Что такое метр?

метр Любое устройство, созданное для точного обнаружения и отображения электрической величины в форме, читаемой человеком. Обычно эта «читаемая форма» является визуальной:движение указателя на шкале, серия огней, образующих «гистограмму», или какое-то отображение, состоящее из числовых цифр. При анализе и тестировании цепей существуют измерители, предназначенные для точного измерения основных величин напряжения, тока и сопротивления. Есть много других типов счетчиков, но в этой главе в основном рассматривается конструкция и работа трех основных.

Большинство современных счетчиков имеют «цифровую» конструкцию, что означает, что их читаемый дисплей представляет собой числовые цифры. Старые конструкции счетчиков являются механическими по своей природе, в них используется какое-то стрелочное устройство для отображения количества измерений. В любом случае принципы, применяемые при адаптации устройства отображения для измерения (относительно) больших величин напряжения, тока или сопротивления, одинаковы.

Что такое движение счетчика?

Механизм отображения счетчика часто называют движением . , заимствуя его механическую природу, чтобы перемещать указатель на шкале, чтобы можно было прочитать измеренное значение. Хотя современные цифровые счетчики не имеют движущихся частей, термин «движение» может применяться к тому же базовому устройству, которое выполняет функцию отображения.

Движение электромагнитного измерителя

Проектирование цифровых «механизмов» выходит за рамки этой главы, но конструкция механических движений счетчика очень понятна. Большинство механических движений основано на принципе электромагнетизма:электрический ток через проводник создает магнитное поле, перпендикулярное оси потока тока. Чем больше электрический ток, тем сильнее создается магнитное поле.

Если магнитному полю, сформированному проводником, разрешено взаимодействовать с другим магнитным полем, между двумя источниками полей будет возникать физическая сила. Если один из этих источников может свободно перемещаться относительно другого, это будет происходить по мере того, как через провод проходит ток, причем движение (обычно против сопротивления пружины) пропорционально силе тока.

Первые построенные измерители были известны как гальванометры . , и обычно разрабатывались с учетом максимальной чувствительности. Очень простой гальванометр может быть сделан из намагниченной иглы (такой как стрелка магнитного компаса), подвешенной на веревке и помещенной в катушку с проволокой. Ток через катушку с проволокой создает магнитное поле, которое отклоняет стрелку от направления в направлении магнитного поля земли. Старинный струнный гальванометр показан на следующей фотографии:

Такие инструменты были полезны в свое время, но им мало места в современном мире, кроме как для проверки концепции и элементарных экспериментальных устройств. Они очень восприимчивы к любому движению и к любым возмущениям в естественном магнитном поле Земли. Термин «гальванометр» обычно относится к любой конструкции электромагнитного механизма измерения, созданной для обеспечения исключительной чувствительности, и не обязательно к грубому устройству, подобному изображенному на фотографии.

Практические движения электромагнитного счетчика теперь могут быть выполнены, когда поворотная катушка с проволокой подвешена в сильном магнитном поле, защищенном от большинства внешних воздействий. Такая конструкция прибора обычно известна как подвижная катушка с постоянным магнитом . или PMMC движение:

На изображении выше «стрелка» движения измерителя показана примерно на 35% от полной шкалы, при этом ноль находится слева от дуги, а полная шкала - полностью справа от дуги. Увеличение измеряемого тока приведет к тому, что игла будет указывать дальше вправо, а уменьшение приведет к тому, что игла опустится обратно к своей точке покоя слева. Дуга на дисплее измерителя помечена числами, чтобы указать значение измеряемой величины, какой бы она ни была.

Другими словами, если требуется ток 50 мкА, чтобы переместить стрелку полностью вправо (что делает это «полное движение 50 мкА»), на шкале будет записано 0 мкА на самом левом конце и 50 мкА на крайнем левом конце. очень справа, 25 мкА отмечены в середине шкалы. По всей вероятности, шкала будет разделена на гораздо более мелкие градуированные отметки, вероятно, каждые 5 или 1 мкА, чтобы каждый, кто наблюдает за движением, мог сделать более точные показания по положению иглы.

Движение счетчика будет иметь пару металлических клемм на задней панели для входа и выхода тока. Большинство движений измерителя чувствительны к полярности:одно направление тока перемещает стрелку вправо, а другое - влево. На некоторых измерительных приборах стрелка находится в центре спирали шкалы, а не слева, что позволяет проводить измерения любой полярности:

Обычные чувствительные к полярности механизмы включают конструкции Д’Арсонваля и Вестона, оба прибора типа PMMC. Ток в одном направлении через проволоку будет вызывать вращающий момент по часовой стрелке на игольчатом механизме, тогда как ток в другом направлении будет создавать вращающий момент против часовой стрелки.

Некоторые движения счетчика имеют полярность- в чувствительный, полагающийся на притяжение немагниченной подвижной железной лопасти к неподвижному токонесущему проводу для отклонения иглы. Такие счетчики идеально подходят для измерения переменного тока (AC). Чувствительное к полярности движение будет просто бесполезно вибрировать взад и вперед, если оно подключено к источнику переменного тока.

Движение измерителя статического электричества

В то время как большинство механических перемещений счетчика основаны на электромагнетизме (поток тока через проводник, создающий перпендикулярное магнитное поле), некоторые из них основаны на электростатике:то есть силе притяжения или отталкивания, создаваемой электрическими зарядами в пространстве. То же самое происходит с некоторыми материалами (такими как воск и шерсть) при трении друг о друга. Если напряжение приложено между двумя проводящими поверхностями через воздушный зазор, возникнет физическая сила, притягивающая две поверхности вместе, способная привести в движение какой-то индикаторный механизм.

