Naprava ampermetra in voltmetra

Sprva so bili voltmetri in ampermetri samo mehanski, šele mnogo let kasneje, z razvojem mikroelektronike, so začeli izdelovati digitalne voltmetre in ampermetre. Kljub temu so še danes priljubljeni mehanski števci. V primerjavi z digitalnimi so odporni na motnje in dajejo bolj nazoren prikaz dinamike izmerjene vrednosti. Njihovi notranji mehanizmi ostajajo praktično enaki kanoničnim magnetoelektričnim mehanizmom prvih voltmetrov in ampermetrov.

V tem članku si bomo ogledali napravo tipične številčnice, tako da lahko vsak začetnik razume osnovna načela delovanja voltmetrov in ampermetrov.

Kazalec pri svojem delu uporablja magnetoelektrični princip. Trajni magnet z izrazitimi polovi je pritrjen na svoje mesto. Med temi poli je pritrjeno jekleno jedro, tako da nastane zračna reža med jedrom in polnimi deli magneta trajno magnetno polje.

V režo je vstavljen gibljiv aluminijast okvir, na katerega je navita tuljava zelo tanke žice.Okvir je pritrjen na gredi osi in se lahko vrti s škripcem. Puščica naprave je pritrjena na okvir z vijačnimi vzmetmi. Skozi vzmeti se v tuljavo dovaja tok.

Ko tok I teče skozi žico tuljave, potem, ker je tuljava postavljena v magnetno polje in tok v njenih žicah teče pravokotno in prečka magnetne silnice v reži, rotacijska sila s strani nanj bo delovalo magnetno polje. Elektromagnetna sila bo ustvarila navor M, tuljava pa se bo skupaj z okvirjem in roko zavrtela za določen kot α.

Ker je indukcija magnetnega polja v reži nespremenjena (trajni magnet), bo navor vedno sorazmeren s tokom v tuljavi, njegova vrednost pa bo odvisna od toka in od konstantnih konstrukcijskih parametrov te posebne naprave (c1 ). Ta trenutek bo enak:

Reakcijski moment, ki preprečuje vrtenje okvirja, ki je posledica prisotnosti vzmeti, bo sorazmeren kotu zasuka vzmeti, to je kotu vrtenja puščice, povezane z gibljivim delom:

Na ta način se bo vrtenje nadaljevalo, dokler trenutek M, ki ga ustvari tok v okvirju, ne bo enak protimomentu Mpr iz vzmeti, torej dokler ne nastopi ravnovesje. Na tej točki se bo puščica ustavila:

Očitno je, da bo kot zasuka vzmeti sorazmeren s tokom okvirja (in izmerjenim tokom), zato imajo naprave magnetoelektričnega sistema enako lestvico. Faktor sorazmernosti k med kotom vrtenja puščice in enoto izmerjenega toka se imenuje občutljivost naprave.

Recipročna vrednost se imenuje delitev lestvice ali konstanta enote. Izmerjena vrednost je določena kot zmnožek vrednosti, deljen s število razdelkov lestvice.

Da bi se izognili motečim vibracijam premičnega okvirja med prehodi puščice iz enega od položajev v drugega, se v teh napravah uporabljajo magnetni indukcijski ali zračni ventili.

Dušilnik magnetne indukcije je plošča iz aluminija, ki je pritrjena na osi vrtenja naprave in se vedno premika s puščico v polju trajnega magneta. Nastali vrtinčni tokovi upočasnijo navijanje. Zaključek je, da po Lenzovem pravilu vrtinčni tokovi v plošči v interakciji z magnetnim poljem trajnega magneta, ki jih je ustvaril, ovirajo gibanje plošče in nihanje plošče. puščica hitro zamre. Vlogo takšnega amortizerja z magnetno indukcijo igra aluminijasti okvir, na katerega je navita tuljava.

Pri vrtenju okvirja se spremeni magnetni tok iz permanentnega magneta, ki prodira skozi aluminijast okvir, kar pomeni, da se v aluminijastem okvirju inducirajo vrtinčni tokovi, ki ob interakciji z magnetnim poljem permanentnega magneta delujejo zavorno in nihanje roke se ustavi.

