Гальванометр это: что измеряет прибор, что такое, принцип работы

Содержание

Виды гальванометров

Магнитоэлектрический

Для работы данного гальванометра используется специальная электропроводящая рамка, которая закрепляется на специальной оси, находящейся в поле постоянного магнита. Изначально рамка находится в нулевом положении за счёт удерживающей её пружины. В случае протекания электрического тока по рамке, она отклоняется на определённый угол. Значение угла отклонения зависит от величины протекающего тока, от индукции магнитного поля и от жёсткости удерживающей пружины.

Величину протекающего тока можно определить по положению стрелки, закреплённой на проводящей рамке. Магнитоэлектрические гальванометры отличаются от других типов гальванометров высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Конструкция гальванометра электромагнитного типа достаточно простая. Гальванометр состоит из неподвижной катушки и подвижного магнита или сердечника, который или поворачивается, или втягивается в катушку во время прохождения через неё электрического тока. Одним из минусов электромагнитных гальванометров является нелинейность их шкалы и, соответственно, трудность правильной градуировки. Но, несмотря на это, данные гальванометры используются как амперметры переменного тока.

Тангенциальный

Особенностью конструкции тангенциального гальванометра является компас. Он необходим для того, чтобы сравнивать магнитное поле электрического тока с магнитным полем планеты Земля. В работе прибора присутствует тангенциальный закон магнетизма, отсюда и название.

Катушка гальванометра выполнена из медной проволоки с изоляцией. Проволока наматывается на специальную рамку, материал которой имеет немагнитные свойства. Рамка располагается вертикально и при работе проворачивается вокруг оси, которая проходит через центр рамки. Компас гальванометра располагается в горизонтальном положении и одновременно в центре шкалы, имеющей круговую форму. На указательную стрелку компаса прикрепляется специальный указатель из алюминия.

Работа гальванометра происходит следующим образом. Устройство располагают так, чтобы стрелка компаса и плоскость обмотки совпали друг с другом. Далее через обмотку пропускают электрический ток, создающий магнитное поле на оси катушки. Искусственно созданное магнитное поле является перпендикулярным магнитному полю Земли. Указательная стрелка гальванометра реагирует как на искусственно созданное магнитное поле, так и на естественное магнитное поле Земли и таким образом отклоняется на определённый угол. Угол отклонения стрелки равен тангенсу отношения двух магнитных полей.

Зеркальный

Гальванометр зеркального типа один из наиболее точных и наиболее быстрых гальванометров. Для снятия показаний используется зеркальце небольшого размера и отражаемый от него световой луч. В своё время данные гальванометры имели широкое распространение. Но и сегодня они также используются, например, для перемещения лазерных лучей в различных шоу-программах.

Вибрационный

Разновидностью зеркального гальванометра являются гальванометры вибрационные, обладающие малыми габаритами. Настройка таких гальванометров выполняется регулировкой натяжения пружины. Вибрационные гальванометры используют в тех случаях, когда необходимо измерять очень малые значения электрических величин.

Тепловой

Данное устройство состоит из проводника и рычажной системы. При прохождении тока через проводник, его длина увеличивается. За счёт рычажной системы происходит преобразование удлинения проводника в отклонение указательной стрелки гальванометра.

Апериодический

Суть работы заключается в том, что каждое отклонение указателя заканчивается его возвращением в положение равновесия.

Баллистический

Для измерения величины одиночного электрического импульса используют баллистические гальванометры, главная особенность которых в особенности подвижной части. Дело в том, что подвижные элементы обладают увеличенным моментом инерции.

В настоящее время вместо гальванометров практически везде применяются современные цифровые устройства измерения электрических величин.

Гальванометр Кельвина

Зеркальный гальванометр был значительно улучшен Уильямом Томсоном , впоследствии ставшим лордом Кельвином. Он придумал термин зеркальный гальванометр и запатентовал устройство в 1858 году. Томсон задумал этот прибор для считывания слабых сигнальных токов на очень длинных подводных телеграфных кабелях . Этот инструмент был намного более чувствительным, чем любой из предшествующих, позволяя обнаруживать малейшие дефекты в сердечнике кабеля во время его изготовления и погружения в воду.

Томсон решил, что ему нужен чрезвычайно чувствительный инструмент после того, как он принял участие в неудачной попытке проложить трансатлантический телеграфный кабель в 1857 году. Он работал над устройством, ожидая новой экспедиции в следующем году. Он впервые задумался над улучшением гальванометра, который использовал Герман фон Гельмгольц для измерения скорости нервных сигналов в 1849 году. В гальванометре Гельмгольца было закреплено зеркало на движущейся игле, которое использовалось для проецирования луча света на противоположную стену, что значительно усиливало сигнал. Томсон намеревался сделать это более чувствительным, уменьшив массу движущихся частей, но во вспышке вдохновения, наблюдая за светом, отраженным от его монокля, висящего на его шее, он понял, что может вообще отказаться от иглы и ее крепления. Вместо этого он использовал небольшой кусок зеркального стекла с маленьким кусочком намагниченной стали, приклеенным к задней части. Он был подвешен на нити в магнитном поле неподвижной чувствительной катушки. Спеша попробовать эту идею, Томсон сначала использовал шерсть своей собаки, но позже использовал шелковую нить из платья своей племянницы Агнес.

