Гальванометр

Ранний гальванометр Д'Арсонваля с магнитом и вращающейся катушкой.

Гальванометр — электромеханический прибор для измерения тока электрического . Ранние гальванометры не были откалиброваны, но улучшенные версии, называемые амперметрами , были откалиброваны и могли более точно измерять силу тока. Гальванометры работают, отклоняя стрелку в ответ на электрический ток, протекающий через катушку в постоянном магнитном поле . Этот механизм также используется в качестве привода в таких приложениях, как жесткие диски .

Гальванометры возникли в результате наблюдения, впервые отмеченного Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, о том, что стрелка магнитного компаса отклоняется, когда находится рядом с проводом, по которому протекает электрический ток. Они были первыми приборами, использовавшимися для обнаружения и измерения небольших величин тока. Андре-Мари Ампер , который дал математическое выражение открытию Эрстеда, назвал инструмент в честь итальянский исследователь электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году открыл принцип гальваноскопа лягушки – электрический ток заставлял 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 первые трансатлантические телеграфные кабели , и сыграли важную роль в открытии электрической активности сердца и мозга посредством точных измерений силы тока.

Гальванометры также использовались в качестве компонентов дисплея других типов аналоговых измерителей (например, люксметров и измерителей уровня громкости этих измерителей ), фиксируя выходные сигналы датчиков . Сегодня основным типом гальванометра, который все еще используется, является тип Д'Арсонваля/Уэстона .

Операция

Схема гальванометра типа Д'Арсонваль/Вестон. Когда ток течет от + через катушку (оранжевая часть) к – , в катушке генерируется магнитное поле. Этому полю противодействует постоянный магнит, и он заставляет катушку скручиваться, перемещая указатель в зависимости от силы поля, вызванного потоком тока.

Современные гальванометры типа Д'Арсонваля/Уэстона состоят из небольшой вращающейся катушки с проволокой, называемой шпинделем, в поле постоянного магнита. Катушка прикреплена к тонкому указателю, пересекающему калиброванную шкалу. Крошечная торсионная пружина тянет катушку и указатель в нулевое положение.

Крупный план (сзади) счетчика с подвижной катушкой типа постоянного магнита.

Когда через катушку протекает постоянный ток (DC), катушка генерирует магнитное поле. Это поле действует против постоянного магнита. Катушка вращается, давя на пружину, и перемещает указатель. Стрелка указывает на шкалу, показывающую силу электрического тока. Тщательная конструкция полюсных наконечников обеспечивает однородность магнитного поля и угловое отклонение указателя пропорционально току. Полезный счетчик обычно содержит приспособления 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 микроампер полной шкалы (с падением напряжения, скажем, 50 милливольт при полном токе). Такие счетчики часто калибруются для считывания какой-либо другой величины, которую можно преобразовать в ток такой же величины. Использование делителей тока, часто называемых шунтами , позволяет калибровать счетчик для измерения больших токов. Измеритель можно откалибровать как вольтметр постоянного тока, если известно сопротивление катушки путем расчета напряжения, необходимого для генерации полномасштабного тока. Измеритель можно настроить для считывания других напряжений, подключив его к схеме делителя напряжения. Обычно это делается путем включения резистора последовательно с катушкой счетчика. Измеритель можно использовать для измерения сопротивления , подключив его последовательно к известному напряжению (батарее) и регулируемому резистору. На подготовительном этапе схема завершается и резистор регулируется для обеспечения полного отклонения. Когда неизвестный резистор включен последовательно в цепь, ток будет меньше полной шкалы, и соответствующим образом откалиброванная шкала может отображать значение ранее неизвестного резистора.

Эти возможности преобразовывать различные виды электрических величин в движения указателя делают гальванометр идеальным для преобразования выходных сигналов других датчиков, выдающих электричество (в той или иной форме), во что-то, что может быть прочитано человеком.

Поскольку указатель счетчика обычно находится на небольшом расстоянии от шкалы счетчика, ошибка параллакса может возникнуть, когда оператор пытается прочитать линию шкалы, которая «совпадает» с указателем. Чтобы противостоять этому, некоторые счетчики включают зеркало вместе с отметками основной шкалы. Точность чтения зеркальной шкалы повышается за счет положения головы во время чтения шкалы так, чтобы указатель и отражение указателя были совмещены; в этот момент взгляд оператора должен находиться прямо над указателем, и любая ошибка параллакса будет сведена к минимуму.

