Αμπερόμετρο και συσκευή βολτόμετρου

Αρχικά, τα βολτόμετρα και τα αμπερόμετρα ήταν μόνο μηχανικά και μόνο πολλά χρόνια αργότερα, με την ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής, άρχισαν να παράγονται ψηφιακά βολτόμετρα και αμπερόμετρα. Ωστόσο, ακόμη και τώρα οι μηχανικοί μετρητές είναι δημοφιλείς. Σε σύγκριση με τα ψηφιακά, είναι ανθεκτικά στις παρεμβολές και δίνουν μια πιο οπτική αναπαράσταση της δυναμικής της μετρούμενης τιμής. Οι εσωτερικοί τους μηχανισμοί παραμένουν πρακτικά ίδιοι με τους κανονικούς μαγνητοηλεκτρικούς μηχανισμούς των πρώτων βολτόμετρων και αμπερόμετρων.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τη συσκευή ενός τυπικού καντράν, έτσι ώστε οποιοσδήποτε αρχάριος να μπορεί να κατανοήσει τις βασικές αρχές λειτουργίας των βολτόμετρων και των αμπερόμετρων.

Στη δουλειά της, η συσκευή μέτρησης δείκτη χρησιμοποιεί τη μαγνητοηλεκτρική αρχή. Ένας μόνιμος μαγνήτης με έντονα κομμάτια πόλου είναι στερεωμένος στη θέση του. Ένας χαλύβδινος πυρήνας είναι στερεωμένος μεταξύ αυτών των πόλων έτσι ώστε να σχηματίζεται ένα διάκενο αέρα μεταξύ του πυρήνα και των τμημάτων του πόλου του μαγνήτη μόνιμο μαγνητικό πεδίο.

Ένα κινητό πλαίσιο αλουμινίου εισάγεται στο κενό, πάνω στο οποίο τυλίγεται ένα πηνίο από πολύ λεπτό σύρμα.Το πλαίσιο είναι στερεωμένο στους άξονες του άξονα και μπορεί να περιστραφεί με την τροχαλία. Το βέλος της συσκευής είναι στερεωμένο στο πλαίσιο με σπειροειδή ελατήρια. Ένα ρεύμα τροφοδοτείται στο πηνίο μέσω των ελατηρίων.

Όταν ένα ρεύμα I διέρχεται από το σύρμα του πηνίου, τότε, αφού το πηνίο τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο και το ρεύμα στα καλώδιά του ρέει κάθετα, διασχίζοντας τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου στο διάκενο, μια περιστροφική δύναμη από την πλευρά του μαγνητικό πεδίο θα δράσει σε αυτό. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη θα δημιουργήσει μια ροπή M, και το πηνίο, μαζί με το πλαίσιο και το χέρι, θα περιστρέφονται κατά μια ορισμένη γωνία α.

Δεδομένου ότι η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου στο διάκενο είναι αμετάβλητη (μόνιμος μαγνήτης), η ροπή θα είναι πάντα ανάλογη με το ρεύμα στο πηνίο και η τιμή της θα εξαρτάται από το ρεύμα και από τις σταθερές παραμέτρους σχεδιασμού αυτής της συγκεκριμένης συσκευής (c1 ). Αυτή η στιγμή θα ισούται με:

Η ροπή αντίδρασης που εμποδίζει την περιστροφή του πλαισίου, που προκύπτει από την παρουσία ελατηρίων, θα είναι ανάλογη με τη γωνία στρέψης των ελατηρίων, δηλαδή τη γωνία περιστροφής του βέλους που συνδέεται με το κινούμενο μέρος:

Με αυτόν τον τρόπο, η περιστροφή θα συνεχιστεί μέχρι τη στιγμή που το M που δημιουργείται από το ρεύμα στο πλαίσιο ισούται με την αντίστροφη ροπή Mpr από τα ελατήρια, δηλαδή μέχρι να υπάρξει ισορροπία. Σε αυτό το σημείο το βέλος θα σταματήσει:

Προφανώς, η γωνία περιστροφής των ελατηρίων θα είναι ανάλογη με το ρεύμα του πλαισίου (και το μετρούμενο ρεύμα), γι' αυτό και οι συσκευές μαγνητοηλεκτρικού συστήματος έχουν την ίδια κλίμακα. Ο συντελεστής αναλογικότητας k μεταξύ της γωνίας περιστροφής του βέλους και της μονάδας του μετρούμενου ρεύματος ονομάζεται ευαισθησία της συσκευής.

