Dispozitiv ampermetru și voltmetru

Inițial, voltmetrele și ampermetrele erau doar mecanice, iar abia mulți ani mai târziu, odată cu dezvoltarea microelectronicii, au început să fie produse voltmetre și ampermetre digitale. Cu toate acestea, chiar și acum contoarele mecanice sunt populare. În comparație cu cele digitale, acestea sunt rezistente la interferențe și oferă o reprezentare mai vizuală a dinamicii valorii măsurate. Mecanismele lor interne rămân practic aceleași cu mecanismele magnetoelectrice canonice ale primelor voltmetre și ampermetre.

În acest articol, ne vom uita la dispozitivul unui cadran tipic, astfel încât orice începător să poată înțelege principiile de bază ale funcționării voltmetrelor și ampermetrelor.

În activitatea sa, dispozitivul de măsurare a indicatorului utilizează principiul magnetoelectric. Un magnet permanent cu piese polare pronunțate este fixat pe loc. Un miez de oțel este fixat între acești poli, astfel încât să se formeze un spațiu de aer între miez și părțile polare ale magnetului câmp magnetic permanent.

Un cadru mobil din aluminiu este introdus în spațiu, pe care este înfășurată o bobină de sârmă foarte subțire.Cadrul este fixat pe arborii osiilor și poate fi rotit cu scripetele. Săgeata dispozitivului este atașată de cadru cu arcuri elicoidale. Un curent este furnizat bobinei prin arcuri.

Când un curent I trece prin firul bobinei, atunci, deoarece bobina este plasată într-un câmp magnetic, iar curentul din firele sale curge perpendicular, traversând liniile câmpului magnetic în gol, o forță de rotație din partea laterală a bobinei. câmpul magnetic va acționa asupra ei. Forța electromagnetică va crea un cuplu M, iar bobina, împreună cu cadrul și mâna, se vor roti printr-un anumit unghi α.

Deoarece inducția câmpului magnetic în spațiu este neschimbată (magnet permanent), cuplul va fi întotdeauna proporțional cu curentul din bobină, iar valoarea acestuia va depinde de curent și de parametrii de proiectare constanți ai acestui dispozitiv special (c1 ). Acest moment va fi egal cu:

Momentul de reacție care împiedică rotirea cadrului, rezultat din prezența arcurilor, va fi proporțional cu unghiul de torsiune al arcurilor, adică unghiul de rotație al săgeții conectată la piesa mobilă:

In acest fel, rotatia va continua pana in momentul M creat de curentul din cadru este egal cu contramomentul Mpr din arcuri, adica pana la producerea echilibrului. În acest moment, săgeata se va opri:

Evident, unghiul de răsucire al arcurilor va fi proporțional cu curentul cadrului (și cu curentul măsurat), motiv pentru care dispozitivele sistemului magnetoelectric au aceeași scară. Factorul de proporționalitate k dintre unghiul de rotație al săgeții și unitatea curentului măsurat se numește sensibilitatea dispozitivului.

Reciproca se numește diviziune la scară sau constantă unitară. Valoarea măsurată este determinată ca produs al valorii împărțit la numărul de diviziuni de scară.

Pentru a evita vibrațiile perturbatoare ale cadrului mobil în timpul tranzițiilor săgeții de la una dintre pozițiile sale la alta, în aceste dispozitive se folosesc supape de inducție magnetică sau de aer.

Amortizorul magnetic de inducție este o placă din aluminiu care se fixează pe axa de rotație a dispozitivului și se deplasează întotdeauna cu săgeata în câmpul unui magnet permanent. Curenții turbionari rezultați încetinesc înfășurarea.Concluzia este că, conform regulii lui Lenz, curenții turbionari din placă, interacționând cu câmpul magnetic al magnetului permanent care i-a generat, împiedică mișcarea plăcii, iar oscilațiile săgeata se stinge rapid. Rolul unui astfel de amortizor cu inducție magnetică îl joacă cadrul de aluminiu pe care este înfășurată bobina.

La rotirea cadrului, fluxul magnetic de la magnetul permanent care pătrunde în cadrul din aluminiu se modifică, ceea ce înseamnă că în cadrul din aluminiu sunt induși curenți turbionari care, atunci când interacționează cu câmpul magnetic al magnetului permanent, au un efect de frânare, iar oscilații ale opririi mâinii.

