Гальванометр - Galvanometer

Ранний гальванометр Д'Арсонваля с магнитом и вращающейся катушкой

А гальванометр является электромеханический инструмент, используемый для обнаружения и индикации электрический ток. Гальванометр работает как привод, производя поворот стрелки в ответ на электрический ток, протекающий через катушка в постоянном магнитное поле. Ранние гальванометры не калибровались, но в качестве измерительных приборов использовались усовершенствованные устройства, названные амперметры, чтобы измерить ток, протекающий через электрическую цепь.

Гальванометры были разработаны на основе наблюдения, что стрелка магнитный компас отклоняется около провода, по которому течет электрический ток, что впервые описывается Ганс Кристиан Эрстед в 1820 году. Они были первыми приборами, использованными для обнаружения и измерения малых электрических токов. Андре-Мари Ампер, который математически выразил открытие Эрстеда и назвал инструмент в честь[1] итальянский исследователь электричества Луиджи Гальвани, открывший в 1791 г. принцип гальваноскоп лягушка - от электрического тока у мертвой лягушки подергивались ноги.

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 важны для обнаружения электрической активности сердце и мозг по их точным измерениям тока.

Гальванометры также широко использовались в качестве визуализирующей части в других типах аналоговых счетчиков, например, в световые метры, VU метры и т. д., где они использовались для измерения и отображения результатов других датчики. Сегодня основным типом гальванометрического механизма, который все еще используется, является движущаяся катушка, Д'Арсонваль / Вестон тип.

Операция

Схема гальванометра типа Д'Арсонваля / Вестона.
Схема гальванометра типа Д'Арсонваля / Вестона. Поскольку ток течет из + через катушку (оранжевая часть) на −, в катушке создается магнитное поле. Этому полю противодействует постоянный магнит и заставляет катушку скручиваться, перемещая указатель по отношению к напряженности поля, вызванной протеканием тока.

Современные гальванометры типа D'Arsonval / Weston сконструированы с небольшой вращающейся катушкой из проволоки, называемой 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 создает 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 гарантирует, что магнитное поле является однородным, так что угловое отклонение стрелки пропорционально току. Полезный измеритель обычно содержит приспособление для гашения механического резонанса подвижной катушки и указателя, так что указатель быстро устанавливается в свое положение без колебание.

Базовая чувствительность измерителя может быть, например, 100 микроамперы полная шкала (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 шунты, позволяет калибровать измеритель для измерения больших токов. Измеритель можно калибровать как вольтметр постоянного тока, если сопротивление катушки известно путем расчета 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 размещения резистор последовательно с измерительной катушкой. Счетчик можно использовать для чтения сопротивление включив его последовательно с известным напряжением (аккумулятор) 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 отобразить 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 стрелка измерителя обычно находится на небольшом расстоянии выше шкалы измерителя, параллакс ошибка может возникнуть, когда оператор пытается прочитать шкалу шкалы, которая «совпадает» с указателем. Чтобы противостоять этому, некоторые измерители включают в себя 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

Зеркало с лазерным сканированием с замкнутым контуром, управляемое гальванометром

Вероятно, наиболее широко использовались гальванометры типа D'Arsonval / Weston, используемые в аналоговых счетчиках в электронном оборудовании. С 1980-х годов аналоговые измерительные механизмы гальванометрического типа были вытеснены аналого-цифровые преобразователи (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

Чаще всего механизм гальванометра используется в системах позиционирования и управления. Механизмы гальванометра делятся на гальванометры с подвижным магнитом и с подвижной катушкой; кроме того, они делятся на замкнутый контур и открытый цикл - или же резонансный - типы.

Зеркало гальванометрические системы используются в качестве элементов позиционирования или управления лучом в системы лазерного сканирования. Например, для обработки материалов с помощью мощных лазеров используются механизмы замкнутого зеркального гальванометра с сервопривод Системы управления. 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 стереолитография, лазерное спекание, лазерная гравировка, лазерная сварка, лазерные телевизоры, лазерные дисплеи и в приложениях обработки изображений, таких как сканирование сетчатки с Оптической когерентной томографии (ОКТ). 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 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 условиях высоких вакуум.

