Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ранний гальванометр Д'Арсонваля с магнитом и вращающейся катушкой

Гальванометра представляет собой электромеханический инструмент , используемый для обнаружения и указывающих на электрический ток . Гальванометр работает как исполнительный механизм , производя поворот стрелки в ответ на электрический ток, протекающий через катушку в постоянном магнитном поле . Ранние гальванометры не калибровались, но в качестве измерительных приборов использовались усовершенствованные устройства, называемые амперметрами , для измерения тока, протекающего через электрическую цепь.

Гальванометры были разработаны на основе наблюдения, что стрелка магнитного компаса отклоняется около провода, по которому течет электрический ток, впервые описанного Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Они были первыми приборами, использовавшимися для обнаружения и измерения небольших величин электрических токов. Андре-Мари Ампер , который математически выразил открытие Эрстеда и назвал инструмент в честь [1] итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году открыл принцип гальваноскопа лягушки - электрический ток заставлял ноги мертвой лягушки дергаться. .

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 необходимы для обнаружения электрической активности сердца и мозга с помощью точных измерений тока.

Гальванометры также имели широкое применение в качестве визуализирующей части в других видах аналоговых метров, например , в легких метрах , VU метров и т.д., где они были использованы для измерения и отображения вывода других датчиков . Сегодня основным типом гальванометрического механизма, который все еще используется, является движущаяся катушка типа Д'Арсонваля / Вестона .

Операция [ править ]

Схема гальванометра типа Д'Арсонваля / Вестона. Когда ток течет от + через катушку (оранжевая часть) к - , 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 через катушку протекает постоянный ток (DC), 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 колебаний .

Базовая чувствительность измерителя может составлять, например, 100 мкА на полной шкале (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 шунтами , позволяет калибровать измеритель для измерения больших токов. Измеритель может быть откалиброван как вольтметр постоянного тока, если сопротивление катушки известно путем вычисления напряжения, необходимого для генерации тока полной шкалы. Измеритель можно настроить для считывания других значений напряжения, включив его в схему делителя напряжения. Обычно это делается путем включения резистора последовательно с катушкой измерителя. Счетчик можно использовать для считывания сопротивлениявключив 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 указатель измерителя обычно находится на небольшом расстоянии от шкалы измерителя, ошибка параллакса может возникнуть, когда оператор пытается прочитать линию 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 таким образом, чтобы указатель и отражение указателя совпадали; в этот момент глаз оператора должен находиться прямо над указателем, и любая ошибка параллакса сведена к минимуму.

Использует [ редактировать ]

Замкнутое лазерное сканирующее зеркало с гальванометрическим приводом

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 заменены 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. Механизмы гальванометра делятся на гальванометры с подвижным магнитом и с подвижной катушкой; кроме того, они делятся на замкнутые и разомкнутые, или резонансные .

Системы зеркальных гальванометров 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 . 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 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). 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 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).

Механизмы гальванометра 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 использовали для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце 20 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.

История [ править ]

Ганс Кристиан Эрстед [ править ]

Отклонение стрелки магнитного компаса током в проводе было впервые описано Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Это явление было изучено как само по себе, так и как средство измерения электрического тока.

Швайггер и Ампер [ править ]

О самом первом гальванометре сообщил Иоганн Швайггер в Университете Галле 16 сентября 1820 года. Андре-Мари Ампер также внесла свой вклад в его разработку. 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, был получен от фамилии итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году обнаружил, что электрический ток заставляет подергиваться ногу мертвой лягушки .

Поггендорф и Томсон [ править ]

Зеркальный гальванометр Томсона, запатентованный в 1858 году.

Первоначально инструменты полагались на магнитное поле Земли, чтобы обеспечить восстанавливающую силу для стрелки компаса. Они назывались "касательными" гальванометрами, и перед использованием их нужно было ориентировать. Более поздние инструменты « астатического » типа использовали противоположные магниты, чтобы стать независимыми от поля Земли и работать в любой ориентации.

