Гальванометр

Виды существующих гальванометров

Все существующие приборы можно разделить на несколько основных типов в зависимости от их конструкции.

Магнитоэлектрический

Как упоминалось выше, это прямоугольная каркасная конструкция с обмоткой из тонкой проволоки, помещенной в сферу влияния (постоянного магнита).

Пружина действует как удерживающее устройство, зажимающее некий виток (рамку) в достаточно жестком нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения I начинает течь по проволоке, заставляя рамку изгибаться на фиксированный угол, определяемый следующими параметрами:

Я ценю.
Индукция магнитного поля.
Магнитное поле индуцируется наведенным магнитным полем. коэффициент жесткости (пружины).

Определяется прогиб отклоняющего элемента и величина тока I. Эти механизмы довольно популярны благодаря высокому коэффициенту чувствительности.

Электромагнитный

Электромагнитное устройство, считающееся простейшим из подобных устройств, включает в себя:

Катушка (стационарная).
Катушка (стационарная).

Приложение силы I к проводу катушки заставляет сердечник вращаться или втягиваться, тем самым перемещая стрелку по шкале.

Этот тип активно используется для измерения малых значений I AC, но его погрешность довольно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что очень затрудняет ее масштабирование.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в этом типе, является обычный компас.

Он позволяет прибору сравнивать два типа полей (магнитных полей):

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки (тангенса) магнита пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 градусов друг к другу).

Он также имеет катушку с медным сердечником, выполненную в форме каркаса. При использовании I жестко вертикальная рама начинает вращаться вокруг своей центральной оси.

Прямо в центре шкалы находится компас с алюминиевой стрелкой, прикрепленной к стрелке, и она должна находиться на одном уровне с плоскостью обмотки. Когда электричество I включено, оно индуцирует магнитное поле на оси соленоида, которое совершенно перпендикулярно магнитному полю Земли. Под воздействием этих двух полей стрелка компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, равный тангенсу отношения между полем Земли и индуцированным I-полем. Шкала градуируется пропорционально этому отклонению.

Электродинамический

Устройство содержит катушки, которые выступают в качестве как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия основан на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкую натянутую проволоку расположить вертикально, а стальной магнит поместить вблизи ее центра, то даже небольшое значение I будет отклонять проводник при подаче на него электрического тока.

Такой закон привел к созданию так называемых пружинных устройств, которые сегодня широко используются в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительному, точному и быстрому из всех описанных типов устройств.

Он состоит из зеркала, на которое направляется луч света. Само измерение производится с помощью рамки и угла поворота намотанной на нее катушки. Поскольку вращение рамки достаточно мало, оптический эффект светового луча приводит к тому, что отражение светового луча от зеркала получается в определенном масштабе.

Если при использовании I рамка повернута на угол, то сам луч уже образует угол 2, а точка света смещается на определенное количество делений (по шкале). Устройство настроено таким образом, что угол самой рамки прямо пропорционален количеству делений.

Вибрационный

Этот прибор имеет небольшие размеры и обычно используется в качестве индикатора нуля. Существует два вида этого типа:

Все они имеют петлю или ободок, который находится в сильном магнитном поле и регулируется натяжением удерживающей пружины. Особенностью этих приборов является очень высокая чувствительность, что позволяет им измерять самые низкие значения I.

Тепловой

Состоит из двух основных элементов:

Проводник, к которому приложена сила I.
Система рычагов.

При включении электрического тока проводник начинает растягиваться за счет своего материала, а рычажная система преобразует это изменение в движение указателя, с которым она механически связана.

Апериодический

Приборы этого типа отличаются тем, что стрелка шкалы всегда возвращается в исходное положение после каждого измерения, без колебаний.

Баллистический

Для измерения количества электричества в I-импульсах (цепи) используются баллистические гальванометры.

Они отличаются тем, что подвижная часть инструмента имеет больший момент инерции. Это означает, что период I-импульса должен быть в несколько раз короче Т-волн каркаса.

Устройство и принцип действия

Ввиду высокой чувствительности гальванометрa вращающий и противодействующий моменты в них ничтожно малы.

