Galvanometer

Galvanometer (från namnet på vetenskapsmannen Luigi Galvani och ordet för andra grekiska μετρέω - "Jag mäter") är en mycket känslig enhet för att mäta styrkan hos små likströmmar . Till skillnad från vanliga mikroamperemetrar kan en galvanometers skala graderas inte bara i strömenheter utan också i spänningsenheter , enheter av andra fysiska storheter . Skalan kan ha en villkorlig, dimensionslös gradering, till exempel när den används som nollindikatorer .

Historik

I juni 1820 publicerade Hans Oersted en beskrivning av experimentet, för vilket du behöver:

ta en magnetisk nål (en pil gjord av magnetiskt material , en del av en magnetisk kompass );
vänta tills pilens riktning sammanfaller med riktningen för jordens magnetiska meridian ;
installera en rak ledare ovanför pilen så att ledaren är placerad längs jordens magnetiska meridian ;
börja leda en elektrisk ström genom ledaren .

Resultat: pilen kommer att avvika från riktningen för jordens magnetiska meridian.

För att förstärka den nuvarande Johann Schweiggers handling :

lindade flera ledarvarv på en rektangulär ram;
placerade den magnetiska pilen inuti en rektangulär ram.

Den resulterande enheten kallades "multiplikatorn" och demonstrerades vid universitetet i Halle den 16 september 1820 . Schweiggers "multiplikator" kan betraktas som den första galvanometern (mer exakt, ett galvanoskop ).

Termen "galvanometer" dök upp först 1836, härledd från namnet på vetenskapsmannen Luigi Galvani .

År 1821 förbättrade Poggendorf designen av "multiplikatorn" genom att förse den med en mätskala .

År 1823 föreslog Avogadro och Michelotti en "multiplikator", där pilen hängdes upp på en sidentråd över en fodrad (fodrad) sektor (en prototyp av skalan ), och hela enheten placerades under en glaskåpa [ 1] .

Redan 1821 designade Ampère en "astatisk apparat", som bestod av två styvt anslutna parallella magnetiska nålar. Pilarnas poler var riktade i motsatta riktningar, så pilarnas riktning berodde inte på riktningen för jordens magnetfält . Gängorna var upphängda ovanför ledaren. Apparaten visade att den magnetiska nålen, befriad från påverkan av jordens magnetfält, är orienterad vinkelrätt mot den strömförande ledaren.

Den 13 maj 1825, vid ett möte med Akademien i Modena, presenterade Leopoldo Nobili [1] den första "astatiska galvanometern" (se figur ). Apparaten var en kombination av Ampères "astatiska apparat" med en upphängning på en gänga. Detta instrument förblev den mest känsliga typen av galvanometer i flera decennier.

1826 introducerade Poggendorf metoden för spegelräkning, som senare utvecklades av Gauss ( 1832 ) och tillämpades i "spegelgalvanometern" av Weber ( 1846 ).

1825 föreslog Antoine Becquerel en skiss för en "differentialgalvanometer".

År 1833 föreslog Nerwander den första galvanometern kalibrerad i absoluta enheter [2] .

1837 föreslog Claude Poulier den "tangentiala galvanometern" eller "tangentkompassen". En liten magnetisk nål med en lång kopparpekare monterades på en nål ovanför en cirkel ritad i grader, placerades i mitten av en vertikal ring gjord av en ledare med en diameter på 40-50 cm . Innan mätningarna påbörjades måste ringen orienteras i planet för jordens magnetiska meridian .

År 1840 använde Weber en förbättrad modell av "tangentialgalvanometern" [3] , där man istället för en ledarring använde två spolar kopplade i serie med en ledare placerad i parallella plan, och en magnetisk nål placerades mellan dem. , vilket säkerställde en mer enhetlig fördelning av magnetfältet som skapas av strömmen .

Weber skapade teorin om "tangentialgalvanometern", som visar hur elektrisk ström kan mätas i absoluta enheter genom dess verkan på en horisontellt upphängd nål efter att den horisontella komponenten av jordens magnetfält i absoluta enheter har fastställts. Från denna tidpunkt fram till omkring 1890 användes olika typer av "tangentialgalvanometrar" för precision (mycket exakta) mätningar av elektrisk ström. Elektriska laboratorier på den tiden använde inte järnstrukturer som förvrängde jordens magnetfält.