Zračne lopute magnetoelektričnih naprav so cilindrične komore z bati, nameščenimi v notranjosti, povezane z gibljivimi sistemi naprav. Ko se gibljivi del giblje, se krilati bat ustavi v komori in nihanje igle se duši.

Da bi dosegli zahtevano merilno natančnost, naprava med meritvijo ne sme biti pod vplivom gravitacije, odklon puščice pa mora biti povezan samo z navorom, ki je posledica interakcije toka tuljave z magnetnim poljem trajnega magneta in z vzmetenje okvirja s pomočjo vzmeti.

Da bi odpravili škodljiv učinek gravitacije in se izognili s tem povezanim napakam, so gibljivemu delu naprave dodane protiuteži v obliki uteži, ki se premikajo na palicah.

Za zmanjšanje trenja so jeklene konice izdelane iz poliranega jekla, odpornega proti obrabi, ali zlitine volframa in molibdena, ležaji pa iz trdega minerala (ahat, korund, rubin itd.). Razdalja med konico in nosilnim ležajem se nastavi z nastavitvenim vijakom.

Za natančno nastavitev puščice na ničelni začetni položaj je naprava opremljena s korektorjem. Korektor v številčnici je izvit in z vzmetjo povezan s trakom. S pomočjo vijaka lahko rahlo premaknete spiralo vzdolž osi in s tem prilagodite začetni položaj puščice.

Večina sodobnih naprav ima premični del, obešen na par nategov v obliki elastičnih kovinskih trakov, ki služijo za dovod toka v tuljavo in ustvarjajo tekoči navor. Objemke so povezane s parom ravnih vzmeti, ki se nahajajo pravokotno drug na drugega.

Iskreno povedano, ugotavljamo, da poleg zgoraj opisanega klasičnega mehanizma obstajajo tudi naprave z magneti ne le v obliki črke U, temveč tudi cilindrični magneti, magneti v obliki prizme in celo z magneti z notranjim okvirjem, ki sami so lahko sami premični.

Za merjenje toka ali napetosti se magnetoelektrična naprava vključi v tokokrog enosmernega toka po vezju ampermetra ali voltmetra, razlika je le v uporu tuljave in v vezju za priključitev naprave na tokokrog. Seveda pri merjenju toka skozi tuljavo naprave ne sme teči ves izmerjeni tok, pri merjenju napetosti pa naj ne bi porabili veliko moči. Za ustvarjanje ustreznih pogojev služi dodatni upor, vgrajen v ohišje merilne naprave.

Upornost dodatnega upora v tokokrogu voltmetra večkrat presega upornost tuljave in ta upor je izdelan iz kovine z izjemno majhnim temperaturni koeficient uporakot sta manganin ali konstantan. Upor, povezan vzporedno s tuljavo v ampermetru, se imenuje shunt.

Nasprotno, upor šanta je nekajkrat manjši od upora merilne delovne tuljave, zato le majhen del izmerjenega toka prehaja skozi žico tuljave, medtem ko glavni tok teče skozi šant. Dodatni upor in shunt vam omogočata razširitev merilnega območja naprave.

Smer odstopanja puščice naprave je odvisna od smeri toka skozi merilno tuljavo, zato je pri priključitvi naprave na vezje pomembno upoštevati polarnost, sicer se bo puščica premaknila v drugo smer . V skladu s tem so magnetoelektrične naprave v kanonski obliki neprimerne za povezavo z izmeničnim tokokrogom, saj bo igla preprosto vibrirala, medtem ko bo ostala na enem mestu.

Vendar pa so prednosti magnetoelektričnih naprav (ampermetri, voltmetri) visoka natančnost, enakomernost lestvice in odpornost na motnje, ki jih povzročajo zunanja magnetna polja. Slabosti so neprimernost za merjenje izmeničnega toka (za merjenje izmeničnega toka ga je treba najprej popraviti), zahteva po upoštevanju polarnosti in občutljivost tanke žice merilne tuljave na preobremenitev.