Zařízení ampérmetru a voltmetru

Zpočátku byly voltmetry a ampérmetry pouze mechanické a až o mnoho let později s rozvojem mikroelektroniky se začaly vyrábět digitální voltmetry a ampérmetry. Nicméně i nyní jsou mechanické měřiče populární. Oproti digitálním jsou odolné proti rušení a podávají vizuálněji dynamiku měřené hodnoty. Jejich vnitřní mechanismy zůstávají prakticky stejné jako kanonické magnetoelektrické mechanismy prvních voltmetrů a ampérmetrů.

V tomto článku se podíváme na zařízení typického číselníku, aby každý začátečník pochopil základní principy fungování voltmetrů a ampérmetrů.

Ukazovátko měřící zařízení využívá při své práci magnetoelektrického principu. Permanentní magnet s výraznými pólovými nástavci je upevněn na místě. Mezi těmito póly je upevněno ocelové jádro, takže mezi jádrem a pólovými částmi magnetu je vytvořena vzduchová mezera permanentní magnetické pole.

Do mezery je vložen pohyblivý hliníkový rám, na kterém je navinutá cívka velmi tenkého drátu.Rám je upevněn na hřídelích náprav a lze jej otáčet pomocí kladky. Šipka zařízení je připevněna k rámu vinutými pružinami. Proud je přiváděn do cívky přes pružiny.

Když drátem cívky prochází proud I, pak, protože cívka je umístěna v magnetickém poli a proud v jejích drátech teče kolmo, křižuje siločáry magnetického pole v mezeře, rotující síla ze strany cívky bude na něj působit magnetické pole. Elektromagnetická síla vytvoří krouticí moment M a cívka se spolu s rámem a rukou otočí o určitý úhel α.

Protože se indukce magnetického pole v mezeře nemění (permanentní magnet), bude točivý moment vždy úměrný proudu v cívce a jeho hodnota bude záviset na proudu a na konstantních konstrukčních parametrech tohoto konkrétního zařízení (c1 ). Tento okamžik se bude rovnat:

Reakční moment bránící otáčení rámu, vyplývající z přítomnosti pružin, bude úměrný úhlu zkroucení pružin, tedy úhlu natočení šipky spojené s pohyblivou částí:

Tímto způsobem bude rotace pokračovat, dokud se moment M vytvořený proudem v rámu nebude rovnat proti momentu Mpr od pružin, tedy dokud nenastane rovnováha. V tomto bodě se šipka zastaví:

Je zřejmé, že úhel natočení pružin bude úměrný proudu v rámu (a měřenému proudu), proto mají zařízení magnetoelektrického systému stejné měřítko. Součinitel úměrnosti k mezi úhlem natočení šipky a jednotkou měřeného proudu se nazývá citlivost přístroje.

Převrácená hodnota se nazývá dělení stupnice nebo jednotková konstanta. Naměřená hodnota je určena jako součin hodnoty děleno počet dílků stupnice.

Aby nedocházelo k rušivým vibracím pohyblivého rámu při přechodech šipky z jedné její polohy do druhé, jsou u těchto zařízení použity magnetické indukční nebo vzduchové ventily.

Tlumič magnetické indukce je hliníková deska, která je upevněna na ose rotace zařízení a pohybuje se vždy se šipkou v poli permanentního magnetu. Výsledné vířivé proudy zpomalují vinutí. Závěr je takový, že podle Lenzova pravidla vířivé proudy v desce, interagující s magnetickým polem permanentního magnetu, který je generoval, brání pohybu desky a kmitání desky. šíp rychle utichne. Roli takového tlumiče s magnetickou indukcí hraje hliníkový rám, na kterém je cívka navinuta.

Při otáčení rámu se mění magnetický tok z permanentního magnetu pronikajícího do hliníkového rámu, což znamená, že se v hliníkovém rámu indukují vířivé proudy, které při interakci s magnetickým polem permanentního magnetu mají brzdný účinek, kmitání dorazu ruky.