Olika typer av "tangentialgalvanometrar" föreslogs av Helmholtz ( 1849 ), Kohlrausch ( 1882 ).

År 1846 introducerade Weber en "elektrodynamisk galvanometer", i vilken, mellan två spolar placerade vertikalt i parallella plan, istället för en kompass , en tredje spole av mindre storlek, lindad bifilärt , var upphängd på en tejp [4] . Alla tre spolarna är seriekopplade . Upphängningen orienterade den rörliga spolen vinkelrätt mot det plan i vilket de fasta spolarna är installerade och gav ett motverkande moment. När ström flyter i kretsen tenderar den rörliga spolen att orientera sig parallellt med de andra. En spegel användes som pekare .

År 1858 utvecklade och patenterade William Thomson (Lord Kelvin) sin "spegelgalvanometer" (se figur ) för den undervattens-transatlantiska telegrafen . Galvanometern var [5] en massiv vertikal spole av koppartråd i silkesisolering i mitten av vilken det fanns en liten hålighet. Fyra miniatyrmagneter limmades på baksidan av en spegel upphängd i en sidentråd i denna hålighet. Magneterna bildade ett asastatiskt system, påverkan av jordens magnetfält kompenserades dessutom genom att installera en permanentmagnet ovanpå enheten. Genom att ändra höjden på magneten var det möjligt att justera enhetens känslighet. När en ström passerade genom spolen vände spegeln och avledde den infallande ljusstrålen. I det här fallet gjorde luftmotståndet som spegeln upplevde under rotation, på grund av ett litet gap mellan spegelkanten och kavitetens väggar, det möjligt att dämpa slumpmässiga fluktuationer i den uppmätta signalen. Galvanometern var väldigt känslig. Projiceringen av en ljusfläck på skärmen gjorde det möjligt för observatören att fixa fluktuationer i signalnivån under sändningen av ett meddelande, oavsett skiftningen i nollläget, och samtidigt, på grund av effektiv dämpning, möjliggjort att ta emot fler signaler per tidsenhet. Apparaten användes som en del av den transatlantiska telegrafen fram till 1870 .

Marcel Despres föreslog att man skulle placera en järnnål mellan polerna på en stark permanentmagnet , vars fält orienterar nålen på ett liknande sätt som verkan av jordens magnetfält. Spolen som omger pilen är placerad så att strömmen tvärtom tenderar att ställa pilen vinkelrätt mot denna riktning. En sådan anordning skulle kunna användas nära metallstrukturer och till och med fungerande dynamoer [2] .

År 1881 [6] utvecklade Jacques-Arsene d'Arsonval och Marcel Despres en galvanometer [7] (se figur ) med en rörlig spole gjord av en ledare lindad på en rektangulär ram och upphängd mellan polerna på en permanentmagnet. Den uppmätta strömmen tillfördes spolen längs en metalltejp på vilken den var upphängd, det motverkande momentet skapades av en spiralfjäder [ 8] . En spegel monterad på en spole användes som pekare . En fast cylinder av mjukt järn placerades inuti spolen , vilket säkerställde en jämn fördelning av det magnetiska flödet för olika positioner av spolen. På grund av detta är avböjningen av ramen direkt proportionell mot strömmen i spolen, och d'Arsonval-Deprez galvanometer har, till skillnad från tidigare konstruktioner, en enhetlig skala. Denna enhet fungerade som det första exemplet på en magnetoelektrisk mätmekanism .

