Гальванометр - что измеряет и как работает

В электрических схемах зачастую требуется применение различных приборов, способных измерить параметры сети, такие как I, U или сопротивление. Для подобного вида замеров применяются либо универсальные устройства типа тестеров, либо вольтметры, амперметры, омметры либо специальные гальванометры.

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.

Где:

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):

• Земли.
• наведенное протекающим I.

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:

• Петлевые.
• Рамочные.

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.