Amperomierz i woltomierz

Początkowo woltomierze i amperomierze były wyłącznie mechaniczne, a dopiero wiele lat później, wraz z rozwojem mikroelektroniki, zaczęto produkować woltomierze i amperomierze cyfrowe. Niemniej jednak nawet teraz liczniki mechaniczne są popularne. W porównaniu z cyfrowymi są odporne na zakłócenia i dają bardziej wizualne odwzorowanie dynamiki mierzonej wartości. Ich wewnętrzne mechanizmy pozostają praktycznie takie same jak kanoniczne mechanizmy magnetoelektryczne pierwszych woltomierzy i amperomierzy.

W tym artykule przyjrzymy się urządzeniu typowej tarczy, aby każdy początkujący mógł zrozumieć podstawowe zasady działania woltomierzy i amperomierzy.

W swojej pracy wskaźnikowe urządzenie pomiarowe wykorzystuje zasadę magnetoelektryczną. Stały magnes z wyraźnymi nabiegunnikami jest zamocowany na miejscu. Stalowy rdzeń jest zamocowany pomiędzy tymi biegunami tak, że między rdzeniem a biegunami magnesu powstaje szczelina powietrzna stałe pole magnetyczne.

W szczelinę wsuwana jest ruchoma aluminiowa rama, na którą nawinięta jest cewka z bardzo cienkiego drutu.Rama jest zamocowana na półosiach i może być obracana za pomocą koła pasowego. Strzałka urządzenia jest przymocowana do ramy za pomocą sprężyn śrubowych. Prąd jest dostarczany do cewki przez sprężyny.

Gdy prąd I przepływa przez drut cewki, to ponieważ cewka jest umieszczona w polu magnetycznym, a prąd w jej przewodach płynie prostopadle, przecinając linie pola magnetycznego w szczelinie, siła wirująca od strony będzie na nią oddziaływać pole magnetyczne. Siła elektromagnetyczna wytworzy moment obrotowy M, a cewka wraz z ramą i dłonią obróci się o określony kąt α.

Ponieważ indukcja pola magnetycznego w szczelinie jest niezmienna (magnes stały), moment obrotowy będzie zawsze proporcjonalny do prądu w cewce, a jego wartość będzie zależała od prądu i stałych parametrów konstrukcyjnych tego konkretnego urządzenia (c1 ). Ten moment będzie równy:

Moment reakcji uniemożliwiający obrót ramy, wynikający z obecności sprężyn, będzie proporcjonalny do kąta skręcenia sprężyn, czyli kąta obrotu strzałki połączonej z częścią ruchomą:

W ten sposób obrót będzie trwał do chwili, gdy moment M wytworzony przez prąd w ramie będzie równy przeciwnemu momentowi Mpr ze sprężyn, czyli do momentu osiągnięcia równowagi. W tym momencie strzałka zatrzyma się:

Oczywiście kąt skrętu sprężyn będzie proporcjonalny do prądu ramy (i mierzonego prądu), dlatego urządzenia układu magnetoelektrycznego mają tę samą skalę. Współczynnik proporcjonalności k między kątem obrotu strzałki a jednostką mierzonego prądu nazywa się czułością urządzenia.

Odwrotność nazywana jest podziałem skali lub stałą jednostkową. Zmierzona wartość jest określana jako iloczyn wartości podzielonej przez liczba działek skali.

W celu uniknięcia przeszkadzających drgań ruchomej ramy podczas przejść strzały z jednego jej położenia do drugiego, w urządzeniach tych zastosowano indukcję magnetyczną lub zawory powietrzne.

Tłumik indukcji magnetycznej to płytka z aluminium, która jest zamocowana na osi obrotu urządzenia i zawsze porusza się zgodnie ze strzałką w polu magnesu trwałego. Powstałe prądy wirowe spowalniają uzwojenie.Wniosek jest taki, że zgodnie z regułą Lenza prądy wirowe w płytce, oddziałując z polem magnetycznym magnesu trwałego, który je wytworzył, utrudniają ruch płyty i oscylacje strzała szybko gaśnie. Rolę takiego amortyzatora z indukcją magnetyczną pełni aluminiowa rama, na którą nawinięta jest cewka.

Podczas obracania ramy zmienia się strumień magnetyczny magnesu trwałego przechodzący przez ramę aluminiową, co oznacza, że ​​w ramie aluminiowej indukowane są prądy wirowe, które oddziałując z polem magnetycznym magnesu trwałego działają hamująco, a oscylacje ogranicznika ręcznego.

