машинах, приложениях для обработки изображений, военных приложениях и космических системах. Их несмазываемые подшипники особенно интересны там, где требуется работа в условиях высокого вакуума.

Механизм гальванометра (центральная часть), используемый в автоматическом блоке экспонирования пленки 8 мм камера вместе с фоторезистором (виден в отверстии вверху левой части).

Используются гальванометрические механизмы с подвижной катушкой (производители жестких дисков называют «звуковыми катушками») для управления сервоприводами позиционирования головки в накопителях на жестких дисках и проигрывателях CD / DVD, чтобы сохранить как можно меньшую массу (и, следовательно, время доступа).

Прошлое использование

Вначале гальванометры использовали для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце ХХ века они были заменены в этом приложении на рефлектометры во временной области..

Гальванометрические механизмы также использовались для получения показаний в измерительных механизмах пленочных камер (как видно на соседнем изображении).

В аналоговых полосовых самописцах, таких как используемые в электрокардиографах, электроэнцефалографах и полиграфах, гальванометрические механизмы использовались для установите перо. Самописцы с ленточными диаграммами с гальванометрическими перьями могут иметь полную частотную характеристику 100 Гц и несколько сантиметров отклонения.

История

Ганс Кристиан Эрстед

Отклонение стрелки магнитного компаса током в проводе впервые было описано Гансом Кристианом. Эрстед в 1820 году. Явление было изучено как само по себе, так и как средство измерения электрического тока.

Швайггер и Ампер

О первом гальванометре сообщил Иоганн Швайггер в Университете Галле 16 сентября 1820 года. Андре- Мари Ампер также внесла свой вклад в его развитие. Ранние конструкции усиливали эффект магнитного поля, создаваемого током, за счет использования нескольких витков провода. Из-за этой общей конструктивной особенности инструменты сначала назывались «умножителями». Термин «гальванометр», широко использовавшийся в 1836 году, произошел от фамилии итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани, который в 1791 году обнаружил, что электрический ток вызывает подергивание ноги мертвой лягушки.

Поггендорф и Томсон

Зеркальный гальванометр Томсона, запатентованный в 1858 году.

Первоначально инструменты полагались на магнитное поле Земли, чтобы обеспечить восстанавливающую силу для стрелки компаса. Они назывались "касательными" гальванометрами, и перед использованием их нужно было ориентировать. Более поздние инструменты типа «астатический » использовали противоположные магниты, чтобы стать независимыми от поля Земли и работать в любой ориентации.

Ранний зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом. Самая чувствительная форма астатического гальванометра, гальванометр Томсона, для которого Томсон ввел термин зеркальный гальванометр, был запатентован в 1858 году Уильямом Томсоном (лорд Кельвин). Зеркальный гальванометр Томсона был усовершенствованным вариантом конструкции, изобретенной Германом фон Гельмгольцем в 1849 году. Конструкция Томсона позволяла обнаруживать очень быстрые изменения тока с помощью небольших магнитов, прикрепленных к легкому зеркалу, подвешенному на нити, вместо стрелка компаса. Отклонение светового луча от зеркала сильно увеличивало отклонение, вызванное небольшими токами. В качестве альтернативы, отклонение подвешенных магнитов можно было наблюдать непосредственно через микроскоп.

Георг Ом

Возможность количественного измерения напряжения и тока позволила Георгу Ому в 1827 году сформулировать закон Ома - напряжение на проводник прямо пропорционален проходящему через него току.

Д'Арсонваль и Депрез

Ранняя форма гальванометра с движущимся магнитом имела недостаток, заключающийся в том, что на него воздействовали какие-либо магниты или железные массы рядом с ним, и его отклонение не было линейно пропорциональным текущий. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре разработали форму со стационарным постоянным магнитом и подвижной катушкой проволоки, подвешенной на тонких проволоках, которые обеспечивали как электрическое соединение с катушкой, так и восстанавливающий момент для возврата в нулевое положение. Железная трубка между полюсными наконечниками магнита образовывала круговой зазор, через который вращалась катушка. Этот зазор создавал постоянное радиальное магнитное поле поперек катушки, давая линейный отклик во всем диапазоне прибора. Зеркало, прикрепленное к катушке, отклоняло луч света, чтобы указать положение катушки. Концентрированное магнитное поле и тонкая подвеска сделали эти инструменты чувствительными; Первоначальный прибор д'Арсонваля мог обнаруживать десять микроампер.

