Dispositivo amperometro e voltmetro

Inizialmente voltmetri e amperometri erano solo meccanici e solo molti anni dopo, con lo sviluppo della microelettronica, iniziarono a essere prodotti voltmetri e amperometri digitali. Tuttavia, anche adesso i contatori meccanici sono popolari. Rispetto a quelli digitali, sono resistenti alle interferenze e danno una rappresentazione più visiva della dinamica del valore misurato. I loro meccanismi interni rimangono praticamente gli stessi dei canonici meccanismi magnetoelettrici dei primi voltmetri e amperometri.

In questo articolo esamineremo il dispositivo di un tipico quadrante, in modo che qualsiasi principiante possa comprendere i principi di base del funzionamento di voltmetri e amperometri.

Nel suo lavoro, il dispositivo di misurazione del puntatore utilizza il principio magnetoelettrico. Un magnete permanente con espansioni polari pronunciate è fissato in posizione. Un nucleo di acciaio è fissato tra questi poli in modo che si formi un traferro tra il nucleo e le parti polari del magnete campo magnetico permanente.

Nell'intercapedine è inserito un telaio mobile in alluminio, sul quale è avvolta una bobina di filo sottilissimo.Il telaio è fissato sui semiassi e può essere ruotato con la puleggia. La freccia del dispositivo è fissata al telaio con molle elicoidali. Una corrente viene fornita alla bobina attraverso le molle.

Quando una corrente I passa attraverso il filo della bobina, quindi, poiché la bobina è posta in un campo magnetico e la corrente nei suoi fili scorre perpendicolarmente, attraversando le linee del campo magnetico nello spazio, una forza rotante dal lato del campo magnetico agirà su di esso. La forza elettromagnetica creerà una coppia M e la bobina, insieme al telaio e alla mano, ruoterà di un certo angolo α.

Poiché l'induzione del campo magnetico nel traferro è invariata (magnete permanente), la coppia sarà sempre proporzionale alla corrente nella bobina, e il suo valore dipenderà dalla corrente e dai parametri costanti di progetto di questo particolare dispositivo (c1 ). Questo momento sarà uguale a:

Il momento di reazione che impedisce la rotazione del telaio, derivante dalla presenza delle molle, sarà proporzionale all'angolo di torsione delle molle, cioè all'angolo di rotazione della freccia collegata alla parte mobile:

In questo modo la rotazione continuerà fino a quando il momento M creato dalla corrente nel telaio non sarà uguale al contromomento Mpr delle molle, cioè fino a quando non si verificherà l'equilibrio. A questo punto la freccia si fermerà:

Ovviamente l'angolo di torsione delle molle sarà proporzionale alla corrente di telaio (e alla corrente misurata), motivo per cui i dispositivi del sistema magnetoelettrico hanno la stessa scala. Il fattore di proporzionalità k tra l'angolo di rotazione della freccia e l'unità della corrente misurata è chiamato sensibilità del dispositivo.

Il reciproco è chiamato divisione di scala o costante unitaria. Il valore misurato è determinato come il prodotto del valore diviso per numero di divisioni di scala.

Per evitare vibrazioni fastidiose del telaio mobile durante le transizioni della freccia da una delle sue posizioni all'altra, in questi dispositivi vengono utilizzati induzione magnetica o valvole di sfiato.

Lo smorzatore di induzione magnetica è una piastra di alluminio che è fissata sull'asse di rotazione del dispositivo e si muove sempre con la freccia nel campo di un magnete permanente. Le correnti parassite risultanti rallentano l'avvolgimento.La conclusione è che, secondo la regola di Lenz, le correnti parassite nella lamina, interagendo con il campo magnetico del magnete permanente che le ha generate, impediscono il movimento della lamina e le oscillazioni del la freccia si spegne rapidamente. Il ruolo di un tale ammortizzatore con induzione magnetica è svolto dal telaio in alluminio su cui è avvolta la bobina.

Durante la rotazione del telaio, il flusso magnetico del magnete permanente che penetra nel telaio in alluminio cambia, il che significa che nel telaio in alluminio vengono indotte correnti parassite che, interagendo con il campo magnetico del magnete permanente, hanno un effetto frenante e il le oscillazioni della mano si fermano.