Эта физическая сила прямо пропорциональна напряжению, приложенному между пластинами, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами. Сила также не зависит от полярности, что делает этот тип движения измерителя нечувствительным к полярности:

К сожалению, сила, создаваемая электростатическим притяжением, очень малый для обычных напряжений. Фактически, он настолько мал, что такие конструкции движения счетчика непрактичны для использования в обычных измерительных приборах. Обычно движения электростатического измерителя используются для измерения очень высоких напряжений (многие тысячи вольт).

Однако одним большим преимуществом движения электростатического измерителя является тот факт, что он имеет чрезвычайно высокое сопротивление, тогда как электромагнитные движения (которые зависят от протекания тока через провод для создания магнитного поля) имеют гораздо меньшее сопротивление. Как мы увидим позже, большее сопротивление (приводящее к меньшему току, потребляемому от тестируемой цепи) дает лучший вольтметр.

Электронно-лучевая трубка

Гораздо более распространенное применение измерения электростатического напряжения наблюдается в устройстве, известном как электронно-лучевая трубка . или CRT . Это специальные стеклянные трубки, очень похожие на трубки телевизионных экранов. В электронно-лучевой трубке пучок электронов, движущийся в вакууме, отклоняется от своего курса под действием напряжения между парами металлических пластин по обе стороны от пучка.

Поскольку электроны заряжены отрицательно, они, как правило, отталкиваются отрицательной пластиной и притягиваются к положительной пластине. Изменение полярности напряжения на двух пластинах приведет к отклонению электронного луча в противоположном направлении, что делает этот тип измерителя чувствительным к полярности «движения»:

Электроны, имеющие гораздо меньшую массу, чем металлические пластины, очень быстро и легко перемещаются под действием этой электростатической силы. Их отклоненный путь можно проследить, когда электроны сталкиваются со стеклянным концом трубки, где они сталкиваются с покрытием из фосфорного химического вещества, испуская свечение света, видимое за пределами трубки. Чем больше напряжение между отклоняющими пластинами, тем дальше электронный луч будет «изгибаться» от своего прямого пути, и тем дальше будет видно светящееся пятно от центра на конце трубки.

Фотография ЭЛТ показана здесь:

В реальном ЭЛТ, как показано на фотографии выше, есть две пары отклоняющих пластин, а не одна. Чтобы электронный луч можно было охватить по всей площади экрана, а не только по прямой, луч должен отклоняться более чем в одном измерении.

Хотя эти трубки способны точно регистрировать небольшие напряжения, они громоздки и требуют электроэнергии для работы (в отличие от электромагнитных измерительных механизмов, которые более компактны и приводятся в действие силой измеряемого сигнального тока, проходящего через них). К тому же они намного более хрупкие, чем другие типы приборов учета электроэнергии. Обычно электронно-лучевые трубки используются в сочетании с точными внешними цепями для формирования более крупного испытательного оборудования, известного как осциллограф . , который имеет возможность отображать график изменения напряжения во времени, чрезвычайно полезный инструмент для определенных типов цепей, в которых уровни напряжения и / или тока динамически меняются.

Полномасштабная индикация

Независимо от типа измерителя или размера его движения, для получения полной шкалы необходимо иметь номинальное значение напряжения или тока. При электромагнитных движениях это будет «ток полного отклонения», необходимый для вращения стрелки так, чтобы она указывала на точный конец шкалы индикации. При электростатических движениях полномасштабный рейтинг будет выражен как значение напряжения, приводящее к максимальному отклонению иглы, приводимой в действие пластинами, или значение напряжения в электронно-лучевой трубке, которое отклоняет электронный луч к краю индикаторный экран. В цифровых «движениях» это величина напряжения, приводящая к индикации «полного счета» на числовом дисплее:когда цифры не могут отобразить большее количество.

Задача разработчика измерителя состоит в том, чтобы взять данное движение измерителя и спроектировать необходимую внешнюю схему для полной индикации при некотором заданном значении напряжения или тока. Большинство перемещений измерителя (за исключением электростатических перемещений) довольно чувствительны и дают полную шкалу только при небольшой доле вольта или ампера. Это непрактично для большинства задач измерения напряжения и тока. Технику часто требуется измеритель, способный измерять высокие напряжения и токи.

Сделав движение чувствительного измерителя частью цепи делителя напряжения или тока, полезный диапазон измерения механизма может быть расширен для измерения гораздо более высоких уровней, чем то, что может указывать только движение. Прецизионные резисторы используются для создания цепей делителей, необходимых для соответствующего деления напряжения или тока. Один из уроков, которые вы извлечете из этой главы, - это то, как спроектировать эти схемы делителя.

ОБЗОР:

• « движение ”- это механизм отображения метра.
• Электромагнитные движения работают по принципу магнитного поля, создаваемого электрическим током по проводу. Примеры перемещений электромагнитных счетчиков включают конструкции Д’Арсонваля, Вестона и конструкции с железной лопастью.
• Электростатические движения работают по принципу физической силы, создаваемой электрическим полем между двумя пластинами.
• Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют электростатическое поле для изменения пути электронного луча, обеспечивая индикацию положения луча с помощью света, создаваемого, когда луч попадает на конец стеклянной трубки.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочая таблица по проектированию амперметра
• Рабочий лист проектирования вольтметра