Механизм гальванометра (центральная часть), используемый в блоке автоматической экспозиции Пленка 8 мм камера вместе с фоторезистор (видно в отверстии в верхней части левой части).

Гальванометрические механизмы с подвижной катушкой (производители жестких дисков называют звуковыми катушками) используются для управления позиционирование головы сервоприводы в жесткие диски и CD / DVD-плееры, чтобы сохранить как можно меньшую массу (и, следовательно, время доступа).

Прошлое использование

Вначале гальванометры использовали для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце 20 века они были заменены в этом приложении рефлектометры во временной области.

Механизмы гальванометра также использовались для снятия показаний с фоторезисторы в механизмах замера пленочных фотоаппаратов (как видно на соседнем изображении).

В аналоговой полосе самописцы например, используемый в электрокардиографы, электроэнцефалографы и полиграфы, гальванометрические механизмы использовались для позиционирования ручка. Самописцы с ленточными диаграммами с гальванометрическими перьями могут иметь полную частотную характеристику 100 Гц и отклонение в несколько сантиметров.

История

Ганс Кристиан Эрстед

Прогиб магнитный компас иглу током в проволоке впервые описал Ганс Кристиан Эрстед в 1820 году. Явление было изучено как само по себе, так и как средство измерения электрического тока.

Швайггер и Ампер

О самом первом гальванометре сообщил Иоганн Швайггер на Университет Галле 16 сентября 1820 г. Андре-Мари Ампер также способствовал его развитию. Ранние конструкции усиливали эффект магнитного поля, создаваемого током, за счет использования нескольких витков провода. Из-за этой общей конструктивной особенности инструменты сначала назывались «умножителями».[2] Термин «гальванометр», широко использовавшийся в 1836 году, произошел от фамилии итальянского исследователя электричества. Луиджи Гальвани, который в 1791 году обнаружил, что электрический ток вызывает рывок 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 "касательные" гальванометры и перед использованием нужно было ориентироваться. Более поздние инструменты "астатический Тип использовал противоположные магниты, чтобы стать независимым от поля Земли и работать в любой ориентации.

Рано зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганн Кристиан Поггендорф.[нужна цитата ] Самая чувствительная форма астатического гальванометра, гальванометр Томсона, для которого Томсон ввел термин зеркальный гальванометр, был запатентован в 1858 г. Уильям Томсон (Лорд Кельвин). Зеркальный гальванометр Томсона был усовершенствованием конструкции, изобретенной Герман фон Гельмгольц в 1849 г.[3] Конструкция Томсона позволяла обнаруживать очень быстрые изменения тока с помощью небольших магнитов, прикрепленных к легкому зеркалу, подвешенному на нити, вместо стрелки 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 Георг Ом, в 1827 г., чтобы сформулировать Закон Ома - что напряжение на проводнике прямо пропорционально току через него.

Д'Арсонваль и Депре

Ранняя форма гальванометра с подвижным 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 току. В 1882 г. Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре развитый форма со стационарным постоянным магнитом и подвижной катушкой с проволокой, подвешенной на тонких проволоках, которые обеспечивают как электрическое соединение с катушкой, так и восстанавливающий крутящий 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 действия прибора. Зеркало, прикрепленное к катушке, отклоняло луч света, чтобы указать положение катушки. Концентрированное магнитное поле и хрупкая подвеска делали эти инструменты чувствительными; Первоначальный прибор д'Арсонваля мог обнаружить десять микроамперы.[4]

Эдвард Вестон

Гальванометр Д'Арсонваля / Вестона (ок. 1900 г.). Часть магнита слева полюс разобран, чтобы показать катушку.
Гальванометр Weston в переносном футляре

Эдвард Вестон значительно улучшен дизайн. Он заменил тонкую проволочную подвеску шарниром и обеспечил восстановление крутящего момента и электрические соединения с помощью спиральных пружин, как в наручных часах. балансир пружина. 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, исключено параллакс ошибка наблюдения. Для поддержания напряженности поля в конструкции Вестона 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 инструменты, полагающиеся на собственное магнитное поле Земли для обеспечения восстанавливающей силы для стрелки, гальванометры были разработаны в компактные, прочные, чувствительные портативные инструменты, необходимые для развития электротехники.