Το αντίστροφο ονομάζεται διαίρεση κλίμακας ή σταθερά μονάδας. Η μετρούμενη τιμή προσδιορίζεται ως το γινόμενο της τιμής διαιρούμενο με αριθμός τμημάτων κλίμακας.

Προκειμένου να αποφευχθούν οι ενοχλητικοί κραδασμοί του κινητού πλαισίου κατά τη μετάβαση του βέλους από τη μία θέση του στην άλλη, χρησιμοποιούνται βαλβίδες μαγνητικής επαγωγής ή αέρα σε αυτές τις συσκευές.

Ο αποσβεστήρας μαγνητικής επαγωγής είναι μια πλάκα αλουμινίου που στερεώνεται στον άξονα περιστροφής της συσκευής και κινείται πάντα με το βέλος στο πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη. Τα δινορεύματα που προκύπτουν επιβραδύνουν την περιέλιξη Το συμπέρασμα είναι ότι, σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, τα δινορεύματα στην πλάκα, αλληλεπιδρώντας με το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη που τα δημιούργησε, εμποδίζουν την κίνηση της πλάκας και τις ταλαντώσεις του το βέλος σβήνει γρήγορα. Το ρόλο ενός τέτοιου αμορτισέρ με μαγνητική επαγωγή παίζει το πλαίσιο αλουμινίου πάνω στο οποίο τυλίγεται το πηνίο.

Κατά την περιστροφή του πλαισίου, η μαγνητική ροή από τον μόνιμο μαγνήτη που διεισδύει στο πλαίσιο αλουμινίου αλλάζει, πράγμα που σημαίνει ότι προκαλούνται δινορεύματα στο πλαίσιο αλουμινίου, τα οποία, όταν αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη, έχουν αποτέλεσμα πέδησης και ταλαντώσεις του χεριού στοπ.

Οι αποσβεστήρες αέρα των μαγνητοηλεκτρικών συσκευών είναι κυλινδρικοί θάλαμοι με έμβολα τοποθετημένα μέσα, συνδεδεμένα με τα κινούμενα συστήματα των συσκευών. Όταν το κινούμενο μέρος βρίσκεται σε κίνηση, το έμβολο σε σχήμα φτερού σταματά στον θάλαμο και οι ταλαντώσεις της βελόνας αποσβένονται.

Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ακρίβεια μέτρησης, η συσκευή δεν πρέπει να επηρεάζεται από τη βαρύτητα κατά τη μέτρηση και η εκτροπή του βέλους πρέπει να σχετίζεται μόνο με τη ροπή που προκύπτει από την αλληλεπίδραση του ρεύματος του πηνίου με το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη και με ανάρτηση του πλαισίου μέσω ελατηρίων.

Προκειμένου να εξαλειφθεί η επιβλαβής επίδραση της βαρύτητας και να αποφευχθούν τα σχετικά σφάλματα, προστίθενται αντίβαρα στο κινούμενο μέρος της συσκευής με τη μορφή βαρών που κινούνται σε ράβδους.

Για τη μείωση της τριβής, οι αιχμές από χάλυβα είναι κατασκευασμένες από γυαλισμένο ανθεκτικό στη φθορά χάλυβα ή κράμα βολφραμίου-μολυβδαινίου και τα ρουλεμάν είναι κατασκευασμένα από σκληρό ορυκτό (αχάτης, κορούνδιο, ρουμπίνι κ.λπ.). Η απόσταση μεταξύ του άκρου και του ρουλεμάν στήριξης ρυθμίζεται με μια βίδα ρύθμισης.

Για να ρυθμίσετε με ακρίβεια το βέλος στη μηδενική αρχική θέση, η συσκευή είναι εξοπλισμένη με διορθωτή. Ο διορθωτής στο καντράν είναι μια βίδα έξω και συνδέεται με έναν ιμάντα με ένα ελατήριο. Χρησιμοποιώντας μια βίδα, μπορείτε να μετακινήσετε ελαφρώς τη σπείρα κατά μήκος του άξονα, προσαρμόζοντας έτσι την αρχική θέση του βέλους.