Следующее адаптировано из современного описания инструмента Томсона:

Ферромагнетик

В ферромагнитном гальванометре используются две лопасти из мягкого железа внутри катушки.

Один из поддонов закреплен, другой, как единое целое с иглой, установлен на шкворне.
Когда ток проходит через катушку, две лопатки намагничиваются и отталкиваются друг от друга, независимо от направления тока.
Что касается подвижной рамы, то за возвращение поддона в нулевое положение отвечает пружина .

Такое расположение часто используется для настольных дисплеев. Он средней точности, но работает как от переменного, так и от постоянного тока. Ферромагнитные устройства измеряют среднеквадратичные значения.

Их чувствительность низкая, а их градация не линейна.

Гальванометр — магнитоэлектрическая система

Гальванометры магнитоэлектрической системы представляют собой прибор высокой чувствительности по току и напряжению с неградуированной шкалой. Их применяют преимущественно при нулевых методах измерения в качестве приборов, позволяющих с большой точностью фиксировать отсутствие тока в цепи. Гальванометры после соответствующей градуировки могут быть использованы для измерений весьма малых токов, напряжений и количества электричества.

Гальванометры магнитоэлектрической системы, применяемые для записи кривых тока и напряжения, бывают двух различных по конструкции типов: петлевые и рамочные.

Гальванометры магнитоэлектрической системы с подвижной катушкой могут применяться для измерений не только в цепях постоянного тока, но и для импульсов токов — малых количеств электричества. В последнем случае считаем, что гальванометр работает в баллистическом режиме.

Зависимость глубины проникновения переменного тока t от его частоты f. 1 н 2 — для меди и стали соответственно ( t, мм. 3 — для стального трубопровода с условным проходом DN-200 MM ( t, км. 4-для грунта с удельным электросопротивлением р100 Ом — м ( /, км. 5 -для грунта с р10 ОМ М ( t, км.

Поскольку гальванометр магнитоэлектрической системы реагирует на внешние, возможно имеющиеся в грунте напряжения постоянного тока, перед ним включается конденсатор. Посторонние напряжения переменного тока с частотой 162 / з или 50 Гц тоже не могут повлиять на результат измерения, поскольку рабочая частота измерительных мостов переменного тока при схеме с вибропреобразователями составляет 108 Гц, а по схеме с транзисторами — около 135 Гц. Первая высшая гармоника в мостовой схеме выпрямителя станции катодной защиты ( 100 Гц) обычно вызывает заметные биения. Однако при не слишком больших амплитудах и в этом случае еще возможно выявление нуля путем настройки одинаковых отклонений по обе стороны от нулевой точки. Некоторые характеристики приборов для измерения сопротивления представлены в табл. 3.2. В принципе все четырехполюсные приборы для измерения сопротивления могут быть использованы при закорачивании обеих клемм Е и Е также и для измерения сопротивлений растеканию тока в грунт.

Наиболее распространены гальванометры магнитоэлектрической системы.

Как устроен гальванометр магнитоэлектрической системы.

Стрелочный гальванометр типа М-122.

Это свойство гальванометра магнитоэлектрической системы используется для измерения электрических емкостей, а также при некоторых магнитных измерениях. Основным условием пропорциональности первого наибольшего отклонения количеству электричества, прошедшему через гальванометр, является незначительность продолжительности импульса тока по сравнению с периодом собственных колебаний подвижной части. Учитывая это обстоятельство, делают специальные баллистические гальванометры с преднамеренно увеличенным периодом колебаний.

При использовании гальванометра магнитоэлектрической системы в качестве баллистического необходимо иметь в виду, что баллистическая постоянная его принимает различные значения при изменении сопротивления цепи гальванометра.

Наиболее распространенными являются гальванометры магнитоэлектрической системы с подвижной катушкой; такие гальванометры делятся на стрелочные и зеркальные.

Конструкция чувствительного элемента электрического газоанализатора.

В измерительную диагональ включается гальванометр магнитоэлектрической системы.

Баллистический гальванометр зеркальный — гальванометр магнитоэлектрической системы с большим моментом инерции. Период колебаний подвижной системы у него настолько большой, что после включения тока подвижная система остается в отклоненном положении, и, таким образом, создается возможность измерения кратковременных токов. Зеркальные гальванометры, как и стрелочные, снабжены арретиром и корректором.

Типовые конструкции

Все гальванометры по своим конструктивным особенностям могут подразделяться на два основных типа:

Переносные, используемые для цепей DC. Включают в себя рамку (подвижную), крепится на растяжках, шкалу, указатель (механический или световой).
Стационарные (зеркальные). Эти приборы не подлежат переноске и требуют в обязательном порядке выравнивания по уровню.

Особенности устройства стационарного гальванометра

Если в переносных подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, то в приборах стационарного типа она закреплена на подвесе.