Использует

Лазерное сканирующее зеркало с гальванометрическим приводом и замкнутым контуром

Вероятно, наиболее широкое применение имели гальванометры типа Д'Арсонваля/Уэстона, используемые в аналоговых счетчиках в электронном оборудовании. С 1980-х годов аналоговые механизмы счетчика гальванометрического типа были заменены аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) для многих целей. Цифровой панельный счетчик (DPM) содержит АЦП и цифровой дисплей. Преимуществами цифрового прибора являются более высокая точность и аккуратность, но такие факторы, как энергопотребление или стоимость, могут по-прежнему благоприятствовать применению аналоговых механизмов измерения.

Современное

Большинство современных применений механизма гальванометра приходится на системы позиционирования и управления. Механизмы гальванометров делятся на гальванометры с подвижным магнитом и с 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 мощными лазерами используются механизмы зеркального гальванометра с замкнутым контуром и сервосистемы управления. Обычно это гальванометры высокой мощности, а новейшие гальванометры, предназначенные для управления лучом, могут иметь частотную характеристику более 10 кГц при использовании соответствующей сервотехнологии. 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 визуализации, 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 контур получается при измерении положения оси вращения с помощью инфракрасного излучателя и двух 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 в приложениях, требующих работы в высоком вакууме .

Механизм гальванометра (центральная часть), используемый в блоке автоматической экспозиции 8-мм пленочной камеры , вместе с фоторезистором (виден в отверстии вверху левой части).

Механизмы гальванометров с подвижной катушкой (называемые производителями жестких дисков «звуковыми катушками») используются для управления сервоприводами позиционирования головок в жестких дисках и проигрывателях компакт-дисков и DVD-дисков, чтобы максимально снизить массу (и, следовательно, время доступа). .

Прошлое использование

В первую очередь гальванометры использовались для поиска неисправностей в телекоммуникационных кабелях. В конце 20-го века в этом применении они были заменены рефлектометрами во временной области .

Механизмы гальванометра также использовались для снятия показаний с фоторезисторов в механизмах измерения пленочных фотоаппаратов (как видно на соседнем изображении).

В аналоговых ленточных самописцах, таких как электрокардиографы , электроэнцефалографы и полиграфы использовались гальванометрические механизмы , для позиционирования ручки . Ленточные самописцы с гальванометрическими ручками могут иметь полномасштабную частотную характеристику 100 Гц и отклонение в несколько сантиметров.

История

Ганс Кристиан Эрстед

Отклонение магнитной стрелки компаса под действием тока в проводе было впервые описано Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году. Это явление изучалось как само по себе, так и как средство измерения электрического тока.

Швайгер и Ампер

О самом раннем гальванометре сообщил Иоганн Швайггер 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, за счет использования нескольких витков провода. Из-за этой общей конструктивной особенности инструменты сначала называли «мультипликаторами». Термин «гальванометр», вошедший в широкое употребление с 1836 года, произошел от фамилии итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани , который в 1791 году обнаружил, что электрический ток вызывает рывок лапки мертвой лягушки .

Поггендорф и Томсон

Зеркальный гальванометр Томсона, запатентованный в 1858 году.

Первоначально инструменты полагались на магнитное поле Земли, обеспечивающее восстанавливающую силу 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 . 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 (лордом Кельвином). Конструкция Томсона позволила обнаружить 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. Альтернативно, отклонение подвешенных магнитов можно наблюдать непосредственно через микроскоп.

Георг Ом

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

Д'Арсонваль и Депре

Ранний гальванометр с подвижной катушкой Дарсонваля.

Ранняя форма гальванометра с подвижным магнитом имела тот недостаток, что на него влияли любые магниты или железные массы рядом с ним, и его отклонение не было линейно пропорционально току. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре разработали форму со стационарным постоянным магнитом и подвижной катушкой из проволоки, 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 круглый зазор, через который вращалась катушка. Этот зазор создавал постоянное радиальное магнитное поле поперек катушки, давая линейный отклик во всем диапазоне действия инструмента. Зеркало, прикрепленное к катушке, отклоняло луч света, указывая положение катушки. Концентрированное магнитное поле и тонкая подвеска сделали эти инструменты чувствительными; Первоначальный прибор д'Арсонваля мог обнаружить ток в десять микроампер .

