Amperemeter- und Voltmetergerät

Ursprünglich waren Voltmeter und Amperemeter nur mechanisch, und erst viele Jahre später, mit der Entwicklung der Mikroelektronik, begann man mit der Produktion digitaler Voltmeter und Amperemeter. Dennoch erfreuen sich mechanische Zähler auch heute noch großer Beliebtheit. Im Vergleich zu digitalen sind sie störsicherer und geben die Dynamik des Messwertes besser anschaulich wieder. Ihre internen Mechanismen bleiben praktisch die gleichen wie die kanonischen magnetoelektrischen Mechanismen der ersten Voltmeter und Amperemeter.

In diesem Artikel betrachten wir das Gerät eines typischen Zifferblatts, damit jeder Anfänger die Grundprinzipien der Funktionsweise von Voltmetern und Amperemetern verstehen kann.

Das Zeigermessgerät nutzt bei seiner Arbeit das magnetoelektrische Prinzip. Ein Permanentmagnet mit ausgeprägten Polstücken ist fixiert. Zwischen diesen Polen ist ein Stahlkern befestigt, sodass zwischen dem Kern und den Polteilen des Magneten ein Luftspalt entsteht Permanentmagnetfeld.

In den Spalt wird ein beweglicher Aluminiumrahmen eingesetzt, auf den eine Spule aus sehr dünnem Draht gewickelt ist.Der Rahmen ist auf den Achswellen befestigt und kann mit der Riemenscheibe gedreht werden. Der Pfeil des Geräts ist mit Schraubenfedern am Rahmen befestigt. Über die Federn wird der Spule Strom zugeführt.

Wenn ein Strom I durch den Draht der Spule fließt, entsteht eine rotierende Kraft von der Seite der Spule, da sich die Spule in einem Magnetfeld befindet und der Strom in ihren Drähten senkrecht fließt und die magnetischen Feldlinien im Spalt kreuzt Darauf wirkt ein Magnetfeld. Die elektromagnetische Kraft erzeugt ein Drehmoment M und die Spule dreht sich zusammen mit dem Rahmen und der Hand um einen bestimmten Winkel α.

Da die Induktion des Magnetfelds im Spalt unverändert bleibt (Permanentmagnet), ist das Drehmoment immer proportional zum Strom in der Spule und sein Wert hängt vom Strom und von den konstanten Konstruktionsparametern dieses bestimmten Geräts ab (c1). ). Dieser Moment wird gleich sein:

Das durch das Vorhandensein von Federn verursachte Reaktionsmoment, das die Drehung des Rahmens verhindert, ist proportional zum Torsionswinkel der Federn, d. h. zum Drehwinkel des mit dem beweglichen Teil verbundenen Pfeils:

Auf diese Weise wird die Drehung fortgesetzt, bis das durch den Strom im Rahmen erzeugte Moment M gleich dem Gegenmoment Mpr der Federn ist, d. h. bis ein Gleichgewicht eintritt. An diesem Punkt stoppt der Pfeil:

Offensichtlich ist der Verdrehungswinkel der Federn proportional zum Rahmenstrom (und zum gemessenen Strom), weshalb die Geräte des magnetoelektrischen Systems den gleichen Maßstab haben. Der Proportionalitätsfaktor k zwischen dem Drehwinkel des Pfeils und der Einheit des gemessenen Stroms wird als Empfindlichkeit des Geräts bezeichnet.

Der Kehrwert wird Skalenteilung oder Einheitskonstante genannt. Der Messwert wird als Produkt aus Wert dividiert durch ermittelt Anzahl der Skalenteilungen.

Um störende Vibrationen des beweglichen Rahmens beim Übergang des Pfeils von einer seiner Positionen in eine andere zu vermeiden, werden bei diesen Geräten magnetische Induktions- oder Luftventile eingesetzt.

Der magnetische Induktionsdämpfer ist eine Platte aus Aluminium, die auf der Drehachse des Geräts befestigt ist und sich immer mit dem Pfeil im Feld eines Permanentmagneten bewegt. Die resultierenden Wirbelströme verlangsamen die Wicklung. Die Schlussfolgerung ist, dass nach der Lenzschen Regel die Wirbelströme in der Platte in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten, der sie erzeugt hat, die Bewegung der Platte und deren Schwingungen behindern Der Pfeil stirbt schnell ab. Die Rolle eines solchen Stoßdämpfers mit magnetischer Induktion übernimmt der Aluminiumrahmen, auf den die Spule gewickelt ist.

Beim Drehen des Rahmens verändert sich der magnetische Fluss des den Aluminiumrahmen durchdringenden Permanentmagneten, wodurch im Aluminiumrahmen Wirbelströme induziert werden, die im Zusammenspiel mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten eine bremsende Wirkung entfalten Schwingungen des Zeigerstopps.