Эдвард Уэстон

гальванометр Д'Арсонваль / Уэстон (ок. 1900 г.). Часть левого полюса магнита выломана, чтобы показать катушку. Гальванометр Weston в переносном футляре

Эдвард Уэстон значительно улучшил конструкцию. Он заменил тонкую проволочную подвеску на шарнир и обеспечил восстановление крутящего момента и электрические соединения с помощью спиральных пружин, похожих на пружины наручных часов балансир. Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, чтобы прибор имел постоянную точность во времени. Он заменил световой луч и зеркало на остроконечную указку, которую можно было читать напрямую. Зеркало под указателем в той же плоскости, что и шкала, устраняет ошибку наблюдения параллакс. Для поддержания напряженности поля в конструкции Уэстона использовалась очень узкая периферийная щель, через которую проходила катушка, с минимальным воздушным зазором. Это улучшило линейность отклонения стрелки относительно тока катушки. Наконец, катушка была намотана на облегченную форму из проводящего металла, которая действовала как демпфер. К 1888 году Эдвард Уэстон запатентовал и выпустил коммерческую форму этого инструмента, который стал стандартным компонентом электрического оборудования. Он был известен как «портативный» инструмент, потому что на него очень мало влияло положение установки или транспортировка с места на место. Эта конструкция сегодня почти повсеместно используется в счетчиках с подвижной катушкой.

Изначально лабораторные приборы, основанные на собственном магнитном поле Земли для обеспечения восстанавливающей силы для стрелки, гальванометры были разработаны в компактные, прочные, чувствительные портативные инструменты, необходимые для развития электротехники.

Движение с натянутой лентой

Движение с натянутой лентой - это современное развитие движения Д'Арсонваль-Уэстон. Шарниры и спирали для украшений заменены крошечными металлическими полосками, находящимися под напряжением. Такой измеритель более прочен для использования в полевых условиях.

Типы

Некоторые гальванометры используют сплошную стрелку на шкале для отображения измерений; другие очень чувствительные типы используют миниатюрное зеркало и луч света для механического усиления сигналов низкого уровня.

Касательный гальванометр

Касательный гальванометр - это ранний измерительный прибор, используемый для измерения электрического тока. Он работает с использованием стрелки компаса для сравнения магнитного поля , создаваемого неизвестным током, с магнитным полем Земли. Он получил свое название от принципа действия, касательного закона магнетизма, который гласит, что тангенс угла, который образует стрелка компаса, пропорционален отношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые он был описан в 1834 г. (см. JJ Nervander, «Mémoire sur un Galvanomètre à châssis cylindrique par lequel on obtient immédiatement et sans Calcul la mesure de l'intensité du courant électrique qui produit la déviation de l'aiguille aimantée», Chimie et de Physique (Париж), Tome 55, 156–184, 1834. и J. Venermo и A. Sihvola, «Тангенциальный гальванометр Йохана Якоба Нервандера», IEEE Instrumentation Measurement Magazine, vol. 11, no. 3, стр. 16-23, июнь 2008 г.) и в 1837 г. Клодом Пуйе.

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки из изолированной медной проволоки, намотанной на круговую немагнитную рамку. Рама устанавливается вертикально на горизонтальное основание, снабженное регулировочными винтами. Катушка может вращаться по вертикальной оси, проходящей через ее центр. Коробка компаса установлена ​​горизонтально в центре круговой шкалы. Он состоит из крошечной мощной магнитной иглы, вращающейся в центре катушки. Магнитная стрелка может свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Круговая шкала разделена на четыре квадранта. Каждый квадрант градуирован от 0 ° до 90 °. Длинный тонкий алюминиевый указатель прикреплен к игле по центру и под прямым углом к ​​ней. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса, под стрелкой компаса установлено плоское зеркало.

Во время работы прибор сначала поворачивают до тех пор, пока магнитное поле Земли, указанное стрелкой компаса, не станет параллельным плоскости катушки. Затем на катушку подается неизвестный ток. Это создает второе магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка компаса реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол, равный тангенсу отношения двух полей. По шкале компаса значение тока можно определить по таблице. Провода подачи тока должны быть намотаны небольшой спиралью, как свиньи хвосты, иначе поле из-за провода повлияет на стрелку компаса, и будут получены неверные показания.