Οι περισσότερες σύγχρονες συσκευές έχουν ένα κινητό μέρος που αναρτάται από ένα ζεύγος φορείων με τη μορφή ελαστικών μεταλλικών λωρίδων που χρησιμεύουν για την παροχή ρεύματος στο πηνίο και τη δημιουργία ροπής ροπής. Οι σφιγκτήρες συνδέονται με ένα ζευγάρι επίπεδα ελατήρια που βρίσκονται κάθετα μεταξύ τους.

Για να είμαστε ειλικρινείς, σημειώνουμε ότι εκτός από τον κλασικό μηχανισμό που συζητήθηκε παραπάνω, υπάρχουν επίσης συσκευές με όχι μόνο μαγνήτες σχήματος U, αλλά και κυλινδρικούς μαγνήτες και μαγνήτες σε σχήμα πρίσματος, ακόμη και με μαγνήτες με εσωτερικό πλαίσιο, οι οποίοι οι ίδιοι μπορεί οι ίδιοι να είναι κινητές.

Για τη μέτρηση του ρεύματος ή της τάσης, η μαγνητοηλεκτρική συσκευή περιλαμβάνεται στο κύκλωμα DC σύμφωνα με το κύκλωμα αμπερόμετρου ή βολτόμετρου, η διαφορά είναι μόνο στην αντίσταση του πηνίου και στο κύκλωμα για τη σύνδεση της συσκευής στο κύκλωμα. Φυσικά, όλο το μετρούμενο ρεύμα δεν πρέπει να περνάει από το πηνίο της συσκευής κατά τη μέτρηση του ρεύματος και κατά τη μέτρηση της τάσης δεν πρέπει να καταναλώνεται μεγάλη ισχύς. Μια πρόσθετη αντίσταση ενσωματωμένη στο περίβλημα της συσκευής μέτρησης χρησιμεύει για τη δημιουργία κατάλληλων συνθηκών.

Η αντίσταση της πρόσθετης αντίστασης στο κύκλωμα του βολτόμετρου υπερβαίνει την αντίσταση του πηνίου κατά πολλές φορές και αυτή η αντίσταση είναι κατασκευασμένη από μέταλλο με εξαιρετικά μικρό συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίαςόπως η μαγγανίνη ή η κονσταντάνη. Η αντίσταση που συνδέεται παράλληλα με το πηνίο στο αμπερόμετρο ονομάζεται διακλάδωση.

Η αντίσταση της διακλάδωσης, αντίθετα, είναι αρκετές φορές μικρότερη από την αντίσταση του πηνίου εργασίας μέτρησης, επομένως μόνο ένα μικρό μέρος του μετρούμενου ρεύματος διέρχεται από το σύρμα του πηνίου, ενώ το κύριο ρεύμα ρέει μέσω του πηνίου. Μια πρόσθετη αντίσταση και διακλάδωση σάς επιτρέπουν να επεκτείνετε το εύρος μέτρησης της συσκευής.

Η κατεύθυνση της απόκλισης του βέλους της συσκευής εξαρτάται από την κατεύθυνση του ρεύματος μέσω του πηνίου μέτρησης, επομένως, κατά τη σύνδεση της συσκευής στο κύκλωμα, είναι σημαντικό να παρατηρήσετε σωστά την πολικότητα, διαφορετικά το βέλος θα κινηθεί προς την άλλη κατεύθυνση . Αντίστοιχα, οι μαγνητοηλεκτρικές συσκευές σε κανονική μορφή είναι ακατάλληλες για σύνδεση σε κύκλωμα AC, καθώς η βελόνα απλά θα δονείται ενώ παραμένει σε ένα σημείο.

Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα των μαγνητοηλεκτρικών συσκευών (αμπερόμετρα, βολτόμετρα) περιλαμβάνουν υψηλή ακρίβεια, ομοιομορφία κλίμακας και αντοχή σε διαταραχές που δημιουργούνται από εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Τα μειονεκτήματα είναι η ακαταλληλότητα για τη μέτρηση εναλλασσόμενου ρεύματος (για τη μέτρηση του εναλλασσόμενου ρεύματος, θα πρέπει πρώτα να το διορθώσετε), η απαίτηση να τηρείται η πολικότητα και η ευπάθεια του λεπτού σύρματος του πηνίου μέτρησης σε υπερφόρτωση.