Первый зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Кристианом Поггендорфом . [ необходима цитата ] Самая чувствительная форма астатического гальванометра, гальванометр Томсона, для которого Томсон ввел термин зеркальный гальванометр , был запатентован в 1858 году Уильямом Томсоном (лорд Кельвин). Зеркальный гальванометр Томсона был усовершенствованным вариантом конструкции, изобретенной Германом фон Гельмгольцем в 1849 году [3].Конструкция Томсона позволяла обнаруживать очень быстрые изменения тока с помощью небольших магнитов, прикрепленных к легкому зеркалу, подвешенному на нитке, вместо стрелки компаса. Отклонение луча света от зеркала значительно увеличивало отклонение, вызванное небольшими токами. Альтернативно, отклонение подвешенных магнитов можно было наблюдать непосредственно через микроскоп.

Георг Ом [ править ]

Способность количественно измерять напряжение и ток позволила Георгу Ому в 1827 году сформулировать закон Ома, согласно которому напряжение на проводнике прямо пропорционально току, проходящему через него.

Д'Арсонваль и Депрез [ править ]

Ранняя форма гальванометра с подвижным магнитом имела недостаток, заключающийся в том, что на него воздействовали любые магниты или железные массы рядом с ним, и его отклонение не было линейно пропорциональным току. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре разработали формусо стационарным постоянным магнитом и подвижной катушкой с проволокой, подвешенной на тонких проволоках, которые обеспечивали 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 через катушку, давая линейный отклик во всем диапазоне 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 определять десять микроампер . [4]

Эдвард Уэстон [ править ]

Гальванометр Д'Арсонваля / Вестона (ок. 1900 г.). Часть левого полюса магнита выломана, чтобы показать катушку.
Гальванометр Weston в переносном футляре

Эдвард Уэстон значительно улучшил дизайн. Он заменил тонкую проволочную подвеску шарниром и обеспечил восстановление крутящего момента и электрические соединения с помощью спиральных пружин, похожих на пружины балансира наручных часов. 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, устраняет параллаксошибка 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 [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

Тангенциальный гальванометр - один из первых измерительных приборов, используемых для измерения электрического тока . Он работает с помощью стрелки компаса для сравнения магнитного поля, созданного неизвестным током, с магнитным полем Земли. Он получил свое название от принципа действия, касательного закона магнетизма, который гласит, что тангенс угла, который образует стрелка компаса, пропорционален отношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые он был описан Йоханом Якобом Нервандером.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 Physiés de Chimantée» Paris), Tome 55, 156–184, 1834. и J. Venermo и A. Sihvola, «Тангенциальный гальванометр Йохана Якоба Нервандера», IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, vol. 11, no. 3, pp. 16–23 , Июнь 2008 г.) и в 1837 г. Клод Пуийе . [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 векторную сумму 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 хвост свиньи, иначе поле, создаваемое проводом, повлияет на стрелку компаса, и будут получены неверные показания.

  • Касательный гальванометр

  • Касательный гальванометр Pouillet 1850 года на выставке в Музее науки де ла Вилль де Женев

  • Касательный гальванометр, изготовленный JH Bunnell Co. около 1890 года.

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

Теория [ править ]

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

где I - ток в амперах , n - количество витков катушки, а r - радиус катушки. Эти два перпендикулярных магнитных полей добавить векторно , а стрелка компаса точки вдоль направления их равнодействующей В Н + В . Ток в катушке заставляет стрелку компаса вращаться на угол θ :

Из касательного закона B = B H tan θ , т.е.