Движение тугой ленты

Движение тугой ленты - это современное развитие движения Д'Арсонваль-Уэстон. Шарниры и спирали для украшений заменены крошечными металлическими полосками, находящимися под напряжением. Такой счетчик более прочен для использования в полевых условиях.[5][6]

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 - один из первых измерительный инструмент используется для измерения электрический ток. Он работает с использованием компас игла для сравнения магнитное поле генерируется неизвестным током в магнитное поле Земли. Он получил свое название от принципа действия, касательного закона магнетизма, который гласит, что касательная Угол, который делает стрелка компаса, пропорционален отношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые он был описан Йохан Джейкоб Нервандер в 1834 г. (см. JJ Nervander, «Mémoire sur un Galvanomètre à châssis cylindrique par lequel on obtient immédiatement et sans calc la mesure de l'intensité du courant électrique qui produit la déviation de l'aiguille aimantée, et de Physics de Chimantée», Paris), Tome 55, 156–184, 1834. и J. Venermo и A. Sihvola, «Тангенциальный гальванометр Йохана Якоба Нервандера», IEEE Instrumentation & MeasurementMagazine, vol. 11, no. 3, pp. 16-23, Июнь 2008 г.) и в 1837 г. Клод Пуйе.[7]

Касательный гальванометр состоит из катушки из изолированной медной проволоки, намотанной на круговой немагнитной раме. 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, перпендикулярно магнитному полю Земли. Стрелка компаса реагирует на векторная сумма двух полей и отклоняется на угол, равный тангенсу отношения двух полей. По шкале компаса значение тока можно определить по таблице.[8] 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.

  • Касательный гальванометр

  • 1850 г. Пуйе Касательный гальванометр на дисплее Musée d'histoire des Sciences de la Ville de Genève

  • Рисунок. Характерной чертой является вертикальное кольцо, если смотреть спереди. Он установлен на горизонтальном диске с электрическими разъемами. Горизонтальный циркуль установлен в центре кольца.

    Касательный гальванометр, изготовленный J. H. Bunnell Co. около 1890 г.

  • Фотография. Самая заметная особенность - горизонтальный круглый корпус компаса, который виден сверху. Циркуль центрирован внутри черного кольца квадратного сечения. Компас и кольцо опираются на латунный штатив с регулировочными винтами на ножках.

    Вид сверху касательного гальванометра, сделанного примерно в 1950 году. Стрелка индикатора компаса перпендикулярна более короткой черной магнитной стрелке.

Теория

Гальванометр ориентирован так, чтобы плоскость катушки была вертикальной и выровнена параллельно горизонтальной составляющей. BЧАС магнитного поля Земли (т.е. параллельно местному «магнитному меридиану»). Когда через катушку гальванометра протекает электрический ток, возникает второе магнитное поле. B создано. В центре катушки, где расположена стрелка компаса, поле катушки перпендикулярно плоскости катушки. Величина поля катушки:

куда я ток в амперы, п - количество витков катушки и р - радиус катушки. Эти два перпендикулярных магнитных поля добавляют векторно, а стрелка компаса указывает в направлении их результирующих BЧАС+ B. Ток в катушке заставляет стрелку компаса вращаться на угол. θ:

Из касательного закона, B = BЧАС загар θ, т.е.

или же

или же I = K загар θ, куда K называется коэффициентом уменьшения касательного гальванометра.