År 1888 introducerade Edward Weston [9] ett antal förbättringar av D'Arsonval-Deprez design:

föreslagit att göra ramar för att linda enhetens rörliga spole från metall - en sådan metallram, placerad i fältet av en permanent magnet, gör det möjligt att lugna den rörliga delen utan skrymmande ytterligare enheter;
föreslog att man skulle använda polstycken av mjukt järn i mätinstrument för att koncentrera det magnetiska flödet som genereras av en permanentmagnet;
används för att stödja den rörliga delen stenaxiallager som tidigare använts för tillverkning av klockor (innan dess var de flesta enheterna gjorda på upphängningar eller förlängningar), vilket gjorde det möjligt att skapa panelenheter med en horisontell rotationsaxel för den rörliga delen;
används för att skapa ett motverkande moment platta spiralfjädrar (som i balanshjulet på ett armbandsur) gjorda av ett omagnetiskt material med lågt motstånd ( fosforbrons ) , som samtidigt användes som ledare för att mata ström till en rörlig spole.

De två sistnämnda lösningarna är typiska för relativt grövre instrument med en visare.

Hur det fungerar

Oftast används en galvanometer som ett analogt mätinstrument . Används för att mäta likströmmen som flyter i en krets .

D'Arsonval /Weston designgalvanometrar som används idag är gjorda med en liten roterande spole i fältet av en permanentmagnet . En pil är fäst vid spolen. En liten fjäder återför spolen med en pil till nollläget. När en likström passerar genom en spole skapas ett magnetfält i den . Den interagerar med fältet av en permanent magnet , och spolen, tillsammans med pilen, vänder sig, vilket indikerar den elektriska strömmen som flyter genom spolen .

Den grundläggande känsligheten för en galvanometer kan till exempel vara 100 µA ( med ett spänningsfall på till exempel 50 mV , vid full ström). Genom att använda shuntar kan stora strömmar mätas.

Eftersom instrumentnålen befinner sig på ett litet avstånd från skalan kan parallax uppstå . För att undvika det placeras en spegel under pilen. Genom att rikta in pilen med din reflektion i spegeln kan parallax undvikas.

Sorter och enhet

Magnetoelektrisk galvanometer

En magnetoelektrisk galvanometer [10] är en ledande ram (vanligtvis lindad med en tunn tråd) fixerad på en axel i magnetfältet hos en permanentmagnet . I frånvaro av ström i ramen hålls ramen av en fjäder i ett visst nollläge. Om ström flyter genom ramen , avviker ramen med en vinkel som är proportionell mot strömstyrkan, beroende på fjäderns styvhet och induktionen av magnetfältet. Pilen som är fäst på ramen visar det aktuella värdet i de enheter där galvanometerskalan är kalibrerad.

Det magnetoelektriska systemet skiljer sig från andra konstruktioner i den största linjäriteten i graderingen av enhetens skala (i enheter av ström eller spänning ) och den högsta känsligheten (minsta värdet för nålens totala avböjningsström).

Elektromagnetisk galvanometer

En elektromagnetisk galvanometer är historiskt sett den allra första designen av en galvanometer. Den innehåller en fast spole med ström och en rörlig magnet (i likströmsenheter ) eller en kärna av mjukt magnetiskt material (för enheter som mäter både lik- och växelström ), dras in i spolen eller roteras i förhållande till den.

Denna design kännetecknas av större enkelhet, frånvaron av behovet av att göra spolen så liten som möjligt i storlek och vikt (vilket krävs för ett magnetoelektriskt system), frånvaron av problemet med att tillföra ström till den rörliga spolen. Sådana anordningar kännetecknas emellertid av en betydande icke-linjäritet i skalan (på grund av olikformigheten i det magnetiska fältet hos kärnan och spolens kanteffekter ) och motsvarande komplexitet i kalibreringen. Ändå är användningen av denna design av enheter som AC-amperemetrar av ett relativt stort värde motiverad av den större enkelheten i designen och frånvaron av ytterligare likriktarelement och shuntar . Voltmetrar av växelström och likström i det elektromagnetiska systemet är mest praktiskt för att övervaka ett smalt intervall av spänningsvärden , eftersom den initiala sektionen av instrumentets skala är starkt komprimerad och den kontrollerade sektionen kan sträckas.

Tangentialgalvanometer

Tangentialgalvanometern är en av de första galvanometrarna som används för att mäta elektrisk ström . Fungerar med en kompass som används för att jämföra magnetfältet som genereras av en okänd ström med jordens magnetfält. Enheten har fått sitt namn från magnetismens tangentiella lag, som säger att tangenten för den magnetiska nålens lutningsvinkel är proportionell mot förhållandet mellan krafterna hos två vinkelräta magnetfält. Den beskrevs första gången av Claude Poulier 1837 .

