Гальванометр — это электромеханический измерительный прибор для электрического тока . Ранние гальванометры были некалиброванными, но улучшенные версии, называемые амперметрами , были калиброваны и могли измерять ток более точно. Гальванометры работают, отклоняя указатель в ответ на электрический ток, текущий через катушку в постоянном магнитном поле . Механизм также используется в качестве привода в таких приложениях, как жесткие диски .
Гальванометры появились из наблюдения, впервые отмеченного Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году, что стрелка магнитного компаса отклоняется, когда находится рядом с проводом с электрическим током. Они были первыми приборами, использовавшимися для обнаружения и измерения небольших величин тока. Андре-Мари Ампер , который дал математическое выражение открытию Эрстеда, назвал прибор в честь [1] итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году открыл принцип работы лягушачьего гальваноскопа — электрический ток заставляет ноги мертвой лягушки дергаться.
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 сыграли важную роль в обнаружении электрической активности сердца и мозга , благодаря своим точным измерениям тока.
Гальванометры также использовались в качестве компонентов отображения других видов аналоговых измерителей (например, люксметров и измерителей уровня громкости ), фиксируя выходные сигналы датчиков этих измерителей . Сегодня основным типом гальванометра, который все еще используется, является тип Д'Арсонваля/Уэстона.
Современные гальванометры типа Д'Арсонваля/Уэстона сконструированы с небольшой поворотной катушкой проволоки, называемой шпинделем, в поле постоянного магнита. Катушка прикреплена к тонкому указателю, который перемещается по калиброванной шкале. Крошечная торсионная пружина тянет катушку и указатель в нулевое положение.
Когда через катушку протекает постоянный ток (DC), катушка создает магнитное поле. Это поле действует против постоянного магнита. Катушка скручивается, толкая пружину, и перемещает указатель. Стрелка указывает на шкалу, показывающую электрический ток. Тщательная конструкция полюсных наконечников обеспечивает однородность магнитного поля, так что угловое отклонение указателя пропорционально току. Полезный счетчик обычно содержит положение для демпфирования механического резонанса подвижной катушки и указателя, так что указатель быстро устанавливается в свое положение без колебаний .
Базовая чувствительность счетчика может быть, например, 100 микроампер полной шкалы (с падением напряжения, скажем, 50 милливольт при полном токе). Такие счетчики часто калибруются для считывания некоторой другой величины, которую можно преобразовать в ток такой величины. Использование делителей тока, часто называемых шунтами , позволяет калибровать счетчик для измерения больших токов. Счетчик можно откалибровать как вольтметр постоянного тока, если сопротивление катушки известно, путем расчета напряжения, необходимого для генерации тока полной шкалы. Счетчик можно настроить для считывания других напряжений, поместив его в цепь делителя напряжения. Обычно это делается путем помещения резистора последовательно с катушкой счетчика. Счетчик можно использовать для считывания сопротивления , поместив его последовательно с известным напряжением (батареей) и регулируемым резистором. На подготовительном этапе цепь завершается, и резистор настраивается для получения отклонения полной шкалы. При последовательном включении в цепь неизвестного резистора ток будет меньше полной шкалы, а соответствующим образом откалиброванная шкала может отображать значение ранее неизвестного резистора.
Эти возможности преобразования различных видов электрических величин в движения стрелки делают гальванометр идеальным инструментом для преобразования выходных данных других датчиков, вырабатывающих электричество (в той или иной форме), в нечто, понятное для считывания человеком.
Поскольку указатель измерителя обычно находится на небольшом расстоянии над шкалой измерителя, может возникнуть ошибка параллакса , когда оператор пытается считать линию шкалы, которая «выстраивается» в линию с указателем. Чтобы противостоять этому, некоторые измерители включают зеркало вместе с отметками основной шкалы. Точность считывания показаний с зеркальной шкалы повышается, если расположить голову во время считывания показаний шкалы так, чтобы указатель и отражение указателя были выровнены; в этот момент глаз оператора должен находиться прямо над указателем, и любая ошибка параллакса будет сведена к минимуму.