или же

или I = K tan θ , где 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 при значении θ 45 °. Когда значение θ близко к 0 ° или 90 °, большое процентное изменение тока сдвинет стрелку только на несколько градусов. [9]

Измерение геомагнитного поля [ править ]

Касательный гальванометр также может использоваться для измерения величины горизонтальной составляющей геомагнитного поля . При таком использовании низковольтный источник питания, такой как аккумулятор, подключается последовательно с реостатом , гальванометром и амперметром.. 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 [ править ]

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. Разработанный Леопольдо Нобили в 1825 году [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 проволочной катушки, считывающей вертикальный ток, и отклоняется магнитным полем, создаваемым проходящим током, как в касательном гальванометре выше. Вторая стрелка предназначена для компенсации дипольного момента первой иглы, поэтому подвешенный якорь не имеет суммарного магнитного дипольного момента., и, следовательно, не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Вращению иглы препятствует упругость нити подвески на кручение, пропорциональная углу.

  • Астатический гальванометр Нобили

  • Гальванометр на выставке в Музее науки де ла Вилль де Женев

  • Деталь астатического гальванометра.

Зеркальный гальванометр [ править ]

Основная статья: Зеркальный гальванометр

Для достижения более высокой чувствительности при обнаружении чрезвычайно малых токов зеркальный гальванометр заменяет указатель 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 первых трансатлантических подводных телеграфных кабелях в 1850-х годах для обнаружения очень слабых импульсов тока после их тысячелетнего путешествия под Атлантикой. В устройстве под названием осциллографдвижущийся луч света используется для построения графиков зависимости тока от времени путем записи измерений на фотопленку. Строка гальванометр типа зеркало гальванометра настолько чувствителен , что он был использован , чтобы сделать первый ЭКГ электрической активности сердца человека.

Баллистический гальванометр [ править ]

Основная статья: Баллистический гальванометр

Баллистический гальванометр - это тип чувствительного гальванометра для измерения количества заряда, выпущенного через него. В отличие от токоизмерительного гальванометра, он является интегратором в силу большой постоянной времени его отклика. Движущаяся часть обладает большим моментом инерции, что дает ей период колебаний, достаточный для проведения интегрированного измерения. Это может быть подвижная катушка или подвижный магнит; обычно это зеркальный гальванометр.

См. Также [ править ]

  • Вибрационный гальванометр
  • Термогальванометр

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шиффер, Майкл Брайан. (2008) «Электромагнетизм выявлен», борьба за власть: научный авторитет и создание практического электричества до Эдисона. Стр.24.
  2. ^ «Множитель Швайггера - 1820» . Maglab . Национальная лаборатория сильного магнитного поля . Проверено 17 октября 2017 года .
  3. ↑ Линдли, Дэвид, Градусы Кельвина: Рассказ о гении, изобретении и трагедии , стр. 132–133, Joseph Henry Press, 2004 ISBN 0309167825 
  4. ^ Кейтли, Джозеф Ф. (1999). История электрических и магнитных измерений: с 500 г. до н.э. до 1940-х гг . Джон Уайли и сыновья. С. 196–198. ISBN 0-7803-1193-0.
  5. ^ Weschler инструменты (20 февраля 2020). «Аналоговый измеритель натянутого диапазона» . Проверено 25 апреля 2020 года .
  6. ^ http://www.dictionarycentral.com/definition/taut-band-meter.html
  7. ^ Пулья (1837). "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" [Мемуары на гальванической батарее [т. е. батарее] и по общему закону 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" . Кеньон-колледж . Проверено 26 апреля 2016 года .
  9. ^ "Теория" . ГАЛЬВАНОМЕТР . Проверено 5 апреля 2017 года .
  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 языке). 29 : 119–125.
  11. ^ Greenslade, Томас Б., младший "Инструменты для естественной философии - астатический гальванометр" . Кеньон-колледж . Дата обращения 6 ноября 2019 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Внешние ссылки [ править ]

  • Гальванометр - Интерактивное учебное пособие по Java Национальная лаборатория сильных магнитных полей
  • Выбор исторического гальванометра в виртуальной лаборатории в Институте Макса Планка по истории науки