Где:

1 – рамка с обмоткой.2 – подвес.3 – зеркало.4 – безмоментная нить.

При подключении стационарного устройства к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка приходит в движение и начинает поворачиваться. Для того чтобы зафиксировать и измерить данный угол поворота, используется зеркало, на которое посредством специальной лампы подается световой луч.

Ваттметры поглощаемой мощности радиодиапазона

Ваттметры поглощаемой мощности образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Видовое деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей (приемных головок). В серийно выпускаемых ваттметрах используются преобразователи на базе термистора, термопары и пикового детектора; значительно реже, в экспериментальных работах, применяются датчики, основанные на других принципах — пондеромоторном, гальваномагнитном и т. д. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за неидеального согласования входного сопротивления приемных головок с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не падающую мощность, а поглощаемую, которая отличается от падающей на величину, равную KP×Pпад, где KP — коэффициент отражения по мощности.

Использует

Зеркало с лазерным сканированием с замкнутым контуром, управляемое гальванометром

Вероятно, наибольшее распространение получили гальванометры типа D’Arsonval / Weston, используемые в аналоговых счетчиках в электронном оборудовании. С 1980-х годов аналоговые измерительные механизмы гальванометрического типа были вытеснены 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

Чаще всего механизм гальванометра используется в системах позиционирования и управления. Гальванометрические механизмы делятся на гальванометры с подвижным магнитом и подвижной катушкой; кроме того, они делятся на замкнутые и разомкнутые — или резонансные — типы.

Зеркальные гальванометрические системы 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 . Как правило, 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 для обработки изображений, таких как сканирование сетчатки с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) и сканирующей лазерной офтальмоскопии (SLO). ). Почти все эти гальванометры относятся к типу подвижных магнитов. Замкнутый цикл получается путем измерения положения оси вращения с инфракрасным излучателем и двумя фотодиодами. 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).

Гальванометрические механизмы 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

Вначале гальванометры использовались для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце ХХ 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.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Виды

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

Электромагнитные приборы, имеющие довольно простую конструкцию, главными элементами которой являются неподвижная катушка и свободный магнит или же сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент поворачивается или же втягивается в катушку. Основным минусом таких моделей стал нелинейность шкалы, что создаёт трудности при градуировке. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры эксплуатируются в качестве амперметров переменного тока.
Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статичных и подвижных элементов.
Зеркальные, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании при снятии показаний используются небольшие зеркала и световой луч, отражаемый ими. В своё время данный тип гальванометров достаточно широко использовался.
Вибрационные модели, являющиеся вариацией на тему зеркальных измерительных приборов. Одна из их основных особенностей – это компактные размеры и малый вес. Настройка устройства осуществляется посредством натяжения пружины.
Тепловые гальванометры, конструкция которых включает в себя систему рычагов и проводник. При прохождении через последний электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно с этим рычаги преобразуют данную деформацию проводника в отклонение стрелки-указателя.
Апериодические. В данном случае суть функционирования оборудования сводится к тому, что после каждого отклонения стрелка гальванометра возвращается в положение равновесия.
Баллистические устройства, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей характеризуются повышенной инерцией, что отличает их от остальных модификаций.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине

Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха. Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.

Принцип работы гальванометра

Принцип работы прибора основан на преобразовании замеряемого I в механическое движение стрелки, которая и показывает присутствие или отсутствие данного параметра.

На передней панели может отсутствовать так называемая шкала делений. В такой ситуации он используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно потому данные устройства часто используют в качестве нуль-индикатора.

Самый первые приборы были созданы почти два века назад Иоанном Швайггером.

Они представляли собой стрелку, выполненную из магнитного материала (часть от компаса), которая висела на тонкой нити и помещалась в прямоугольную рамку, позднее замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. При подаче напряжения U на провод рамки происходило отклонение стрелки. При снятии U она возвращалась в свое исходное положение, совместимое с меридианом места установки всей конструкции.

Подобное устройство изначально получило название «мультипликатор», а впоследствии было признано первым гальванометром (или гальваноскопом).

Большинство современных приборов являются магнитоэлектрическими приборами, конструкция которых практически не отличается от устройства, изобретенного Швайггером. В своей основе они содержат три элемента:

Рамку с проводом тонкой намотки, удерживаемой специальной пружиной в точке «ноль» (катушка) и установленной на оси в магнитном поле.
Магнит (постоянный).
Шкалу (с градуировкой или без).
Указатель, механически соединенный с катушкой (образует 1 ось вращения).

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

На катушку подается некоторое значение I.
За счет прохождения I вокруг нее наводится электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с полем постоянного магнита.
Вызванная взаимодействием полей сила стремится повернуть катушку и установить ее ровно между полюсами магнита.
Поскольку облегченный указатель механически связан с катушкой, вращение последней также приводит к его перемещению.
Рассчитав пропорции I, на шкалу наносится градуировка, соответствующая отклонению указателя на то или иное значение I.

Как указывалось выше, шкала либо выполняется без градуировки, либо с условно нанесенными делениями. В таких случаях гальванометр используется как нуль-индикатор.

Что такое гальванометр