Поэтому при анализе работы гальванометра нельзя пренебрегать ни трением, ни тормозящими силами.

Измерение силы тока с помощью гальванометра основано на наблюдении угла поворота рамки.

Этот угол обычно мал, поэтому приходится прибегать к искусственным оптическим приемам его определения. Наиболее распространенным является метод зеркального отсчета (рис.6). Луч света от осветителя падает на зеркальце, связанное с рамкой через нить подвеса, и после отражения падает на прозрачную шкалу, образуя на ней световой «зайчик». При повороте рамки с зеркальцем на угол луч света поворачивается на угол 2 , а зайчик смещается на n делений шкалы. Величина угла поворота находится в зависимости от расстояния ℓ зеркальца до шкалы и от числа делений n отсчитанных по шкале смещения «зайчика». При малых углах поворота можно считать, что = , т.е. угол поворота рамки гальванометра прямо пропорционален числу делений шкалы n , на которое сместился ″зайчик″ Осветительное устройство, благодаря специальной оптической системе, обеспечивает изображение светового «зайчика» на шкале в виде светового круга или квадрата с линией в центре.

Уравнение движения рамки гальванометра. При отсутствии тока врамке плоскость ее витков расположена параллельно силовым линиям магнитного поля магнита. При протекании тока по ней возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен плоскости витков рамки. В результате взаимодействия: магнитных полей к рамке будет приложена пара сил Ампера, стремящаяся повернуть рамку перпендикулярно силовым линиям поля магнита. Вращающий момент пары сил равен

вр= ,

где N — число витков в рамке; в B- вектор магнитной идукции поля магнита; S — площадь витка рамка; I — сила тока в рамке. Вращающему моменту Мвр будет противодействовать упругий момент кручения Мупр , возникающий в нити подвеса при повороте рамки на угол по закону Гука:

упр= -D

Кроме этих двух моментов на рамку с током будет действовать тормозящий момент Мтр, , обусловленный электромагнитным торможением и сопротивлением воздуха. Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Электромагнитное торможение является следствием того, что в рамке во время ее движения индуцируется ток с направлением, противоположным основному току в рамке. Вследствие взаимодействия индукционного тока и магнитного поля магнита возникает тормозящий момент Мтр , который определяется по формуле

индNBS ,

где =Iинд- величина индукционного тока, возникающего в цепи гальванометра, рамка которого замкнута на некоторое внешнее сопротивление Rвн ; Rg- сопротивление рамки гальванометра; угловая скорость ее вращения.

тр=

Коэффициент называется коэффициентом электромагнитного торможения. Поскольку величины B, S, N и RG постоянны для данного гальванометра, тормозящий момент Мтр определяется величиной сопротивления внешней цепи Rвн . Чем больше сопротивление внешней цепи гальванометра, тем меньше торможение рамки. Очевидно, наибольшее торможение будет при Rвн =0, то есть при коротком замыкании рамки. Это используется для так называемого демпфирования рамки, т.е. для быстрого ее успокоения. Наименьшее торможение будет при Rвн =∞, что соответствует разомкнутой цепи гальванометра. Разомкнув цепь гальванометра, можно заставить рамку совершать свободные колебания. Согласно второму закону механики для вращательного движения уравнение движения рамки гальванометра запишется в общем виде так:

или

как функцию времени, иначе говоря, установить характер движения рамки гальванометра, или характер режима его работы.

Применение

Измерительные приборы

Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения.

Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.

Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.

Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).

Экспонометр, термометр

В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.

Баллистический гальванометр

Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.

Нуль-индикатор

Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в цепях. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Механическая запись электрических сигналов

Гальванометры используется для позиционирования писчиков в осциллографах, например в аналоговых электрокардиографах. Они могут иметь частотный отклик в 100 Гц и отклонение писчиков в несколько сантиметров. В некоторых случаях (у энцефалографа) гальванометры настолько сильны, что двигают писчики, находящиеся в непосредственном контакте с бумагой. Их пишущий механизм может быть основан на жидких чернилах или на подогреве писчиков, двигающихся по термобумаге. В других случаях гальванометры не обязаны быть столь сильными: контакт с бумагой происходит периодически, поэтому требуется меньше усилий на перемещение писчиков.