En tangentiell galvanometer består av en spole gjord av isolerad koppartråd lindad på en omagnetisk ram placerad vertikalt. Ramen kan roteras runt en vertikal axel som går genom dess centrum. Kompassen är placerad horisontellt och i mitten av ratten. Urtavlan är uppdelad i fyra kvadranter, var och en graderad från 0° till 90°. En lång aluminiumpekare är fäst på den magnetiska kompassnålen . För att undvika fel på grund av parallax installeras en platt spegel under pilen .

Under drift är galvanometern inställd så att kompassnålen sammanfaller med spolens plan. Strömmen som ska mätas appliceras sedan på spolen. Strömmen skapar ett magnetfält på spolens axel, vinkelrätt mot jordens magnetfält. Pilen reagerar på vektorsumman av två fält och avviker med en vinkel som är lika med tangenten för förhållandet mellan dessa fält.

Teori

Galvanometern är orienterad så att spolens plan är parallellt med jordens magnetiska meridian , det vill säga den horisontella komponenten av jordens magnetfält. När ström passerar genom en spole skapas ett magnetfält i spolen som är vinkelrätt mot spolen. Magnetfältets storlek: $B_{H}$

B={\mu _{0}nI \över 2r}\,,

var:

$jag$ - ström , A ;
$n$ - antal varv på spolen;
$r$ är spolens radie.

Två vinkelräta fält adderas vektoriellt och kompassnålen avviker med en vinkel lika med: $\theta$

\theta =\operatörsnamn {arctg}{\frac {B}{B_{H}}}\,.

Från tangentiallagen

B=B_{H}\operatörsnamn {tg}\theta \,,

det är

{\mu _{0}nI \over 2r}=B_{H}\operatörsnamn {tg}\theta \,,

eller

I=\left({\frac {2rB_{H}}{\mu _{0}n}}\right)\operatörsnamn {tg} \theta

eller

I=K\operatörsnamn {tg}\theta \,,

var är reduktionsfaktorn för tangentiell galvanometer. $K$

Ett av problemen med en tangentiell galvanometer är svårigheten att mäta mycket stora och mycket små strömmar.

Mätning av jordens magnetfält

En tangentiell galvanometer kan också användas för att mäta den horisontella komponenten av det geomagnetiska fältet . För att göra detta ansluts en låg matningsspänning i serie med en reostat , galvanometer och amperemeter . Galvanometern är placerad så att den magnetiska nålen är parallell med spolen, i frånvaro av ström i den . Sedan läggs en spänning på spolen, som justeras av en reostat till ett sådant värde att pilen avviker med en vinkel på 45 ° och storleken på magnetfältet på spolens axel blir lika med den horisontella komponenten av jordens geomagnetiska fält. Detta fält kan beräknas från strömmen som mäts av amperemetern, antalet varv på spolen och dess radie.

Elektrodynamisk galvanometer

Spolar med ström används som ett rörligt och fast element. Ett specialfall är en lågfrekvent analog wattmätare .

Vibrationsgalvanometer

Vibrationsgalvanometrar är en typ av spegelgalvanometrar. Den naturliga frekvensen för de rörliga delarna är avstämd till en strikt definierad frekvens, vanligtvis 50 eller 60 Hz . Högre frekvenser upp till 1 kHz är möjliga . Eftersom frekvensen beror på massan av rörliga delar är högfrekventa galvanometrar mycket små. Inställningen av den vibrerande galvanometern utförs genom att ändra fjäderns dragkraft .

Vibrerande AC -galvanometrar är designade för att bestämma små värden på ström eller spänning . Den rörliga delen av sådana anordningar har ett ganska lågt tröghetsmoment . Deras vanligaste användning är som nollindikatorer i AC-bryggor och komparatorer . Svängningarnas skarpa resonans i en vibrerande galvanometer gör den mycket känslig för förändringar i den uppmätta strömmens frekvens och kan användas för att finjustera instrument.