Clapetele de aer ale dispozitivelor magnetoelectrice sunt camere cilindrice cu pistoane plasate în interior, conectate la sistemele mobile ale dispozitivelor. Când piesa mobilă este în mișcare, pistonul în formă de aripă este oprit în cameră și oscilațiile acului sunt amortizate.

Pentru a obține precizia de măsurare necesară, dispozitivul nu trebuie să fie afectat de gravitație în timpul măsurării, iar deviația săgeții trebuie să fie raportată doar la cuplul rezultat din interacțiunea curentului bobinei cu câmpul magnetic al magnetului permanent și cu suspendarea cadrului prin intermediul unor arcuri.

Pentru a elimina efectul dăunător al gravitației și pentru a evita erorile asociate, la partea mobilă a dispozitivului se adaugă contragreutăți sub formă de greutăți care se deplasează pe tije.

Pentru reducerea frecării, vârfurile din oțel sunt realizate din oțel lustruit rezistent la uzură sau aliaj tungsten-molibden, iar rulmenții sunt din mineral dur (agat, corindon, rubin etc.). Distanța dintre vârf și lagăr suport este reglată cu un șurub de fixare.

Pentru a seta cu precizie săgeata la poziția de pornire zero, dispozitivul este echipat cu un corector. Corectorul din cadran este un șurub scos și conectat la o curea cu un arc. Folosind un șurub, puteți mișca ușor spirala de-a lungul axei, ajustând astfel poziția inițială a săgeții.

Cele mai multe dispozitive moderne au o parte mobilă suspendată de o pereche de tărgi sub formă de benzi metalice elastice care servesc la furnizarea de curent la bobină și la crearea unui cuplu de curgere. Clemele sunt conectate printr-o pereche de arcuri plate situate perpendicular unul pe celălalt.

Pentru a fi sincer, observăm că, pe lângă mecanismul clasic discutat mai sus, există și dispozitive cu magneți nu numai în formă de U, ci și magneți cilindrici și magneți în formă de prismă și chiar și cu magneți cu un cadru intern, care ei înșiși pot fi ele însele mobile.

Pentru a măsura curentul sau tensiunea, dispozitivul magnetoelectric este inclus în circuitul de curent continuu în funcție de circuitul ampermetrului sau voltmetrului, diferența este doar în rezistența bobinei și în circuitul de conectare a dispozitivului la circuit. Desigur, tot curentul măsurat nu trebuie să treacă prin bobina dispozitivului atunci când se măsoară curentul, iar atunci când se măsoară tensiunea, nu trebuie consumată multă putere. Un rezistor suplimentar încorporat în carcasa dispozitivului de măsurare servește la crearea condițiilor adecvate.

Rezistența rezistorului suplimentar din circuitul voltmetrului depășește de multe ori rezistența bobinei, iar acest rezistor este realizat din metal cu un extrem de mic. coeficient de rezistență la temperaturăprecum manganina sau constantanul. Rezistorul conectat în paralel cu bobina din ampermetru se numește șunt.

Rezistența șuntului, dimpotrivă, este de câteva ori mai mică decât rezistența bobinei de lucru de măsurare, prin urmare doar o mică parte din curentul măsurat trece prin firul bobinei, în timp ce curentul principal trece prin șunt. Un rezistor suplimentar și un șunt vă permit să extindeți domeniul de măsurare al dispozitivului.

Direcția de abatere a săgeții dispozitivului depinde de direcția curentului prin bobina de măsurare, prin urmare, atunci când conectați dispozitivul la circuit, este important să respectați corect polaritatea, altfel săgeata se va deplasa în cealaltă direcție. . În consecință, dispozitivele magnetoelectrice în formă canonică nu sunt potrivite pentru conectarea la un circuit de curent alternativ, deoarece acul va vibra pur și simplu în timp ce rămâne într-un singur loc.

Cu toate acestea, avantajele dispozitivelor magnetoelectrice (ampermetre, voltmetre) includ precizia ridicată, uniformitatea scării și rezistența la perturbațiile generate de câmpurile magnetice externe. Dezavantajele sunt neadecvarea pentru măsurarea curentului alternativ (pentru a măsura curentul alternativ, mai întâi va trebui să-l redresați), cerința de a respecta polaritatea și vulnerabilitatea firului subțire al bobinei de măsurare la suprasarcină.