Эдвард Уэстон

Гальванометр Д'Арсонваля/Уэстона (ок. 1900 г.). магнита Часть левого полюса вырвана, чтобы обнажить катушку.

Гальванометр Weston в переносном футляре

Эдвард Уэстон значительно усовершенствовал конструкцию гальванометра. Он заменил тонкую проволочную подвеску шарниром и обеспечил восстановление крутящего момента и электрических соединений. с помощью спиральных пружин, а не с помощью традиционной пружины баланса 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 острием ножа, который можно было прочитать напрямую. Зеркало под указателем, в одной плоскости со шкалой, исключало параллакса ошибку наблюдения . Для поддержания напряженности поля в конструкции Уэстона использовалась очень узкая кольцевая щель, через которую перемещалась катушка, с минимальным воздушным зазором. Это улучшило линейность отклонения указателя относительно тока катушки. Наконец, катушку наматывали на легкую форму из проводящего металла, выполнявшую роль демпфера. К 1888 году Эдвард Уэстон запатентовал и выпустил коммерческую версию этого прибора, который стал стандартным компонентом электрооборудования. Он был известен как «портативный» инструмент, поскольку на него мало влияло положение установки или транспортировка с места на место. Сегодня эта конструкция почти повсеместно используется в счетчиках с подвижной катушкой.

Первоначально гальванометры были лабораторными приборами, работающими за счет собственного магнитного поля Земли для обеспечения восстанавливающей силы указателя, а затем превратились в компактные, прочные и чувствительные портативные приборы, необходимые для развития электротехнологий.

Движение натянутой ленты

Движение натянутых лент является современным развитием движения Д'Арсонваля-Уэстона. Шарниры и пружины из драгоценных камней заменены крошечными полосками металла, находящимися под напряжением. Такой счетчик более надежен для использования в полевых условиях.

Типы

Существует два типа гальванометров. В некоторых гальванометрах для измерения измерений используется твердый указатель на шкале; другие очень чувствительные типы используют миниатюрное зеркало и луч света для механического усиления сигналов низкого уровня.

Тангенциальный гальванометр

Тангенциальный гальванометр — один из первых измерительных приборов, использовавшихся 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 тангенса магнетизма, который гласит, что тангенс угла, который образует стрелка компаса, пропорционален отношению напряженностей двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые он был описан Йоханом Якобом Нервандером в 1834 году.

Тангенциальный гальванометр представляет собой катушку из изолированного медного провода, намотанную на круглый немагнитный каркас. Рама установлена ​​вертикально на горизонтальном основании, снабженном регулировочными винтами. Катушку можно вращать вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас установлен горизонтально в центре круговой шкалы. Он 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°. К игле в центре и под прямым углом к ​​ней прикреплена длинная тонкая алюминиевая указка. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса, под стрелкой компаса устанавливают плоское зеркало.

При работе прибор сначала вращают до тех пор, пока магнитное поле Земли, указываемое стрелкой компаса, не станет параллельно 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, считываемому по шкале компаса, ток можно было найти по таблице. Провода подачи тока должны быть намотаны небольшой спиралью, наподобие свиного хвоста, иначе поле, создаваемое проводом, будет воздействовать на стрелку компаса и будут получены неверные показания.

• Тангенциальный гальванометр
• 
  1850 года Тангенциальный гальванометр Пуйе на выставке в Музее истории науки города Женевы.
• 
  Тангенциальный гальванометр производства JH Bunnell Co. около 1890 года.
• 
  Вид сверху на касательный гальванометр, сделанный примерно в 1950 году. Индикаторная стрелка компаса перпендикулярна более короткой черной магнитной стрелке.

Теория

Гальванометр ориентируют так, чтобы плоскость катушки была вертикальной и располагалась параллельно горизонтальной составляющей B _H магнитного поля Земли (т. е. параллельно местному «магнитному меридиану»). Когда через катушку гальванометра протекает электрический ток, второе магнитное поле B. создается В центре катушки, где расположена стрелка компаса, поле катушки перпендикулярно плоскости катушки. Величина поля катушки равна:

$B={\mu _{0}nI \over 2r}\,$

где I — ток в амперах , n — количество витков катушки, а r — радиус катушки. Эти два перпендикулярных магнитных поля складываются векторно , и стрелка компаса указывает в направлении их результирующей B _H +B . Ток в катушке заставляет стрелку компаса поворачиваться на угол θ :

$\theta =\tan ^{-1}{\frac {B}{B_{H}}}\,$

Согласно закону касательных, B = B _H tan θ , т.е.