Вероятно, наибольшее применение гальванометры получили в аналоговых счетчиках электронного оборудования типа Д'Арсонваля/Уэстона. Начиная 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 цифровой дисплей. Преимущества цифрового прибора — более высокая точность, но такие факторы, как энергопотребление или стоимость, все еще могут благоприятствовать применению аналоговых измерительных механизмов.
Большинство современных применений механизма гальванометра — в системах позиционирования и управления. Механизмы гальванометра делятся на гальванометры с подвижным магнитом и гальванометры с подвижной катушкой; кроме того, они делятся на гальванометры с замкнутым и разомкнутым контуром — или резонансные .
Системы зеркальных гальванометров используются в качестве элементов позиционирования или управления лучом в лазерных сканирующих системах . Например, для обработки материалов с помощью мощных лазеров механизмы зеркальных гальванометров с замкнутым контуром используются с системами сервоуправления . Обычно это гальванометры высокой мощности, а новейшие гальванометры, разработанные для приложений управления лучом, могут иметь частотные характеристики более 10 кГц с соответствующей сервотехнологией. 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) и сканирующей лазерной офтальмоскопии (СЛО). Почти все эти гальванометры относятся к типу подвижных магнитов. Замкнутый контур получается путем измерения положения оси вращения с помощью инфракрасного излучателя и 2 фотодиодов. Эта обратная связь представляет собой аналоговый сигнал.
Гальванометры с открытым контуром или резонансные зеркальные гальванометры в основном используются в некоторых типах лазерных сканеров штрих-кодов, печатных машин, приложений для обработки изображений, военных приложений и космических систем. Их несмазываемые подшипники особенно интересны в приложениях, требующих функционирования в высоком вакууме .
Механизмы гальванометра с подвижной катушкой (производители жестких дисков называют их «звуковыми катушками») используются для управления сервоприводами позиционирования головок в жестких дисках и проигрывателях CD/DVD с целью поддержания массы (и, следовательно, времени доступа) на минимально возможном уровне.
Одним из первых применений гальванометров было обнаружение неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце 20-го века их заменили в этом применении рефлектометры временной области .
Гальванометрические механизмы также использовались для получения показаний с фоторезисторов в измерительных механизмах кинокамер (как показано на соседнем изображении).
В аналоговых ленточных самописцах, таких как используемые в электрокардиографах , электроэнцефалографах и полиграфах , для позиционирования пера использовались гальванометрические механизмы . Ленточные самописцы с перьями, приводимыми в действие гальванометром, могут иметь полномасштабную частотную характеристику 100 Гц и несколько сантиметров отклонения.
Отклонение магнитной стрелки компаса под действием тока в проводе впервые описал Ганс Христиан Эрстед в 1820 году. Это явление изучалось как само по себе, так и как средство измерения электрического тока.
Самый первый гальванометр был описан Иоганном Швейггером в Университете Галле 16 сентября 1820 года. Андре-Мари Ампер также внес свой вклад в его разработку. Ранние конструкции увеличивали эффект магнитного поля, создаваемого током, с помощью нескольких витков провода. Сначала приборы назывались «умножителями» из-за этой общей конструктивной особенности. [2] Термин «гальванометр», который стал общепринятым к 1836 году, произошел от фамилии итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году обнаружил, что электрический ток заставляет лапку мертвой лягушки дергаться .
.jpg/1280px-Thomsons_mirror_galvanometer,_1858._(9663806048).jpg)
Первоначально приборы полагались на магнитное поле Земли, чтобы обеспечить возвращающую силу для стрелки компаса. Они назывались «тангенциальными» гальванометрами и должны были быть ориентированы перед использованием. Более поздние приборы «астатического» типа использовали противостоящие магниты, чтобы стать независимыми от поля Земли и работать в любой ориентации.
Ранний зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом . [ требуется цитата ] Астатический гальванометр был изобретен Германом фон Гельмгольцем в 1849 году; более чувствительная версия этого устройства, зеркальный гальванометр Томсона , была запатентована в 1858 году Уильямом Томсоном (лорд Кельвин). [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 на зеркале значительно увеличивало отклонение, вызванное малыми токами. В качестве альтернативы отклонение подвешенных магнитов можно было наблюдать непосредственно через микроскоп.