Одна проблема с касательным гальванометром заключается в том, что его разрешение ухудшается как при больших, так и при малых токах. Максимальное разрешение достигается, когда значение θ составляет 45 °. Когда значение θ близка к 0 ° или 90 °, большое процентное изменение тока сдвинет стрелку только на несколько градусов.[9]

Измерение геомагнитного поля

Касательный гальванометр также можно использовать для измерения величины горизонтальной составляющей геомагнитное поле. При таком использовании источник питания низкого напряжения, например аккумулятор, подключается последовательно с реостат, гальванометр и амперметр. 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 магнитное поле Земли для измерения, поэтому его не нужно ориентировать относительно поля Земли, что упрощает его использование. Разработан Леопольдо Нобили в 1825 г.,[10] он состоит из двух намагниченных игл, параллельных друг другу, но с перевернутыми магнитными полюсами. Эти иглы подвешены на одной шелковой нити.[11] Нижняя стрелка находится внутри вертикальной катушки с проволокой, чувствительной к току, и отклоняется магнитным полем, создаваемым проходящим током, как в касательном гальванометре выше. Вторая игла предназначена для компенсации дипольного момента первой иглы, поэтому подвешенный якорь не имеет сетки. магнитный дипольный момент, и, следовательно, не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Вращению иглы препятствует упругость нити подвески на кручение, пропорциональная углу.

Зеркальный гальванометр

Основная статья: Зеркальный гальванометр

Чтобы достичь более высокой чувствительности для обнаружения очень малых токов, зеркальный гальванометр заменяет указку на 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 первой трансатлантической подводные телеграфные кабели в 1850-х годах, чтобы обнаружить чрезвычайно слабые импульсы тока после их тысячелетнего путешествия под Атлантикой. В устройстве под названием осциллограф движущийся луч света используется для построения графиков зависимости тока от времени путем записи измерений на фотопленку. В струнный гальванометр это разновидность зеркального гальванометра, настолько чувствительного, что он был использован для изготовления первых ЭКГ электрической активности человеческого сердца.

Баллистический гальванометр

Основная статья: Баллистический гальванометр

Баллистический гальванометр - это тип чувствительного гальванометра для измерения количества обвинять разряжается через него. На самом деле это интегратор в отличие от токоизмерительного гальванометра подвижная часть имеет большой момент инерции что надолго колебание период. Это может быть подвижная катушка или подвижный магнит; обычно это зеркальный гальванометр.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шиффер, Майкл Брайан. (2008) «Электромагнетизм выявлен», борьба за власть: научный авторитет и создание практического электричества до Эдисона. Стр.24.
  2. ^ «Множитель Швайгера - 1820». Маглаб. Национальная лаборатория сильного магнитного поля. Получено 17 октября 2017.
  3. ^ Линдли, Дэвид, Градусы Кельвина: рассказ о гении, изобретении и трагедии, стр. 132–133, Joseph Henry Press, 2004 г. ISBN  0309167825
  4. ^ Кейтли, Джозеф Ф. (1999). История электрических и магнитных измерений: с 500 г. до н. Э. к 1940-м годам. Джон Уайли и сыновья. С. 196–198. ISBN  0-7803-1193-0.
  5. ^ Weschler Instruments (20 февраля 2020 г.). «Аналоговый измеритель натянутого диапазона». Получено 25 апреля 2020.
  6. ^ http://www.dictionarycentral.com/definition/taut-band-meter.html
  7. ^ Пуийе (1837 г.). "Mémoire sur la pile de Volta et sur la loi générale de l'intensité que prennent les Courrants, soit qu'ils proviennent d'un seul élément, soit qu'ils proviennent d'une pile à grande ou à petite Voltage" [Воспоминания о гальванической батарее [т. Е. Батарее] и об общем законе интенсивности, которую принимают токи, независимо от того, исходят ли они от одного элемента или от кучи высокого или низкого напряжения]. Comptes rendus (На французском). 4: 267–279.
  8. ^ Гринслейд младший, Томас Б. «Касательный гальванометр». Kenyon College. Получено 26 апреля 2016.
  9. ^ "Теория". ГАЛЬВАНОМЕТР. Получено 5 апреля 2017.
  10. ^ Нобили, Леопольдо (1825). "Sur un nouveau galvanomètre présenté à l'Académie des Sciences" [О новом гальванометре, представленном в Академии наук]. Bibliothèque universelle (На французском). 29: 119–125.
  11. ^ Гринслейд, Томас Б., мл. «Инструменты для естественной философии - астатический гальванометр». Kenyon College. Получено 6 ноября 2019.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

внешняя ссылка