${\mu _{0}nI \over 2r}=B_{H}\tan \theta \,$

или

$I=\left({\frac {2rB_{H}}{\mu _{0}n}}\right)\tan \theta \,$

или I = K tan θ , где K называется коэффициентом приведения касательного гальванометра.

Одна из проблем касательного гальванометра заключается в том, что его разрешение ухудшается как при больших, так и при малых токах. Максимальное разрешение достигается при значении θ , равном 45°. Когда значение θ близко к 0° или 90°, большое процентное изменение тока приведет к смещению стрелки всего на несколько градусов.

Измерение геомагнитного поля

Касательный гальванометр можно использовать также для измерения величины горизонтальной составляющей геомагнитного поля . При таком использовании источник питания низкого напряжения, например батарея, подключается последовательно с реостатом , гальванометром и амперметром . Гальванометр сначала выравнивают так, чтобы катушка была параллельна геомагнитному полю, направление которого указывает компас, когда ток через катушки отсутствует. Затем подключают батарею и регулируют реостат до тех пор, пока стрелка компаса не отклонится на 45 градусов от геомагнитного поля, что указывает на то, что величина магнитного поля в центре катушки такая же, как и у горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Эту напряженность поля можно рассчитать по току, измеренному амперметром, количеству витков катушки и радиусу катушек.

Астатический гальванометр

В отличие от касательного гальванометра, астатический гальванометр не использует магнитное поле Земли для измерений, поэтому его не нужно ориентировать относительно поля Земли, что упрощает его использование. Разработан Леопольдо Нобили в 1825 году. он состоит из двух намагниченных игл, параллельных друг другу, но с перевернутыми магнитными полюсами. Эти иглы подвешены на одной шелковой нити. Нижняя игла находится внутри проволочной катушки, чувствительной к вертикальному току, и отклоняется магнитным полем, создаваемым проходящим током, как в касательном гальванометре выше. Целью второй иглы является нейтрализация дипольного момента первой иглы, поэтому подвешенный якорь не имеет чистого магнитного дипольного момента и, следовательно, не подвергается влиянию магнитного поля Земли. Вращению иглы противодействует крутильная упругость нити подвески, пропорциональная углу.

• Астатический гальванометр Нобили
• 
  Гальванометр на выставке в Музее истории науки города Женевы.
• 
  Деталь астатического гальванометра.

Зеркальный гальванометр

Основная статья: Зеркальный гальванометр

Чтобы добиться более высокой чувствительности и обнаружения чрезвычайно малых токов, в зеркальном гальванометре указатель заменяется легким зеркалом. Он состоит из горизонтальных магнитов, подвешенных на тонком волокне, внутри вертикальной катушки проволоки, к магнитам прикреплено зеркало. Луч света, отраженный от зеркала, падает на градуированную шкалу через всю комнату, действуя как длинный невесомый 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 построения графиков зависимости тока от времени путем записи измерений на фотопленку. Струнный гальванометр — это разновидность зеркального гальванометра, настолько чувствительного, что с его помощью была получена первая электрокардиограмма электрической активности человеческого сердца.

Баллистический гальванометр

Основная статья: Баллистический гальванометр

Баллистический гальванометр — это тип чувствительного гальванометра для измерения количества заряда , проходящего через него. Это интегратор , в силу большой постоянной времени его отклика, в отличие от токоизмерительного гальванометра. Движущаяся часть имеет большой момент инерции , что обеспечивает ей период колебаний, достаточный для выполнения комплексных измерений. Это может быть тип подвижной катушки или подвижного магнита; обычно это зеркальный гальванометр.

См. также

• Вибрационный гальванометр
• Термогальванометр
• Струнный гальванометр
• История электрохимии

Внешние ссылки

• Гальванометр - Интерактивное руководство по Java Национальная лаборатория сильных магнитных полей
• Выбор исторического гальванометра в Виртуальной лаборатории Института истории науки Макса Планка
• Уголок истории: Гальванометр Ника Джойса и Дэвида Бейкера, 1 апреля 2008 г., Асс. физиологической науки. Проверено 26 февраля 2022 г.
• Гальванометр с подвижной катушкой