Termisk galvanometer

En termisk galvanometer består av en ledare med en ström som expanderar vid uppvärmning och ett spaksystem som omvandlar denna förlängning till en pilrörelse.

Aperiodisk galvanometer

Aperiodisk kallas en galvanometer, vars nål efter varje avvikelse omedelbart kommer i jämviktsläge, utan preliminära svängningar, som fallet är i en enkel galvanometer [11] .

Andra element och designfunktioner

balanserande element. I avsaknad av sådana är galvanometern konstruerad för att fungera antingen endast i vågrät läge eller endast i vertikalt läge.
Arretir - strukturella delar av enheten, som ger fixering av mekanismen i transport, icke-arbetande position.
Dämparen är luft (i form av ett kronblad som rör sig inuti en speciell profil) eller elektromagnetisk (kortsluten spole). Fungerar för att minimera mättiden. Får inte finnas i en ballistisk galvanometer.
Fjädrar är som regel ledare genom vilka ström tillförs ramen på en magnetoelektrisk eller till den rörliga ramen på en elektrodynamisk anordning. I vissa utföranden är ledarna som ramen sträcks på axeln och samtidigt torsionsfjädrarna.
Fästningen av en av fjädrarna görs roterbar och tjänar till att ställa pekaren till nollläget på skalan i frånvaro av ström.
Som i andra pekinstrument kan skalan , förutom gradering, ha en spegel för att öka noggrannheten vid avläsning av instrumentets avläsningar , i vilken del av instrumentets pekare reflekteras. Spegeln underlättar korrekt placering av betraktarens öga, i vilken blickriktningen är vinkelrät mot skalans plan.

Spegelgalvanometer

Stor mätnoggrannhet, såväl som pilens högsta reaktionshastighet, kan uppnås med en spegelgalvanometer, där en liten spegel används som pekare. Pilens roll spelas av en ljusstråle som reflekteras från spegeln. Spegelgalvanometern uppfanns 1826 av Johann Christian Poggendorf .

Spegelgalvanometrar användes i stor utsträckning inom vetenskapen innan mer pålitliga och stabila elektroniska förstärkare uppfanns . De används mest som inspelningsenheter i seismometrar och ubåtskommunikationskablar . För närvarande används höghastighetsspegelgalvanometrar i lasershower för att flytta laserstrålar och skapa färgglada former i röken runt publiken. Vissa typer av sådana galvanometrar används för lasermärkning av olika saker: från handverktyg till halvledarkristaller .

Applikation

Mätinstrument

Galvanometern är den grundläggande byggstenen för att bygga andra mätinstrument . På basis av en galvanometer är det möjligt att bygga en amperemeter och en DC voltmeter med en godtycklig mätgräns.

För att få en amperemeter är det nödvändigt att ansluta ett shuntmotstånd parallellt med galvanometern.

För att få en voltmeter måste du ansluta ett härdningsmotstånd ( extra resistans ) i serie med en galvanometer.

Om inga ytterligare motstånd är anslutna till galvanometern , kan det betraktas som både en amperemeter och en voltmeter (beroende på hur galvanometern ingår i kretsen och hur avläsningarna tolkas).

Exponeringsmätare, termometer

I kombination med en ljus ( fotodiod ) eller temperatur (termoelement) sensor kan galvanometern användas som fotografisk exponeringsmätare , temperaturskillnadsmätare, etc., respektive.

Ballistisk galvanometer

För att mäta laddningen som strömmar genom galvanometern i form av en kort enkelpuls, används en ballistisk galvanometer , där inte ramens avböjning observeras, utan dess maximala avstötning efter pulsens passage.

Nollindikator

Galvanometern används också som en indikator (nollindikator) på frånvaron av ström ( spänning ) i kretsar . För att göra detta utförs det vanligtvis med pilens nollposition i mitten av skalan.