Возможность количественного измерения напряжения и тока позволила Георгу Ому в 1827 году сформулировать закон Ома , согласно которому напряжение на проводнике прямо пропорционально силе тока, протекающего через него.
Ранняя форма гальванометра с подвижным магнитом имела тот недостаток, что на нее влияли любые магниты или железные массы рядом с ней, и ее отклонение не было линейно пропорционально току. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре разработали форму с неподвижным постоянным магнитом и подвижной катушкой проволоки, подвешенной на тонких проводах, которые обеспечивали как электрическое соединение с катушкой, так и восстанавливающий крутящий момент для возврата в нулевое положение. Железная трубка между полюсными наконечниками магнита определяла круговой зазор, через который вращалась катушка. Этот зазор создавал постоянное радиальное магнитное поле поперек катушки, давая линейный отклик во всем диапазоне прибора. Зеркало, прикрепленное к катушке, отклоняло луч света, чтобы указать положение катушки. Концентрированное магнитное поле и тонкая подвеска делали эти приборы чувствительными; первоначальный прибор д'Арсонваля мог обнаруживать десять микроампер . [4]
Эдвард Уэстон значительно улучшил конструкцию гальванометра. Он заменил тонкую проволочную подвеску на шарнир и обеспечил восстанавливающий крутящий момент и электрические соединения [ необходимо дополнительное объяснение ] через спиральные пружины, а не через традиционную пружину балансира наручных часов . Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, чтобы прибор имел постоянную точность с течением времени. Он заменил световой луч и зеркало указателем с острым краем, который можно было считывать напрямую. Зеркало под указателем, в той же плоскости, что и шкала, устраняло ошибку наблюдения параллакса . Для поддержания напряженности поля конструкция Уэстона использовала очень узкую окружную щель, через которую двигалась катушка, с минимальным воздушным зазором. Это улучшило линейность отклонения указателя по отношению к току катушки. Наконец, катушка была намотана на легкую форму из проводящего металла, которая действовала как демпфер. К 1888 году Эдвард Уэстон запатентовал и вывел на рынок коммерческую форму этого прибора, которая стала стандартным компонентом электрооборудования. Он был известен как «переносной» прибор, потому что на него очень мало влияло положение установки или транспортировка с места на место. Такая конструкция почти повсеместно используется в счетчиках с подвижной катушкой сегодня. [ необходима цитата ]
Первоначально гальванометры были лабораторными приборами, в которых для обеспечения возвращающей силы стрелки использовалось собственное магнитное поле Земли. Впоследствии они превратились в компактные, прочные и чувствительные портативные приборы, необходимые для развития электротехники.
Движение taut-band является современной разработкой движения D'Arsonval-Weston. Драгоценные стержни и волосковые пружины заменены крошечными полосками металла под напряжением. Такой счетчик более прочен для использования в полевых условиях. [5] [6]
В целом существует два типа гальванометров. Некоторые гальванометры используют твердый указатель на шкале для отображения измерений; другие, очень чувствительные типы, используют миниатюрное зеркало и луч света для обеспечения механического усиления сигналов низкого уровня.
Тангенциальный гальванометр — это ранний измерительный прибор , используемый для измерения электрического тока . Он работает, используя стрелку компаса для сравнения магнитного поля, создаваемого неизвестным током, с магнитным полем Земли. Он получил свое название от принципа действия, закона касательной магнетизма, который гласит, что тангенс угла , образуемого стрелкой компаса, пропорционален отношению напряженностей двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые он был описан Йоханом Якобом Нервандером в 1834 году. [7] [8] [9] [10]
Тангенциальный гальванометр состоит из катушки из изолированной медной проволоки, намотанной на круглую немагнитную рамку. Рамка установлена вертикально на горизонтальном основании, снабженном выравнивающими винтами. Катушка может вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компасная коробка установлена горизонтально в центре круговой шкалы. Она состоит из крошечной, мощной магнитной стрелки, 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 в ее центре и под прямым углом к ней. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса, под стрелкой компаса установлено плоское зеркало.