Luftdämpfer magnetoelektrischer Geräte sind zylindrische Kammern mit darin angeordneten Kolben, die mit den Bewegungssystemen der Geräte verbunden sind. Bei der Bewegung des beweglichen Teils wird der flügelförmige Kolben in der Kammer gestoppt und die Schwingungen der Nadel gedämpft.

Um die erforderliche Messgenauigkeit zu erreichen, darf das Gerät während der Messung nicht durch die Schwerkraft beeinflusst werden und die Pfeilauslenkung darf nur auf das Drehmoment bezogen sein, das sich aus der Wechselwirkung des Spulenstroms mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten und mit ergibt Aufhängung des Rahmens mittels Federn.

Um den schädlichen Einfluss der Schwerkraft zu eliminieren und die damit verbundenen Fehler zu vermeiden, werden dem beweglichen Teil des Geräts Gegengewichte in Form von auf Stangen beweglichen Gewichten hinzugefügt.

Um die Reibung zu reduzieren, bestehen die Stahlspitzen aus poliertem, verschleißfestem Stahl oder einer Wolfram-Molybdän-Legierung und die Lager aus hartem Mineral (Achat, Korund, Rubin usw.). Der Abstand zwischen Spitze und Stützlager wird mit einer Stellschraube eingestellt.

Um den Pfeil genau auf die Null-Startposition zu bringen, ist das Gerät mit einem Korrektor ausgestattet. Der Korrektor im Zifferblatt ist herausschraubbar und über eine Feder mit einem Armband verbunden. Mit einer Schraube können Sie die Spirale entlang der Achse leicht verschieben und so die Ausgangsposition des Pfeils anpassen.

Die meisten modernen Geräte verfügen über einen beweglichen Teil, der in Form von elastischen Metallbändern an zwei Tragen aufgehängt ist und dazu dient, die Spule mit Strom zu versorgen und ein fließendes Drehmoment zu erzeugen. Die Klemmen sind durch ein Paar senkrecht zueinander angeordneter Flachfedern verbunden.

Ehrlich gesagt stellen wir fest, dass es neben dem oben besprochenen klassischen Mechanismus auch Geräte mit nicht nur U-förmigen Magneten, sondern auch zylindrischen Magneten und prismenförmigen Magneten und sogar mit Magneten mit Innenrahmen gibt, die selbst können selbst beweglich sein.

Um Strom oder Spannung zu messen, wird das magnetoelektrische Gerät entsprechend dem Amperemeter- oder Voltmeter-Stromkreis in den Gleichstromkreis eingebunden, der Unterschied besteht nur im Widerstand der Spule und im Stromkreis zum Anschluss des Geräts an den Stromkreis. Natürlich sollte bei der Strommessung nicht der gesamte gemessene Strom durch die Spule des Geräts fließen und bei der Spannungsmessung sollte nicht viel Strom verbraucht werden. Zur Schaffung geeigneter Verhältnisse dient ein zusätzlicher im Gehäuse des Messgerätes eingebauter Widerstand.

Der Widerstandswert des zusätzlichen Widerstands im Voltmeterkreis übersteigt den Widerstand der Spule um ein Vielfaches, und dieser Widerstand besteht aus Metall mit extrem kleinem Durchmesser Temperaturkoeffizient des Widerstandswie Manganin oder Konstantan. Der parallel zur Spule im Amperemeter geschaltete Widerstand wird als Shunt bezeichnet.

Der Widerstand des Shunts hingegen ist um ein Vielfaches geringer als der Widerstand der Messarbeitsspule, daher fließt nur ein kleiner Teil des gemessenen Stroms durch den Spulendraht, während der Hauptstrom durch den Shunt fließt. Durch einen zusätzlichen Widerstand und Shunt können Sie den Messbereich des Geräts erweitern.

Die Richtung der Abweichung des Pfeils des Geräts hängt von der Richtung des Stroms durch die Messspule ab. Daher ist es beim Anschließen des Geräts an den Stromkreis wichtig, die richtige Polarität zu beachten, da sich der Pfeil sonst in die andere Richtung bewegt . Dementsprechend sind magnetoelektrische Geräte in kanonischer Form für den Anschluss an einen Wechselstromkreis ungeeignet, da die Nadel einfach vibriert, während sie an einer Stelle bleibt.

Zu den Vorteilen magnetoelektrischer Geräte (Amperemeter, Voltmeter) zählen jedoch die hohe Genauigkeit, die Einheitlichkeit der Skala und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen durch externe Magnetfelder. Die Nachteile sind die Ungeeignetheit zur Messung von Wechselstrom (zur Messung von Wechselstrom muss dieser zunächst gleichgerichtet werden), die Notwendigkeit, auf die Polarität zu achten, und die Anfälligkeit des dünnen Drahtes der Messspule gegenüber Überlastung.