Przepustnice powietrza urządzeń magnetoelektrycznych to cylindryczne komory z umieszczonymi wewnątrz tłokami, połączone z ruchomymi układami urządzeń. Gdy część ruchoma jest w ruchu, tłok w kształcie skrzydełka zatrzymuje się w komorze, a drgania igły są tłumione.

Aby osiągnąć wymaganą dokładność pomiaru, na urządzenie nie może oddziaływać grawitacja podczas pomiaru, a wychylenie strzałki musi być odniesione tylko do momentu obrotowego wynikającego z oddziaływania prądu cewki z polem magnetycznym magnesu trwałego oraz z zawieszenie ramy za pomocą sprężyn.

W celu wyeliminowania szkodliwego wpływu grawitacji i uniknięcia związanych z tym błędów, do ruchomej części urządzenia dodawane są przeciwwagi w postaci ciężarków poruszających się po prętach.

Aby zmniejszyć tarcie, stalowe końcówki są wykonane z polerowanej stali odpornej na zużycie lub ze stopu wolframu i molibdenu, a łożyska z twardego minerału (agat, korund, rubin itp.). Odległość między końcówką a łożyskiem oporowym jest regulowana za pomocą śruby ustalającej.

Aby precyzyjnie ustawić strzałkę w zerowej pozycji startowej, przyrząd wyposażono w korektor. Korektor w tarczy jest wykręcany i połączony z paskiem za pomocą sprężynki. Za pomocą śruby możesz lekko przesunąć spiralę wzdłuż osi, dostosowując w ten sposób początkowe położenie strzałki.

Większość nowoczesnych urządzeń ma ruchomą część zawieszoną na parze noszy w postaci elastycznych metalowych opasek, które służą do dostarczania prądu do cewki i wytwarzania płynnego momentu obrotowego. Zaciski są połączone parą płaskich sprężyn ustawionych prostopadle do siebie.

Szczerze mówiąc, zauważamy, że oprócz omówionego powyżej klasycznego mechanizmu istnieją również urządzenia z magnesami nie tylko w kształcie litery U, ale także cylindrycznymi, pryzmatycznymi, a nawet z magnesami z wewnętrzną ramką, które same w sobie same mogą być ruchome.

Aby zmierzyć prąd lub napięcie, urządzenie magnetoelektryczne jest włączone do obwodu prądu stałego zgodnie z obwodem amperomierza lub woltomierza, różnica polega tylko na rezystancji cewki i obwodzie do podłączenia urządzenia do obwodu. Oczywiście cały mierzony prąd nie powinien przechodzić przez cewkę przyrządu przy pomiarze prądu, a przy pomiarze napięcia nie powinien być pobierany duży prąd. Stworzeniu odpowiednich warunków służy dodatkowy rezystor wbudowany w obudowę przyrządu pomiarowego.

Rezystancja dodatkowego rezystora w obwodzie woltomierza wielokrotnie przekracza rezystancję cewki, a ten rezystor jest wykonany z metalu o wyjątkowo małej współczynnik temperaturowy oporutakie jak manganina lub konstantan. Rezystor połączony równolegle z cewką w amperomierzu nazywamy bocznikiem.

Przeciwnie, rezystancja bocznika jest kilkakrotnie mniejsza niż rezystancja pomiarowej cewki roboczej, dlatego tylko niewielka część mierzonego prądu przechodzi przez drut cewki, podczas gdy prąd główny przepływa przez bocznik. Dodatkowy rezystor i bocznik pozwalają rozszerzyć zakres pomiarowy urządzenia.

Kierunek odchylenia strzałki przyrządu zależy od kierunku prądu przepływającego przez cewkę pomiarową, dlatego przy podłączaniu przyrządu do obwodu należy zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację, w przeciwnym razie strzałka przesunie się w przeciwnym kierunku . W związku z tym urządzenia magnetoelektryczne w postaci kanonicznej nie nadają się do podłączenia do obwodu prądu przemiennego, ponieważ igła po prostu wibruje, pozostając w jednym miejscu.

Jednak do zalet przyrządów magnetoelektrycznych (amperomierzy, woltomierzy) należy zaliczyć dużą dokładność, jednorodność skali oraz odporność na zakłócenia generowane przez zewnętrzne pola magnetyczne. Wadą jest nieprzydatność do pomiaru prądu przemiennego (aby zmierzyć prąd przemienny, trzeba go najpierw poprawić), konieczność przestrzegania biegunowości oraz podatność cienkiego drutu cewki pomiarowej na przeciążenia.