Гальванометр: описание, принцип работы и разновидности

Как правильно использовать?

Гальванометры можно с уверенностью назвать целым классом измерительного оборудования, характеризующегося максимальным уровнем точности и используемого для исследований величины электрического тока, проходящего через проводники, а также других его параметров. За счёт широкого ассортимента моделей и их функциональных возможностей эти измерительные приборы успешно эксплуатируются на производстве, в быту и в лабораторных условиях. При этом простейшее устройство можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как в качестве самостоятельного оборудования, отображающего параметры малых токов или выполняющего функции нуль-индикаторов, так и в виде основного блока других приборов. Так, существует вариант использования описываемой техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

• подключить шунтирующее сопротивление параллельно с устройством для определения силы тока в амперах;
• установить в цепи добавочное сопротивление последовательно для измерения напряжения.

Помимо указанных вариантов, гальванометры способны эффективно выполнять функции других приборов.

1. Термометра в тандеме с датчиком температуры и экспонометра при подключении фотодиода.
2. Измерителя заряда. Речь в данном случае идёт об эксплуатации именно баллистических гальванометров, предоставляющих возможность определить параметры одиночных импульсов, при прохождении которых происходит резкое движение (отброс) рамки.
3. Индикатора нуля, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации указателя на нулевой отметке, градуированной соответствующим образом шкалы.
4. Устройства для записи сигналов осциллографа. Конструктивные особенности позволяют подключить гальванометр непосредственно к так называемому писчику. В итоге при фиксации любого импульса прибор моментально реагирует и параллельно активирует пишущее устройство, которое, в свою очередь, отображает все данные на бумаге.
5. Средства для выполнения оптической развёртки. Имеется в виду использование зеркальных моделей в системах лазерной оптики.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают свои позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. В соответствии с актуальными статистическими данными, наиболее распространёнными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко эксплуатируются в качестве элементов различных лазерных установок. Это обусловлено их способностью отклонять лучи лазера.

Независимо от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к его эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно требуется помнить о технике безопасности, поскольку речь идёт о работе с электрическим током. Не менее важными моментами будут правила хранения и обслуживания приборов, закреплённые в соответствующих инструкциях.

В следующем видео вы подробно узнаете о том, что такое вертикальный гальванометр и какие его принципе работы.

Устройство и принцип работы

Отвечая на вопрос, как устроен подобный прибор, следует отметить, что конструкция самого простого гальванометра, появившегося на свет ещё в самом начале XIX столетия, включала в себя магнитный указатель (стрелку), которая подвешена на тонкой нити и помещена внутри неподвижной катушки. Как только в этой проволочной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от своего исходного положения. При отсутствии тока в системе указатель будет оставаться неподвижным, то есть стрелка показывает на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические устройства, в которых используется действие электрического тока. Их стандартная конструкция предусматривает наличие следующих элементов.

1. Постоянный магнит.
2. Поворачивающаяся катушка, расположенная между полюсами.
3. Облегчённый указатель (стрелка), который соединён с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если в последней отсутствует ток, то указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи возвратной пружины.

В поле постоянного магнита помещается катушка (обмотка), на которой закреплена стрелка-указатель. В своём исходном положении эта конструкция удерживается упомянутой выше пружиной.

При прохождении через катушку электрического тока в ней сразу же появляется магнитное поле. Параллельно при этом возникает взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе с указателем начинает отклоняться от нуля, что является сигнализатором наличия тока в системе. Как только электрический ток исчезает, магнитное поле катушки тоже пропадает. В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И речь в данном случае идёт о визуальной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка наличия напряжения.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая фиксируется на растяжках, а также интегрированной шкалой и стрелочным или световым указателем. Стационарные модели гальванометров устанавливают по уровню, а на рамке при этом закрепляется небольшое по размерам зеркало. Такие устройства комплектуются выносной шкалой со световым указателем, характеризующейся максимальной чувствительностью. При помощи отражающегося от зеркала и параллельно перемещающегося по шкале луча света осуществляется контроль углового движения рамки. Такие приборы рамочного типа на практике используют в качестве нуль-индикаторов, то есть приборов, фиксирующих отсутствие в сети электрического тока или напряжения. Они позволяют в условиях лабораторий осуществлять фиксацию параметров при минимальных показателях I и U.

Практически все гальванометры оснащены магнитными шунтами, положение которых регулируется наружной ручкой для того, чтобы изменялся показатель индукции в рабочем зазоре. Подобным образом можно изменять значения искомых параметров не менее, чем в три раза с учётом требований актуальных стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Наиболее актуально это для высокочувствительных приборов. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальную основу (фундамент), надёжно предотвращающую механические воздействия. Утечки тока, как уже было отмечено, предотвращают за счёт экранирования. Помимо всего прочего, необходимо отметить, что каждый тип современных измерительных приборов имеет свои особенности конструкции и принципа действия.