В процессе работы прибор сначала вращается до тех пор, пока магнитное поле Земли, обозначенное стрелкой компаса, не станет параллельным плоскости катушки. Затем к катушке подается неизвестный ток. Это создает второе магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка компаса реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол, равный тангенсу отношения двух полей. По углу, считанному со шкалы компаса, ток можно найти по таблице. [11] Провода подачи тока должны быть намотаны в небольшую спираль, как свиной хвост, в противном случае поле, вызванное проводом, повлияет на стрелку компаса, и будут получены неправильные показания.
Гальванометр ориентирован таким образом, что плоскость катушки вертикальна и выровнена вдоль параллельно горизонтальной составляющей B H магнитного поля Земли (т.е. параллельно локальному «магнитному меридиану»). Когда электрический ток протекает через катушку гальванометра, создается второе магнитное поле B. В центре катушки, где расположена стрелка компаса, поле катушки перпендикулярно плоскости катушки. Величина поля катушки равна:
где I — ток в амперах , n — число витков катушки, а r — радиус катушки. Эти два перпендикулярных магнитных поля складываются векторно , и стрелка компаса указывает вдоль направления их результирующей B H +B . Ток в катушке заставляет стрелку компаса поворачиваться на угол θ :
Согласно закону касательных, B = B H tan θ , т.е.
или
или I = K tan θ , где K называется коэффициентом уменьшения тангенциального гальванометра.
Одной из проблем с тангенциальным гальванометром является то, что его разрешение ухудшается как при больших, так и при малых токах. Максимальное разрешение достигается, когда значение θ равно 45°. Когда значение θ близко к 0° или 90°, большое процентное изменение тока переместит стрелку всего на несколько градусов. [12]
Тангенциальный гальванометр также может использоваться для измерения величины горизонтальной составляющей геомагнитного поля . При таком использовании источник питания низкого напряжения, такой как батарея, последовательно соединяется с реостатом , гальванометром и амперметром . Гальванометр сначала выравнивается так, чтобы катушка была параллельна геомагнитному полю, направление которого указывает компас, когда через катушки нет тока. Затем подключается батарея, и реостат регулируется до тех пор, пока стрелка компаса не отклонится на 45 градусов от геомагнитного поля, указывая на то, что величина магнитного поля в центре катушки такая же, как и у горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Эту напряженность поля можно рассчитать из тока, измеренного амперметром, числа витков катушки и радиуса катушек.
В отличие от тангенциального 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 [13] , он состоит из двух намагниченных игл, параллельных друг другу, но с обратными магнитными полюсами. Эти иглы подвешены на одной шелковой нити. [14] Нижняя игла находится внутри вертикальной токоизмерительной катушки из проволоки и отклоняется магнитным полем, создаваемым проходящим током, как в тангенциальном гальванометре выше. Целью второй иглы является компенсация дипольного момента первой иглы, поэтому подвешенный якорь не имеет чистого магнитного дипольного момента и, таким образом, не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Вращению иглы противодействует крутильная упругость нити подвески, которая пропорциональна углу.
Чтобы достичь более высокой чувствительности для обнаружения чрезвычайно малых токов, зеркальный гальванометр заменяет указатель легким зеркалом. Он состоит из горизонтальных магнитов, подвешенных на тонком волокне внутри вертикальной катушки проволоки, с прикрепленным к магнитам зеркалом. Луч света, отраженный от зеркала, падает на градуированную шкалу через комнату, действуя как длинный безмассовый указатель. Зеркальный гальванометр использовался в качестве приемника в первых трансатлантических подводных телеграфных кабелях в 1850-х годах для обнаружения чрезвычайно слабых импульсов тока после их тысячемильного путешествия под Атлантикой. В устройстве, называемом осциллографом , движущийся луч света используется для получения графиков тока в зависимости от времени путем записи измерений на фотопленку. Струнный гальванометр — это тип зеркального гальванометра, настолько чувствительный, что с его помощью была сделана первая электрокардиограмма электрической активности человеческого сердца.
Баллистический гальванометр — это тип чувствительного гальванометра для измерения количества заряда, разряженного через него. Он является интегратором , в силу большой постоянной времени его отклика, в отличие от гальванометра, измеряющего ток. Подвижная часть имеет большой момент инерции , что дает ей период колебаний, достаточный для выполнения интегрированного измерения. Он может быть либо с подвижной катушкой, либо с подвижным магнитом; обычно это зеркальный гальванометр.
