Uređaj ampermetra i voltmetra

U početku su voltmetri i ampermetri bili samo mehanički, a tek mnogo godina kasnije, razvojem mikroelektronike, počeli su se proizvoditi digitalni voltmetri i ampermetri. Ipak, čak i sada su mehanički mjerači popularni. U usporedbi s digitalnim, otporni su na smetnje i daju vizualniji prikaz dinamike izmjerene vrijednosti. Njihovi unutarnji mehanizmi ostaju praktički isti kao i kanonski magnetoelektrični mehanizmi prvih voltmetara i ampermetara.

U ovom članku ćemo pogledati uređaj tipičnog brojčanika, tako da svaki početnik može razumjeti osnovna načela rada voltmetara i ampermetara.

U svom radu pokazivački mjerni uređaj koristi magnetoelektrični princip. Trajni magnet s izraženim polnim dijelovima je fiksiran na mjestu. Čelična jezgra pričvršćena je između ovih polova tako da se formira zračni raspor između jezgre i polova magneta trajno magnetsko polje.

U procjep se umetne pomični aluminijski okvir na koji je namotana zavojnica vrlo tanke žice.Okvir je fiksiran na osovinama i može se okretati pomoću remenice. Strelica uređaja pričvršćena je na okvir spiralnim oprugama. Struja se dovodi u svitak kroz opruge.

Kada struja I prolazi kroz žicu zavojnice, tada, budući da je zavojnica smještena u magnetsko polje, a struja u njenim žicama teče okomito, križajući linije magnetskog polja u rasporu, rotirajuća sila sa strane na njega će djelovati magnetsko polje. Elektromagnetska sila će stvoriti moment M, a zavojnica će se zajedno s okvirom i kazaljkom zarotirati za određeni kut α.

Budući da je indukcija magnetskog polja u rasporu nepromijenjena (permanentni magnet), zakretni moment će uvijek biti proporcionalan struji u zavojnici, a njegova vrijednost ovisit će o struji i o konstantnim konstrukcijskim parametrima ovog uređaja (c1 ). Ovaj trenutak će biti jednak:

Moment reakcije koji sprječava rotaciju okvira, koji proizlazi iz prisutnosti opruga, bit će proporcionalan kutu torzije opruga, odnosno kutu rotacije strelice povezane s pokretnim dijelom:

Na taj način vrtnja će se nastaviti sve dok moment M koji stvara struja u okviru ne bude jednak protumomentu Mpr iz opruga, odnosno dok ne nastupi ravnoteža. Na ovom mjestu strelica će se zaustaviti:

Očito je da će kut uvijanja opruga biti proporcionalan struji okvira (i izmjerenoj struji), zbog čega uređaji magnetoelektričnog sustava imaju isto mjerilo. Faktor proporcionalnosti k između kuta zakreta strelice i jedinice mjerene struje naziva se osjetljivost uređaja.

Recipročna vrijednost se naziva podjeljak na ljestvici ili jedinična konstanta. Izmjerena vrijednost se određuje kao umnožak vrijednosti podijeljen s broj podjela ljestvice.

Kako bi se izbjegle ometajuće vibracije pomičnog okvira tijekom prijelaza strelice iz jednog položaja u drugi, u ovim se uređajima koriste magnetski indukcijski ili zračni ventili.

Prigušivač magnetske indukcije je aluminijska ploča koja je pričvršćena na osi rotacije uređaja i uvijek se kreće sa strelicom u polju trajnog magneta. Rezultirajuća vrtložna strujanja usporavaju namotavanje. Zaključak je da, prema Lenzovom pravilu, vrtložna strujanja u ploči, u interakciji s magnetskim poljem permanentnog magneta koji ih je generirao, ometaju kretanje ploče, a oscilacije strijela brzo utihne. Ulogu takvog amortizera s magnetskom indukcijom igra aluminijski okvir na koji je namotana zavojnica.

Zakretanjem okvira mijenja se magnetski tok iz permanentnog magneta koji prodire kroz aluminijski okvir, što znači da se u aluminijskom okviru induciraju vrtložne struje koje u interakciji s magnetskim poljem permanentnog magneta imaju učinak kočenja, a oscilacije ruke prestaju.