Le serrande aria dei dispositivi magnetoelettrici sono camere cilindriche con pistoni posti all'interno, collegate ai sistemi di movimento dei dispositivi. Quando la parte mobile è in movimento, il pistone ad ala viene fermato nella camera e le oscillazioni dell'ago vengono smorzate.

Per ottenere la precisione di misurazione richiesta, il dispositivo non deve essere influenzato dalla gravità durante la misurazione e la deflessione della freccia deve essere correlata solo alla coppia risultante dall'interazione della corrente della bobina con il campo magnetico del magnete permanente e con sospensione del telaio tramite molle.

Per eliminare l'effetto dannoso della gravità ed evitare gli errori associati, alla parte mobile del dispositivo vengono aggiunti contrappesi sotto forma di pesi che si muovono su aste.

Per ridurre l'attrito, le punte in acciaio sono realizzate in acciaio lucido resistente all'usura o lega di tungsteno-molibdeno e i cuscinetti sono realizzati in minerale duro (agata, corindone, rubino, ecc.). La distanza tra la punta e il cuscinetto di supporto viene regolata con una vite di fermo.

Per impostare con precisione la freccia nella posizione di partenza zero, il dispositivo è dotato di un correttore. Il correttore nel quadrante è a vite e collegato a un cinturino con una molla. Usando una vite, puoi spostare leggermente la spirale lungo l'asse, regolando così la posizione iniziale della freccia.

La maggior parte dei dispositivi moderni ha una parte mobile sospesa a una coppia di barelle sotto forma di bande metalliche elastiche che servono per fornire corrente alla bobina e creare una coppia fluida. I morsetti sono collegati da una coppia di molle piatte poste perpendicolarmente l'una all'altra.

Ad onor del vero, notiamo che oltre al classico meccanismo discusso sopra, esistono anche dispositivi con magneti non solo a forma di U, ma anche cilindrici, e prismatici, e persino con magneti con cornice interna, che a loro volta possono essere essi stessi mobili.

Per misurare la corrente o la tensione, il dispositivo magnetoelettrico è incluso nel circuito CC secondo il circuito dell'amperometro o del voltmetro, la differenza è solo nella resistenza della bobina e nel circuito per collegare il dispositivo al circuito. Ovviamente, tutta la corrente misurata non dovrebbe passare attraverso la bobina del dispositivo durante la misurazione della corrente e durante la misurazione della tensione non dovrebbe essere consumata molta energia. Un resistore aggiuntivo integrato nell'alloggiamento del dispositivo di misurazione serve a creare condizioni adeguate.

La resistenza del resistore aggiuntivo nel circuito del voltmetro supera di molte volte la resistenza della bobina e questo resistore è realizzato in metallo con un estremamente piccolo coefficiente di temperatura della resistenzacome manganina o costantana. Il resistore collegato in parallelo con la bobina nell'amperometro è chiamato shunt.

La resistenza dello shunt, al contrario, è parecchie volte inferiore alla resistenza della bobina di lavoro di misura, quindi solo una piccola parte della corrente misurata passa attraverso il filo della bobina, mentre la corrente principale scorre attraverso lo shunt. Un resistore e uno shunt aggiuntivi consentono di espandere il campo di misurazione del dispositivo.

La direzione di deviazione della freccia del dispositivo dipende dalla direzione della corrente attraverso la bobina di misura, pertanto, quando si collega il dispositivo al circuito, è importante osservare correttamente la polarità, altrimenti la freccia si sposterà nella direzione opposta . Di conseguenza, i dispositivi magnetoelettrici in forma canonica non sono adatti per il collegamento a un circuito CA, poiché l'ago vibrerà semplicemente pur rimanendo in un punto.

Tuttavia, i vantaggi dei dispositivi magnetoelettrici (amperometri, voltmetri) includono l'elevata precisione, l'uniformità di scala e la resistenza ai disturbi generati da campi magnetici esterni. Gli svantaggi sono l'inadeguatezza alla misurazione della corrente alternata (per misurare la corrente alternata, è necessario prima rettificarla), l'obbligo di osservare la polarità e la vulnerabilità del filo sottile della bobina di misura al sovraccarico.