Устройство и принцип действия

Основными элементами конструкции гальванометров, используемых в настоящее время, являются:

● постоянный магнит;

● поворачивающаяся катушка (обмотка);

● указательная стрелка;

● возвратная пружина.

В магнитное поле постоянного магнита помещается обмотка с прикреплённой на ней указательной стрелкой. В исходном состоянии обмотка со стрелкой находятся в нулевом положении благодаря удерживающей пружине.

При прохождении постоянного тока через обмотку, в ней появляется магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с полем магнита. В результате этого взаимодействия катушка вместе со стрелкой отклоняется, тем самым сигнализируя о протекании электрического тока.

При исчезновении электрического тока пропадает магнитное поле катушки и под действием возвратной пружины катушка со стрелкой возвращаются в начальное положение. Таким образом, становится визуально понятно, что электрический ток в цепи отсутствует.

Гальванометры очень чувствительны. Их значение чувствительности может быть равным, например, ста микроамперам. Для измерения электрического тока несколько большей величины, необходимо использовать специальные шунты.

Гальванометры бывают разных видов.

Классификация гальванометров

За менее чем 200-летнюю историю было разработано огромное количество разнообразных гальванометров, которые отличаются размерами, принципом работы, шкалой измерений и многим другим.

Существует несколько групп гальванометров:

• конструктивное оформление (переносные и зеркальные);
• время действия тока (мгновенные, накопительные — кулонметры);
• сфера использования (бытовые, исследовательские, промышленные и т.п.).

За принципом действия:

• магнитоэлектрические, электромагнитные — вибрационные, баллистические;
• тангенциальные — основаны на тангенциальном законе магнетизма;
• тепловые — удлиняющийся (при нагреве от проходящего тока) проводник отклоняет стрелку;
• зеркальные — падающий луч отклоняется от зеркала, которое поворачивается от действия магнитного поля.

История

Отклонение магнитной стрелки компаса током в проводе было сначала описано Хансом Оерстедом в 1820. Явление было изучено и для его собственной пользы, и как средство измерения электрического тока. О самом раннем гальванометре сообщил Йохан Швайггер в университете Галле 16 сентября 1820. Андре-Мари Ампер также способствовала его развитию. Ранние проекты увеличили эффект магнитного поля, произведенного током при помощи многократных поворотов провода. Инструменты сначала назвали «множителями» из-за этой общей конструктивной особенности. Термин «гальванометр», широко использующийся к 1836, был получен из фамилии итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани, который, в 1791, обнаружил, что электрический ток заставит лапу лягушки дергаться.

Первоначально, инструменты полагались на магнитное поле Земли, чтобы обеспечить силу восстановления для стрелки компаса. Их назвали гальванометрами «тангенса» и нужно было ориентировать перед использованием. Более поздние инструменты «неустойчивого» типа использовали противостоящие магниты, чтобы стать независимыми от области Земли и будут работать в любой ориентации. Самая чувствительная форма, Thomson, или гальванометр зеркала, была улучшена Уильямом Томсоном (лорд Келвин) от раннего дизайна, изобретенного в 1826 Йоханом Кристианом Поггендорффом. Дизайн Thomson, который он запатентовал в 1858, смог обнаружить очень быстрые текущие изменения. Вместо стрелки компаса, это использовало маленькие магниты, приложенные к легкому зеркалу, приостановленному нитью. Отклонение луча света значительно увеличило отклонение, вызванное маленьким током. Альтернативно, отклонение приостановленных магнитов могло наблюдаться непосредственно через микроскоп.

Способность количественно измерить напряжение и ток позволила Георгу Ому формулировать закон Ома, который заявляет, что напряжение через проводника непосредственно пропорционально току через него.

ранней формы движущегося магнита гальванометра был недостаток, что это было затронуто любыми магнитами или железными массами около него, и его отклонение не было линейно пропорционально току. В 1882 Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депрез развили форму с постоянным постоянным магнитом и движущейся катушкой провода, приостановленного тонкими проволоками, которые обеспечили и электрическое соединение катушке и вращающий момент восстановления, чтобы возвратиться к нулевому положению. Железная труба между частями полюса магнита определила круглый промежуток, через который вращалась катушка. Этот промежуток произвел последовательное, радиальное магнитное поле через катушку, дав линейный ответ всюду по диапазону инструмента. Зеркало, приложенное к катушке, отклонило пучок света, чтобы указать на положение катушки. Сконцентрированное магнитное поле и тонкая приостановка сделали эти инструменты чувствительными; начальный инструмент д’Арсонваля мог обнаружить десять микроампер.

Эдвард Уэстон экстенсивно улучшил дизайн. Он заменил приостановку тонкой проволоки центром и обеспечил вращающий момент восстановления и электрические соединения в течение спиральных весен скорее как те из балансира наручных часов hairspring. Он развил метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, таким образом, у инструмента будет последовательная точность в течение долгого времени. Он заменил луч света и зеркало с указателем лезвия ножа, который мог быть прочитан непосредственно. Зеркало под указателем, в том же самом самолете как масштаб, устранило ошибку наблюдения параллакса. Чтобы поддержать полевую силу, дизайн Уэстона использовал очень узкое место, в котором катушка была установлена с минимальным воздушным зазором и мягкими железными частями полюса. Эта улучшенная линейность отклонения указателя относительно тока катушки. Наконец, катушка была раной на форме легкого веса, сделанной из проводящего металла, который действовал как увлажнитель. К 1888 Эдвард Уэстон запатентовал и произвел коммерческую форму этого инструмента, который стал стандартным компонентом электрооборудования. Это было известно как «портативный» инструмент, потому что это было затронуто очень маленькое, установив положение, или транспортировав его с места на место. Этот дизайн почти универсально используется в метрах движущейся катушки сегодня.

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.

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.

Использование

Прошлое использование

Основное раннее использование для гальванометров было для нахождения ошибок в телекоммуникационных кабелях. Они были заменены в этом применении в конце 20-го века временным интервалом reflectometers.

Вероятно, самое большое использование гальванометров было движением типа D’Arsonval/Weston, используемым в аналоговых метрах в электронном оборудовании. С 1980-х движения метра аналога типа гальванометра были перемещены аналогом к цифровым конвертерам (ADCs) для некоторого использования. Цифровой групповой метр (DPM) содержит аналого-цифровой преобразователь и числовой показ. Преимущества цифрового инструмента — более высокая точность и точность, но факторы, такие как расход энергии или стоимость могут все еще одобрить применение аналоговых движений метра.

Механизмы гальванометра также использовались, чтобы поместить ручки в аналоговые рекордеры диаграммы полосы такой, как используется в электрокардиографах, электроэнцефалографах и детекторах лжи. У рекордеров диаграммы полосы с гальванометром, который ведут ручками, может быть частотная характеристика полного масштаба и несколькихсантиметрового отклонения на 100 Гц. Механизм письма может быть горячим наконечником на игле, пишущей на жарочувствительной бумаге или пустоте питаемая чернилами ручка. В некоторых типах ручка непрерывно прижимается к бумаге, таким образом, гальванометр должен быть достаточно сильным, чтобы переместить ручку против трения бумаги. В других типах, таких как рекордеры Rustrak, игла только периодически прижата к среде письма; в тот момент впечатление произведено, и затем давление удалено, позволив игле двинуться в новое положение и повторения цикла. В этом случае гальванометр не должен быть особенно сильным.

Механизмы гальванометра также использовались в механизмах воздействия в пленочных фотокамерах.

Современное использование

Большинство современного использования для механизма гальванометра находится в расположении и системах управления. Механизмы гальванометра разделены на движущийся магнит и перемещающий гальванометры катушки; кроме того, они разделены на и разомкнутый контур с обратной связью — или резонирующие — типы.

Системы гальванометра зеркала используются в качестве расположения луча или руководящих элементов луча в лазерных системах просмотра. Например,

для существенной обработки с мощными лазерами гальванометр зеркала — типично мощные механизмы гальванометра, используемые с системами управления сервомотора замкнутого контура. У новейших гальванометров, разработанных для приложений регулирования луча, могут быть частотные характеристики более чем 10 кГц с соответствующей технологией сервомотора. Гальванометры зеркала с обратной связью также используются в стереолитографии, в лазерном спекании, в лазерной гравюре, в сварке лазерного луча, в лазерном ТВ, в лазерных показах, и в приложениях отображения, таких как Optical Coherence Tomography (OCT) относящийся к сетчатке глаза просмотр. Почти все эти гальванометры имеют движущийся магнитный тип.

Разомкнутый контур или резонирующие гальванометры зеркала, главным образом используется в основанных на лазере сканерах штрихкода, в некоторых машинах печати, в некоторых приложениях отображения, в военных применениях, и в космических системах. Их несмазанные подшипники имеют особенно интерес к заявлениям, которые требуют высокого вакуума.

Механизм гальванометра используется для головы, помещающей сервомоторы в жестких дисках и CD-плеерах и DVD-плеерах. Это весь движущийся тип катушки, чтобы держать массу, и таким образом времена доступа, максимально низко.