Zračne zaklopke magnetoelektričnih uređaja su cilindrične komore u kojima su smješteni klipovi, povezani s pokretnim sustavima uređaja. Kada je pokretni dio u pokretu, klip u obliku krila se zaustavlja u komori i oscilacije igle se prigušuju.

Kako bi se postigla potrebna točnost mjerenja, uređaj ne smije biti pod utjecajem gravitacije tijekom mjerenja, a otklon strelice mora biti vezan samo za moment koji je rezultat interakcije struje zavojnice s magnetskim poljem trajnog magneta i s ovjes okvira pomoću opruga.

Kako bi se eliminirao štetan učinak gravitacije i izbjegle povezane pogreške, na pokretni dio uređaja dodaju se protuutezi u obliku utega koji se kreću na šipkama.

Da bi se smanjilo trenje, čelični vrhovi izrađeni su od poliranog čelika otpornog na habanje ili legure volfram-molibden, a ležajevi su izrađeni od tvrdog minerala (ahat, korund, rubin itd.). Razmak između vrha i potpornog ležaja podešava se pomoću vijka za podešavanje.

Za precizno postavljanje strelice na nulti početni položaj, uređaj je opremljen korektorom. Korektor u brojčaniku je izvučen i spojen na remen s oprugom. Pomoću vijka možete lagano pomaknuti spiralu duž osi, čime se podešava početni položaj strelice.

Većina modernih uređaja ima pomični dio obješen o par rastezača u obliku elastičnih metalnih traka koje služe za dovod struje u zavojnicu i stvaranje tekućeg momenta. Stezaljke su povezane s parom ravnih opruga koje se nalaze okomito jedna na drugu.

Iskreno govoreći, napominjemo da osim klasičnog mehanizma o kojem smo gore govorili, postoje i uređaji s ne samo magnetima u obliku slova U, već i cilindričnim magnetima, magnetima u obliku prizme, pa čak i s magnetima s unutarnjim okvirom, koji sami same mogu biti pokretne.

Za mjerenje struje ili napona magnetoelektrični uređaj uključuje se u istosmjerni strujni krug prema strujnom krugu ampermetra ili voltmetra, razlika je samo u otporu zavojnice i u strujnom krugu za spajanje uređaja u strujni krug. Naravno, sva izmjerena struja ne smije prolaziti kroz zavojnicu uređaja pri mjerenju struje, a pri mjerenju napona ne smije se trošiti velika snaga. Dodatni otpornik ugrađen u kućište mjernog uređaja služi za stvaranje odgovarajućih uvjeta.

Otpor dodatnog otpornika u krugu voltmetra višestruko premašuje otpor zavojnice, a ovaj je otpornik izrađen od metala s iznimno malim temperaturni koeficijent otporakao što su manganin ili konstantan. Otpornik spojen paralelno sa zavojnicom u ampermetru naziva se šant.

Otpor shunta je, naprotiv, nekoliko puta manji od otpora mjerne radne zavojnice, stoga samo mali dio izmjerene struje prolazi kroz žicu zavojnice, dok glavna struja teče kroz shunt. Dodatni otpornik i shunt omogućuju vam da proširite mjerni raspon uređaja.

Smjer odstupanja strelice uređaja ovisi o smjeru struje kroz mjernu zavojnicu, stoga je pri spajanju uređaja na strujni krug važno pravilno promatrati polaritet, inače će se strelica pomaknuti u drugom smjeru . Sukladno tome, magnetoelektrični uređaji u kanonskom obliku nisu prikladni za spajanje na strujni krug izmjenične struje, jer će igla jednostavno vibrirati dok ostaje na jednom mjestu.

Međutim, prednosti magnetoelektričnih uređaja (ampermetara, voltmetara) uključuju visoku točnost, ujednačenost skale i otpornost na smetnje koje stvaraju vanjska magnetska polja. Nedostaci su neprikladnost za mjerenje izmjenične struje (za mjerenje izmjenične struje prvo je potrebno ispraviti), zahtjev za poštivanjem polariteta i osjetljivost tanke žice mjernog svitka na preopterećenje.