Теория

Гальванометр ориентирован таким образом, чтобы плоскость катушки была вертикальной и выровнена параллельно горизонтальной составляющей B H магнитного поля Земли (т. Е. Параллельно локальной «магнитный меридиан»). Когда через катушку гальванометра протекает электрический ток, создается второе магнитное поле B. В центре катушки, где расположена стрелка компаса, поле катушки перпендикулярно плоскости катушки. Величина поля катушки:

B = μ 0 n I 2 r {\ displaystyle B = {\ mu _ {0} nI \ over 2r} \,}B = {\ mu_0 nI \ over 2r} \,

где I - ток в амперы, n - количество витков катушки, r - радиус катушки. Эти два перпендикулярных магнитных поля складывают векторно, и стрелка компаса указывает в направлении их результирующего B H + B. Ток в катушке заставляет стрелку компаса вращаться на угол θ:

θ = tan - 1 ⁡ BBH {\ displaystyle \ theta = \ tan ^ {- 1} {\ frac {B} {B_ {H} }} \,}\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {B} {B_H} \,

Из закона касательных B = B H tan θ, т.е.

μ 0 n I 2 r = BH tan ⁡ θ {\ displaystyle {\ mu _ {0} nI \ over 2r} = B_ {H} \ tan \ theta \,}{\ mu_0 nI \ over 2r} = B_H \ tan \ theta \,

или

I = (2 r BH μ 0 n) tan ⁡ θ {\ displaystyle I = \ left ({\ frac {2rB_ {H}} {\ mu _ {0} n}} \ right) \ tan \ theta \,}I = \ left (\ frac {2rB_H} {\ mu_0 n} \ right) \ tan \ theta \,

или I = K tan θ, где K называется коэффициентом уменьшения касательного гальванометра.

Одна из проблем тангенциального гальванометра заключается в том, что его разрешение ухудшается как при больших, так и при малых токах. Максимальное разрешение достигается при значении θ 45 °. Когда значение θ близко к 0 ° или 90 °, большое процентное изменение тока сдвинет стрелку только на несколько градусов.

Измерение геомагнитного поля

Касательный гальванометр также может использоваться для измерения величины горизонтальной составляющей геомагнитного поля. При таком использовании низковольтный источник питания, такой как аккумулятор, подключается последовательно с реостатом, гальванометром и амперметром. Сначала гальванометр выравнивается так, чтобы катушка была параллельна геомагнитному полю, направление которого указывается компасом при отсутствии тока через катушки. Затем подключают аккумулятор и регулируют реостат до тех пор, пока стрелка компаса не отклонится на 45 градусов от геомагнитного поля, показывая, что величина магнитного поля в центре катушки такая же, как и у горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Эту напряженность поля можно рассчитать, исходя из тока, измеренного амперметром, числа витков катушки и радиуса катушек.

Астатический гальванометр

В отличие от касательного гальванометра, астатический гальванометр не использует для измерения магнитное поле Земли, поэтому его не нужно ориентировать относительно поля Земли, что упрощает использовать. Разработанный Леопольдо Нобили в 1825 году, он состоит из двух намагниченных игл, параллельных друг другу, но с перевернутыми магнитными полюсами. Эти иглы подвешены на одной шелковой нити. Нижняя стрелка находится внутри вертикальной катушки из проволоки, чувствительной к току, и отклоняется магнитным полем, создаваемым проходящим током, как в касательном гальванометре выше. Назначение второй стрелки - нейтрализовать дипольный момент первой стрелки, поэтому подвешенный якорь не имеет чистого магнитного дипольного момента и, следовательно, не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Вращению иглы препятствует крутильная упругость нити подвески, которая пропорциональна углу.

Зеркальный гальванометр

Для достижения более высокой чувствительности при обнаружении очень малых токов в зеркальном гальванометре вместо указки используется легкое зеркало. Он состоит из горизонтальных магнитов, подвешенных на тонком волокне внутри вертикальной катушки из проволоки, с зеркалом, прикрепленным к магнитам. Луч света, отраженный от зеркала, падает по шкале через всю комнату, действуя как длинный безмассовый указатель. Зеркальный гальванометр использовался в качестве приемника в первых трансатлантических подводных телеграфных кабелях в 1850-х годах для обнаружения чрезвычайно слабых импульсов тока после их тысячелетнего путешествия под Атлантикой. В устройстве, называемом осциллографом , движущийся луч света используется для построения графиков зависимости тока от времени путем записи измерений на фотопленку. струнный гальванометр - это тип зеркального гальванометра, настолько чувствительный, что с его помощью была сделана первая электрокардиограмма электрической активности человеческого сердца.

Баллистический гальванометр

Баллистический гальванометр - это тип чувствительного гальванометра для измерения количества заряда, разряженного через него. На самом деле это интегратор, в отличие от токоизмерительного гальванометра, подвижная часть имеет большой момент инерции, который дает ему длинный период колебаний. Это может быть подвижная катушка или подвижный магнит; обычно это зеркальный гальванометр.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Гальванометры.
Последняя правка сделана 2021-05-21 10:59:18
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте