Гальванометр это прибор для измерения

Гальванометр – что измеряет и как работает

Дата распечатки 26.11.2019 17:13

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи, точнее – минимальных значений I, R и количества электричества (при известной постоянной прибора). Чтобы выяснить, какое действие I используется в гальванометре, нужно остановиться на его комплектации.

Когда нужно либо обнаружить, либо замерить величину I крайне небольших значений, применяют гальванометр, обладающий высокой степенью чувствительности. Помимо прямого измерения, он реагирует присутствие или отсутствие I или U на определенном участке цепи.

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.

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.

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.

Основные характеристики гальванометров

Несмотря на простоту устройства подобных приборов, они также имеют основные характеристики и опции, определяющие их действие и чувствительность.

• Одним из основных параметром устройства является постоянная. Ее значение определяется имеющейся длиной между шкалой и зеркалом и считается по стандартному отрезку протяженностью 1 метр. Для переносных данная величина считается ценой деления нанесенной шкалы. Составляет для современных приборов: стационарные – 10-11 А-м/мм, переносные приборы – 10-8 — 10-9 А/дел. Для всех видов приборов допускается погрешность в ±10%.
• Постоянство "нуля" указателя (невозвращение стрелки к точке "ноль" при перемещении от крайнего положения, обозначенного на шкале). По данному параметру они различаются по разрядам постоянства. Данный показатель, имеющий числовое значение, в обязательном порядке указывается на шкале и наносится в виде ромбовидного штампа.
• Наличие магнитного шунта. Его положение возможно изменять посредством поворота внешней ручки, что приводит к изменению: магнитной индукции в зазоре и постоянной гальванометра (по I в три раза). Таким образом, во всей технической документации, а также в паспорте прибора всегда указываются значения постоянной при 2 положениях шунта: в выведенном состоянии, в введенном состоянии.
• Наличие корректора. Посредством его можно осуществлять перемещение стрелки (указателя) из одного крайнего состояния в другое.
• Наличие арретира. Все статические устройства с подвесом оснащаются им в обязательном порядке, так как он позволяет жестко зафиксировать подвижную часть устройства. Это помогает предотвратить его повреждение при перемещении.
• Наличие электростатического экранирования. Устанавливается в целях защиты прибора от I утечки.

Поскольку в них присутствует подвижная составляющая, ее движение и колебание пропорциональны успокоению, которое можно регулировать посредством подбора внешнего R. В паспорте изделия всегда указывается максимально допустимое внешнее R (критическое). На практике реальное R стараются подобрать как можно ближе к R критическому по значению. Это исключает возможность возникновения колебаний указателя вокруг положения равновесия.

Виды существующих гальванометров

Все имеющиеся приборы можно разделить на несколько основных видов в зависимости от их конструктивного исполнения.

Магнитоэлектрический

Как уже упоминалось выше, по конструктивному исполнению он представляет собой рамку прямоугольной формы с намоткой тонким проводом, помещенную в поле действия магнита (постоянного).

В роли удерживающего устройства используется пружина, которая достаточно жестко фиксирует своеобразную катушку (рамку) в нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения через провод начинает протекать I, в результате чего происходит отклонение рамки на фиксированный угол, определяющийся следующими параметрами:

• Значения I.
• Индукции магнитного поля.
• Коэффициента жесткости (пружины).

По отклонению указывающего элемента и определяют значение протекающего I. Данные механизмы достаточно популярны, так как отличаются большим коэффициентом чувствительности.

Электромагнитный

Считаясь наиболее простым по своей конструкции среди аналогичных, электромагнитный прибор включает:

• Катушку (неподвижную).
• Сердечник (подвижный).

При подаче I на провод катушки сердечник начинает поворачиваться или втягиваться в нее и, соответственно, сдвигает указатель на шкале.

Подобный вид активно используется для измерения малых величин I AC, однако его погрешность достаточно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что приводит к значительным трудностям при его градуировке.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в данном типе, является обычный компас.

Благодаря ему прибор сравнивает два вида поля (магнитных):

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки магнита (тангенс) пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 друг к другу).

В нем также имеется катушка с медной обмоткой, выполненная в виде рамки. При подаче I рамка, которая располагается строго вертикально, начинает проворачиваться вокруг своей центральной оси.

В самом центре на градуированной шкале расположен компас, на стрелке которого закреплен алюминиевый указатель, при этом он должен совпадать с плоскостью обмотки. При подаче электрического I он наводит магнитное поле на оси соленоида, располагающееся строго перпендикулярно магнитному полю Земли. Под действием двух полей указатель компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, который и равен тангенсу соотношения поля Земли и наведенного I. В пропорции этого отклонения и градуируется шкала.

Электродинамический

В приборе имеются катушки, выполняющие одновременно роль как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия базируется на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкий натянутый провод расположить вертикально, а вблизи его середины разместить стальной магнит, то при подаче электрического тока на проводник будет наблюдаться его отклонение даже при незначительной величине I.

На основании подобного закона и были созданы так называемые струнные устройства, которые в настоящее время нашли широкое применение в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительным, точным и быстрым из всех представленных видов приборов.

Состоит из зеркала, на которое подается световой луч. Само измерение производится за счет угла поворота рамки с намотанной на нее обмоткой. С учетом того, что поворот рамки достаточно мал, посредством оптического эффекта, создаваемого световым лучом, можно получить отражение от зеркала падающего луча на специальную градуированную шкалу.

Если при подаче I рамка разворачивается на угол, сам луч уже образует угол 2, а световое пятно смещается на определенное количество делений (на шкале). То есть, прибор настраивается так, что угол поворота самой рамки оказывается прямо пропорциональным числу делений.

Вибрационный

Данное устройство отличается малыми габаритами и применяется, как правило, в качестве нуль-индикатора. Подобные типы бывают двух видов:

Все они оснащены петлей или рамкой, находящейся в сильном магнитном поле и настраиваются посредством натяжения удерживающей пружины. Отличительной особенностью данных устройств является очень высокая чувствительность, позволяющая измерять минимальные значения I.

Тепловой

Включает в себя два основных элемента:

• Проводника, на который подается I.
• Рычажной системы.

При подаче электрического тока за счет своего материала проводник начинает удлиняться, а рычажная система преобразует изменение в движение указателя, с которым она связана механически.

Апериодический

Данный вид прибора отличает то, что указатель на шкале все время возвращается в свое первоначальное, исходное положения после каждого проведения измерений без каких-либо колебаний.

Баллистический

Чтобы измерить количество электричества (потокосцепления) в импульсах I, применяют баллистические гальванометры.

Отличительной особенностью в них является то, что подвижная часть устройства имеют больший момент инерции. Это означает, что время импульса I должно быть в разы меньше, чем Т колебаний рамки.

Применение гальванометров

Гальванометр применяется не только как самостоятельный прибор, показывающий малые значения, I, U или выполняющего роль нуль-индикатора, но и также как основной блок многих других измерительных приборов. Ниже будет подробно рассказано о каждом из таких вариантов использования.

1. Как амперметр или вольтметр, а именно:

• подключение сопротивления (шунтирующего) в параллель с устройством позволяет измерять ток (амперметр);
• включение R (добавочного) последовательно к устройству дает возможность измерять напряжение (вольтметр).

Таким образом, даже при отсутствии подключенного сопротивления прибор может выполнять как функцию амперметра, так и вольтметра в зависимости от подключения его к интересующему участку цепи.

2. Как термометр или экспонометр:

• при подключении фотодиода используется как экспонометр;
• при соединении с датчиком температуры (термоэлементом) будет выполнять функции своеобразного термометра.

3. Как измеритель заряда.

Для данной цели применяют баллистический гальванометр. Он позволяет измерить одиночный импульс заряда, так как после его протекания через прибор происходит резкий отброс внутренней рамки.

4. Как индикатор нуля.

При имеющемся положении стрелки на "нуле" на градуированной шкале, устройство применяется в качестве нуль-индикатора и показывает отсутствие электрического параметра при подключении к участку цепи.

5. Для записи различных сигналов в осциллографе.

За счет своего конструктивного исполнения гальванометр в осциллографе подключается напрямую к пишущему устройству (писчику). При подаче какого-либо импульса прибор реагирует на него и приводит в движение писчик, которые отображает определенные колебания на бумаге. При этом, в данных ситуациях используются различные типы приборов:

• С большим усилием, способные передвигать писчик по бумаге.
• С малым. Это подойдет для тех вариантов использования, когда требуется лишь периодический и кратковременный контакт пишущего устройства с бумагой.

6. Для осуществления оптической развертки в системах лазерной оптики (зеркальные).

В настоящее время аналоговые приборы постепенно уступают место современным устройствам, работающим на основе цифровых технологий. Единственными типами гальванометров, востребованными и сегодня, являются зеркальные устройства, которые применяются в качестве одной из составляющей установки в лазерной технологии, так как способны производить отклонение луча лазера.

В электротехнике существуют различные измерительные приборы, с помощью которых можно выполнить замеры силы тока, напряжения и сопротивления. Соответственно, это амперметр, вольтметр и омметр. В некоторых случаях, когда требуется обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количество электричества, применяется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.

Общее устройство и принцип работы

Конструкция простейшего гальванометра, созданного еще в начале 19-го века, включала в себя магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутрь неподвижной проволочной катушки. При появлении в катушке электрического тока, стрелка начинает отклоняться от своей первоначальной позиции. Если же ток отсутствует, то стрелка будет находиться в одинаковом положении с меридианом этого места. То есть, она показывает нулевую отметку.

Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. В конструкцию стандартного прибора входит постоянный магнит, катушка, установленная между магнитными полюсами, облегченный указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. Сам указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью пружины при отсутствии в катушке электрического тока.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

• При прохождении электрического тока по катушке, вокруг нее создается магнитное поле. Оно взаимодействует с магнитным полем, которое создает постоянный магнит.
• В результате, образуется сила, вызывающая поворот или вращение катушки.
• Преодолев сопротивление пружины, она стремится занять свое место между полюсами постоянного магнита.
• Одновременно с перемещением катушки, происходит и перемещение указателя.
• Расстояние, на которое они переместились, составляет пропорцию с количеством тока, протекающим через катушку.

Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в нужных единицах измерения. Помимо единиц электрического тока, на нее могут быть нанесены и другие величины, например, милливольты. Нередко шкала гальванометра размечается довольно условно.

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную рамку, закрепленную на растяжках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.

Стационарный гальванометр устанавливается по уровню. На рамке закрепляется небольшое зеркальце. Эти приборы оборудуются выносной шкалой, обеспечивающей повышенную чувствительность и световым указателем. Угловое перемещение рамки контролируется положением отраженного от зеркала светового луча, отклоняющегося на шкале. Подобные рамочные устройства используются как нуль-индикаторы. В их помощью в лабораторных условиях проводятся измерения малых токов и напряжений.

Практически каждый гальванометр оборудован магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. За счет этого в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции. Подобная регулировка позволяет изменять значения измеряемых величин как минимум в три раза в соответствии с требованиями стандартов. В маркировке и технической документации прибора эти величины указываются в обоих крайних положениях шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схеме гальванометра предусмотрен корректор, с помощью которого указатель перемещается от нулевой отметки в ту или иную сторону.

Многие устройства оборудованы специальными защитными приспособлениями. В их число входит арретир, фиксирующий подвижную часть на подвесе во время переноски прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Для стационарных устройств оборудуются специальные фундаменты, предотвращающие механические воздействия. Против утечек тока используется электростатическое экранирование.

Следует отдельно рассмотреть баллистический гальванометр. Данный прибор позволяет измерить количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами в течение долей секунды. Для того чтобы получить точные данные, необходимо увеличить момент инерции подвижной части за счет установки специального диска.

Виды гальванометров

Несмотря на общий принцип работы, данные измерительные устройства отличаются между собой в соответствии с особенностями конструкции каждого из них. Например, магнитоэлектрический гальванометр выдает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

В нулевом положении ее удерживает специальная пружина. Когда по рамке протекает ток, происходит ее отклонение на определенный угол. На величину угла оказывает влияние не только сила тока, но и жесткость пружины, а также индукция магнитного поля. Показав высокую чувствительность, эти приборы позволяют получить максимально точные результаты.

Данные измерительные устройства бывают еще нескольких видов:

• Электромагнитные. Отличаются простой конструкцией, в состав которой входит неподвижная катушка и подвижный сердечник или магнит, втягивающийся в катушку или поворачивающийся при наличии электрического тока. Недостатком считается нелинейная шкала и затруднения при ее градуировке.
• Тангенциальные. В конструкции имеется компас, с помощью которого сравниваются магнитные поля тока и Земли. В катушке применяется медная изолированная проволока, намотанная на рамку из диэлектрического материала. Обмотка и стрелка компаса в плоскости должны совпадать между собой. Под действием электрического тока на оси катушки создается магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю Земли. Угол отклонения стрелки получается равным тангенсу отношения обоих магнитных полей.
• Зеркальные. Считаются наиболее точными и быстродействующими устройствами. Показания снимаются с помощью небольшого зеркальца и отраженного от него светового луча.
• Тепловые. Представляют собой проводник и рычажную систему. Длина проводника увеличивается, когда по нему проходит ток. Рычажная система преобразует удлинение проводника в положение стрелки на шкале прибора.

Гальванометр – это очень чувствительный прибор, предназначенный для измерения напряжения или силы тока весьма малой величины. Гальванометр, также, часто используют для определения отсутствия тока в электрической цепи, в качестве, так называемых, нуль-индикаторов.

Данные электроизмерительные приборы делятся на гальванометры постоянного или переменного тока.

Гальванометр был изобретен в начале 20-х годов XIX века. Первые приборы имели довольно простое устройство и принцип работы. Они состояли из магнитной стрелки, которая, будучи подвешенной, внутри проволочной катушки, определенным образов реагировала на наличие или отсутствие электрического тока в цепи. В том случае, если тока нет – стрелка замирала в определенном положении, в соответствие с имеющимся магнитным меридианом. При появлении тока, стрелка откланялась, определяя, таким образом, величину измеряемого напряжения.

Впоследствии было создано довольно много разновидностей гальванометра данной конструкции, которые очень широко применялись для разного рода физических исследований, в том числе и для изучения электромагнитных явлений.

В конце 19 века был создан первый гальванометр с подвижной катушкой. Конструктивной особенностью гальванометра такого типа, являлся проводник с током, помещенный в постоянное магнитное поле, который и являлся подвижным элементом прибора, т.е. указателем.

В зависимости от конструкции, гальванометры такого типа подразделяются на рамочные, петлевые или струнные.

Рамочные гальванометры. Их подвижная часть представляет собой рамку с несколькими витками проволоки. Протекающий через рамку электрический ток, вступает во взаимодействие с магнитным полем. Вследствие этого создается вращающий момент, который вызывает отклонение подвижной части гальванометра, и, соответственно, перемещает стрелку указателя.

По такому же принципу работают петлевые и струнные гальванометры. Единственное отличие заключается в строении их подвижной части. В случае петлевых – это проволочная петля из одного витка, а в струнных – подвижная часть представляет из себя натянутый провод.

Существуют и другие виды гальванометров. Зеркальный, к примеру, обладает большей чувствительностью. В этом случае, на подвижной части располагается не стрелка, а небольшое зеркальце. Принцип работы зеркального гальванометра весьма прост. Луч света от осветителя падает на зеркало. В зависимости от положения подвижной части, он отражается под разным углом и падает на измерительную шкалу, определяя, таким образом, необходимые данные.

Одной из разновидностей такого прибора, является гальванометр со световым отсчетом. В этом случае, для получения необходимой длины светового луча, применяют определенную систему зеркал, получая от них многократное отражение.

Современные гальванометры позволяют определять самые различные показатели, связанные с величиной и напряжением тока. К тому же, это довольно высокоточные приборы.

Для определения количества электричества при продолжительных (вплоть до 2-х секунд) импульсов тока, применяют баллистические гальванометры. При прохождении по обмотке прибора электрического импульса, возникает так называемый баллистический эффект, отбрасывающий подвижную часть. В результате указатель смещается с нулевого положения, и после нескольких колебаний возвращается обратно.

Вибрационные гальванометры переменного тока предназначены для определения малых значений силы тока или его напряжения. Такие гальванометры снабжены специальным преобразователем переменного тока в постоянный. Принцип их работы тот же. Единственное отличие состоит в том, что подвижная часть подобных приборов имеет довольно низкий момент инерции.

Термогальванометр – это одна из разновидностей гальванометра. Прибор предназначен для измерения переменного тока и снабжен термопреобразователем, состоящим из подвижной рамки в виде одного витка проволоки. Виток биметаллический, т.е. изготовлен из различных металлов. Таким образом, рамка представляет из себя термопару. У одного из сплавов, к которому подводится измеряемый ток, расположен нагреватель. При прохождении электричества, в петле возникает термоток, что и приводит её в движение, отклоняя от нулевого положения.