Vzduchové tlumiče magnetoelektrických zařízení jsou válcové komory s písty umístěnými uvnitř, napojené na pohyblivé systémy zařízení. Při pohybu pohyblivé části se píst ve tvaru křídla zastaví v komoře a tlumí kmity jehly.

Aby bylo dosaženo požadované přesnosti měření, nesmí být zařízení při měření ovlivňováno gravitací a výchylka šipky musí být vztažena pouze ke kroutícímu momentu vyplývajícímu z interakce proudu cívky s magnetickým polem permanentního magnetu a s odpružení rámu pomocí pružin.

Aby se eliminoval škodlivý vliv gravitace a předešlo se s tím spojeným chybám, jsou k pohyblivé části zařízení přidána protizávaží v podobě závaží pohybujících se na tyčích.

Pro snížení tření jsou ocelové hroty vyrobeny z leštěné otěruvzdorné oceli nebo slitiny wolframu a molybdenu a ložiska z tvrdého minerálu (achát, korund, rubín atd.). Vzdálenost mezi hrotem a opěrným ložiskem se nastavuje stavěcím šroubem.

Pro přesné nastavení šipky do nulové výchozí polohy je zařízení vybaveno korektorem. Korektor v číselníku je vyšroubovaný a připojený k pásku s pružinou. Pomocí šroubu můžete mírně posunout spirálu podél osy, čímž upravíte počáteční polohu šipky.

Většina moderních zařízení má pohyblivou část zavěšenou na páru nosítek v podobě elastických kovových pásků, které slouží k přívodu proudu do cívky a vytváření tekoucího momentu. Svorky jsou spojeny dvojicí plochých pružin umístěných navzájem kolmo.

Abychom byli upřímní, poznamenáváme, že kromě klasického mechanismu diskutovaného výše existují také zařízení s magnety nejen ve tvaru U, ale také s válcovými magnety a magnety ve tvaru hranolu a dokonce s magnety s vnitřním rámem, které samy mohou být samy o sobě pohyblivé.

Pro měření proudu nebo napětí je magnetoelektrické zařízení zařazeno do stejnosměrného obvodu podle obvodu ampérmetru nebo voltmetru, rozdíl je pouze v odporu cívky a v obvodu pro připojení zařízení k obvodu. Cívkou přístroje by samozřejmě při měření proudu neměl procházet veškerý měřený proud a při měření napětí by se nemělo moc spotřebovávat. K vytvoření vhodných podmínek slouží přídavný odpor zabudovaný v krytu měřicího zařízení.

Odpor přídavného rezistoru v obvodu voltmetru mnohonásobně převyšuje odpor cívky a tento rezistor je vyroben z kovu s extrémně malým teplotní koeficient odporujako je manganin nebo konstantan. Rezistor zapojený paralelně s cívkou v ampérmetru se nazývá bočník.

Odpor bočníku je naopak několikanásobně menší než odpor měřicí pracovní cívky, drátem cívky proto prochází jen malá část měřeného proudu, zatímco bočníkem protéká hlavní proud. Přídavný odpor a bočník umožňují rozšířit rozsah měření přístroje.

Směr odchylky šipky zařízení závisí na směru proudu procházejícího měřicí cívkou, proto je při zapojování zařízení do obvodu důležité správně dodržet polaritu, jinak se šipka posune opačným směrem . V souladu s tím jsou magnetoelektrická zařízení v kanonické formě nevhodná pro připojení ke střídavému obvodu, protože jehla bude jednoduše vibrovat, zatímco zůstane na jednom místě.

K výhodám magnetoelektrických zařízení (ampérmetrů, voltmetrů) však patří vysoká přesnost, jednotnost měřítka a odolnost proti rušení generovaným vnějšími magnetickými poli. Nevýhodou je nevhodnost pro měření střídavého proudu (pro měření střídavého proudu jej budete muset nejprve usměrnit), požadavek na dodržení polarity a zranitelnost tenkého vodiče měřicí cívky na přetížení.