Mekanisk inspelning av elektriska signaler

Galvanometrar används för att placera ritsar i oscilloskop , såsom analoga elektrokardiografer. De kan ha ett frekvenssvar på 100 Hz och en ritsavböjning på flera centimeter . I vissa fall (med en encefalograf) är galvanometrarna så starka att de skrivare som är i direkt kontakt med papperet rör sig. Deras skrivmekanism kan baseras på flytande bläck eller på upphettade ritsar som rör sig på termiskt papper. I andra fall behöver galvanometrarna inte vara så starka: kontakten med papperet sker med jämna mellanrum, så det krävs mindre ansträngning för att flytta skrivarna.

Optisk skanning

Spegelgalvanometersystem används för positionering i laseroptiska system. Dessa är vanligtvis högeffektsmaskiner med ett frekvenssvar som överstiger 1 kHz .

Nuvarande tillstånd

I moderna förhållanden ersätter analog-till-digital-omvandlare och enheter med digital signalbehandling och numerisk indikering av värden galvanometrar som mätinstrument, särskilt som en del av universella ( avometrar ) och under mekaniskt svåra driftsförhållanden.

Mottagning, lagring och bearbetning av data i datorsystem i termer av flexibilitet överstiger avsevärt alla metoder för att fixera elektriska signaler av inspelare på papper.

Spegelgalvanometrar förlorade också sin betydelse i skanningssystem, först med tillkomsten av katodstråleanordningar, och, vid behov, kontroll av externt ljusflöde med tillkomsten av effektiva piezoelektriska enheter och media med kontrollerade egenskaper (till exempel flytande kristaller ). På basis av spegelgalvanometrar produceras dock anordningar för att avleda en laserstråle inom laserteknik och installationer för lasershower .

Se även

E-meter

Anteckningar

↑ 1 2 Mario Gliozzi Fysikens historia - M .: Mir, 1970 - S. 252.
↑ 1 2 Galvanometer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
↑ Joseph F. Keithley. Berättelsen om elektrisk och magnetisk mätning: från 500 f.Kr. till 1940-talet. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — s. 113 Arkiverad 27 september 2021 på Wayback Machine .
↑ F. Keithley. Berättelsen om elektrisk och magnetisk mätning: från 500 f.Kr. till 1940-talet. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - sidan 114 . Hämtad 2 oktober 2017. Arkiverad från originalet 27 september 2021. (obestämd)
↑ J.Munro. Heroes of the Telegraph. - Project Gutenberg, 1999 (inte tillgänglig länk)
↑ Olika källor anger datum från 1880 till 1886. Det är troligt att den rörliga spolanordningen som patenterades av D'Arsonval 1881 förbättrades ytterligare.
↑ Joseph F. Keithley. Berättelsen om elektrisk och magnetisk mätning: från 500 f.Kr. till 1940-talet. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - s. 196 . Hämtad 2 oktober 2017. Arkiverad från originalet 27 september 2021. (obestämd)
↑ Video Arkiverad 27 augusti 2016 på Wayback Machine med en kort beskrivning av D'Arsonval-Dupré galvanometern.
↑ Mäta osynliga Weston Electrical Instrument Corporation 1938 Newark NJ - s. 22 Arkiverad 1 oktober 2021 på Wayback Machine .
↑ Galvanometer // Ordbok för naturvetenskap.
↑ Aperiodic galvanometer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och 4 extra). - St Petersburg. 1890-1907.

Litteratur

Galvanometer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
Voinarovsky P.D .,. Elektriska mätanordningar // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och 4 ytterligare). - St Petersburg. 1890-1907.
Hawkins N. . Kapitel XXVI Galvanometrar //sv:Hawkins elektriska guide . — New York: Theo. Audel & Co., 1917. Arkiverad 21 mars 2015 på Wayback Machine

Länkar

Galvanometer - artikel från Great Soviet Encyclopedia .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Stor norsk Brockhaus och Efron Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	BNF : 12306061m GND : 4155912-5 J9U : 987007558073605171 LCCN : sh85052886

Elektriska mätinstrument
Amperemeter Amperemeter voltmeter Spektrumanalysator Wattmätare Vektorskop Voltmeter Galvanoskop Galvanometer Q-meter kapacitansmätare Immittansmätare Ljudnivåmätare Mättransformator Ratiometer Motståndsbutik Megaohmmeter multimeter Ohmmeter Oscilloskop Elektrisk energimätare Fasmätare Frekvensmätare