Оптическая развёртка

Системы зеркальных гальванометров используются для позиционирования в лазерных оптических системах. Обычно это механизмы высокой мощности с частотным откликом свыше 1 кГц.

Современное состояние

В современных условиях аналого-цифровые преобразователи и приборы с цифровой обработкой сигналов и числовой индикацией величин заменяют гальванометры в качестве измерительных приборов, особенно в составе универсальных (авометров) и в механически сложных условиях работы.

Получение, хранение и обработка данных в компьютерных системах по гибкости значительно превышает все способы фиксации электрических сигналов самописцами на бумаге.

Зеркальные гальванометры также потеряли своё значение в системах развёртки, сначала с появлением электронно-лучевых устройств, а там, где необходимо, управление внешним световым потоком — с появлением эффективных пьезоэлектрических устройств и сред с управляемыми свойствами (например, жидких кристаллов). Однако на базе зеркальных гальванометров выпускаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).

Использует [ редактировать ]

Зеркало с лазерным сканированием с замкнутым контуром, управляемое гальванометром

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 числовой 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 править

Чаще всего механизм гальванометра используется в системах позиционирования и управления. Гальванометрические механизмы делятся на гальванометры с подвижным магнитом и подвижной катушкой; кроме того, они делятся на замкнутые и разомкнутые — или резонансные — типы.

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 системами сервоуправления . Как правило, 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 , лазерных телевизорах , лазерных дисплеях.и в приложениях визуализации, таких как сканирование сетчатки с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) и сканирующей лазерной офтальмоскопии (SLO). Почти все эти гальванометры относятся к типу подвижных магнитов. Замкнутый контур 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 резонансным зеркалом 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 высоком вакууме .

Механизм гальванометра (центральная часть), используемый в блоке автоматической экспозиции 8-мм пленочной камеры , вместе с фоторезистором (виден в отверстии в верхней части левой части).

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

Прошлое использование править

Вначале гальванометры использовались для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце ХХ века они были заменены рефлектометрами во временной области .

Механизмы гальванометра также использовались для снятия показаний с фоторезисторов в механизмах измерения пленочных камер (как видно на соседнем изображении).

В аналоговых ленточных самописцах, таких как электрокардиографы , электроэнцефалографы и полиграфы , для позиционирования пера использовались гальванометрические механизмы . Самописцы с ленточными диаграммами с гальванометрическими перьями могут иметь полную частотную характеристику 100 Гц и отклонение в несколько сантиметров.

Электромагнитный

Исторически самая первая конструкция гальванометра.

Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке.

Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки.

Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов.

Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Виды гальванометров

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

Электромагнитные приборы, имеющие довольно простую конструкцию, главными элементами которой являются неподвижная катушка и свободный магнит или же сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент поворачивается или же втягивается в катушку. Основным минусом таких моделей стал нелинейность шкалы, что создаёт трудности при градуировке. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры эксплуатируются в качестве амперметров переменного тока.
Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статичных и подвижных элементов.
Зеркальные, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании при снятии показаний используются небольшие зеркала и световой луч, отражаемый ими. В своё время данный тип гальванометров достаточно широко использовался.
Вибрационные модели, являющиеся вариацией на тему зеркальных измерительных приборов. Одна из их основных особенностей – это компактные размеры и малый вес. Настройка устройства осуществляется посредством натяжения пружины.
Тепловые гальванометры, конструкция которых включает в себя систему рычагов и проводник. При прохождении через последний электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно с этим рычаги преобразуют данную деформацию проводника в отклонение стрелки-указателя.
Апериодические. В данном случае суть функционирования оборудования сводится к тому, что после каждого отклонения стрелка гальванометра возвращается в положение равновесия.
Баллистические устройства, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей характеризуются повышенной инерцией, что отличает их от остальных модификаций.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха

Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.